危险废物焚烧余热锅炉研究进展

高 林, 张 旺, 周云峰, 张早校

危险废物焚烧余热锅炉研究进展

高 林1, 张 旺1, 周云峰2, 张早校1

(1. 西安交通大学 化学工程与技术学院, 动力工程多相流国家重点实验室, 陕西 西安 710049;2. 江苏联兴成套设备制造有限公司, 江苏 泰州 214537)

随着我国工业的快速发展，工业生产过程产生的危险废物(危废)日益增多，对其进行高效处理尤为重要。危废焚烧具有减容、减重、无害化程度高、能回收废物中所含的能量等优点，成为危险废物无害化处理的主要途径之一。余热锅炉是危废焚烧系统的主要组成之一，因此基于危废焚烧系统的发展，对余热锅炉的应用和分类进行了深入分析。着重介绍了余热锅炉的数值模拟及优化、余热锅炉结焦与高温腐蚀研究、余热锅炉段对二噁英的控制技术等研究方向的国内外研究进展。在此基础上，对蒸汽空气预热技术、联合换热循环发展、余热回收的梯级利用技术的应用进行了介绍，为余热锅炉在危废焚烧系统中的理论研究、工程实践、系统集成运行提供了参考。

工业危险废物；焚烧；余热锅炉；水冷壁；优化

1 前言

随着我国工业的快速发展，工业生产过程排放的危险废物日益增多，危废处置需求与处置能力不足之间的矛盾日益突出。危废是指列入国家危险废物名录或者根据国家规定的危险废物鉴别标准和鉴别方法认定的具有危险特性的固体废物[1]。危废具有腐蚀性、毒性、易燃性、反应性或者感染性等一种或几种危险特性，在操作、储存、运输、处理和处置不当时会对人体健康或环境带来重大威胁[2-3]。据相关调查，2018年我国工业危险废物量已经超过七千万吨。危废焚烧具有占地少、减容减重效果明显、无害化程度高、能回收废物中所含的能量等优点，成为危险废物无害化处理的主要途径之一，是国家可持续发展方针的重要内容[4]。危废焚烧过程中会产生大量的热量，因此采用余热锅炉是垃圾焚烧系统余热回收的主要方法，直接影响系统的热量利用和回收效率[5]。研究对危废焚烧过程中余热锅炉的应用和分类进行了总结分析，重点阐述了在余热锅炉的数值模拟及优化、积灰结焦与高温腐蚀、二噁英等污染物的控制技术等国内外研究进展。在此基础上，对在余热锅炉中应用的蒸汽空气预热技术、联合换热循环发展、余热回收的梯级利用技术等进行了系统分析，为余热锅炉的新技术开发提供参考。

2 余热锅炉的应用及分类

2.1 余热锅炉的应用

危废垃圾焚烧厂的工艺流程如图1所示[6]。余热锅炉作为危废焚烧系统的中间环节，其上游连接危废焚烧炉，下游连接烟气急冷及尾气处理装置[7]。传统的余热锅炉内置在烟道内的蒸发换热管束的换热会使得周围炉墙的温度过高，造成炉墙材料损坏、热量通过炉墙散热损失高以及密封性能不好锅炉漏风量大等问题。因此目前在危废焚烧系统中密封和保温性能更好的水冷壁余热锅炉应用较为广泛[8]。水冷壁全称“水冷壁管”，它由数排钢管组成，通常垂直铺设在炉墙内壁面上，其内部为流动的水或蒸汽，用来吸收炉内火焰和高温烟气所放出辐射热的锅炉受热面，亦为余热锅炉水循环回路中的基本部件，兼有冷却和保护炉墙的作用。在大容量锅炉中，炉内火焰温度很高，热辐射的强度很大，锅炉中有40%～50%甚至更多的热量由水冷壁所吸收。

图1 危险废物垃圾焚烧厂的工艺流程[6]

