危險(xiǎn)廢物焚燒余熱鍋爐研究進(jìn)展

高 林, 張 旺, 周云峰, 張?jiān)缧?/p>

危險(xiǎn)廢物焚燒余熱鍋爐研究進(jìn)展

高 林1, 張 旺1, 周云峰2, 張?jiān)缧?

(1. 西安交通大學(xué) 化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院, 動(dòng)力工程多相流國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710049;2. 江蘇聯(lián)興成套設(shè)備制造有限公司, 江蘇 泰州 214537)

隨著我國工業(yè)的快速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)過程產(chǎn)生的危險(xiǎn)廢物(危廢)日益增多，對(duì)其進(jìn)行高效處理尤為重要。危廢焚燒具有減容、減重、無害化程度高、能回收廢物中所含的能量等優(yōu)點(diǎn)，成為危險(xiǎn)廢物無害化處理的主要途徑之一。余熱鍋爐是危廢焚燒系統(tǒng)的主要組成之一，因此基于危廢焚燒系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)余熱鍋爐的應(yīng)用和分類進(jìn)行了深入分析。著重介紹了余熱鍋爐的數(shù)值模擬及優(yōu)化、余熱鍋爐結(jié)焦與高溫腐蝕研究、余熱鍋爐段對(duì)二噁英的控制技術(shù)等研究方向的國內(nèi)外研究進(jìn)展。在此基礎(chǔ)上，對(duì)蒸汽空氣預(yù)熱技術(shù)、聯(lián)合換熱循環(huán)發(fā)展、余熱回收的梯級(jí)利用技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了介紹，為余熱鍋爐在危廢焚燒系統(tǒng)中的理論研究、工程實(shí)踐、系統(tǒng)集成運(yùn)行提供了參考。

工業(yè)危險(xiǎn)廢物；焚燒；余熱鍋爐；水冷壁；優(yōu)化

1 前言

隨著我國工業(yè)的快速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)過程排放的危險(xiǎn)廢物日益增多，危廢處置需求與處置能力不足之間的矛盾日益突出。危廢是指列入國家危險(xiǎn)廢物名錄或者根據(jù)國家規(guī)定的危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)和鑒別方法認(rèn)定的具有危險(xiǎn)特性的固體廢物[1]。危廢具有腐蝕性、毒性、易燃性、反應(yīng)性或者感染性等一種或幾種危險(xiǎn)特性，在操作、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、處理和處置不當(dāng)時(shí)會(huì)對(duì)人體健康或環(huán)境帶來重大威脅[2-3]。據(jù)相關(guān)調(diào)查，2018年我國工業(yè)危險(xiǎn)廢物量已經(jīng)超過七千萬噸。危廢焚燒具有占地少、減容減重效果明顯、無害化程度高、能回收廢物中所含的能量等優(yōu)點(diǎn)，成為危險(xiǎn)廢物無害化處理的主要途徑之一，是國家可持續(xù)發(fā)展方針的重要內(nèi)容[4]。危廢焚燒過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，因此采用余熱鍋爐是垃圾焚燒系統(tǒng)余熱回收的主要方法，直接影響系統(tǒng)的熱量利用和回收效率[5]。研究對(duì)危廢焚燒過程中余熱鍋爐的應(yīng)用和分類進(jìn)行了總結(jié)分析，重點(diǎn)闡述了在余熱鍋爐的數(shù)值模擬及優(yōu)化、積灰結(jié)焦與高溫腐蝕、二噁英等污染物的控制技術(shù)等國內(nèi)外研究進(jìn)展。在此基礎(chǔ)上，對(duì)在余熱鍋爐中應(yīng)用的蒸汽空氣預(yù)熱技術(shù)、聯(lián)合換熱循環(huán)發(fā)展、余熱回收的梯級(jí)利用技術(shù)等進(jìn)行了系統(tǒng)分析，為余熱鍋爐的新技術(shù)開發(fā)提供參考。

2 余熱鍋爐的應(yīng)用及分類

2.1 余熱鍋爐的應(yīng)用

危廢垃圾焚燒廠的工藝流程如圖1所示[6]。余熱鍋爐作為危廢焚燒系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié)，其上游連接危廢焚燒爐，下游連接煙氣急冷及尾氣處理裝置[7]。傳統(tǒng)的余熱鍋爐內(nèi)置在煙道內(nèi)的蒸發(fā)換熱管束的換熱會(huì)使得周圍爐墻的溫度過高，造成爐墻材料損壞、熱量通過爐墻散熱損失高以及密封性能不好鍋爐漏風(fēng)量大等問題。因此目前在危廢焚燒系統(tǒng)中密封和保溫性能更好的水冷壁余熱鍋爐應(yīng)用較為廣泛[8]。水冷壁全稱“水冷壁管”，它由數(shù)排鋼管組成，通常垂直鋪設(shè)在爐墻內(nèi)壁面上，其內(nèi)部為流動(dòng)的水或蒸汽，用來吸收爐內(nèi)火焰和高溫?zé)煔馑懦鲚椛錈岬腻仩t受熱面，亦為余熱鍋爐水循環(huán)回路中的基本部件，兼有冷卻和保護(hù)爐墻的作用。在大容量鍋爐中，爐內(nèi)火焰溫度很高，熱輻射的強(qiáng)度很大，鍋爐中有40%～50%甚至更多的熱量由水冷壁所吸收。

