打开文本图片集
摘要：针对目前我国的国情，阐述了垃圾焚烧过程和特点，结合江桥垃圾焚烧厂顺推阶梯倾斜炉排炉的特点和运行的经验，优化一次风配比，对垃圾焚烧控制调节进行了探讨。
关键词：顺推阶梯炉排；还原层；氧化层；挥发份；炉膛火焰中心；燃料层
中图分类号：X701文献标识码：A文章编号：16749944（2013）12027604
1引言
现今，大量的垃圾已成为城市中一个长期存在的污染源。对垃圾的处理不当，可能会造成严重的大气污染、水污染和土壤污染，并将占用大量的土地。垃圾对环境的污染已经成为日益严重的问题。
炉排式焚烧炉从燃烧方式上来分属于层状燃烧，其适用于水分较低、热值较高、成分稳定的燃料。但我国的垃圾普遍是成分不稳定、热值较低、含水量较高，并且我国大部分焚烧炉均是从欧美发达国家进口的设备，这些国家的垃圾品质较好。因此，引进的炉排炉需要进行必要的技术和工艺改进，才能更适应我国的垃圾处理，近几年我国这方面的技术发展比较迅速，大部分的设备已经国产化，工艺改进方面也取得很大的进步，都形成了一套自己的焚烧方法。
2焚烧炉炉排基本要求
作为垃圾焚烧的关键设备，机械式炉排发展到今天虽然形式多样，但其总的目标只是实现以下的目的。
（1）保证垃圾的连续性、稳定性。从垃圾的给料机开始到燃尽后灰渣排至排渣机的整个过程，都应该保证垃圾的连续性、稳定性，并且每个区域垃圾料层高度要相对稳定，不可以出现某个区域垃圾料层局部堆积、阻塞或某个区域料层被拉空。
（2）合理的配风间隙。为了炉排上垃圾能稳定、良好地燃烧，除了要求炉排上的垃圾具有均匀的移动速度，还需要合理地分配燃烧所需的空气，并防止局部吹透，造成空气短路，使大量的低温空气侵入炉膛。所以这也需要调整好炉排的间隙，使一次风透过时能形成有利的线性气隙，间隙太大也会造成局部吹透，空气短路，若间隙太小，一次风无法通过，不利于燃烧，也增加了通风阻力。
（3）优良的材质。为保证炉排的机械可靠性，炉排材质必须优良，保证能在高温、腐蚀、易磨损的的环境下正常运行。
（4）操作的灵活性。在出现烧空的情况下，可以方便地进行人工干预，防止炉排直接暴露在高温火焰的辐射下，缩短炉排的使用寿命。
3顺推阶梯倾斜炉排炉特点
往复炉排式焚烧炉是众多类型的机械炉排的主要代表。而江桥垃圾焚烧厂顺推阶梯倾斜炉排炉就是往复炉排炉中的一种，德国steinmuller公司生产，设计处理垃圾的热值为6280kJ/kg，炉排分左右两排，即双排炉排，斜向下倾斜12.5°每一排都有五个区组成，均由单独的液压驱动装置驱动，炉排总的长度为11.4m，总宽度为6.25m，炉排面积为71.25m2，其中一区为烘干区，二区，三区为主燃区，四区、五区为燃尽区。一区与二区之间有阶梯落差，三区与四区之间有阶梯落差。左右侧每个区都有单独的一次风小风门控制该区的一次风量，一区与二区、三区与四区之间的阶梯上部（即一区、三区末端）也有一次风通过，通往炉后方向，炉膛位于二、三区正上方，如图1所示。
主要优点表现为：
（1）有阶梯落差，上一阶梯落下的垃圾由于落差的原因会使团状垃圾摔碎，增加了垃圾的受热面积，有利于垃圾的干燥和燃烧。
（2）倾斜炉排，有利于垃圾在炉排上翻动，有一定的拨火作用，加强垃圾与氧气接触的机会，有利于垃圾的燃烧。
而缺点是炉排的床长度偏短，或床宽不够，对于我国目前的垃圾，需要延长干燥时间，提高干燥效果。
4垃圾焚烧过程
垃圾在炉排上焚烧过程分为：干燥→热分解→点燃→气化→燃烧→燃尽，这些每一过程的界面都不是很清晰的，这是多个相互关联、相互影响、前后重叠的过程。
（1）干燥。垃圾进入一区炉排形成料层，料层底下没有炽热焦炭的加热，从炉排下面送来的空气，一般其预热温度在225℃左右，对垃圾的干燥、加热有重要的作用，它和炉膛的辐射热一起提供干燥所需的热量，当燃烧工况好，炉膛温度高的时候，热量的供应大部分是依靠炉膛中的火焰和高温的砖墙与炉温成四次方的辐射热，干燥过程中垃圾从室温升到100℃以上，干燥产生的水汽被热空气或烟气带走。