2.2 余热锅炉的分类

余热锅炉可以按照水冷壁受热面的结构形式进行分类，可以分为光管水冷壁、销钉水冷壁、膜式水冷壁以及内螺纹水冷壁。

如图2所示，光管水冷壁一般由无缝钢管构成。销钉水冷壁指在水冷壁管上焊接许多长20～25 mm，直径6～12 mm的销钉，然后敷上铬矿砂耐火涂料，以减少水冷壁该部位的吸热量，提高炉内燃烧区温度，适用于燃料着火特别困难的场合或某些液态排渣炉、旋风炉或者固态排渣煤粉炉[9]。膜式水冷壁是把许多轧制好的水冷壁鳍片管用点焊互相焊接在一起，使其成为一个密封的气密式组合受热面[10]。优点是炉膛的气密性好、漏风量少，排烟损失少、锅炉热效率高；可以减轻炉墙和保温材料重量、简化结构，降低锅炉成本；改善热膨胀系数及燃烧工况，使炉墙不易结焦；缺点是管屏热应力分布比较复杂。各种水冷壁的优缺点如表1所示。

图2 水冷壁结构图

1. wall 2. insulation layer 3. refractory layer 4. pipe 5. flat steel welded finned tube 6. inner insulation layer 7. pin 8. rolling finned tube

表1 3种水冷壁的比较[9-10]

除此之外还有一种水冷壁结构称为内螺纹水冷壁，是指用内螺纹管代替普通光管的水冷壁。内螺纹管可以抑制膜态沸腾、推迟传热恶化。与光管相比，螺纹管的内螺纹一方面可使流体旋转，增强管子内壁面附近流体的扰动，避免气泡在管内壁面积聚形成“汽膜”，保证管内壁面有连续的水流冷却；另一方面内肋片又加大了管内换热面积，有利于增强传热及降低壁温。管内液体流过螺纹管会形成漩涡和强烈的扰动，从而强化传热[9]。另外水冷壁采用了内螺纹管，因阻力增加可以使水冷壁中的质量流速降低，流量减少，在吸热量不变的情况下，产气量增加，循环倍率减小[11]。

3 危废焚烧余热锅炉国内外研究进展

余热锅炉是危废焚烧系统实现能量梯级利用的重要一环，对整个系统的节能减排至关重要。因此，对余热锅炉开展深入研究具有重要的意义，越来越受到各国研究人员的重视。国内外对于余热锅炉在危废焚烧系统中应用的研究主要集中在：(1)余热锅炉数值模拟及优化：余热锅炉模型简化、内部流场的数值模拟、危废焚烧系统的优化研究；(2)余热锅炉结焦、高温腐蚀与防护研究：水冷管壁磨损、锅炉积灰及烟道结焦堵塞、高温腐蚀机理和防腐措施；(3)二噁英等污染物的控制技术研究：危废焚烧后的二噁英等污染气体的排放及控制等方面的研究。下面围绕这3个方面展开分析。

3.1 余热锅炉数值模拟及优化

基于计算机技术的飞速发展及计算流体力学等模拟软件的普及，许多学者对余热锅炉进行了流动与传热的数值模拟，研究其内部复杂的传热流动机理，得出温度场和速度场的分布，优化余热锅炉的结构，从而提高锅炉的传热效率。有些学者还对余热锅炉乃至整个焚烧系统动态运行特性进行数值模拟、建立动态模型，研究锅炉变工况下温度及流场的变化与分布情况，为锅炉工况的适应及高效运行提供了依据。

由于烟气的成分、组分间的相互作用及炉内流动传热十分复杂，研究者在数值模拟过程中对建立的模型大都采取了合理的简化，并选择合适的传热流动模型[12-13]。崔成云等[14]采用二维标准湍流模型对余热锅炉入口烟道流场进行了数值分析，受热面采用多孔介质进行简化，阻力系数根据设计人为给定。丁阳等[15]采用Realizable湍流模型对余热锅炉进行数值模拟，模型沿气流方向分为过渡段及多孔介质两部分。Shin等[16]采用数值模拟和实验研究相结合的方法对余热锅炉的入口过渡烟道烟气流场的分布进行研究，实验采用1:20比例缩小模型与数值模拟相互印证。Gomez等[17]确定了余热锅炉的简化结构，并将模拟结果与实际运行数据对比，验证了模型简化的合理性。张子坤[18]采用标准湍流模型对垃圾焚烧余热锅炉运行工况进行数值模拟，分析炉膛内部流场、温度场的分布，以及烟道内的换热趋势。杨卫宏等[19]采用贴体坐标系统(BFC)对网格进行划分，并对余热锅炉内部温度场和流场进行了模拟计算。杜文静等[20]提出了一种新的余热锅炉全尺寸数值模拟方法，实验验证了该方法的可靠性，证明可用于相关余热锅炉的数值计算中。上述工作为余热锅炉的模型简化、建模方法的选择以及模型的可行性提供了参考依据。

