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生活垃圾焚烧锅炉基本特征及影响燃烧的主要因素
来源:垃圾发电产业网编辑:王艳红
  • 论文类型

  • 发文单位

    河北省市容环境卫生协会 吕晓平

  • 颁发时间

    2022-08-17

  • 文件号

    未知

  • 关键字

    生活垃圾焚烧锅炉基本特征及影响燃烧的主要因素

生活垃圾焚烧锅炉基本特征

及影响燃烧的主要因素

 

吕晓平   河北省市容环境卫生协会

 

摘要

本文从垃圾焚烧锅炉的燃料源头入手,通过与常规燃料、常规锅炉相比对,分析生活垃圾的成分、热值及燃烧性质,进而说明生活垃圾焚烧锅炉因此而具有的特征,根据以上特性,来分析总结影响生活垃圾焚烧锅炉影响燃烧的主要因素,目的是为生活垃圾焚烧锅炉稳定燃烧运行抛砖引玉、提供一定的借鉴(垃圾焚烧锅炉特征、影响燃烧主要因素以600t/d4.0MPa400℃、卧式炉、顺推炉排为例)。

关键词:生活垃圾、锅炉特征、影响因素、稳定燃烧。

 

一、生活垃圾的成分及热值

(一)生活垃圾定义:人们在日常生活中或为日常生活提供服务的活动中产生的固体废物,以及法律、行政法规规定视为生活垃圾的固体废物。

(二)生活垃圾是由有机物和无机物所构成。其中有机物是指含碳化合物(COCO2、碳酸、碳酸盐类、碳酸氢盐、金属碳化物、氰化物、硫氰化物等氧化物除外)或碳氢化物及其衍生物的总称,包括以碳水化合物、蛋白质、氨基酸以及脂肪等形式存在的天然有机物质,以及如塑料等人工合成有机物质。有机物中除含有碳、氢元素,有些还含氧、氮、卤素、硫和磷等元素,具有易分解、易燃或可燃的特点。

无机物指不含碳元素的化合物,但包括物质本身存在碳的氧化物、如碳酸盐、钙盐、硫酸盐、硝酸盐、氰化物等。绝大多数无机物可以归入氧化物、酸、碱、盐四大类,属不可燃物。

(三)生活垃圾物理成分。有机物包括纸类(15-30%)、橡塑类(24-29%)、织物类、木竹类(2-4%)及厨余类(45-55%)。无机物包括各类废金属、玻璃、砖瓦陶瓷等。我国生活垃圾中有机物成分占总重量75%以上并仍有上升趋势。生活垃圾是一种无固定比例、互相渗透混杂、可自发生化反应的混合物质,被誉为最难处理的废物。

(四)生活垃圾元素分析成分。生活垃圾中的化学元素成分大都以化合物形态存在于垃圾中。一般把生活垃圾中不可燃物质成分归入灰分。一般将其分为碳(C)、氢(H)、氧(O)、氮(N)、硫(S)、氯(CL)6种元素成分和灰分(A)、水分(W),并以这8种成分为基准的质量百分数计量各种成分含量。从其来源讲,可理解为是属于以湿垃圾为基准的元素成分。


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(五)生活垃圾热值。挥发分20-50%(煤6-25%)。生活垃圾在250-500℃时,挥发分析出,主要是甲烷、氢气、一氧化碳、硫化氢等可燃气体,还有少量的氧、二氧化碳、氮等不燃气体。燃烧以挥发分(气相)为主,固定碳(固相)燃烧为辅。热值4600-6500Kj/Kg(煤16700Kj/Kg)。

总结目前我国城市生活垃圾在焚烧时作为燃料的特点:一多——多成分和多形态;二高——高水分和高挥发分;三低——低热值和低固定碳。

二、生活垃圾焚烧锅炉特征

锅炉是电厂的“三大主机”设备,是电厂安全生产运行稳定的重要基础,“电厂生产运行好不好,主要看锅炉”。同样,垃圾焚烧锅炉在垃圾焚烧发电厂的生产运行中也占有举足轻重的地位。