（2）热分解。等垃圾内水分逐渐降低，料层温度逐渐上升到250℃，这时垃圾中的某些有机成分开始由固相转化为气相，发生了受热分解，释放出挥发份。热解所需能量主要来自后部燃烧区域及高温砖墙的辐射热。
（3）点燃。挥发份从固相释放出来后在温度稍高的区域被点燃，点燃的条件是足够的燃料（气态）浓度、足够的点火能量以及必要的氧气。这一步基本在一区后部和二区前部之间完成。
（4）气化。当挥发份被点燃后，垃圾料层的温度会明显上升，这时氧开始与垃圾料层热解后的碳发生气化作用生成CO。
（5）燃烧。主燃区的温度很高，燃烧相当猛烈，热解、气化产生的气态可燃物在空间燃烧，焦炭在料层中燃烧，燃烧的温度可达1000℃，由于燃料层的厚度一般要超过氧化区的高度，因此，沿着料层高度上又划分成氧化区和还原区。从炉排下面上来的空气中的氧气在氧化区中被迅速耗尽。燃烧产物中的二氧化碳和水蒸气上升进入还原区后，立即与炽热的焦炭发生还原反应。
（6）燃尽。 料层通过主燃区后，仍有少量可燃物会继续燃烧，最后炉渣离开五区，排入排渣机。
5选择合理的配风
从燃烧学的角度来说，燃料完全燃烧需要4个条件：保持足够的炉膛温度；供给合适的空气量；空气与燃料的充分混合；保证足够的燃烧时间。
因此，选择合理的配风方式对燃料的充分燃烧起到非常关键的作用。由于垃圾焚烧炉是属于层状燃烧，其燃料层是沿着炉排长度分阶段燃烧的，因此从燃料中放出的气体，其成分也是沿炉排长度不断变化的。图2a表示了在各个区平均送风的前提下，也就是在图2c中1号线所表示的风量分配下，炉排上部烟气成分及燃烧各阶段所需要的空气量的变化曲线。在干燥区燃料层正在加热烘干，通过燃料层的空气中的氧气浓度基本保持不变，其容积成分约为21%。从干燥区后，挥发份不断析出，并且着火燃烧，随即焦炭也开始进入反应，因此炉排上部的二氧化碳成分不断增加，氧气成分相应减少，直到在氧化区耗尽。在这时二氧化碳达到一个高峰值，而后进入还原区，随着主燃区中的还原区的出现和加厚，气体中CO的含量不断增加，CO2含量下降，缺氧严重，如图2a，当CO成分达到最大值后，随着燃料层部分烧成灰渣，还原区减薄，CO的成分又下降，当还原区消失时，氧化区反应剧烈，出现了又一个CO2的高峰。此后，灰渣不断增加，焦炭层厚度变得越来越薄，所需的O2减少，所以O2的含量越来越多。图2c中2号、3号、4号风量线分别是燃烧所需的风量、焦炭所需的风量及挥发份所需的风量。
因此，由以上在各区垃圾燃烧的过程和特征能看得出在炉排的一区和五区（在垃圾的干燥区和燃尽区）上含氧量最多α>1，而在主燃区却缺氧严重，造成垃圾的不完全燃烧α<1。所以，配风方式如果选择图2c中的1号配风线时，即不分区供风，那么炉排两头的供应的空气就会过多，肯定使炉膛中的过量空气系数过高，使炉膛温度降低，对燃烧不利，增加排烟损失。为了适应垃圾分阶段燃烧的特点，大多数焚烧炉都采用分区送风，最常见的就是以图2c中5号配风线，按需分配风量，炉排的头尾的风门开得不大，而中部的风门开得很大，从而在一定程度上改善了空气供应与燃烧所需氧之间的配合关系，但这种配风的缺点就是忽视了挥发份与焦炭在燃烧时，它们与空气间进行质量交换的难易程度，前者为气体之间混合扩散，可在炉膛空间进行，后者为气固两相之间化学反应，只能由一次风通过燃料完成。也就是说，焦炭的燃烧全部供应新的空气，而挥发份的燃烧可在空间燃烧，可以利用炉膛中已经在燃料层内用过的过量空气。因此，5号配风线的配风方式的最终结果就是在燃烧过程中，炉膛内总的过量空气系数难以降低。而6号配风线即推迟配风法可以弥补5号配风线的不足。其原理就是对燃料前期少送风，满足干燥即可，仅靠相邻风室的漏风来维持燃烧，以使那里料层缺氧，产生强烈煤气化，所产生的以燃料挥发份为主的可燃性气体进入那里的炉膛空间后，与来自炉膛后部过量空气混合后形成强力的空间燃烧，降低过量空气系数。在燃烧的中部送以强风，以便形成强燃烧区，进入燃尽区后，送风量大幅度减少，因为那里的可燃物太少，含灰渣量大，燃烧率低，因此虽然这区的供风量减少，但过量空气仍较多。这种推迟配风法不会推迟燃烧，它会有效地降低过量空气系数，不仅能提高炉温，强化燃烧，还能减少排烟损失。