圖1 危險(xiǎn)廢物垃圾焚燒廠的工藝流程[6]

2.2 余熱鍋爐的分類

余熱鍋爐可以按照水冷壁受熱面的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分類，可以分為光管水冷壁、銷釘水冷壁、膜式水冷壁以及內(nèi)螺紋水冷壁。

如圖2所示，光管水冷壁一般由無縫鋼管構(gòu)成。銷釘水冷壁指在水冷壁管上焊接許多長20～25 mm，直徑6～12 mm的銷釘，然后敷上鉻礦砂耐火涂料，以減少水冷壁該部位的吸熱量，提高爐內(nèi)燃燒區(qū)溫度，適用于燃料著火特別困難的場(chǎng)合或某些液態(tài)排渣爐、旋風(fēng)爐或者固態(tài)排渣煤粉爐[9]。膜式水冷壁是把許多軋制好的水冷壁鰭片管用點(diǎn)焊互相焊接在一起，使其成為一個(gè)密封的氣密式組合受熱面[10]。優(yōu)點(diǎn)是爐膛的氣密性好、漏風(fēng)量少，排煙損失少、鍋爐熱效率高；可以減輕爐墻和保溫材料重量、簡化結(jié)構(gòu)，降低鍋爐成本；改善熱膨脹系數(shù)及燃燒工況，使?fàn)t墻不易結(jié)焦；缺點(diǎn)是管屏熱應(yīng)力分布比較復(fù)雜。各種水冷壁的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

圖2 水冷壁結(jié)構(gòu)圖

1. wall 2. insulation layer 3. refractory layer 4. pipe 5. flat steel welded finned tube 6. inner insulation layer 7. pin 8. rolling finned tube

表1 3種水冷壁的比較[9-10]

除此之外還有一種水冷壁結(jié)構(gòu)稱為內(nèi)螺紋水冷壁，是指用內(nèi)螺紋管代替普通光管的水冷壁。內(nèi)螺紋管可以抑制膜態(tài)沸騰、推遲傳熱惡化。與光管相比，螺紋管的內(nèi)螺紋一方面可使流體旋轉(zhuǎn)，增強(qiáng)管子內(nèi)壁面附近流體的擾動(dòng)，避免氣泡在管內(nèi)壁面積聚形成“汽膜”，保證管內(nèi)壁面有連續(xù)的水流冷卻；另一方面內(nèi)肋片又加大了管內(nèi)換熱面積，有利于增強(qiáng)傳熱及降低壁溫。管內(nèi)液體流過螺紋管會(huì)形成漩渦和強(qiáng)烈的擾動(dòng)，從而強(qiáng)化傳熱[9]。另外水冷壁采用了內(nèi)螺紋管，因阻力增加可以使水冷壁中的質(zhì)量流速降低，流量減少，在吸熱量不變的情況下，產(chǎn)氣量增加，循環(huán)倍率減小[11]。

3 危廢焚燒余熱鍋爐國內(nèi)外研究進(jìn)展

余熱鍋爐是危廢焚燒系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)能量梯級(jí)利用的重要一環(huán)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的節(jié)能減排至關(guān)重要。因此，對(duì)余熱鍋爐開展深入研究具有重要的意義，越來越受到各國研究人員的重視。國內(nèi)外對(duì)于余熱鍋爐在危廢焚燒系統(tǒng)中應(yīng)用的研究主要集中在：(1)余熱鍋爐數(shù)值模擬及優(yōu)化：余熱鍋爐模型簡化、內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值模擬、危廢焚燒系統(tǒng)的優(yōu)化研究；(2)余熱鍋爐結(jié)焦、高溫腐蝕與防護(hù)研究：水冷管壁磨損、鍋爐積灰及煙道結(jié)焦堵塞、高溫腐蝕機(jī)理和防腐措施；(3)二噁英等污染物的控制技術(shù)研究：危廢焚燒后的二噁英等污染氣體的排放及控制等方面的研究。下面圍繞這3個(gè)方面展開分析。

3.1 余熱鍋爐數(shù)值模擬及優(yōu)化

基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展及計(jì)算流體力學(xué)等模擬軟件的普及，許多學(xué)者對(duì)余熱鍋爐進(jìn)行了流動(dòng)與傳熱的數(shù)值模擬，研究其內(nèi)部復(fù)雜的傳熱流動(dòng)機(jī)理，得出溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的分布，優(yōu)化余熱鍋爐的結(jié)構(gòu)，從而提高鍋爐的傳熱效率。有些學(xué)者還對(duì)余熱鍋爐乃至整個(gè)焚燒系統(tǒng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行特性進(jìn)行數(shù)值模擬、建立動(dòng)態(tài)模型，研究鍋爐變工況下溫度及流場(chǎng)的變化與分布情況，為鍋爐工況的適應(yīng)及高效運(yùn)行提供了依據(jù)。

