卜銀坤

(北京航天動(dòng)力研究所 北京航天石化技術(shù)裝備工程公司，北京 100076)

當(dāng)前，垃圾焚燒發(fā)電已成為垃圾減量化(減容70%～80%、減重50%～80%)、無害化(高溫焚燒+煙氣凈化)、資源化(主要是發(fā)電)的國(guó)際主流技術(shù)[1-3]。然而一直存在以下難以克服的技術(shù)難題以致嚴(yán)重影響其普及和良性發(fā)展：因?yàn)槌鞘猩罾扛遊1，4]，一般為40%～60%；發(fā)熱量低[3]，一般為3000～6000kJ/kg；容重小[4]，一般為0.25～0.5t /m3，所以需要的爐排面積是同功率燃煤鍋爐的近3倍，過大的過量空氣系數(shù)1.7～2.5[2-3]使鍋爐系統(tǒng)體積特別龐大，是同功率燃煤鍋爐的4倍左右，鍋爐的運(yùn)行效率很難超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的75%[5]；投資和運(yùn)行費(fèi)用特別巨大[6]以至必須依靠國(guó)家政策經(jīng)濟(jì)補(bǔ)貼(目前平均焚燒每噸垃圾的項(xiàng)目投資為50～75萬元人民幣，每處理1噸垃圾的運(yùn)行費(fèi)用為120元人民幣左右)，使用壽命小于25年[6-7]，除了社會(huì)環(huán)保效益外，獨(dú)立的經(jīng)濟(jì)效益無從談起；另外，由于垃圾中含有較多的難以分類、分揀的含氯和重金屬元素的成分，所以垃圾焚燒的煙氣中，存在較多的酸性氣體、一定量的重金屬和劇毒性污染物二噁英，給焚燒達(dá)標(biāo)排放帶來很大的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)壓力，給興建垃圾發(fā)電企業(yè)帶來一定的鄰壁現(xiàn)象。

我國(guó)的垃圾發(fā)電產(chǎn)業(yè)屬于資本驅(qū)動(dòng)型產(chǎn)業(yè)，企業(yè)引進(jìn)的國(guó)外相關(guān)技術(shù)，基本上都是加工制造或仿造，自動(dòng)化控制技術(shù)水平較低，嚴(yán)重缺少源頭的創(chuàng)新行為，解決問題的核心技術(shù)急待突破。為了趕超國(guó)際水平，我國(guó)垃圾焚燒發(fā)電產(chǎn)業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)體系日趨嚴(yán)格，然而嚴(yán)格執(zhí)行這些標(biāo)準(zhǔn)卻缺少相應(yīng)的科學(xué)技術(shù)使排放真正達(dá)標(biāo)，致使垃圾發(fā)電事業(yè)面臨更多的問題[8]。

筆者研究認(rèn)為，過量空氣系數(shù)太大是垃圾發(fā)電企業(yè)改變不良現(xiàn)狀難以逾越的門檻，是急待突破的關(guān)鍵核心技術(shù)。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，由于技術(shù)問題，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有垃圾焚燒技術(shù)的過量空氣系數(shù)普遍都很大[9、3、10]，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)[5,9,11-12]允許垃圾焚燒的過量空氣系數(shù)αb=2.1，在線垃圾焚燒發(fā)電鍋爐[13]的實(shí)際過量空氣系數(shù)αs=1.8～2.2，文獻(xiàn)[3]推薦αs=1.7～2.5。筆者計(jì)算發(fā)現(xiàn)：按過量空氣系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值αk=2.1、鍋爐排煙溫度為200℃，每焚燒低位發(fā)熱量為6639kJ/kg的1kg垃圾，要產(chǎn)生10.41m3需要凈化的煙氣量，實(shí)際在線垃圾發(fā)電鍋爐為了所謂的達(dá)標(biāo)排放，超過這個(gè)數(shù)值的并不新鮮，這不僅使鍋爐運(yùn)行效率ηg<75%、需要凈化的煙氣量超大，而且需要超大功率的鼓風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)，造成建設(shè)投資和運(yùn)行費(fèi)用特別巨大、垃圾發(fā)電系統(tǒng)的體積特別龐大以至與其功率極不相稱。顯然：大幅降低過量空氣系數(shù)并充分燃盡，是垃圾發(fā)電廠投資和運(yùn)營(yíng)成本的降低、煙氣凈化系統(tǒng)的簡(jiǎn)化、節(jié)能和減排、改變不良現(xiàn)狀需要突破的關(guān)鍵核心技術(shù)。