(一)国家环保总局、科技部、建设部联合发布《城市生活垃圾处理及污染防治技术政策》(建城[2000]120号)中的62条:“垃圾焚烧目前宜采用以炉排炉为基础的成熟技术,审慎采用其它炉型的焚烧炉。禁止使用不能达到控制标准的焚烧炉”。目前焚烧炉80%及以上采用往复炉排炉。余热锅炉以卧式居多。

(二)垃圾焚烧锅炉体积相对庞大。是常规锅炉体积、使用钢材重量(受热面及钢架等)的2倍;垃圾焚烧锅炉由焚烧炉及余热锅炉组成,焚烧炉一般左、右两侧墙由空冷墙构成,前、后墙由水冷壁构成焚烧炉的前、后拱。卧式余热锅炉,一般布置四个烟道(四跨),包括三个垂直烟道和一个水平烟道。燃烧室上部空间由膜式水冷壁组成一个垂直烟道,即锅炉第一烟道,为防止水冷壁高温腐蚀和减少吸热量,保障炉膛温度850℃以上,强化燃烧,内部水冷壁用耐磨、耐腐蚀的耐火材料覆盖。第二、三烟道采用水冷壁结构,内部不敷设耐火材料。第四烟道水平布置,有蒸发器、过热器、省煤器。预热器布置在炉外、利用汽机一段抽汽及锅炉主汽或汽包饱和汽来加热。

余热锅炉主汽参数选择中温中压的或中温次高压,如:4.0MPa4006.4MPa450。额定蒸发量还要考虑锅炉抽汽量(到一、二次蒸汽预热器)的因素。

 

 

 

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(三)对流受热面的布置。一是采取稀疏布置;二是满足负荷变化比率不小于2。同时考虑高温烟气腐蚀、磨损及防止对流受热面结焦等因素,锅炉烟气出口温度一般控制在800-950℃,过热器一般布置在不高于650℃烟气条件下,过热器材质多选择为TP301SSUS301等奥氏体不锈防腐材料。省煤器出口烟气温度180-220℃。焚烧锅炉的热效率一般在75-80%

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(四)垃圾焚烧锅炉的核心--焚烧炉机械炉排(层燃)。炉排的作用是将给料器送来的垃圾在炉排上翻滚、搅拌、切割,并与一次风充分混合,使垃圾在炉排上干燥、燃烧、燃尽,最终将燃尽的垃圾形成炉渣排到除渣机。炉排根据垃圾的情况,运动速度可以调整。炉排由活动炉排及固定炉排组成,通过活动炉排的运动,炉排反复进行前进、后退动作。炉排片采用特种高铬耐热钢铸件制造。

目前,国内、外以顺推炉排为主,如:西格斯、日立造船、康恒、光大、深能源等。其次为逆推炉排,如:三菱马丁、阿尔斯通、三峰、新世纪等。

(五)对垃圾焚烧锅炉运行时间及燃烧控制参数等有特殊要求。《生活垃圾焚烧处理工程技术规范》CJJ90-2009,明确要求垃圾焚烧锅炉年运行小时8000h,其目的是为以处理生活垃圾为主、努力做到垃圾“日产日清”、一般要求“停机不停炉”;为有效防止二恶英在250-750℃的生成,炉膛控制温度850℃、烟气停留时间大于2S、足够的湍流度以及炉膛出口含氧量6-10%(“3TE”)。

垃圾焚烧处理量及锅炉蒸发量在70-110%范围内波动,在110%额定负荷运行时,每天不超过4小时。炉渣热灼减率3%。一般炉膛顶部负压控制在-100--50Pa

(六)焚烧锅炉是实现处理生活垃圾“三化”即:无害化、减量化、资源化的主要途径;是利用焚烧热能与避免热污染的核心设备,而不是以输出蒸汽为主要目的的设备。

(七)生活垃圾焚烧锅炉要处理好社会、环境与经济效益之间的关系,而不能单纯以市场+利润作为运行的基本目标。故垃圾焚烧发电厂采用单位是焚烧垃圾量(如:600t/d焚烧生产线)而不是单位发电量(如:12MW发电机组)作为量化指标基准的本源。

