乡镇生活垃圾焚烧炉的实验研究与优化设计

欧文剑 沈贤锋 杨鹤松 杨 召

（湘潭大学机械工程学院)

0 引言

随着经济的迅速发展，乡镇人口越来越集中，乡镇生活垃圾也变成了一个十分特殊的问题。它既不像农村生活垃圾那样少量分散，又不像大城市的生活垃圾那样集中处理，但已经成为国内日益严重的环境问题、社会问题和经济问题。

纵观国内生活垃圾处理技术的理论研究和工程实践，成熟且常用的生活垃圾处理技术主要有填埋、堆肥、焚烧三种 (见表1)。回收利用技术目前仅在少数几个城市进行试点工作。我国垃圾处理的常用方法是填埋，填埋方法中很大一部分为简易填埋，除了造成土地资源浪费外也造成了城市地下水和周边土壤的二次污染，已越来越无法适应城镇发展的需要。

焚烧法处理垃圾的优点是可大幅减少垃圾体积和重量，处理速度快，储存期短；同时还可回收部分热，通过合理组织燃烧和烟气处理实现清洁处置，为国家的节能减排事业贡献力量。因此，研制成本低、效率高、适用性强的乡镇生活垃圾焚烧炉具有很强的环保意义和经济意义。

通过调查研究可知，目前国内小型垃圾焚烧炉主要存在燃烧效率不高、炉内稳定性差和烟气处理不达标等缺陷。影响垃圾焚烧炉综合效益的主要因素是垃圾的水分、灰分、物料热值、炉内温度分布、垃圾燃烧时间等。本文在实验的基础上，测得炉体内温度场的分布，并以实验为依据设计了提高燃烧效率、减少焦油、防止烟气管道堵塞、绿色处理烟气各种有害物质 （如二噁英、酸性气体、粉尘等）的乡镇生活垃圾焚烧炉设备，同时也为其他焚烧炉的改进提供了理论依据。

1 垃圾焚烧炉的工作原理

生活垃圾在焚烧炉中的燃烧是比较复杂的物理、化学过程。其燃烧过程可简述为：当焚烧炉底部燃料引火点燃、鼓风机通风后，反应室内分为三个反应区域，即氧化区、还原区、干燥区。

氧化区空气比较充足，燃烧比较完全，温度可达1000℃左右，主要反应式为：

还原区主要是炭的不完全燃烧，温度约700～900℃，主要反应式为：

干燥区的温度约600℃，主要是使垃圾中含的水分蒸发，干燥垃圾，以便燃烧。

2 实验研究

2.1 实验装置

生活垃圾焚烧炉垃圾燃烧效率的影响因素是炉内温度场分布和鼓风机鼓入的空气量，在现有的理论和参考文献中，还没能完全地总结出垃圾焚烧炉的温度分布规律。为了测得垃圾焚烧炉的燃烧效率和日均处理垃圾的量，设计了一套生活垃圾焚烧炉实验装置。焚烧炉主要由三个部分组成：点火及出渣部分，锥部，二燃室。燃烧炉锥部圆台尺寸为515 mm×308 mm×570 mm （上圆直径×下圆直径×高），包括了氧化区和部分还原区。为了测炉内各层温度，从进风口到锥部上圆的炉壁上均布6层测温孔，每层均布三个测温孔，以便测得该层的平均温度。实验装置结构如图1所示，整个实验装置由炉体部分和测温部分组成。采用三根热电偶测同一层或同一列三个位置点的温度。第3～6层属于氧化还原反应区，第1～2层属于二燃室区域。

图1 焚烧炉实验装置

2.2 实验步骤

本实验采用生活垃圾为燃料，实验的具体步骤如下：

（1）将生活垃圾处理成适当体积，测量垃圾质量，取出料筒，装上垃圾。注意应该去除垃圾中金属等不可燃成分。

（2）点火。打开炉体下部的炉门，装用一定的树枝和树叶并点燃，打开鼓风机调好风量，记录燃烧开始的时间。待燃烧稳定后，将鼓风机的风量调到最大，保证足够的氧气使垃圾完全燃烧。