1 高溫?zé)煔庖淦鞯墓ぷ髟?/h2>

1-噴管 2-噴嘴 3-接收室 4-吸氣收縮管 5-喉部 6-混合管 7-擴(kuò)壓管圖1 負(fù)壓吸氣式低壓引射器工作原理圖

2 高溫?zé)煔庖淦鞯睦碚撚?jì)算內(nèi)容

2.1 混合次高溫氣體的溫度及引射系數(shù)

(1)

由此得引射系數(shù)

(2)

式(1)、(2)中：

qm,a、qm,f—工作空氣、高溫?zé)煔獾馁|(zhì)量流量，kg/s；

Tamb,s—標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下大氣的溫度，Tamb,s=273K，K；

um—引射器的質(zhì)量引射系數(shù)，um=qm,f/qm,a；

2.2 動(dòng)量方程的創(chuàng)建

如圖1所示，兩股氣流從截面A-A流到截面B-B，按受力情況(兩股氣流匯流撞擊能量損失，屬工質(zhì)系統(tǒng)的內(nèi)力行為，不影響其動(dòng)量守恒定理)，其動(dòng)量方程[17-20]為

(3)

式(3)及其關(guān)聯(lián)的式中：

qm,m—混合次高溫氣體的質(zhì)量流量，qm,m=qm,a+qm,f，kg/s；

pamb,s—標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的大氣壓力，pamb,s=101325 Pa，Pa；

pamb—當(dāng)?shù)氐拇髿鈮毫?，因?yàn)閨pamb-pamb,s|相對(duì)pamb,s很小，所以取pamb/pamb,s≈1，Pa；

2.3 連續(xù)方程及相關(guān)的參數(shù)表達(dá)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—工作空氣、高溫?zé)煔狻⒒旌洗胃邷貧怏w在標(biāo)態(tài)下的體積流量，m3/s；

項(xiàng)目劃分的第三級(jí)為單元工程，單元工程是日?？己撕唾|(zhì)量評(píng)定的基本單位，有具體的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)檢驗(yàn)要求。只有單元工程按照設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)施工，才能使施工質(zhì)量達(dá)到優(yōu)良，提高單元工程的優(yōu)良率。這是實(shí)現(xiàn)分部工程、單位工程以至工程項(xiàng)目施工質(zhì)量等級(jí)優(yōu)良的重要條件之一。

ρa(bǔ)、ρf、ρm—工作空氣、高溫?zé)煔狻⒒旌洗胃邷貧怏w在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度，kg/m3；

s—工作空氣和高溫?zé)煔庠跇?biāo)態(tài)下的密度比值，s=ρa(bǔ)/ρf；

um.s—引射器的容積引射系數(shù)；

ka、kf、km—分別為工作空氣、高溫?zé)煔?、混合次高溫氣體的絕熱指數(shù)，空氣的絕熱指數(shù)ka=1.40，大多數(shù)情況下，kf≈ka=1.40，km≈ka=1.40。

2.4 工作空氣在噴嘴出口的實(shí)際速度

(15)

(16)

由式(16)得

(17)

式(15)—(17)中：

需要說明的是，引進(jìn)φa后，工質(zhì)流過噴嘴的能量守恒方程中不再考慮工質(zhì)的阻力損失。

2.5 高溫?zé)煔庋爻套枇捌湓趪娮斐隹谔幍撵o壓和實(shí)際速度

(18)

于是，噴嘴出口高溫?zé)煔獾撵o壓

(19)

(20)

