高温烟气引射器及其在垃圾发电锅炉中的应用研究

卜银坤

(北京航天动力研究所 北京航天石化技术装备工程公司，北京 100076)

当前，垃圾焚烧发电已成为垃圾减量化(减容70%～80%、减重50%～80%)、无害化(高温焚烧+烟气净化)、资源化(主要是发电)的国际主流技术[1-3]。然而一直存在以下难以克服的技术难题以致严重影响其普及和良性发展：因为城市生活垃圾含水量高[1，4]，一般为40%～60%；发热量低[3]，一般为3000～6000kJ/kg；容重小[4]，一般为0.25～0.5t /m3，所以需要的炉排面积是同功率燃煤锅炉的近3倍，过大的过量空气系数1.7～2.5[2-3]使锅炉系统体积特别庞大，是同功率燃煤锅炉的4倍左右，锅炉的运行效率很难超过标准规定的75%[5]；投资和运行费用特别巨大[6]以至必须依靠国家政策经济补贴(目前平均焚烧每吨垃圾的项目投资为50～75万元人民币，每处理1吨垃圾的运行费用为120元人民币左右)，使用寿命小于25年[6-7]，除了社会环保效益外，独立的经济效益无从谈起；另外，由于垃圾中含有较多的难以分类、分拣的含氯和重金属元素的成分，所以垃圾焚烧的烟气中，存在较多的酸性气体、一定量的重金属和剧毒性污染物二噁英，给焚烧达标排放带来很大的技术和经济压力，给兴建垃圾发电企业带来一定的邻壁现象。

我国的垃圾发电产业属于资本驱动型产业，企业引进的国外相关技术，基本上都是加工制造或仿造，自动化控制技术水平较低，严重缺少源头的创新行为，解决问题的核心技术急待突破。为了赶超国际水平，我国垃圾焚烧发电产业的标准体系日趋严格，然而严格执行这些标准却缺少相应的科学技术使排放真正达标，致使垃圾发电事业面临更多的问题[8]。

笔者研究认为，过量空气系数太大是垃圾发电企业改变不良现状难以逾越的门槛，是急待突破的关键核心技术。调查发现，由于技术问题，国内外现有垃圾焚烧技术的过量空气系数普遍都很大[9、3、10]，我国标准[5,9,11-12]允许垃圾焚烧的过量空气系数αb=2.1，在线垃圾焚烧发电锅炉[13]的实际过量空气系数αs=1.8～2.2，文献[3]推荐αs=1.7～2.5。笔者计算发现：按过量空气系数标准值αk=2.1、锅炉排烟温度为200℃，每焚烧低位发热量为6639kJ/kg的1kg垃圾，要产生10.41m3需要净化的烟气量，实际在线垃圾发电锅炉为了所谓的达标排放，超过这个数值的并不新鲜，这不仅使锅炉运行效率ηg<75%、需要净化的烟气量超大，而且需要超大功率的鼓风机和引风机，造成建设投资和运行费用特别巨大、垃圾发电系统的体积特别庞大以至与其功率极不相称。显然：大幅降低过量空气系数并充分燃尽，是垃圾发电厂投资和运营成本的降低、烟气净化系统的简化、节能和减排、改变不良现状需要突破的关键核心技术。

1 高温烟气引射器的工作原理

1-喷管 2-喷嘴 3-接收室 4-吸气收缩管 5-喉部 6-混合管 7-扩压管图1 负压吸气式低压引射器工作原理图

2 高温烟气引射器的理论计算内容

2.1 混合次高温气体的温度及引射系数

(1)

由此得引射系数

(2)

式(1)、(2)中：

qm,a、qm,f—工作空气、高温烟气的质量流量，kg/s；

Tamb,s—标准状态下大气的温度，Tamb,s=273K，K；

um—引射器的质量引射系数，um=qm,f/qm,a；

2.2 动量方程的创建

如图1所示，两股气流从截面A-A流到截面B-B，按受力情况(两股气流汇流撞击能量损失，属工质系统的内力行为，不影响其动量守恒定理)，其动量方程[17-20]为

(3)

式(3)及其关联的式中：

qm,m—混合次高温气体的质量流量，qm,m=qm,a+qm,f，kg/s；

pamb,s—标准状态下的大气压力，pamb,s=101325 Pa，Pa；

pamb—当地的大气压力，因为|pamb-pamb,s|相对pamb,s很小，所以取pamb/pamb,s≈1，Pa；

2.3 连续方程及相关的参数表达式

qm,m=qm,a+qm,f=qm,a(1+um)