（3）等火焰稳定后，用容器装一定量的水置于直燃炉上加热，计量水的质量以及水温，并记录下每次测水温的时间。

（4）炉内逐层温度测量。将三根热电偶同时插入炉体同一层的三个孔内或者同一竖直位置的三个孔内，其他位置的孔用螺栓拧入堵住。调节转换开关，测量三个点的温度。调节热电偶插入的位置和深度，可以测出该垃圾焚烧炉内的温度分布。

（5）记录炉内垃圾燃尽的时间。实验结束后，关掉风机，倒掉燃尽的灰渣，并用水浇灭灰渣中的火星。

3 实验数据及分析

3.1 数据整理及分析

垃圾焚烧炉燃烧性能指标的测试 （实验数据）见表2。实验于室外进行，室外温度为29.5℃。

表2 实验装置燃烧性能测试 （垃圾处理量：8.0 kg）

当炉膛燃烧稳定后，观察到明火火焰稳定，测得炉体内部温度如表3所示。表中：m表示炉温测试点分布的层次；Am表示第m层测温孔到燃烧喉部底面的垂直距离；R表示测温层炉壁的平均半径；n为测温位置点序号；Xn、Yn、Zn分别表示测量第一纵列、第二纵列、第三纵列的位置点n时，热电偶伸进炉内的深度；Tn表示在测温位置点n处（相应的深度下）测得的温度。

表3 炉内各层温度分布

由表3可以看出，距离二次进风口最近的位置上，即二燃室中的平均温度达到970℃ （达到850℃以上），说明二燃室中垃圾燃烧完全。处于燃烧喉部的区域，靠近一次进风口的温度高，而第3层到第4层温度为600℃左右，说明该处垃圾燃烧不充分。

炉体内各层温度Tm随各层距离燃烧喉部底面的垂直距离Am的变化曲线如图2所示。由图2可知，位置点越靠近进风口，温度越高，干燥区的温度明显下降。实验表明，炉体内的温度场温度分布不均匀，靠近一次进风口和二次进风口的温度较高，这与风口的布置和进风方式有密切关系。风机向一次、二次进风口分配风量，炉内垃圾获得的风量不相等，靠近进风口的炉层获得的风量大，燃烧充分，自然温度就高。

图2 炉体内各层温度Tm随各层距离燃烧喉部底面的垂直距离Am的变化曲线

3.2 实验结论

从实验结果看，垃圾焚烧炉的垃圾处理量为1800 kg/d，而乡镇生活垃圾焚烧炉的性能为处理量20 t/d，所以要扩大垃圾焚烧炉的炉膛容积。另一方面，焚烧炉同炉层的温度在干燥区比靠近进风口的区域相差较大，靠近进风口的位置点温度较高，说明风量没有完全渗透到炉内各个层面，导致有些炉层燃烧得不充分，这表明垃圾焚烧炉结构 （一次进风口、二次进风口、二燃室的设计等）需要进一步改进和优化，以提高燃烧效率。

3.3 垃圾焚烧炉的优化设计及性能参数计算

通过实验数据，可以明显看到炉内温度不均导致部分垃圾得不到充分燃烧，影响垃圾焚烧炉的性能指标以及经济指标。为此，改进了一次风口和二次风口的位置，三个一次进风口平均布置在炉底部分的周围，可保证炉内通风均匀。三个二次进风口均布在二燃室周围，保证二燃室各个方向氧气充足，保证同一炉层温度达到850℃且分布均匀。采用螺旋式通风，让风机鼓入的空气沿着炉壁螺旋进入炉内，既能让空气得到预热，又能使烟气在二燃室 （温度在850℃以上）中徘徊2 s以上的时间，使二噁英高温分解，降低污染物质的排放量。