余热锅炉内烟气的温度分布及速度分布对于炉内换热有重要影响，直接决定了余热锅炉的蒸汽产量及品质。由于进入余热锅炉的烟气具有热负荷不稳定、流量变化大、有毒有害等特点，对余热锅炉内温度场、浓度场和流场的现场持续测量难度较大且不稳定。因此采用数值模拟的方法模拟炉内的流动传热过程具有重要参考价值，国内外均有对锅炉烟气侧流动及换热的数值模拟研究。杨震等[21]对入口烟道进行模拟，发现加装倒流板可改善入口烟道及出口界面的速度分布均匀性。周樟华等[22]通过模拟发现出口烟道90度拐角对锅炉尾部受热部件处烟气均匀性影响很小。聂宇宏等[23]通过模拟发现在余热锅炉烟道通流结构加入导流管，气流的均匀性大大提高，有利于余热锅炉均匀换热和长期、安全、稳定运行。Liu等[24]通过实验和数值模拟研究了应用于余热锅炉的带有内部翅片和外部翅片的翅片管的流动和传热特性，并分析了外翅片高度和翅片管间距对壳侧流动和传热的影响。钟崴等[25]对余热锅炉辐射室进行模拟，发现辐射室挡板的位置和尺寸对流场及温度场的整体形态具有决定性影响。

近年来，利用数值模拟方法对锅炉故障预测、热效率、灰尘沉积[26]及烟气排放进行计算的研究也逐渐增多。Rahimi等[27]根据余热锅炉温度场及受力的模拟结果，发现在高于设计温度下工作是过热管故障及损坏的主要原因，并认为数值模拟可以预测锅炉管在传热传质过程中的损坏情况。Thiyagu等[28]发现在空气预热器后增加热交换器可以提高锅炉热效率。闫丹丽等[29]以某废热锅炉蒸发器为研究对象，应用Mixture多相流模型和沸腾传质模型，对壳侧两相流区域的沸腾传热进行数值模拟，得到了两相流区域的蒸汽体积分数及温度、压力分布情况。穆林等[30]利用Eulerian-Lagrangian模型耦合飞灰沉积模型对一台化工废液焚烧卧式余热锅炉的飞灰沉积和分布进行数值模拟，飞灰组成如表2所示。结果表明，粒子尺寸是影响沉积率以及沉积分布的主要因素，并且通过现场测量表明，模拟结果与实际测量结果吻合较好。

表2 飞灰组成和含量[30]

对余热锅炉乃至整个焚烧系统整体动态运行特性进行数值模拟，建立动态模型，可为锅炉设计及高效、稳定运行提供依据。贺翔宇等[31]模拟得到辐射废热锅炉的温度场，并进行炉内熔渣传热过程的动态分析，发现熔渣的半径大小会影响流体传热效果。Rovaglio等[32]对回转窑焚烧厂的焚烧和余热回收段进行数值建模及动态模拟。假设燃料特性恒定，开发了通用模型程序，且模拟数据与实验数据基本一致，因此该程序对于工程而言有实际指导价值。Alobaid等[33]对焚烧炉及余热锅炉建立整体的动力学模型，对部分负载操作，故障状况及启闭程序等非稳态工况下工作过程相互影响进行了模拟，为焚烧炉及余热锅炉优化设计和优化运行提供了参考。Magnanelli等[34]对焚烧厂建立动态模型，分析危险废物种类、热值变化，工作参数波动时的动态响应，验证模型关键过程参数如何影响过程输出，分析焚烧系统的抗干扰能力。

目前对于余热锅炉的数值模拟研究主要针对锅炉各个受热面、管道等部件，通过数值模拟软件对以上部分进行模拟计算，得出温度场和速度场分布，分析现有结构的不足进而提出优化改进的方法。但是把这些模块综合在一起进行整体的数值模拟研究还较少，故后续的研究趋势是要把余热锅炉的入口及过渡烟道、省煤器、蒸发器等模块放在一起进行综合考虑，深入研究各个模块之间的相互影响，对余热锅炉的整体进行把控。另外，根据模拟及仿真结果预测锅炉故障及损伤情况，及时避免损失，指导企业安全运行也是下一步模拟研究的方向。