由于煙氣的成分、組分間的相互作用及爐內(nèi)流動(dòng)傳熱十分復(fù)雜，研究者在數(shù)值模擬過程中對(duì)建立的模型大都采取了合理的簡化，并選擇合適的傳熱流動(dòng)模型[12-13]。崔成云等[14]采用二維標(biāo)準(zhǔn)湍流模型對(duì)余熱鍋爐入口煙道流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值分析，受熱面采用多孔介質(zhì)進(jìn)行簡化，阻力系數(shù)根據(jù)設(shè)計(jì)人為給定。丁陽等[15]采用Realizable湍流模型對(duì)余熱鍋爐進(jìn)行數(shù)值模擬，模型沿氣流方向分為過渡段及多孔介質(zhì)兩部分。Shin等[16]采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法對(duì)余熱鍋爐的入口過渡煙道煙氣流場(chǎng)的分布進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)采用1:20比例縮小模型與數(shù)值模擬相互印證。Gomez等[17]確定了余熱鍋爐的簡化結(jié)構(gòu)，并將模擬結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證了模型簡化的合理性。張子坤[18]采用標(biāo)準(zhǔn)湍流模型對(duì)垃圾焚燒余熱鍋爐運(yùn)行工況進(jìn)行數(shù)值模擬，分析爐膛內(nèi)部流場(chǎng)、溫度場(chǎng)的分布，以及煙道內(nèi)的換熱趨勢(shì)。楊衛(wèi)宏等[19]采用貼體坐標(biāo)系統(tǒng)(BFC)對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行劃分，并對(duì)余熱鍋爐內(nèi)部溫度場(chǎng)和流場(chǎng)進(jìn)行了模擬計(jì)算。杜文靜等[20]提出了一種新的余熱鍋爐全尺寸數(shù)值模擬方法，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可靠性，證明可用于相關(guān)余熱鍋爐的數(shù)值計(jì)算中。上述工作為余熱鍋爐的模型簡化、建模方法的選擇以及模型的可行性提供了參考依據(jù)。

余熱鍋爐內(nèi)煙氣的溫度分布及速度分布對(duì)于爐內(nèi)換熱有重要影響，直接決定了余熱鍋爐的蒸汽產(chǎn)量及品質(zhì)。由于進(jìn)入余熱鍋爐的煙氣具有熱負(fù)荷不穩(wěn)定、流量變化大、有毒有害等特點(diǎn)，對(duì)余熱鍋爐內(nèi)溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)和流場(chǎng)的現(xiàn)場(chǎng)持續(xù)測(cè)量難度較大且不穩(wěn)定。因此采用數(shù)值模擬的方法模擬爐內(nèi)的流動(dòng)傳熱過程具有重要參考價(jià)值，國內(nèi)外均有對(duì)鍋爐煙氣側(cè)流動(dòng)及換熱的數(shù)值模擬研究。楊震等[21]對(duì)入口煙道進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)加裝倒流板可改善入口煙道及出口界面的速度分布均勻性。周樟華等[22]通過模擬發(fā)現(xiàn)出口煙道90度拐角對(duì)鍋爐尾部受熱部件處煙氣均勻性影響很小。聶宇宏等[23]通過模擬發(fā)現(xiàn)在余熱鍋爐煙道通流結(jié)構(gòu)加入導(dǎo)流管，氣流的均勻性大大提高，有利于余熱鍋爐均勻換熱和長期、安全、穩(wěn)定運(yùn)行。Liu等[24]通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了應(yīng)用于余熱鍋爐的帶有內(nèi)部翅片和外部翅片的翅片管的流動(dòng)和傳熱特性，并分析了外翅片高度和翅片管間距對(duì)殼側(cè)流動(dòng)和傳熱的影響。鐘崴等[25]對(duì)余熱鍋爐輻射室進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)輻射室擋板的位置和尺寸對(duì)流場(chǎng)及溫度場(chǎng)的整體形態(tài)具有決定性影響。

近年來，利用數(shù)值模擬方法對(duì)鍋爐故障預(yù)測(cè)、熱效率、灰塵沉積[26]及煙氣排放進(jìn)行計(jì)算的研究也逐漸增多。Rahimi等[27]根據(jù)余熱鍋爐溫度場(chǎng)及受力的模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在高于設(shè)計(jì)溫度下工作是過熱管故障及損壞的主要原因，并認(rèn)為數(shù)值模擬可以預(yù)測(cè)鍋爐管在傳熱傳質(zhì)過程中的損壞情況。Thiyagu等[28]發(fā)現(xiàn)在空氣預(yù)熱器后增加熱交換器可以提高鍋爐熱效率。閆丹麗等[29]以某廢熱鍋爐蒸發(fā)器為研究對(duì)象，應(yīng)用Mixture多相流模型和沸騰傳質(zhì)模型，對(duì)殼側(cè)兩相流區(qū)域的沸騰傳熱進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了兩相流區(qū)域的蒸汽體積分?jǐn)?shù)及溫度、壓力分布情況。穆林等[30]利用Eulerian-Lagrangian模型耦合飛灰沉積模型對(duì)一臺(tái)化工廢液焚燒臥式余熱鍋爐的飛灰沉積和分布進(jìn)行數(shù)值模擬，飛灰組成如表2所示。結(jié)果表明，粒子尺寸是影響沉積率以及沉積分布的主要因素，并且通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量表明，模擬結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果吻合較好。

表2 飛灰組成和含量[30]