(4)

qV,m=qV,a+qV,f=qV,a(1+um.s)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

由式(9)得

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

式(4)—(14)中：

qV,a、qV,f、qV,m—工作空气、高温烟气、混合次高温气体在标态下的体积流量，m3/s；

项目划分的第三级为单元工程，单元工程是日常考核和质量评定的基本单位，有具体的质量标准和检测检验要求。只有单元工程按照设计和施工质量标准施工，才能使施工质量达到优良，提高单元工程的优良率。这是实现分部工程、单位工程以至工程项目施工质量等级优良的重要条件之一。

ρa、ρf、ρm—工作空气、高温烟气、混合次高温气体在标准状态下的密度，kg/m3；

s—工作空气和高温烟气在标态下的密度比值，s=ρa/ρf；

um.s—引射器的容积引射系数；

ka、kf、km—分别为工作空气、高温烟气、混合次高温气体的绝热指数，空气的绝热指数ka=1.40，大多数情况下，kf≈ka=1.40，km≈ka=1.40。

2.4 工作空气在喷嘴出口的实际速度

(15)

(16)

由式(16)得

(17)

式(15)—(17)中：

需要说明的是，引进φa后，工质流过喷嘴的能量守恒方程中不再考虑工质的阻力损失。

2.5 高温烟气沿程阻力及其在喷嘴出口处的静压和实际速度

(18)

于是，喷嘴出口高温烟气的静压

(19)

(20)

在式(18)—(20)中：

∑ζf,i—高温烟气在喷嘴出口前各种阻力系数的总和，喷嘴阻力相对其它阻力可忽略；

Δpr,f—高温烟气在喷嘴出口前的管路总阻力，Pa；

2.6 混合次高温气体在混合管出口的速度、混合管内的摩擦力和撞击能量损失以及扩压管对其压力的恢复值

由此得

(21)

(22)

由式(21)=(22)，得混合次高温气体在扩压管内压力的恢复值

(23)

(24)

实践证明，混合管内部对气流的阻力很小以至可以忽略，即沿程流动可视为无外力作用的过程，因此，应用动量守恒定理得汇流发生的撞击能量损失[18]

(25)

相当于压力损失

(26)

因此，高温烟气因为喷嘴前流动阻力和在混合管中与工作空气撞击而引起的总压力损失

(27)

式(21)—(27) 中：

ζf,m—混合管的摩擦阻力系数，与气体的流态、混合管的加工质量和长度有关；

Δpi,af—不同速度的两股气流，汇流过程中的撞击压力损失，Pa；

Δpt,f—高温烟气因为流动阻力和在引射器中与工作空气撞击而引起的总压力损失，Pa；

2.7 混合管出口混合次高温气体的静压及喷嘴前鼓风机全压

(28)

可表示为

(29)

2.8 高温烟气引射器的效率

在论述引射器效率时，必须认清混合次高温气体的总压力及其中组成气体的分压力。按道尔顿分体积理论[5]，高温烟气和工作空气在引射器出口处的分压分别为

(30)

(31)

引射器的效率是其性能的重要参数，各种书籍和文献对其有不同的定义和计算方法[24]，其大小相差很大，甚至对引射器的科学设计有一定的误导，使引射器的优势不能很好地被全面认识，且至今模糊不清。笔者认为，混合次高温气体必须要有足够的机械能才能克服向下游流动的阻力，最终穿过炉排和燃料层为燃料助燃，否则，再高的气体品质也是没有意义的。因此，高温烟气引射器的效率，应当基于实际机械能的转换量的多少，即高温烟气机械能量的理论增加量与工作空气机械能量的理论减少量的比值，即

(32)

在式(30)—式(32)中：

ηm—基于机械能转换机理的高温烟气引射器机械功效率；

3 高温烟气引射器优化设计

4 高温烟气引射器在垃圾发电锅炉中的应用分析

笔者在一期国外垃圾发电锅炉的设计过程中发现，具有高温烟气引射器[14]和超强聚热反辐射型燃烧室[25]的垃圾发电锅炉，不仅能够免去常规的不锈钢汽气换热器，在过量空气系数1.05<αs<1.20的条件下使垃圾着火更容易、焚烧更完全、无害化更彻底，而且垃圾发电厂的设备更简单、投资和运行费用减少近半，垃圾发电厂有望彻底改变当前的不良现状。

图2是高温烟气引射器和超强聚热反辐射型燃烧室同时在SLC500-35/4.00/400生活垃圾发电锅炉上的应用原理示意图，该锅炉为五驱动倾斜顺推阶梯形往复炉排炉，共有8个一次风室，每一个风室左右对称进入的一次风量均可调节，一次风和燃烧室前后各三组二次风全部来自高温烟气引射器的出口，均为高温低氧的助燃气体。具有代表性的某市区生活垃圾的物理组成平均值[4]见表1，对应的生活垃圾元素分析统计修正平均值见表2，垃圾在无补充燃料、不同过量空气系数条件下炉膛内的理论燃烧温度[26]如表3。按锅炉额定负荷计算，当实际过量空气系数αs=1.20、高温烟气引射器的引射系数u=0.40时：引射器出口高温低氧助燃气体的总风量19.05Nm3/s、总风压为1000±100Pa、风温为300±30℃、氧含量16%～18%、名义过量空气系数αm=(1+u)×αs=(1+0.4)×1.20=1.68；和常规同等参数的垃圾发电锅炉相比，配套风机的风量、风压和功率[27]见表4。