3.2 余热锅炉结焦堵塞、高温腐蚀与防护研究

垃圾焚烧的燃料为工业危险废物，其中含有塑料、化工废液、金属、医疗品等物质，成分复杂，且燃烧产生的烟气中往往含有多种酸性气体、盐类物质、飞灰颗粒[35]。这些物质随烟气的流动非常容易造成炉内水冷壁管壁的磨损与高温腐蚀，甚至发生爆管[36]。另外烟气中存在大量烟尘及无机盐黏结在窑炉或管道内壁，容易固化形成结焦，严重时甚至会堵塞烟道，影响机组的稳定运行，成为系统运行的重要安全隐患。因此国内外许多学者都对水冷壁的高温腐蚀及结焦积灰的机理进行了研究，并提出诸多防止措施和解决方案，以期保证系统的安全运行，防止爆管、堵塞事故的发生，降低企业的运营风险。

在余热锅炉腐蚀机理的研究中，蒋旭光等[37]对锅炉受热面腐蚀进行了详细的介绍，主要分析了氯、硫和碱金属腐蚀3种较为常见腐蚀的发生机理及各自的影响因素。许明磊等[38]对余热锅炉内部高温腐蚀情况进行了详细分析，认为氯化物气体是引起受热面高温腐蚀的主要原因。Phongphiphat等[39]认为换热面的腐蚀常常包括了电化学反应、化学反应等多种反应过程，涉及气体、固体、液体间的复杂反应，氯、硫和碱金属是受热面腐蚀的主要腐蚀介质。Nielsen等[40]研究认为氯腐蚀是垃圾焚烧腐蚀的主要原因，氯具有较高的活性，当有碱金属、硫、氧等因素存在的时候，会与氯形成协同效应，形成熔渣，沉积于管道受热面，对换热面造成严重的腐蚀破坏。白贤祥等[41]通过对烟气腐蚀性气体浓度、腐蚀受热面管材附着物、表面灰渣及壁面气氛等分析研究，确定了余热锅炉高温腐蚀类型为高温氯化腐蚀，并分析了温度对于腐蚀速度的影响。

减缓及防止水冷壁腐蚀对于余热锅炉的安全运行具有重要意义。王小聪等[42]针对水冷壁高温腐蚀提出了敷设耐火材料、采用表面防护如采用热喷涂方法喷涂高铬、镍材料隔绝腐蚀气体、定期清灰等水冷壁高温氯化腐蚀相关防治措施。Liu等[43]认为控制炉膛温度，加强吹灰，保证受热面清洁可以有效减缓高温腐蚀。Martin等[44]提出用化学添加剂的方法降低余热锅炉氯化物的高温腐蚀。Hearley等[45]报道了一种通过高速氧燃料(HVOF)热喷涂制作防高温氯腐蚀的涂层方法。相比于其他喷涂方法，HVOF喷涂具有高密度、低氧化水平等特点，所以具有更好的防腐蚀性，这种涂层沉积方法已经有了多个高温氧化的工业应用实例[46]。另外还出现了对水冷壁表面采取堆焊、感应重熔、低温微熔等新型防腐措施。上述工作促进了余热锅炉防腐技术的发展。

结焦在危废焚烧余热锅炉中普遍存在，使锅炉的换热效率降低，排烟温度升高导致烟气处理系统负荷加大，设备运行寿命缩短，烟气净化能力下降。同时结焦还会引起蒸汽温度升高，甚至会导致汽水管爆破；且结焦往往不均匀，因而水冷壁结焦会对锅炉的水循环安全性和水冷壁的热偏差带来较大影响。余热锅炉结焦是一个复杂的物理化学过程，与许多因素有关，例如危废焚烧后灰的成分、形态、熔化特征温度；垃圾品质不一，实际燃烧垃圾热值远高于设计值，导致锅炉超温严重；不合理的锅炉结构；锅炉漏风等等。