對(duì)余熱鍋爐乃至整個(gè)焚燒系統(tǒng)整體動(dòng)態(tài)運(yùn)行特性進(jìn)行數(shù)值模擬，建立動(dòng)態(tài)模型，可為鍋爐設(shè)計(jì)及高效、穩(wěn)定運(yùn)行提供依據(jù)。賀翔宇等[31]模擬得到輻射廢熱鍋爐的溫度場(chǎng)，并進(jìn)行爐內(nèi)熔渣傳熱過程的動(dòng)態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)熔渣的半徑大小會(huì)影響流體傳熱效果。Rovaglio等[32]對(duì)回轉(zhuǎn)窯焚燒廠的焚燒和余熱回收段進(jìn)行數(shù)值建模及動(dòng)態(tài)模擬。假設(shè)燃料特性恒定，開發(fā)了通用模型程序，且模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致，因此該程序?qū)τ诠こ潭杂袑?shí)際指導(dǎo)價(jià)值。Alobaid等[33]對(duì)焚燒爐及余熱鍋爐建立整體的動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)部分負(fù)載操作，故障狀況及啟閉程序等非穩(wěn)態(tài)工況下工作過程相互影響進(jìn)行了模擬，為焚燒爐及余熱鍋爐優(yōu)化設(shè)計(jì)和優(yōu)化運(yùn)行提供了參考。Magnanelli等[34]對(duì)焚燒廠建立動(dòng)態(tài)模型，分析危險(xiǎn)廢物種類、熱值變化，工作參數(shù)波動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，驗(yàn)證模型關(guān)鍵過程參數(shù)如何影響過程輸出，分析焚燒系統(tǒng)的抗干擾能力。

目前對(duì)于余熱鍋爐的數(shù)值模擬研究主要針對(duì)鍋爐各個(gè)受熱面、管道等部件，通過數(shù)值模擬軟件對(duì)以上部分進(jìn)行模擬計(jì)算，得出溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)分布，分析現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的不足進(jìn)而提出優(yōu)化改進(jìn)的方法。但是把這些模塊綜合在一起進(jìn)行整體的數(shù)值模擬研究還較少，故后續(xù)的研究趨勢(shì)是要把余熱鍋爐的入口及過渡煙道、省煤器、蒸發(fā)器等模塊放在一起進(jìn)行綜合考慮，深入研究各個(gè)模塊之間的相互影響，對(duì)余熱鍋爐的整體進(jìn)行把控。另外，根據(jù)模擬及仿真結(jié)果預(yù)測(cè)鍋爐故障及損傷情況，及時(shí)避免損失，指導(dǎo)企業(yè)安全運(yùn)行也是下一步模擬研究的方向。

3.2 余熱鍋爐結(jié)焦堵塞、高溫腐蝕與防護(hù)研究

垃圾焚燒的燃料為工業(yè)危險(xiǎn)廢物，其中含有塑料、化工廢液、金屬、醫(yī)療品等物質(zhì)，成分復(fù)雜，且燃燒產(chǎn)生的煙氣中往往含有多種酸性氣體、鹽類物質(zhì)、飛灰顆粒[35]。這些物質(zhì)隨煙氣的流動(dòng)非常容易造成爐內(nèi)水冷壁管壁的磨損與高溫腐蝕，甚至發(fā)生爆管[36]。另外煙氣中存在大量煙塵及無機(jī)鹽黏結(jié)在窯爐或管道內(nèi)壁，容易固化形成結(jié)焦，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)氯麩煹?，影響機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，成為系統(tǒng)運(yùn)行的重要安全隱患。因此國內(nèi)外許多學(xué)者都對(duì)水冷壁的高溫腐蝕及結(jié)焦積灰的機(jī)理進(jìn)行了研究，并提出諸多防止措施和解決方案，以期保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行，防止爆管、堵塞事故的發(fā)生，降低企業(yè)的運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)。

在余熱鍋爐腐蝕機(jī)理的研究中，蔣旭光等[37]對(duì)鍋爐受熱面腐蝕進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，主要分析了氯、硫和堿金屬腐蝕3種較為常見腐蝕的發(fā)生機(jī)理及各自的影響因素。許明磊等[38]對(duì)余熱鍋爐內(nèi)部高溫腐蝕情況進(jìn)行了詳細(xì)分析，認(rèn)為氯化物氣體是引起受熱面高溫腐蝕的主要原因。Phongphiphat等[39]認(rèn)為換熱面的腐蝕常常包括了電化學(xué)反應(yīng)、化學(xué)反應(yīng)等多種反應(yīng)過程，涉及氣體、固體、液體間的復(fù)雜反應(yīng)，氯、硫和堿金屬是受熱面腐蝕的主要腐蝕介質(zhì)。Nielsen等[40]研究認(rèn)為氯腐蝕是垃圾焚燒腐蝕的主要原因，氯具有較高的活性，當(dāng)有堿金屬、硫、氧等因素存在的時(shí)候，會(huì)與氯形成協(xié)同效應(yīng)，形成熔渣，沉積于管道受熱面，對(duì)換熱面造成嚴(yán)重的腐蝕破壞。白賢祥等[41]通過對(duì)煙氣腐蝕性氣體濃度、腐蝕受熱面管材附著物、表面灰渣及壁面氣氛等分析研究，確定了余熱鍋爐高溫腐蝕類型為高溫氯化腐蝕，并分析了溫度對(duì)于腐蝕速度的影響。