在式(18)—(20)中：

∑ζf,i—高溫?zé)煔庠趪娮斐隹谇案鞣N阻力系數(shù)的總和，噴嘴阻力相對(duì)其它阻力可忽略；

Δpr,f—高溫?zé)煔庠趪娮斐隹谇暗墓苈房傋枇?，Pa；

2.6 混合次高溫氣體在混合管出口的速度、混合管內(nèi)的摩擦力和撞擊能量損失以及擴(kuò)壓管對(duì)其壓力的恢復(fù)值

由此得

(21)

(22)

由式(21)=(22)，得混合次高溫氣體在擴(kuò)壓管內(nèi)壓力的恢復(fù)值

(23)

(24)

實(shí)踐證明，混合管內(nèi)部對(duì)氣流的阻力很小以至可以忽略，即沿程流動(dòng)可視為無外力作用的過程，因此，應(yīng)用動(dòng)量守恒定理得匯流發(fā)生的撞擊能量損失[18]

(25)

相當(dāng)于壓力損失

(26)

因此，高溫?zé)煔庖驗(yàn)閲娮烨傲鲃?dòng)阻力和在混合管中與工作空氣撞擊而引起的總壓力損失

(27)

式(21)—(27) 中：

ζf,m—混合管的摩擦阻力系數(shù)，與氣體的流態(tài)、混合管的加工質(zhì)量和長(zhǎng)度有關(guān)；

Δpi,af—不同速度的兩股氣流，匯流過程中的撞擊壓力損失，Pa；

Δpt,f—高溫?zé)煔庖驗(yàn)榱鲃?dòng)阻力和在引射器中與工作空氣撞擊而引起的總壓力損失，Pa；

2.7 混合管出口混合次高溫氣體的靜壓及噴嘴前鼓風(fēng)機(jī)全壓

(28)

可表示為

(29)

2.8 高溫?zé)煔庖淦鞯男?/h3>

在論述引射器效率時(shí)，必須認(rèn)清混合次高溫氣體的總壓力及其中組成氣體的分壓力。按道爾頓分體積理論[5]，高溫?zé)煔夂凸ぷ骺諝庠谝淦鞒隹谔幍姆謮悍謩e為

(30)

(31)

引射器的效率是其性能的重要參數(shù)，各種書籍和文獻(xiàn)對(duì)其有不同的定義和計(jì)算方法[24]，其大小相差很大，甚至對(duì)引射器的科學(xué)設(shè)計(jì)有一定的誤導(dǎo)，使引射器的優(yōu)勢(shì)不能很好地被全面認(rèn)識(shí)，且至今模糊不清。筆者認(rèn)為，混合次高溫氣體必須要有足夠的機(jī)械能才能克服向下游流動(dòng)的阻力，最終穿過爐排和燃料層為燃料助燃，否則，再高的氣體品質(zhì)也是沒有意義的。因此，高溫?zé)煔庖淦鞯男剩瑧?yīng)當(dāng)基于實(shí)際機(jī)械能的轉(zhuǎn)換量的多少，即高溫?zé)煔鈾C(jī)械能量的理論增加量與工作空氣機(jī)械能量的理論減少量的比值，即

(32)

在式(30)—式(32)中：

ηm—基于機(jī)械能轉(zhuǎn)換機(jī)理的高溫?zé)煔庖淦鳈C(jī)械功效率；

3 高溫?zé)煔庖淦鲀?yōu)化設(shè)計(jì)

4 高溫?zé)煔庖淦髟诶l(fā)電鍋爐中的應(yīng)用分析

筆者在一期國(guó)外垃圾發(fā)電鍋爐的設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)，具有高溫?zé)煔庖淦鱗14]和超強(qiáng)聚熱反輻射型燃燒室[25]的垃圾發(fā)電鍋爐，不僅能夠免去常規(guī)的不銹鋼汽氣換熱器，在過量空氣系數(shù)1.05<αs<1.20的條件下使垃圾著火更容易、焚燒更完全、無害化更徹底，而且垃圾發(fā)電廠的設(shè)備更簡(jiǎn)單、投資和運(yùn)行費(fèi)用減少近半，垃圾發(fā)電廠有望徹底改變當(dāng)前的不良現(xiàn)狀。