许多学者针对余热锅炉结焦的原因结合现场实际工况，提出了应对措施。刘润伟[47]通过对危险废物进行成分分析，认为对酸性污染物氯、磷、氟的投加速率进行有效控制，根据焚烧废物的化学组分进行合理配伍可以有效减少结焦。炉膛温度分布不合理易造成结焦，因此控制炉膛温度在合理范围内，避免温度过高是防止结焦的重要措施[48-49]。良好的炉内空气动力场，控制炉内烟气的流速并减少锅炉的漏风量也可以防止锅炉结焦。张志超等[50]认为加强烟道的清灰工作，尤其是水平烟道的定期清灰，根据配伍组分及入炉烟气成分的变化及时调整清灰的频率，建立相应监控体系可以有效预防锅炉烟道堵塞。

综上所述，研究者们通过实验与模拟相结合的方式探究余热锅炉结焦与腐蚀的机理和原因，提出了诸多减缓结焦及防止腐蚀的方法，极大地确保余热锅炉的安全稳定运行，减少事故发生。下一步可以进一步探究余热锅炉结焦与腐蚀的机理，寻找更加高效经济的解决措施，保证系统的正常运行。

3.3 余热锅炉段对二噁英等污染物的控制技术

危废焚烧过程中产生的二噁英不仅对环境和人体都有巨大的危害，而且阻碍了焚烧技术的发展，因此，二噁英的控制和降解技术就显得尤为重要[51-52]。二噁英控制技术目前主要包括废弃物燃烧前预处理、燃烧过程控制和烟气控制与净化3个方面。El-Shahawi等[53]发现在进入焚烧炉之前，垃圾中有一定数量的二噁英。这些二噁英在焚烧炉的热处理过程中并没有被完全破坏，而是继续存在于烟道气和飞灰中。废弃物中最初的二噁英与垃圾的类型有关，如纺织品、医疗用品和塑料产品中二噁英含量较高。许多学者对二噁英生成机理进行了深入研究，Babushok等[54]研究发现在理想焚烧炉条件下，当温度超过1 200 K时，在混合良好的塞流系统下，系统中气相二噁英的形成极其困难。Buekens等[55]研究证明二噁英的“从头合成”在焚烧炉的燃后区300～325 ℃达到最大。Mckay[51]认为温度对于二噁英的形成起主要作用，且350 ℃最适宜二噁英形成。故实施迅速冷却技术缩短烟气在该温度段的停留时间，能有效降低二噁英的生成量[56-57]。

王伟[58]提出对工艺进行改进，把锅炉出口500 ℃左右烟气送入以喷水的方式与烟气进行快速热量交换的急冷塔，理论上能够使烟气在0.22 s以内，从500 ℃降至200 ℃以下，从而抑制二噁英的二次合成。Cunliffe等[59]模拟研究实际烟气条件下管道积灰中的二噁英迁移转化规律，表明管道积灰会为二噁英的合成提供场所。余热锅炉烟道中蒸发器、省煤器、管道及换热面表面的飞灰[60]中含有二噁英，也含有合成二噁英所需要的主要碳源、氯源及催化剂[61]。因此，定期清除烟道中的积灰，也是减少燃烧后区域合成二噁英的重要控制手段。现代烟气处理还加入了催化剂的使用，以抑制燃烧过程及其后二噁英的生成。例如，Samaras等[62]研究表明，含硫化合物降解二噁英的能力大于98%，明显高于降解能力为28% 的含氮化合物。故目前多数研究都集中于含硫化合物对二噁英的抑制[63-64]。通过将高硫煤与城市生活垃圾混合，利用煤中的硫化物来减少二噁英生成的研究逐渐兴起[65]。

随着环保要求不断提高，研究者们提出了诸多二噁英的控制与减排方法，例如合理配伍、控制温度区间及停留时间、定期清灰等，保证了危废处理装置的污染物排放达到国家环保的要求。下一步如何使二噁英排放达标的同时保证锅炉蒸汽产量及换热效率，实现环保经济双赢，也是研究人员关注的重点。

4 新技术在危废焚烧系统中的应用

随着国家及社会对于危废资源化处理的重视，许多技术都应用到了危废焚烧系统中，加快了各种技术间的相互融合与创新，促进了危废焚烧行业的快速发展。本综述对其中应用较为成熟的蒸汽空气预热技术、联合换热循环发展、余热回收的梯级利用技术进行介绍和分析。