減緩及防止水冷壁腐蝕對(duì)于余熱鍋爐的安全運(yùn)行具有重要意義。王小聰?shù)萚42]針對(duì)水冷壁高溫腐蝕提出了敷設(shè)耐火材料、采用表面防護(hù)如采用熱噴涂方法噴涂高鉻、鎳材料隔絕腐蝕氣體、定期清灰等水冷壁高溫氯化腐蝕相關(guān)防治措施。Liu等[43]認(rèn)為控制爐膛溫度，加強(qiáng)吹灰，保證受熱面清潔可以有效減緩高溫腐蝕。Martin等[44]提出用化學(xué)添加劑的方法降低余熱鍋爐氯化物的高溫腐蝕。Hearley等[45]報(bào)道了一種通過高速氧燃料(HVOF)熱噴涂制作防高溫氯腐蝕的涂層方法。相比于其他噴涂方法，HVOF噴涂具有高密度、低氧化水平等特點(diǎn)，所以具有更好的防腐蝕性，這種涂層沉積方法已經(jīng)有了多個(gè)高溫氧化的工業(yè)應(yīng)用實(shí)例[46]。另外還出現(xiàn)了對(duì)水冷壁表面采取堆焊、感應(yīng)重熔、低溫微熔等新型防腐措施。上述工作促進(jìn)了余熱鍋爐防腐技術(shù)的發(fā)展。

結(jié)焦在危廢焚燒余熱鍋爐中普遍存在，使鍋爐的換熱效率降低，排煙溫度升高導(dǎo)致煙氣處理系統(tǒng)負(fù)荷加大，設(shè)備運(yùn)行壽命縮短，煙氣凈化能力下降。同時(shí)結(jié)焦還會(huì)引起蒸汽溫度升高，甚至?xí)?dǎo)致汽水管爆破；且結(jié)焦往往不均勻，因而水冷壁結(jié)焦會(huì)對(duì)鍋爐的水循環(huán)安全性和水冷壁的熱偏差帶來較大影響。余熱鍋爐結(jié)焦是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程，與許多因素有關(guān)，例如危廢焚燒后灰的成分、形態(tài)、熔化特征溫度；垃圾品質(zhì)不一，實(shí)際燃燒垃圾熱值遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)值，導(dǎo)致鍋爐超溫嚴(yán)重；不合理的鍋爐結(jié)構(gòu)；鍋爐漏風(fēng)等等。

許多學(xué)者針對(duì)余熱鍋爐結(jié)焦的原因結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況，提出了應(yīng)對(duì)措施。劉潤偉[47]通過對(duì)危險(xiǎn)廢物進(jìn)行成分分析，認(rèn)為對(duì)酸性污染物氯、磷、氟的投加速率進(jìn)行有效控制，根據(jù)焚燒廢物的化學(xué)組分進(jìn)行合理配伍可以有效減少結(jié)焦。爐膛溫度分布不合理易造成結(jié)焦，因此控制爐膛溫度在合理范圍內(nèi)，避免溫度過高是防止結(jié)焦的重要措施[48-49]。良好的爐內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)，控制爐內(nèi)煙氣的流速并減少鍋爐的漏風(fēng)量也可以防止鍋爐結(jié)焦。張志超等[50]認(rèn)為加強(qiáng)煙道的清灰工作，尤其是水平煙道的定期清灰，根據(jù)配伍組分及入爐煙氣成分的變化及時(shí)調(diào)整清灰的頻率，建立相應(yīng)監(jiān)控體系可以有效預(yù)防鍋爐煙道堵塞。

綜上所述，研究者們通過實(shí)驗(yàn)與模擬相結(jié)合的方式探究余熱鍋爐結(jié)焦與腐蝕的機(jī)理和原因，提出了諸多減緩結(jié)焦及防止腐蝕的方法，極大地確保余熱鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行，減少事故發(fā)生。下一步可以進(jìn)一步探究余熱鍋爐結(jié)焦與腐蝕的機(jī)理，尋找更加高效經(jīng)濟(jì)的解決措施，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

3.3 余熱鍋爐段對(duì)二噁英等污染物的控制技術(shù)

危廢焚燒過程中產(chǎn)生的二噁英不僅對(duì)環(huán)境和人體都有巨大的危害，而且阻礙了焚燒技術(shù)的發(fā)展，因此，二噁英的控制和降解技術(shù)就顯得尤為重要[51-52]。二噁英控制技術(shù)目前主要包括廢棄物燃燒前預(yù)處理、燃燒過程控制和煙氣控制與凈化3個(gè)方面。El-Shahawi等[53]發(fā)現(xiàn)在進(jìn)入焚燒爐之前，垃圾中有一定數(shù)量的二噁英。這些二噁英在焚燒爐的熱處理過程中并沒有被完全破壞，而是繼續(xù)存在于煙道氣和飛灰中。廢棄物中最初的二噁英與垃圾的類型有關(guān)，如紡織品、醫(yī)療用品和塑料產(chǎn)品中二噁英含量較高。許多學(xué)者對(duì)二噁英生成機(jī)理進(jìn)行了深入研究，Babushok等[54]研究發(fā)現(xiàn)在理想焚燒爐條件下，當(dāng)溫度超過1 200 K時(shí)，在混合良好的塞流系統(tǒng)下，系統(tǒng)中氣相二噁英的形成極其困難。Buekens等[55]研究證明二噁英的“從頭合成”在焚燒爐的燃后區(qū)300～325 ℃達(dá)到最大。Mckay[51]認(rèn)為溫度對(duì)于二噁英的形成起主要作用，且350 ℃最適宜二噁英形成。故實(shí)施迅速冷卻技術(shù)縮短煙氣在該溫度段的停留時(shí)間，能有效降低二噁英的生成量[56-57]。