圖2是高溫?zé)煔庖淦骱统瑥?qiáng)聚熱反輻射型燃燒室同時(shí)在SLC500-35/4.00/400生活垃圾發(fā)電鍋爐上的應(yīng)用原理示意圖，該鍋爐為五驅(qū)動(dòng)傾斜順推階梯形往復(fù)爐排爐，共有8個(gè)一次風(fēng)室，每一個(gè)風(fēng)室左右對(duì)稱進(jìn)入的一次風(fēng)量均可調(diào)節(jié)，一次風(fēng)和燃燒室前后各三組二次風(fēng)全部來自高溫?zé)煔庖淦鞯某隹?，均為高溫低氧的助燃?xì)怏w。具有代表性的某市區(qū)生活垃圾的物理組成平均值[4]見表1，對(duì)應(yīng)的生活垃圾元素分析統(tǒng)計(jì)修正平均值見表2，垃圾在無補(bǔ)充燃料、不同過量空氣系數(shù)條件下爐膛內(nèi)的理論燃燒溫度[26]如表3。按鍋爐額定負(fù)荷計(jì)算，當(dāng)實(shí)際過量空氣系數(shù)αs=1.20、高溫?zé)煔庖淦鞯囊湎禂?shù)u=0.40時(shí)：引射器出口高溫低氧助燃?xì)怏w的總風(fēng)量19.05Nm3/s、總風(fēng)壓為1000±100Pa、風(fēng)溫為300±30℃、氧含量16%～18%、名義過量空氣系數(shù)αm=(1+u)×αs=(1+0.4)×1.20=1.68；和常規(guī)同等參數(shù)的垃圾發(fā)電鍋爐相比，配套風(fēng)機(jī)的風(fēng)量、風(fēng)壓和功率[27]見表4。

圖2 高溫?zé)煔庖淦髟赟LC500-35/4.00/400生活垃圾發(fā)電鍋爐上的應(yīng)用設(shè)計(jì)原理示意圖

表1 某市區(qū)生活垃圾的物理組成平均值(干基重量比例)

表2 對(duì)應(yīng)的生活垃圾元素分析統(tǒng)計(jì)修正平均值(用于垃圾焚燒發(fā)電鍋爐設(shè)計(jì))

表3 不同過量空氣系數(shù)條件下爐膛內(nèi)的理論燃燒溫度

雖然按式(32)計(jì)算得到的高溫?zé)煔庖淦鞯臋C(jī)械功效率只有ηj=10.59%，但它帶來的效益卻是巨大的。由表4不難看出，用高溫?zé)煔庖淦魈娲Ｒ?guī)不銹鋼的汽氣換熱器：不僅鍋爐的運(yùn)行電耗減少了一半多，而且預(yù)算表明相關(guān)的建設(shè)費(fèi)用減少了近一半；因?yàn)檫^量空氣系數(shù)的大幅減少從而使必須凈化的煙氣量減少了近一半，所以煙氣的凈化設(shè)備得到大大簡(jiǎn)化，煙氣的凈化效果大大提高，煙氣的排放更容易達(dá)標(biāo)，因此，垃圾發(fā)電廠的鄰避現(xiàn)象就會(huì)自然消除；過量空氣系數(shù)的大幅減少，大大提高了爐膛溫度從而避免輔助燃料的添加，同時(shí)可以將有害難以處理的垃圾滲濾液按文獻(xiàn)[26]的方法全部細(xì)霧入爐焚燒，從而免去了常規(guī)滲濾液處理系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)行的昂貴費(fèi)用；計(jì)算表明，圖2所示的垃圾發(fā)電鍋爐結(jié)構(gòu)，在沒有添加輔助燃料的情況下，其熱效率理論值為88%，遠(yuǎn)超當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)[5]要求的75%；從垃圾發(fā)電廠系統(tǒng)圖可以看出，其占地面積可減少近三分之一。

在圖2中，鼓風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)源自鍋爐前部密封的垃圾儲(chǔ)坑上方，高溫?zé)煔鈦碜匀急M室頂部前墻的中部。為了減少1000℃高溫?zé)煹赖拈L(zhǎng)度，將高溫?zé)煔庖淦髦糜阱仩t前料倉頂部的鋼架上，且有可靠的防振、隔音措施，高溫?zé)煹篮透邷氐脱躏L(fēng)道均有可靠的耐火絕熱保護(hù)設(shè)施，管道外表溫度不高于50℃。

