垃圾焚烧炉储热式烟道结构设计及性能分析

严江萍

摘要：随着我国经济的飞速发展，城市化进程不断加快，城市生活垃圾产生量迅速膨胀。而在实际应用中，垃圾焚烧炉对大瞬变工况焚烧响应存在不足，针对这一问题，可在焚烧炉内增加相变储热模块的方法，来调整焚烧炉的温度变化。基于此，本文探讨了垃圾焚烧炉储热式烟道结构设计及相关性能。

关键词：垃圾焚烧炉；烟道；相变储热

随着国民经济的飞速发展，人们的生活水平日益提高，生活垃圾产生量迅速膨胀。而垃圾焚烧炉在实际应用中，对大瞬变工况焚烧响应存在不足，可在焚烧炉内增加相变储热模块的方法，来调整焚烧炉的温度变化。当焚烧量过大，炉温上升时，通过相变储热装置储存热量，延缓升温速度；同样当焚烧量较低时，炉温下降，储热装置释热，加热焚烧烟气。

1 焚烧炉储热壁结构研究

针对焚烧炉烟道具体结构，研究了锯齿板和管壳式两种储热换热结构在焚烧炉烟道上的应用可行性。

1.1 锯齿板储热换热结构在焚烧炉烟道上的应用可行性

1.1.1实验分析

储热时，空气在电加热炉中加热，经高温风机提供动力，热气体在封闭的回路中循环，对锯齿板相变储热换热器进行充热；释热时，关闭高温风机和相应的储热循环阀门，打开相应释热循环的阀门和低温风机，使环境空气进入储热循环系统，对锯齿板换热器进行释热。

实验中所使用的热电偶为K型热电偶，测量范围273.15～1273.15 K（误差范围±2%）。在实验过程中，换热器进口温度为590 oC，进口速度～3.1 m/s，板封装体为不锈钢材质。

换热流体为空气，相变材料为质量比例为4：6的NaCl-MgCl2的混合物。

1.1.2结果分析

在相变材料熔化阶段，实验模拟结果趋势相符较好，相变材料工作时所特有的“台阶式”温度分布显现明显，验证了数值模型的合理性，两者之间数值差异的主要原因如下：（1）平板内相变材料为粉体，导致相变材料的真实热物性值小于模拟设置值，使更多的热流从上游传递到下游；（2）板内热电偶的布置无法做到准确定位，因此在开始阶段的实验值要高于模拟值。在相变材料凝固阶段，热电偶测得的实验值与模拟值也吻合的较好，可见所选取的计算模型在凝固阶段使用也是合理的。數值差异的来源与融化阶段类似。

1.2 管壳式储热换热结构在焚烧炉烟道上的应用可行性

1.2.1实验分析

储热时，空气在电加热炉中加热，经高温风机提供动力，加热后的气体在封闭的回路中循环，从而对管壳式相变储热换热单元进行充热。待相变材料熔化后（从插入相变材料的热电偶温度判断）进行释热实验。进行释热实验时，关闭高温风机和相应的储热阀门，打开相应的释热阀门，使环境空气进入储热循环系统，对管壳式相变储热换热单元进行释热。

换热装置中有两根装有PCM的储热换热管，其中相变材料的相变温度Tm为758.15～760.15 K，相变潜热L为178 kJ/kg。

1.2.2结果分析

与锯齿板结构的结果类似，在相变材料熔化和凝固阶段，实验模拟结果趋势均相符较好，清晰可见相变材料的“台阶式”温度分布，再次验证了数值模型的合理性。数值模拟和实验之间的结果差异可能主要源于物性参数的选择和热电偶位置的误差。

2 相变式储热垃圾焚烧炉模拟

下面将讨论储热材料对于烟道温度变化的调控能力。烟道温度变化受到焚烧炉处理量、垃圾热值和配风等参数的影响。本文将通过调整焚烧炉垃圾热值的方式来调整模拟烟道中的温度变化。此外，垃圾焚烧炉通常的调整范围通常为70%-110%。但实际运行中仍然会有极端工况发生，烟气温度随工况变化敏感、迅速，如不能及时调整，会造成污染物超标排放和烟道烧蚀等不良现象的发生。本部分将研究储热烟道技术应对极端工况的能力，因此将工况调节范围扩大至50%-140%。

2.1 储热材料未工作工况

焚烧炉一次烟道内烟气温度随垃圾热值变化而改变，当入炉垃圾总热值下降为为正常焚烧情况的50%和70%时，炉内温度随着时间逐渐降低，大约经过20分钟，降至850℃以下，经过1小时后降至最低约600℃。而总热值升高后，如升高至正常热值的140%后，炉温经过1h约升至1500K。

通过对不同工况条件下的焚烧炉温度分布进行分析可以发现，在50%工况下，焚烧炉内高温区主要在炉膛内，在二次风口以上的一次烟道内烟温较低；在140%工况下，二次风口及以上区域烟气温度较高。通过对不同工况条件下的焚烧炉沿高度方向温度分布进行分析可以发现，50%工况下，二次风口往上的烟气温度较低<850K（更远低于850℃），不利于二噁英类物质的消减和控制；140%工况时，大量的可燃份在喉口区域二次燃烧，烟温较高，可能发生烧灼现象。

2.2 储热材料工作工况

由上文分析可知，当垃圾焚烧的工况恶化时，炉内的烟气温度会会随之变化。低能量输入时（50%热值），烟气温度迅速下降，仅15min左右，烟气温度就低于了850℃，现场条件复杂，极易造成污染物超标排放。

因为相变储热材料可以自动的在一定时间内稳定其能量交换介质的温度，相比较需要人工操作的温度稳定技术而言，如二次风调节、辅助燃料加入等，尤其优越性。研究结果表明，相变储热材料稳定烟气温度的作用明显，低能量输入时，烟气下降到850℃以下的时间由15min左右增加到了25min左右；高能量输入时，烟气温度增加到1000℃的时间由25min左右增加到了45min左右。

3 结语

本文深入探讨了垃圾焚烧炉储热式烟道结构设计及相关性能，通过对比添加储热材料前后的极端工况运行参数，验证了相变储热材料降低污染物超排、烟道烧蚀等不良现象发生风险的可行性，希望为垃圾处理技术的发展提供一定借鉴。

参考文献

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（作者单位：江苏天楹环保能源成套设备有限公司）