王偉[58]提出對(duì)工藝進(jìn)行改進(jìn)，把鍋爐出口500 ℃左右煙氣送入以噴水的方式與煙氣進(jìn)行快速熱量交換的急冷塔，理論上能夠使煙氣在0.22 s以內(nèi)，從500 ℃降至200 ℃以下，從而抑制二噁英的二次合成。Cunliffe等[59]模擬研究實(shí)際煙氣條件下管道積灰中的二噁英遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，表明管道積灰會(huì)為二噁英的合成提供場(chǎng)所。余熱鍋爐煙道中蒸發(fā)器、省煤器、管道及換熱面表面的飛灰[60]中含有二噁英，也含有合成二噁英所需要的主要碳源、氯源及催化劑[61]。因此，定期清除煙道中的積灰，也是減少燃燒后區(qū)域合成二噁英的重要控制手段?，F(xiàn)代煙氣處理還加入了催化劑的使用，以抑制燃燒過程及其后二噁英的生成。例如，Samaras等[62]研究表明，含硫化合物降解二噁英的能力大于98%，明顯高于降解能力為28% 的含氮化合物。故目前多數(shù)研究都集中于含硫化合物對(duì)二噁英的抑制[63-64]。通過將高硫煤與城市生活垃圾混合，利用煤中的硫化物來減少二噁英生成的研究逐漸興起[65]。

隨著環(huán)保要求不斷提高，研究者們提出了諸多二噁英的控制與減排方法，例如合理配伍、控制溫度區(qū)間及停留時(shí)間、定期清灰等，保證了危廢處理裝置的污染物排放達(dá)到國家環(huán)保的要求。下一步如何使二噁英排放達(dá)標(biāo)的同時(shí)保證鍋爐蒸汽產(chǎn)量及換熱效率，實(shí)現(xiàn)環(huán)保經(jīng)濟(jì)雙贏，也是研究人員關(guān)注的重點(diǎn)。

4 新技術(shù)在危廢焚燒系統(tǒng)中的應(yīng)用

隨著國家及社會(huì)對(duì)于危廢資源化處理的重視，許多技術(shù)都應(yīng)用到了危廢焚燒系統(tǒng)中，加快了各種技術(shù)間的相互融合與創(chuàng)新，促進(jìn)了危廢焚燒行業(yè)的快速發(fā)展。本綜述對(duì)其中應(yīng)用較為成熟的蒸汽空氣預(yù)熱技術(shù)、聯(lián)合換熱循環(huán)發(fā)展、余熱回收的梯級(jí)利用技術(shù)進(jìn)行介紹和分析。

4.1 蒸汽空氣預(yù)熱技術(shù)

由于危險(xiǎn)廢物成分復(fù)雜，含水率高，并含有大量氯、堿金屬等有害元素。這些成分在焚燒爐燃燒后產(chǎn)生氯化氫、硫氧化物、氮氧化物等酸性氣體，容易引起余熱鍋爐尾部煙道及受熱面發(fā)生腐蝕和嚴(yán)重積灰問題[66]。因此，一些危廢焚燒系統(tǒng)采用布置在鍋爐外部的蒸汽空氣預(yù)熱器來代替常規(guī)的煙氣空氣預(yù)熱器，以提高入爐一次風(fēng)溫度，來降低鍋爐尾部煙道低溫腐蝕和嚴(yán)重積灰。蒸氣空氣預(yù)熱器是指利用鍋爐過熱蒸汽或者汽泡飽和蒸汽來加熱冷空氣的裝置。冷空氣依次經(jīng)過低壓段、高壓段進(jìn)行換熱，空氣加熱到指定溫度后，作為一次風(fēng)送入爐膛助燃。

曾紀(jì)進(jìn)等[67]以一臺(tái)670 t×h-1垃圾焚燒爐為研究對(duì)象，采用汽輪機(jī)抽汽的方式在蒸汽空氣預(yù)熱器低壓段加熱冷空氣，余熱鍋爐的有效輸出熱量增加了2 947.2 kW，但采用汽輪機(jī)抽氣加熱蒸汽空氣預(yù)熱器會(huì)導(dǎo)致蒸汽做功能力的損失。朱紅芳[68]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)空氣預(yù)熱器的加熱氣源從飽和蒸汽改為汽機(jī)抽氣時(shí)，為維持垃圾處理量不變，額定蒸發(fā)量、過熱器受熱面積、過熱器阻力和省煤器受熱面積數(shù)值增大，給水流量減小。因此改變蒸汽空氣預(yù)熱器的加熱氣源需要對(duì)整臺(tái)余熱鍋爐進(jìn)行重新計(jì)算和設(shè)計(jì)，鍋爐給水量、結(jié)構(gòu)和閥門等都會(huì)出現(xiàn)相關(guān)的變化。Kessel等[69]對(duì)余熱鍋爐進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)增加空氣預(yù)熱器，可以提高回收的熱量及余熱鍋爐整體熱效率。雖然蒸汽空氣預(yù)熱器能夠有效避免鍋爐尾部煙道及受熱面發(fā)生低溫腐蝕和嚴(yán)重積灰問題，但是也會(huì)對(duì)鍋爐效率、機(jī)組效率及鍋爐過熱器和省煤器的結(jié)構(gòu)等產(chǎn)生影響。因此設(shè)計(jì)選擇合理的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)，才能提高余熱鍋爐的經(jīng)濟(jì)效益。