圖2所示的爐膛如同熱工學(xué)中的一個(gè)開口設(shè)備，高溫?zé)煔庖淦魇範(fàn)t膛出口高溫?zé)煔庠傺h(huán)屬于開口體系的內(nèi)部循環(huán)，具有以下特點(diǎn)：因?yàn)楦邷責(zé)煔庖淦鳑]有改變開口體系入口空氣的氧含量和過量空氣系數(shù)(1<αs<1.20)，所以，所述高溫?zé)煔庖淦鞒隹谥伎諝庋鹾康臏p少，不同于系統(tǒng)外空氣氧含量的減少，不會(huì)減弱反而會(huì)因?yàn)闇囟鹊拇蟠筇岣?、湍流效?yīng)的加大而增強(qiáng)垃圾原本的著火和燃燒的穩(wěn)定性；不會(huì)影響爐內(nèi)的理論燃燒溫度和理論煙氣量；忽略因這種內(nèi)循環(huán)而引起的爐膛壁面對(duì)外界散熱的差別，這種內(nèi)循環(huán)不會(huì)影響爐膛出口煙氣的理論溫度和流速，不會(huì)影響鍋爐尾部受熱面的布置；可以按傳統(tǒng)理論和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)這種新型垃圾發(fā)電鍋爐。

生活垃圾在圖2所示的結(jié)構(gòu)爐膛內(nèi)高溫、低氧、強(qiáng)湍流條件下焚燒，具有以下優(yōu)點(diǎn)：爐膛出口高溫?zé)煔膺B續(xù)不斷地被定量強(qiáng)制返回到爐膛低溫區(qū)即爐排底部，除了對(duì)爐膛內(nèi)的煙氣進(jìn)行物理絞絆外，還增加了未燃燒物的活化分子與煙氣中多余活化氧分子的碰撞并化學(xué)反應(yīng)的機(jī)會(huì)從而提高了氧的利用率，同等情況下過量空氣系數(shù)可以更小；物理絞絆消除了局部高溫區(qū)從而使氮氧化物、二噁英等有害氣體失去了生成條件；因?yàn)榇蟠筇岣吡艘淮慰諝獾臏囟?，所以燃料的烘干時(shí)間短、著火和燃燒會(huì)更加容易和劇烈[27]。

5 結(jié)論

(1)垃圾焚燒的過量空氣系數(shù)太大是垃圾發(fā)電廠目前不良現(xiàn)狀的根本原因，大幅降低過量空氣系數(shù)并充分燃盡是環(huán)保科技急待突破的關(guān)鍵核心技術(shù)。

(2)具有高溫?zé)煔庖淦骱统瑥?qiáng)聚熱反輻射型燃燒室的垃圾發(fā)電鍋爐，能夠?qū)崿F(xiàn)垃圾在過量空氣系數(shù)為1.05<αs<1.20、一次風(fēng)和二次風(fēng)溫度為300±30℃且氧含量為16%～18%的條件下，無需輔助燃料即能完全焚燒，而且較高的爐膛溫度能夠滿足垃圾滲濾液全部細(xì)霧回爐焚燒，污染從源頭得到真正有效的控制，是徹底改變垃圾發(fā)電廠當(dāng)前不良現(xiàn)狀的科學(xué)路徑。

(3)高溫?zé)煔庖淦魇歉淖兝姀S不良現(xiàn)狀的可靠性強(qiáng)、成本低、容易實(shí)現(xiàn)的高科技設(shè)備，正確設(shè)計(jì)、制造、應(yīng)用高溫?zé)煔庖淦?，是?dāng)前改變垃圾發(fā)電廠不良現(xiàn)狀的核心技術(shù)。

(4)高溫?zé)煔庖淦魇範(fàn)t膛出口高溫?zé)煔庠傺h(huán)屬于開口體系的內(nèi)部循環(huán)，可以按傳統(tǒng)理論和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)這種新型垃圾發(fā)電鍋爐。