经过在江桥垃圾焚烧厂几年时间的摸索、试验、调整，针对目前上海垃圾的特点和炉排的形式，选择推迟配风法比较合适。它能有效控制火焰中心在三区、四区之间，保证炉膛的热负荷，同时使燃烧更加稳定。该厂炉排下五个区风门的开度如下：一区20%～40%，二区80%～90%，三区100%，四区100%，五区40%～60%。由于垃圾的特性随着季节变化，夏天环境温度高，垃圾容易发酵，垃圾中的水分很容易析出，所以入炉垃圾含水量少热值比较高，垃圾在干燥区干燥到挥发份析出的时间减短，从干燥到点燃的时间也缩短，所以夏季时，炉膛的中心火焰就会往炉前移动，在三区后部燃烧，因此，二区的风门可适当开大，四区、五区的风门可适当关小。而冬季垃圾内的水不容易析出，干燥时间就会延长，所以炉膛的中心火焰就会往炉后移动，一般在四区前部燃烧，所以二区风门可适当关小，四区、五区风门可适当开大。
6燃烧调节
运行燃烧调节的目的就是保证炉膛内垃圾能充分、稳定、连续地燃烧，保证足够的炉膛温度和足够的烟气停留时间，最大程度地减少二恶英等有害物质的产生。在了解垃圾在炉膛内各个区的燃烧过程后，燃烧调节相对来说可更容易做到有的放矢。调节任务主要有以下几个方面。
6.1给料量的调节
江桥垃圾焚烧厂给料器分为上给料和下给料，上给料负责将进炉垃圾进行再一次压缩（上一次压缩是在垃圾抓斗中完成），使垃圾中的水分再一次被挤出，排向炉排底下的湿式刮板输渣机，经过上给料压缩后的垃圾会摔在下给料上，下给料负责将摔碎后的垃圾推向一区干燥。给料调整的方式是通过中控室DCS系统输入给料的行程和周期时间来控制。当以下几个参数发生变化时，给料量也应作相应的变化：①锅炉的负荷发生变化时；②垃圾热值发生变化时；③燃烧平衡打破时。当给料系统在自动控制时，它随负荷变化而变化；实际负荷大于设定值时，它自动减少给料量；负荷小于设定值时，它会增加给料量。这种控制方式在垃圾热值不变的情况下还可以适用，如果此时垃圾的热值变低，含水量比较大，干燥不充分，蒸汽负荷会低于设定值，如给料还是不断地增加，那么一区的料层就会变厚，一区炉排风压就会很高，燃烧延迟，所以这种情况下应密切注意炉膛内垃圾焚烧状况，及时切为手动控制，减少给料的行程，增加周期时间或两者同时进行。若热值变高则相反。当有时燃烧平衡被打破时，也要及时调整给料，比如风量控制不当，太大使还原层消失，造成炉膛内的缺料，这时要及时、较大幅度加大给料行程或缩短周期。这个幅度要根据当时缺料的程度来决定。相反，则减行程、加周期或直接停给料。
6.2炉排速度调节
自动控制程序中炉排的速度设定和设定负荷与实际负荷之间的差值有关，当实际的负荷低于设定的负荷，炉排速度就会加快，当实际的负荷高于设定负荷时，炉排就会减慢，这种快慢的程度与负荷之间有个系数可修正，但实际上有时负荷低于设定值不单单只是因为炉排上缺料造成的，有时也因为燃烧平衡失去，垃圾料床太厚，垃圾没干燥好，析出挥发份减少，造成火焰中心不断后移，导致负荷下降。这时，可以看到垃圾到了主燃区还是水汽腾腾，因此，应马上减慢或停止炉排，使垃圾继续烘干，而不是继续加快。由于自控程序存在一定的不足，所以在实际的运行中通过手动的方式选择合理的炉排速度，来获得对燃烧有利的料层，在实际运行中都尽量控制一区料层高度0.5～0.8m；二区、三区，0.4～0.7m； 四区、五区，0.3～0.4m。