4.1 蒸汽空气预热技术

由于危险废物成分复杂，含水率高，并含有大量氯、碱金属等有害元素。这些成分在焚烧炉燃烧后产生氯化氢、硫氧化物、氮氧化物等酸性气体，容易引起余热锅炉尾部烟道及受热面发生腐蚀和严重积灰问题[66]。因此，一些危废焚烧系统采用布置在锅炉外部的蒸汽空气预热器来代替常规的烟气空气预热器，以提高入炉一次风温度，来降低锅炉尾部烟道低温腐蚀和严重积灰。蒸气空气预热器是指利用锅炉过热蒸汽或者汽泡饱和蒸汽来加热冷空气的装置。冷空气依次经过低压段、高压段进行换热，空气加热到指定温度后，作为一次风送入炉膛助燃。

曾纪进等[67]以一台670 t×h-1垃圾焚烧炉为研究对象，采用汽轮机抽汽的方式在蒸汽空气预热器低压段加热冷空气，余热锅炉的有效输出热量增加了2 947.2 kW，但采用汽轮机抽气加热蒸汽空气预热器会导致蒸汽做功能力的损失。朱红芳[68]研究发现当空气预热器的加热气源从饱和蒸汽改为汽机抽气时，为维持垃圾处理量不变，额定蒸发量、过热器受热面积、过热器阻力和省煤器受热面积数值增大，给水流量减小。因此改变蒸汽空气预热器的加热气源需要对整台余热锅炉进行重新计算和设计，锅炉给水量、结构和阀门等都会出现相关的变化。Kessel等[69]对余热锅炉进行数值模拟，发现增加空气预热器，可以提高回收的热量及余热锅炉整体热效率。虽然蒸汽空气预热器能够有效避免锅炉尾部烟道及受热面发生低温腐蚀和严重积灰问题，但是也会对锅炉效率、机组效率及锅炉过热器和省煤器的结构等产生影响。因此设计选择合理的结构和运行参数，才能提高余热锅炉的经济效益。

4.2 联合换热循环发展

危废焚烧系统与其他项目联合运行一直是人们关注的热点，受到研究者的重视。与火电厂组合运行，利用燃气轮机高温排气为焚烧厂提供额外热源。Kessel等报道采用再热循环系统，高压汽轮机出口蒸汽返回余热锅炉中再次加热到原有温度，然后进入汽轮机做功[70]，可以提高热量的利用效率。例如欧洲某些国家的焚烧企业采用此工艺，可以降低燃烧过程的氧含量，并最大限度地利用烟气余热[71]，实现热量的高效利用。与热电厂协调运行，Nikolic等[72]通过把废物焚烧设施建在一个现有的供热厂旁边，采用热电联合系统，利用垃圾焚烧厂产生的热能，替代热电厂中用于地区供暖的一部分进口天然气。他们还评价了焚烧产生的能源对城市总能源的贡献，该研究为危险废物焚烧企业与其他项目联合发展提供了经验[73-74]。

总体来说，目前国内多数危废焚烧企业规模较小且以处理废物为主，蒸汽的产量不大，因此，产业联合运行较少。但随着危废产量逐年增长及企业规模的逐步扩大，危废企业与发电、供热等项目的集成化运行，不仅可以减少系统重叠部分的工程量及输送过程的损耗，而且能有效提升热量的利用效率，因此产业间的联合发展势必会得到更多关注。

4.3 余热回收的梯级利用技术

在回转窑焚烧系统中，危险废物燃烧产生的烟气热量通过二燃室后设置的余热锅炉回收，并产生低压饱和蒸汽。蒸汽可用于余热锅炉给水除氧、一次风预热、烟气加热等，但在实际生产中，由于蒸汽用户的局限性，特别是采暖用气的季节性变化较大，余热蒸汽无法完全有效利用，富余部分往往通过蒸汽冷凝器冷凝成凝结水回用，既增加了设备投资，也浪费了能源，增加了系统电耗[75]。因此，开发新的余热蒸汽利用途径，对危险废物焚烧的余热进行梯级回收利用，对节能减排、降低危废处置的成本、提高企业经济性有着重要意义，并可以取得良好的社会效益。