3.3.1 理论设计计算

乡镇生活垃圾的日处理量：20 t/d。

实验装置的炉膛容积V1：

实验焚烧炉垃圾日处理量W1：

水吸收热量Q：

乡镇生活垃圾焚烧炉的炉膛容积V：

综合考虑垃圾焚烧的温度场分布、投料以及炉型美观等，设计炉膛的参数为：进料口高0.5 m，入口尺寸0.5 m×0.5 m；落料口尺寸0.3 m×0.3 m，高3 m；炉体底圆半径1 m；排渣池高度0.5 m，半径0.2 m；二燃室高度1 m，圆台半径0.7 m。整个炉膛的实际容积为11.8 m3。此外，在炉体上部周围炉壁间加一个容量为300 L的水箱，既降低了排气温度，又可满足几家人的日常热水需求，进一步提高热效率。优化后的垃圾焚烧炉外形见图3。

图3 优化后的垃圾焚烧炉

3.3.2 整套设备设计方案

由垃圾粗分筛、储料仓、固定炉排垃圾焚烧炉、省煤器、空气预热器、石灰浆溶解制备系统、喷雾干燥器、活性炭吸附罐、布袋除尘器等组成。整个乡镇生活垃圾绿色焚烧技术的设计方案详见图4。

图4 乡镇生活垃圾焚烧设备工艺图

3.3.3 性能分析

通过反复实验测试，焚烧炉的性能指标见表4。

表4 乡镇生活垃圾焚烧炉主要性能指标

本项目中的烟气处理系统主要包括以下几个部分：石灰乳液制备装置、活性炭贮存及输送装置、喷雾干燥器、活性炭吸附器、布袋除尘器、引风机和烟囱。主要工艺是实现石灰浆液制备、石灰浆液计量输送、活性炭计量输送、管道清洗、布袋除尘等功能。

当烟气从垃圾焚烧炉内排出时，会产生二噁英、酸性气体和细微粉尘，二次鼓风使得二噁英在二燃室内分解。为了最大限度地减少二噁英的生成排放，在喷雾干燥器和布袋除尘器之间的水平烟道内，喷入活性炭粉末，可对残留的二噁英进行吸附。石灰乳装置用来去除烟气中的酸性物质，活性炭更进一步地除酸。最后烟气通过布袋除尘器除去细微尘粒，然后再排向大气。整个烟气处理系统彰显出绿色的含义，以实现垃圾焚烧无害化和低排放，达到节能减排的效果。

3.3.4 经济性分析

垃圾日处理量20 t/d，根据实验测得每10 t垃圾可代替1 t标准煤，按煤价300元/吨换算，一日的垃圾处理量可换算成2 t标准煤，或600元。处理1 t垃圾政府给予80元 （60元～140元）补贴，这样平均每天的收入超过2000元。整套乡镇生活垃圾焚烧炉建造费预计10万元左右，投入不大而产出高，经济效益非常明显，非常适合中国广大中小城市和乡镇生活垃圾的处理，十分具有发展和普及的前景。乡镇生活垃圾焚烧炉技术也会越来越成熟，并具有很大的市场和经济价值。

4 结语

通过实验数据分析，优化设计了一套乡镇生活垃圾焚烧设备，为中国乡镇生活垃圾处理提供了一种新途径。该设备结构小，价格便宜，产出投入比高，可实现工厂化大批量生产，适用于中国广大农村地方乡镇和中小城市，应用价值大，发展前景相当可观。此外，其烟气处理系统完备，烟气排放达到国家排放标准，符合国家节能减排的要求。

在全国大部分乡镇和中小城市中，生活垃圾处理方式大部分为填埋，浪费国家土地资源且污染环境，垃圾焚烧并利用垃圾燃烧的热值是一项利民工程，且一劳永逸，这使得乡镇生活垃圾焚烧炉设备的前景非常好，普及乡镇生活垃圾焚烧炉也一定指日可待。

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