4.2 聯(lián)合換熱循環(huán)發(fā)展

危廢焚燒系統(tǒng)與其他項(xiàng)目聯(lián)合運(yùn)行一直是人們關(guān)注的熱點(diǎn)，受到研究者的重視。與火電廠組合運(yùn)行，利用燃?xì)廨啓C(jī)高溫排氣為焚燒廠提供額外熱源。Kessel等報(bào)道采用再熱循環(huán)系統(tǒng)，高壓汽輪機(jī)出口蒸汽返回余熱鍋爐中再次加熱到原有溫度，然后進(jìn)入汽輪機(jī)做功[70]，可以提高熱量的利用效率。例如歐洲某些國家的焚燒企業(yè)采用此工藝，可以降低燃燒過程的氧含量，并最大限度地利用煙氣余熱[71]，實(shí)現(xiàn)熱量的高效利用。與熱電廠協(xié)調(diào)運(yùn)行，Nikolic等[72]通過把廢物焚燒設(shè)施建在一個(gè)現(xiàn)有的供熱廠旁邊，采用熱電聯(lián)合系統(tǒng)，利用垃圾焚燒廠產(chǎn)生的熱能，替代熱電廠中用于地區(qū)供暖的一部分進(jìn)口天然氣。他們還評(píng)價(jià)了焚燒產(chǎn)生的能源對(duì)城市總能源的貢獻(xiàn)，該研究為危險(xiǎn)廢物焚燒企業(yè)與其他項(xiàng)目聯(lián)合發(fā)展提供了經(jīng)驗(yàn)[73-74]。

總體來說，目前國內(nèi)多數(shù)危廢焚燒企業(yè)規(guī)模較小且以處理廢物為主，蒸汽的產(chǎn)量不大，因此，產(chǎn)業(yè)聯(lián)合運(yùn)行較少。但隨著危廢產(chǎn)量逐年增長及企業(yè)規(guī)模的逐步擴(kuò)大，危廢企業(yè)與發(fā)電、供熱等項(xiàng)目的集成化運(yùn)行，不僅可以減少系統(tǒng)重疊部分的工程量及輸送過程的損耗，而且能有效提升熱量的利用效率，因此產(chǎn)業(yè)間的聯(lián)合發(fā)展勢(shì)必會(huì)得到更多關(guān)注。

4.3 余熱回收的梯級(jí)利用技術(shù)

在回轉(zhuǎn)窯焚燒系統(tǒng)中，危險(xiǎn)廢物燃燒產(chǎn)生的煙氣熱量通過二燃室后設(shè)置的余熱鍋爐回收，并產(chǎn)生低壓飽和蒸汽。蒸汽可用于余熱鍋爐給水除氧、一次風(fēng)預(yù)熱、煙氣加熱等，但在實(shí)際生產(chǎn)中，由于蒸汽用戶的局限性，特別是采暖用氣的季節(jié)性變化較大，余熱蒸汽無法完全有效利用，富余部分往往通過蒸汽冷凝器冷凝成凝結(jié)水回用，既增加了設(shè)備投資，也浪費(fèi)了能源，增加了系統(tǒng)電耗[75]。因此，開發(fā)新的余熱蒸汽利用途徑，對(duì)危險(xiǎn)廢物焚燒的余熱進(jìn)行梯級(jí)回收利用，對(duì)節(jié)能減排、降低危廢處置的成本、提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)性有著重要意義，并可以取得良好的社會(huì)效益。

由于危廢焚燒工況穩(wěn)定性較差、蒸汽產(chǎn)量波動(dòng)大、產(chǎn)生的蒸汽參數(shù)較低、汽輪機(jī)組維護(hù)和使用要求高，因此常規(guī)的汽輪發(fā)電機(jī)組不太適用于危廢焚燒廠中，可選用適應(yīng)性相對(duì)較強(qiáng)的螺桿膨脹機(jī)進(jìn)行發(fā)電。螺桿膨脹發(fā)電機(jī)組是當(dāng)今國內(nèi)外唯一能同時(shí)適用于過熱蒸汽、飽和蒸汽、汽水兩相濕蒸汽及熱水的熱動(dòng)力機(jī)，對(duì)蒸汽品質(zhì)要求不高，能夠適應(yīng)熱源參數(shù)的大范圍波動(dòng)，運(yùn)行維護(hù)簡單，因此非常適合用于危廢焚燒處置系統(tǒng)中。為了充分利用蒸汽熱焓，可以采用背壓型螺桿膨脹機(jī)替代減壓閥，既滿足了蒸汽減壓的要求，又能回收部分能量。發(fā)出的電力可以補(bǔ)充系統(tǒng)自身電耗，降低運(yùn)行成本[76]。在減少企業(yè)熱污染的同時(shí)提高了企業(yè)能源的利用效率，經(jīng)濟(jì)效益良好，也完全符合國家的節(jié)能減排政策。螺桿膨脹機(jī)發(fā)電系統(tǒng)流程圖如圖3所示[77-78]。