(八)焚烧锅炉是一种(以锅与炉组成、以水为传热工质)以输出热量载体为目的的能量转换设备,属承压类特种设备。生活垃圾焚烧锅炉属于锅炉类型的一个新类型,即要遵循锅炉基本规则,又有别于其他类型锅炉。

三、影响锅炉稳定燃烧的主要因素

(一)垃圾焚烧锅炉稳定燃烧遵循的理论依据及原则。着火的三个重要条件是:可燃物、助燃物、点火源。锅炉稳定燃烧的二个主要条件是:发热量与散热量的平衡;发热量速度大于散热量的速度。

城市生活垃圾的性质、燃烧温度、停留时间、揣流度、空气过剩系数等,其中燃烧温度、停留时间、和揣流度则被称为“3T”要素,空气过剩系数为“E”,统称为“3T+E”。反映焚烧炉性能的主要指标,同时也是垃圾焚烧炉控制的重要指标。

在对垃圾焚烧效率产生影响的众多因素中,炉温影响最为重要。较高的炉温有利于垃圾在炉内的快速充分干燥和挥发分的析出,保证热解过程的充分,并促进残碳的燃尽,从而提高垃圾的燃尽程度,满足垃圾焚烧处理的热灼减率要求。

(二)生活垃圾组分及储仓停留时间。生活垃圾的热值、组成成分及外形尺寸是影响生活垃圾焚烧的主要因素。热值越高,燃烧过程越易进行,焚烧效果也就越好。生活垃圾组成成分的尺寸越小,燃烧越完全;反之,效果较差,易发生不完全燃烧。

生活垃圾在贮坑内停留时间为3-5天较为合适,气温低和湿度大的可以适当延长停留时间。适当的储存、搅拌、抛洒、混合使垃圾充分发酵和干燥。以提高进炉垃圾的热值,改善垃圾的焚烧效果,同时亦是垃圾焚烧好坏的关键所在。

(三)推料器停留时间及行程。垃圾进入锅炉是通过推料器往返运动来实现的,故推料器的运动时间和行程,直接影响进炉的垃圾量,选择合适的推料器停留时间才能保证均匀地给料。一般采取推料器的停留时间为500s左右比较合适。但是应根据不同类型的垃圾进行调整,灵活选择合适的行程也非常重要,若行程太大,一次进入炉膛的垃圾过多,造成炉温波动大,影响焚烧效果;若行程过小,则造成供料不上或缺料。推料器的行程为600mm左右比较合适。

(四)炉内及炉排停留时间。垃圾从进料口进入干燥段到完全燃烧进入渣斗的时间,一般控制在2小时左右。为了让垃圾在炉内得到充分干燥,垃圾在第一干燥段炉排上的停留时间应在100~110秒之间比较合适;为了让垃圾在炉内充分焚烧,第二燃烧段炉排停留时间一般应在80~100秒之间比较合适;为使垃圾完全烧透,第三燃尽端炉排的停留时间应在140~160秒之间比较合适。

随着季节的变化、垃圾含水量、干燥程度、种类的不同,炉排的往复动作停留时间必须进行调整,通常在雨季和气温较低时,炉排停留的时间需适当增加。合理调整垃圾在炉内的停留时间才能使垃圾稳定燃烧。     

(五)垃圾料层。一般情况下,炉排机械负荷掌握在220-260kg/(m2.h)。料层太厚,可能导致不完全燃烧和不稳定燃烧,料层太薄又会减少焚烧炉的处理量。从垃圾干燥段到燃尽端垃圾厚度呈依次递减趋势。第一干燥段炉排料层厚度在0.8~1米之间比较合适;第二燃烧段炉排料层厚度在0.6~0.8米之间比较合适;第三燃尽端炉排料层厚度在0.2~0.4米之间比较合适。不同结构炉排及垃圾性质垃圾料层厚度也是不一样的,这要根据实际具体情况而确定。

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(六)炉膛温度。“3T+E”“红线”运行中,温度为最重要参数。一燃烧室:炉排上部及前、后拱喉部下部区域,温度1060-1100℃。二燃烧室及以上:二次风口上部到余热锅炉第一通道入口断面的空间,也是主控区温度区,烟气在850℃以上、滞留时间大于2s。炉膛出口烟温控制在800-950℃。

