垃圾焚燒爐運行的可控參數研究

焚燒法能夠完全消除城市生活垃圾，具有完全無害、減少副作用、顯著減少和回收的特點，近年來在中國引起了廣泛的應用。但是,在垃圾焚燒過程中會產生二惡英類有機污染物,對人和動物有劇毒,是當今已知毒性最強的有機化合物。為了控制二惡英類有機污染物的生成,需要滿足垃圾焚燒過程的“3T”準則,即焚燒垃圾需要在一定的焚燒溫度和湍流強度下停留一定的時間。其中,湍流強度和停留時間可通過爐膛結構設計保證,而垃圾的焚燒溫度需由實際運行調節。我國的城市生活垃圾目前普遍采用混合收集方式,垃圾中含有大量塑料、橡膠等燃燒后易于生成二惡英類有機污染物的物質。而且,由于垃圾組分復雜,其熱值變化范圍較大,使垃圾在爐內燃燒狀況不穩,給爐膛溫度的控制帶來很大困難。而目前對控制垃圾焚燒過程產生的二惡英類有機污染物的研究主要集中在廢氣處理,缺乏對垃圾焚燒過程中如何控制爐膛溫度減少二惡英類有機污染物生成的研究。機械爐排爐是目前垃圾焚燒領域應用最廣、技術最成熟的爐型。鑒于此,對影響機械爐排爐爐膛溫度的因素進行了實驗研究,測量并分析了爐膛溫度隨各影響因素的變化特性,以期對垃圾焚燒廠控制爐膛溫度提供參考。1實驗部分1.1機械爐排爐,一次風設計以啟東垃圾焚燒廠750t/d為研究對象,實驗系統如圖1所示。主要包括垃圾池、進料裝置、焚燒爐本體、暖風器和控制系統等幾部分,其中焚燒爐采用機械爐排爐,單爐處理能力為250d/t,垃圾池容積為15000Nm3,垃圾池深10m,暖風器出口一次風設計溫度130℃,空預器出口一次風設計溫度262℃,二次風為室溫。1.2入爐垃圾檢測為提高入爐垃圾熱值和均勻度,垃圾在入爐焚燒前經過一段時間發酵,并利用抓斗使其充分混合。取若干入爐垃圾樣品進行檢測,檢測結果的平均值Qar,net為5791kJ/kg,Mar為33.58%,Aar為24.58%,Car為23.92%,Oar為13.81,Har為3.16%,Nar為0.7%,Sar為0.25%。2結果與分析影響爐膛溫度的因素包括垃圾發酵脫水、爐膛送風和給料量等。實驗中測試了各因素對爐膛溫度(以圖1中3個溫度測點的平均值計)的影響情況。2.1實驗結果分析我國的城市生活垃圾含水率普遍偏高,因此,垃圾進廠后需經過發酵脫水,以提高入爐垃圾的低位熱值。受垃圾池庫容所限,垃圾堆存時間一般不超過7d。垃圾脫水主要依靠水分自身的重力和垃圾堆高的壓實力,因此脫水過程需要一定時間。根據這一特點,選擇了發酵時間為3～7d的垃圾進行實驗。圖2為爐膛溫度對應不同垃圾發酵時間下,隨垃圾堆放高度的變化情況。從圖中可以看出,上層(即位于垃圾池深3m以內)垃圾對應爐膛溫度普遍偏低,這是由于上層垃圾脫水主要依靠自身重力,來自上部的壓實力很小,脫水速度慢,使垃圾中含水率較高。在實際運行中,一般將上層垃圾用抓斗放置在其他區域,使其得到壓實脫水。在沿垃圾池深度增加方向的垃圾,對應的爐膛溫度呈增加趨勢,這是由于隨垃圾池深度增加,垃圾受到壓實力增大,水分脫除率增加,提高了垃圾的低位熱值。在垃圾池深度超過8m后,對應的爐膛溫度明顯降低,這是由于實驗過程垃圾池底部的一部分滲濾液未能及時排出,造成底部垃圾中含水率高所致。對位于垃圾池同一深度的垃圾,隨發酵時間增加,對應爐膛溫度不斷升高,經過6～7d發酵的垃圾對應爐膛溫度明顯高于之前3～5d的。因此,入爐垃圾宜選擇發酵時間在6d以上,且位于垃圾池深的中部。2.2空氣系數對爐稈溫度的影響爐膛送風包括一次風和二次風。