圖3 某企業(yè)螺桿膨脹機(jī)發(fā)電系統(tǒng)流程圖[77-78]

通過螺桿膨脹機(jī)發(fā)電的余熱回收利用后，產(chǎn)生的乏汽仍然具有一定的熱焓，如果無組織排放，不但浪費(fèi)能源，還會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生一定的影響。因此，考慮通過增加汽水換熱器設(shè)備，將乏汽中的熱能置換出來，加熱冷水，產(chǎn)生的熱水可以用于生產(chǎn)或生活用水(如職工浴室使用)。在北方供熱地區(qū)，也可以用于供熱系統(tǒng)，減少熱源供給。換熱后的水汽經(jīng)過冷凝后可以回收水分，循環(huán)使用，減少水耗[79-80]。總之，余熱梯級(jí)利用技術(shù)能夠最大限度地提高換熱效率，增加企業(yè)效益。

5 結(jié)語

危廢焚燒行業(yè)作為環(huán)保產(chǎn)業(yè)、新能源產(chǎn)業(yè)和市政基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)合，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)危廢減量化、無害化處理，減少對(duì)土地資源的依賴；還在能量回收方面起著重要作用，實(shí)現(xiàn)廢物資源的再次利用。我國的危廢焚燒產(chǎn)業(yè)正處于向資源化利用和可持續(xù)發(fā)展的轉(zhuǎn)型階段。目前，余熱鍋爐在數(shù)值模擬與優(yōu)化、積灰結(jié)焦與腐蝕、污染物控制等方面的研究有所突破和進(jìn)展，今后的研究可以參考以下幾個(gè)方面：

(1) 針對(duì)不同地區(qū)的危險(xiǎn)廢物種類、不同廢物熱值、不同工況條件及不同余熱鍋爐結(jié)構(gòu)要求等，建立通用的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則及行業(yè)規(guī)范，提高危險(xiǎn)廢物焚燒余熱鍋爐的實(shí)際應(yīng)用范圍及應(yīng)用效果。

(2) 隨著計(jì)算機(jī)和計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展，使用數(shù)值模擬方法建立危險(xiǎn)廢物焚燒余熱鍋爐計(jì)算模型，不斷提高數(shù)值模擬準(zhǔn)確性，捕捉余熱鍋爐內(nèi)部流場(chǎng)細(xì)節(jié)，為優(yōu)化余熱鍋爐換熱性能提供參考和依據(jù)。

(3) 基于大數(shù)據(jù)方法，對(duì)整個(gè)危險(xiǎn)廢物焚燒系統(tǒng)乃至整個(gè)固廢處理行業(yè)進(jìn)行運(yùn)行和數(shù)據(jù)檢測(cè)分析，確定影響換熱效率、能耗、蒸發(fā)量的關(guān)鍵控制變量，建立數(shù)據(jù)庫，對(duì)系統(tǒng)整體運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化分析，提升余熱鍋爐的控制及自動(dòng)化水平，從而達(dá)到系統(tǒng)節(jié)能及最優(yōu)運(yùn)行的目的。

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Research progress of waste heat boiler for hazardous waste incineration

GAO Lin1, ZHANG Wang1, ZHOU Yun-feng2, ZHANG Zao-xiao1

(1. School of Chemical Engineering and Technology, State Key Laboratory of Multiphase Flow for Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China;2. Jiangsu Lianxing Complete Equipment Manufacturing Co. Ltd., Taizhou 214537, China)

More and more hazardous wastes are produced in the industrial production with the rapid development of China’s industry, so it is exceptionally essential to treat them efficiently and environmentally friendly. Hazardous waste incineration has become one of the key alternatives for the treatment of hazardous wastes because of its advantages of volume reduction, weight reduction, high degree of harmlessness and recovery of energy contained in the waste. A waste heat boiler is one of main components of hazardous waste incineration system, thus the application and classification of waste heat boilers were summarized based on the development of hazardous waste incineration system. The researches on the numerical simulation and optimization of waste heat boiler, the cooking and high-temperature corrosion of waste heat boiler, and the dioxin control technology in waste heat boiler were introduced. The application of steam air preheating technology, development of combined heat transfer cycle and the waste heat recovery of cascade utilization technology were further presented. It provides a reference for theoretical research, engineering practice, and system integration operation of waste heat boilers in hazardous waste incineration systems.

industrial hazardous waste; incineration; waste heat boiler; water wall; optimization

1003-9015(2021)06-0943-12

X 705；X 706

A

10.3969/j.issn.1003-9015.2021.06.001

2021-03-22；

2021-05-19。

國家自然科學(xué)基金(51876150)。

高林(1997-)，男，山東日照人，西安交通大學(xué)碩士生。

張?jiān)缧?，E-mail：zhangzx@mail.xjtu.edu.cn