由于该炉排有两个阶梯落差，并且一区与二区、三区与四区之间的阶梯上部，即一区、三区末端也有一次风通过，往炉后方向吹，所以炉排速度就有特殊的要求，两个阶梯之间应该有燃料覆盖，否则，一次风会从这两个地方短路，增加炉膛漏风量，其他区域风量不足，炉温降低，因此，设定一区速度大于二区，而二区为保证阶梯有垃圾覆盖，速度放慢，三区速度比二区快，但比一区慢，考虑到四区垃圾已基本燃尽，所以选择五区速度略比四区慢。例如：100%速度时，各区半周期如下：75s 、95s、 90s、 180s、 190s。由于垃圾从炉前到炉后在焚烧的过程中是逐渐减少的，但在二区减少的不多，三区减少的最多，所以，三区要比二区快，使二区、三区之间形成一个比炉排倾角略大的斜面，三区末端剧烈燃烧的火焰，沿斜面由炉后甩向炉前，有利于前两区垃圾的燃烧。 如果在实际运行当中，发现三、四区阶梯裸露出炉排，说明燃烧剧烈火焰中心前移，应适当加快炉排速度或减少一次风量，维持炉温。
6.3风量调节
有关风量调节，在DCS上主要是控制总风量大小，根据负荷设定的大小，来确定总风量，当负荷超过设定值时，系统会自动减少一次风量，增加二次风量，相反，会增加一次风量，减少二次风量。另外，要以含氧量和炉排底部风压为参考来调节风量，炉膛出口含氧量控制在5.5%左右，对燃烧有利，即过量空气系数为：α=2121-5.5=1.36左右时，太大的空气过量系数并不能使未完全燃烧的微量有机物进一步充分燃烧，反而会使能耗增加、炉内温度降低，燃烧不稳定，含氧量太低，会使垃圾不完全燃烧，可能造成一些有害物质的产生。另一个参考的参数是炉底一次风压，垃圾热值高时，维持100mmH2O左右，垃圾热值低时维持120mmH2O左右，风压的变化间接发映出炉排上料层的高度变化、风量变化、燃烧状况、火焰中心位置等等，一般风压变小的原因为：①风量减少；②垃圾的还原层比较薄，一次风能透过垃圾层燃烧，火焰中心有往炉前移动的迹相。若发现氧量在一直下降，这说明炉温在回升或上升，或一次风量正在减少，再结合炉膛内垃圾的燃烧状况，如果此时炉内垃圾较多，炉膛火焰的充满度不是很好，并且风压高，这说明在这之前料层过厚，没干燥好就大量地送入一次风，导致风压增大，再从一个或几个料层较薄的部位透过，风速加大，大量冷风侵入过炉膛，使得燃烧恶化，此时，要减慢或停运炉排，相应减少一次风量，直到炉内一区、二区上垃圾渐渐烘干，水蒸气明显减少，顶部挥发份着火；当炉排停运一段时间后，主燃区炉排上垃圾着火、燃烧，使得还原层变薄，会产生一些火口，一次风大量通过，这时，氧量会停止下降，可能反而上升，而且炉温也停止上升，此时的炉底风压应该降低了很多，这时，要马上启动炉排运行，补充料层，封住火口，这样，氧量又会下降，炉温也会升高。再慢慢增加风量，火焰中心控制在三区和四区之间，建立新的燃烧平衡。出现以上这种现象也可能是，一次风量供给相对于燃料来说一直偏小，以至于火焰中心后移，料层加厚，风压增大。这种情况可适当地加大风量，同时要看风压和氧量的变化，若氧量不下降而风压上升很多，则减慢或停运炉排。若此时氧量下降，而风压上升不多，则无需减慢或停运炉排，慢慢加大风量，使火焰中心前移。
7结语
针对我国目前垃圾的特点，并了解垃圾在炉膛内燃烧的全过程，根据垃圾燃烧特性得出顺推阶梯倾斜炉排炉的配风方式选择推迟配风法比较合适，并且要合理使用，它能有效控制火焰中心在三区、四区之间，降低过量空气系数，保证炉膛的热负荷，同时使燃烧更加稳定。垃圾焚烧控制要结合许多的焚烧因素，在给料、炉排及风量调节的同时，一定通过火焰监视器注意观察炉膛内垃圾的焚烧情况，学会看火。根据火焰的颜色、料层高度、炉膛温度变化、风压大小、氧量大小、风量大小等一系列影响燃烧参数综合考虑、分析、判断。不断积累经验，注重运行分析。调节时不可操之过急，因为层燃炉特别是垃圾焚烧炉，没有像煤分炉或油炉，当燃烧参数调整后马上能看到效果，这是燃烧速度决定的，所以建立燃烧平衡所需的时间也较长。垃圾焚烧调节控制是一项精细活，江桥垃圾焚烧厂焚烧调整虽然已经有一套适合本厂的调节方式，积累了经验，但仍需不断探索和优化，这对其他同样是炉排炉的垃圾焚烧厂也是一种借鉴。
参考文献：
[1] 张衍国，李青海，康建斌.垃圾清洁焚烧发电技术[M].北京：中国水利水电出版社，2004.