(七)合理配风。运行当中尽可能保持一次风温稳定且尽量提高其温度,对于稳定燃烧有着重要意义。一次风的温度越高,垃圾干燥越快,燃烧就越好,另外,炉膛温度和一次风的温度是互相影响的,炉膛温度越高,垃圾焚烧效果越好,一次温度也就越高。同时配以合理的二次风,增强炉内烟气的湍流度。

同时,炉膛温度的调整,一般可通过增减一、二次风温、风量、增减燃料量来实现的。合理调整一、二次风保持良好的垃圾与进风的充分混合。

保持炉膛出口含氧量6-10%。考虑到一、二次风与引风机风量的平衡关系,炉膛顶部负压控制在-100--50Pa

一次风:风温150-220℃、风量70%。进入干燥段、燃烧段、燃尽端分别占比15%、75%、10%。

二次风:风温150℃、风量30%。

实际生产运行中,根据具体情况,进行适当调整。

 

 

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(八)渗滤液浓液回喷。渗滤液浓液含有大量的不可降解的COD、氨氮、总氮、盐分等,浓液约占渗滤液的20-30%。通常用于飞灰螯合、石灰浆液,实际运行中,无法全部用于以上方式,剩余部分用于回喷锅炉,进行高温氧化处理,实现污水0排放。其次,可作为辅助手段参与炉膛燃烧温度控制调整。

优点:焚烧处理去除彻底、减量效果好和处理速度快;

防止焚烧炉炉膛超温、减轻结焦速度,降低因受热面结焦而导致停炉次数,增加垃圾处理量及上网电量;合理控制回喷量(一般不高于垃圾处理量的10%),找出最佳回喷量,以及适当的喷入温度,可以降低NOx排放浓度约15%(回喷可降低炉出口温度在900℃左右,SNCR适应温度,提高效率;浓液中氨氮高,氨与NOx起还原反应)。

缺点:浓液的回喷、特别是随着回喷量的增加,会使锅炉炉膛温度、蒸发量及锅炉效率降低,据估算每回喷1吨浓液,降低蒸发量1吨,降低炉效率1%;造成烟气湿度增大,烟气附着在受热面上,影响换热、造成腐蚀;造成消耗材料增加(活性炭增加,乙炔增加1倍)、厂用电增加约0.3%。

故应适度、审慎进行渗滤液浓液回喷。

(八)燃烧器的使用。燃烧器的配置原则:主、辅燃烧器总功率为锅炉功率的60%;辅助燃烧器是主燃烧器功率的2倍;每台炉分别按2台主、辅燃烧器配置。

焚烧锅炉启动时,先启动主燃烧器,按照锅炉升温曲线进行烘炉、提高炉温,当炉膛温度大于850℃时,方可投入垃圾。其二,作为稳定燃烧的辅助手段。正常运行时,垃圾品质等变化,造成焚烧炉燃烧温度低于850℃时,可联锁启动辅助燃烧器,提高、控制、稳定炉温850℃以上。

四、结论

生活垃圾焚烧锅炉,通过与常规燃料、常规锅炉相比对,分析生活垃圾的成分、热值及燃烧性质,进而说明生活垃圾焚烧锅炉因此而具有的特征,根据以上特性,来分析总结影响生活垃圾焚烧锅炉燃烧的主要因素,从垃圾成分、热值、到发酵、料层厚度、炉膛温度、停留时间、风量调整以及辅助调整、控制等方式,围绕垃圾焚烧处理“三化”无害化、减量化、资源化以及“3T+E”原则开展讨论。来指导实际垃圾焚烧锅炉的稳定燃烧调整运行,且在实践生产运行中,取得了一定效果。

 


参考文献:

[1]  周菊花   锅炉设备  中国电力出版社   2006

[2]  姜锡伦、屈卫东 锅炉设备及运行  中国电力出版社  2010.1

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[5]  王勇 垃圾焚烧发电技术及应用 中国电力出版社  2020.4

[6]  赵光杰  中国垃圾焚烧发电厂规划与设计  辽宁科学技术出版社  2020.4.1

 


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