图2 高温烟气引射器在SLC500-35/4.00/400生活垃圾发电锅炉上的应用设计原理示意图

表1 某市区生活垃圾的物理组成平均值(干基重量比例)

表2 对应的生活垃圾元素分析统计修正平均值(用于垃圾焚烧发电锅炉设计)

表3 不同过量空气系数条件下炉膛内的理论燃烧温度

虽然按式(32)计算得到的高温烟气引射器的机械功效率只有ηj=10.59%，但它带来的效益却是巨大的。由表4不难看出，用高温烟气引射器替代常规不锈钢的汽气换热器：不仅锅炉的运行电耗减少了一半多，而且预算表明相关的建设费用减少了近一半；因为过量空气系数的大幅减少从而使必须净化的烟气量减少了近一半，所以烟气的净化设备得到大大简化，烟气的净化效果大大提高，烟气的排放更容易达标，因此，垃圾发电厂的邻避现象就会自然消除；过量空气系数的大幅减少，大大提高了炉膛温度从而避免辅助燃料的添加，同时可以将有害难以处理的垃圾渗滤液按文献[26]的方法全部细雾入炉焚烧，从而免去了常规渗滤液处理系统建设和运行的昂贵费用；计算表明，图2所示的垃圾发电锅炉结构，在没有添加辅助燃料的情况下，其热效率理论值为88%，远超当前标准[5]要求的75%；从垃圾发电厂系统图可以看出，其占地面积可减少近三分之一。

在图2中，鼓风机的进风源自锅炉前部密封的垃圾储坑上方，高温烟气来自燃尽室顶部前墙的中部。为了减少1000℃高温烟道的长度，将高温烟气引射器置于锅炉前料仓顶部的钢架上，且有可靠的防振、隔音措施，高温烟道和高温低氧风道均有可靠的耐火绝热保护设施，管道外表温度不高于50℃。

图2所示的炉膛如同热工学中的一个开口设备，高温烟气引射器使炉膛出口高温烟气再循环属于开口体系的内部循环，具有以下特点：因为高温烟气引射器没有改变开口体系入口空气的氧含量和过量空气系数(1<αs<1.20)，所以，所述高温烟气引射器出口助燃空气氧含量的减少，不同于系统外空气氧含量的减少，不会减弱反而会因为温度的大大提高、湍流效应的加大而增强垃圾原本的着火和燃烧的稳定性；不会影响炉内的理论燃烧温度和理论烟气量；忽略因这种内循环而引起的炉膛壁面对外界散热的差别，这种内循环不会影响炉膛出口烟气的理论温度和流速，不会影响锅炉尾部受热面的布置；可以按传统理论和标准设计这种新型垃圾发电锅炉。

生活垃圾在图2所示的结构炉膛内高温、低氧、强湍流条件下焚烧，具有以下优点：炉膛出口高温烟气连续不断地被定量强制返回到炉膛低温区即炉排底部，除了对炉膛内的烟气进行物理绞绊外，还增加了未燃烧物的活化分子与烟气中多余活化氧分子的碰撞并化学反应的机会从而提高了氧的利用率，同等情况下过量空气系数可以更小；物理绞绊消除了局部高温区从而使氮氧化物、二噁英等有害气体失去了生成条件；因为大大提高了一次空气的温度，所以燃料的烘干时间短、着火和燃烧会更加容易和剧烈[27]。

5 结论

(1)垃圾焚烧的过量空气系数太大是垃圾发电厂目前不良现状的根本原因，大幅降低过量空气系数并充分燃尽是环保科技急待突破的关键核心技术。

(2)具有高温烟气引射器和超强聚热反辐射型燃烧室的垃圾发电锅炉，能够实现垃圾在过量空气系数为1.05<αs<1.20、一次风和二次风温度为300±30℃且氧含量为16%～18%的条件下，无需辅助燃料即能完全焚烧，而且较高的炉膛温度能够满足垃圾渗滤液全部细雾回炉焚烧，污染从源头得到真正有效的控制，是彻底改变垃圾发电厂当前不良现状的科学路径。

(3)高温烟气引射器是改变垃圾电厂不良现状的可靠性强、成本低、容易实现的高科技设备，正确设计、制造、应用高温烟气引射器，是当前改变垃圾发电厂不良现状的核心技术。

(4)高温烟气引射器使炉膛出口高温烟气再循环属于开口体系的内部循环，可以按传统理论和标准设计这种新型垃圾发电锅炉。