一次風經過暖風器和空氣預熱器加熱后從爐排下部進入爐膛。二次風為室溫,進風口布置在爐膛喉口部,其作用是增加爐內湍流度。根據送風特點,對送風的主要可控參數包括一次風率、過量空氣系數和一次風溫等的變化對爐膛溫度的影響進行了實驗研究。為使入爐垃圾組分盡量均勻,采取了如下措施:實驗垃圾在同一區域,位于垃圾池深4～7m處;垃圾入爐前經抓斗充分混合。為減少實驗工作量,采用正交實驗的方法進行了爐膛送風的各可控參數對爐膛溫度影響的實驗,結果如表1所示。根據表1中極差R的值,爐膛送風的主要可控參數對爐膛溫度的影響,按從大到小排列依次為一次風溫、一次風率和過量空氣系數。將表1中3個主要可控參數對應的爐膛溫度變化情況繪制在一張圖上,如圖3所示。從表1和圖3可知,一次風率越高,過量空氣系數越低,一次風溫越高,則爐膛溫度越高。在本實驗范圍內實驗號7的爐膛溫度達最高,為901℃,相應的主要可控參數組合為:一次風率90%,過量空氣系數1.6%,一次風溫260℃。調整爐膛送風的可控參數控制爐膛溫度,就其本質而言是通過提高爐膛的輸入熱量,使燃燒生成的煙氣溫度提高,從而使爐膛溫度升高。根據鍋爐燃燒熱平衡:Qar,net+Qsf=VyqCyq(Tbg,max-T0)+Qqt(1)其中,Qar,net為燃料熱值,Qsf為送風熱量,Vyq為生成煙氣體積,Cyq為煙氣熱容,Tbg,max為生成煙氣最高溫度,T0為室溫,Qqt包括爐渣熱、未完全燃燒熱、散熱等。由式(1)可以看出,當垃圾熱值Qar,net較低,為保證煙氣溫度Tbg,max仍滿足控制二惡英生成的要求,需要提高送風熱量Qsf,即提高一次風率和一次風溫。同時,一次風具有使垃圾中的水分蒸發、固體焦碳顆粒氧化的作用。因而,隨著一次風率和風溫的增加,爐膛內的垃圾干燥速率加快,固體焦碳顆粒的氧化也更完全,利于進一步燃燒。但一次風率的增大,將使二次風比例減少,爐膛內煙氣湍流強度減弱,會降低可燃物在爐膛內的停留時間和燃燒效率,一般控制一次風率不超過90%。增大過量空氣系數即增加式(1)中Vyq體積,若Qar,net和Qsf不變,則煙氣溫度Tbg,max會有所降低。另外,過量空氣系數增大,煙氣流量增加,縮短了煙氣在爐內停留時間,降低了爐內煙氣溫度水平,也會使爐膛溫度降低。在實際運行中,為使煙氣中揮發份充分燃燒,提高可燃物燃燒效率,減少有機污染物的生成,煙氣中含氧量一般不低于6%。垃圾的組分復雜,熱值波動范圍較大,當入爐垃圾熱值較低,燃燒狀況變差,爐膛溫度降低時,根據送風的主要可控參數對爐膛溫度影響的顯著情況,按以下順序進行調整:提高一次風溫度,減少二次風投加量,降低送風總量。達到避免燃燒狀況進一步惡化,使爐膛溫度得到控制的目的。2.3垃圾焚燒燒爐硫酸鈉的爐硫溫度分布由于垃圾產生量隨季節、氣候等的改變有較大變化,因此需根據入廠垃圾量適當調整焚燒爐給料量。圖4是在保持一次風溫260、一次風率90%、過量空氣系數1.6的條件下,爐膛溫度隨焚燒爐給料量的變化情況。由圖4可知,隨著給料量的增加,爐膛溫度不斷升高,除給料量在90%時,爐膛溫度低于850℃外,其他均滿足國家規范要求。當給料量達到115%時,爐膛下部溫度已超過1000℃,易引起鍋爐結焦和爐排高溫卡澀,另外,給料量增加使得爐排機械負荷增加,易使爐排出現機械卡澀。綜合考慮,給料率宜控制在95%～110%之間。3燒后溫度和爐稈溫度通過對影響爐膛溫度因素的實驗研究和分析,得到以下結論:(1)垃圾