由于危废焚烧工况稳定性较差、蒸汽产量波动大、产生的蒸汽参数较低、汽轮机组维护和使用要求高，因此常规的汽轮发电机组不太适用于危废焚烧厂中，可选用适应性相对较强的螺杆膨胀机进行发电。螺杆膨胀发电机组是当今国内外唯一能同时适用于过热蒸汽、饱和蒸汽、汽水两相湿蒸汽及热水的热动力机，对蒸汽品质要求不高，能够适应热源参数的大范围波动，运行维护简单，因此非常适合用于危废焚烧处置系统中。为了充分利用蒸汽热焓，可以采用背压型螺杆膨胀机替代减压阀，既满足了蒸汽减压的要求，又能回收部分能量。发出的电力可以补充系统自身电耗，降低运行成本[76]。在减少企业热污染的同时提高了企业能源的利用效率，经济效益良好，也完全符合国家的节能减排政策。螺杆膨胀机发电系统流程图如图3所示[77-78]。

图3 某企业螺杆膨胀机发电系统流程图[77-78]

通过螺杆膨胀机发电的余热回收利用后，产生的乏汽仍然具有一定的热焓，如果无组织排放，不但浪费能源，还会对环境产生一定的影响。因此，考虑通过增加汽水换热器设备，将乏汽中的热能置换出来，加热冷水，产生的热水可以用于生产或生活用水(如职工浴室使用)。在北方供热地区，也可以用于供热系统，减少热源供给。换热后的水汽经过冷凝后可以回收水分，循环使用，减少水耗[79-80]。总之，余热梯级利用技术能够最大限度地提高换热效率，增加企业效益。

5 结语

危废焚烧行业作为环保产业、新能源产业和市政基础设施的结合，不仅能够实现危废减量化、无害化处理，减少对土地资源的依赖；还在能量回收方面起着重要作用，实现废物资源的再次利用。我国的危废焚烧产业正处于向资源化利用和可持续发展的转型阶段。目前，余热锅炉在数值模拟与优化、积灰结焦与腐蚀、污染物控制等方面的研究有所突破和进展，今后的研究可以参考以下几个方面：

(1) 针对不同地区的危险废物种类、不同废物热值、不同工况条件及不同余热锅炉结构要求等，建立通用的设计准则及行业规范，提高危险废物焚烧余热锅炉的实际应用范围及应用效果。

(2) 随着计算机和计算流体力学的发展，使用数值模拟方法建立危险废物焚烧余热锅炉计算模型，不断提高数值模拟准确性，捕捉余热锅炉内部流场细节，为优化余热锅炉换热性能提供参考和依据。

(3) 基于大数据方法，对整个危险废物焚烧系统乃至整个固废处理行业进行运行和数据检测分析，确定影响换热效率、能耗、蒸发量的关键控制变量，建立数据库，对系统整体运行进行优化分析，提升余热锅炉的控制及自动化水平，从而达到系统节能及最优运行的目的。

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Research progress of waste heat boiler for hazardous waste incineration

GAO Lin1, ZHANG Wang1, ZHOU Yun-feng2, ZHANG Zao-xiao1

(1. School of Chemical Engineering and Technology, State Key Laboratory of Multiphase Flow for Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China;2. Jiangsu Lianxing Complete Equipment Manufacturing Co. Ltd., Taizhou 214537, China)

More and more hazardous wastes are produced in the industrial production with the rapid development of China’s industry, so it is exceptionally essential to treat them efficiently and environmentally friendly. Hazardous waste incineration has become one of the key alternatives for the treatment of hazardous wastes because of its advantages of volume reduction, weight reduction, high degree of harmlessness and recovery of energy contained in the waste. A waste heat boiler is one of main components of hazardous waste incineration system, thus the application and classification of waste heat boilers were summarized based on the development of hazardous waste incineration system. The researches on the numerical simulation and optimization of waste heat boiler, the cooking and high-temperature corrosion of waste heat boiler, and the dioxin control technology in waste heat boiler were introduced. The application of steam air preheating technology, development of combined heat transfer cycle and the waste heat recovery of cascade utilization technology were further presented. It provides a reference for theoretical research, engineering practice, and system integration operation of waste heat boilers in hazardous waste incineration systems.

industrial hazardous waste; incineration; waste heat boiler; water wall; optimization

1003-9015(2021)06-0943-12

X 705；X 706

A

10.3969/j.issn.1003-9015.2021.06.001

2021-03-22；

2021-05-19。

国家自然科学基金(51876150)。

高林(1997-)，男，山东日照人，西安交通大学硕士生。

张早校，E-mail：zhangzx@mail.xjtu.edu.cn