高 林, 張 旺, 周云峰, 張早校

危險廢物焚燒余熱鍋爐研究進展

高 林1, 張 旺1, 周云峰2, 張早校1

(1. 西安交通大學(xué) 化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院, 動力工程多相流國家重點實驗室, 陜西 西安 710049;2. 江蘇聯(lián)興成套設(shè)備制造有限公司, 江蘇 泰州 214537)

隨著我國工業(yè)的快速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)過程產(chǎn)生的危險廢物(危廢)日益增多，對其進行高效處理尤為重要。危廢焚燒具有減容、減重、無害化程度高、能回收廢物中所含的能量等優(yōu)點，成為危險廢物無害化處理的主要途徑之一。余熱鍋爐是危廢焚燒系統(tǒng)的主要組成之一，因此基于危廢焚燒系統(tǒng)的發(fā)展，對余熱鍋爐的應(yīng)用和分類進行了深入分析。著重介紹了余熱鍋爐的數(shù)值模擬及優(yōu)化、余熱鍋爐結(jié)焦與高溫腐蝕研究、余熱鍋爐段對二噁英的控制技術(shù)等研究方向的國內(nèi)外研究進展。在此基礎(chǔ)上，對蒸汽空氣預(yù)熱技術(shù)、聯(lián)合換熱循環(huán)發(fā)展、余熱回收的梯級利用技術(shù)的應(yīng)用進行了介紹，為余熱鍋爐在危廢焚燒系統(tǒng)中的理論研究、工程實踐、系統(tǒng)集成運行提供了參考。

工業(yè)危險廢物；焚燒；余熱鍋爐；水冷壁；優(yōu)化

1 前言

隨著我國工業(yè)的快速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)過程排放的危險廢物日益增多，危廢處置需求與處置能力不足之間的矛盾日益突出。危廢是指列入國家危險廢物名錄或者根據(jù)國家規(guī)定的危險廢物鑒別標準和鑒別方法認定的具有危險特性的固體廢物[1]。危廢具有腐蝕性、毒性、易燃性、反應(yīng)性或者感染性等一種或幾種危險特性，在操作、儲存、運輸、處理和處置不當時會對人體健康或環(huán)境帶來重大威脅[2-3]。據(jù)相關(guān)調(diào)查，2018年我國工業(yè)危險廢物量已經(jīng)超過七千萬噸。危廢焚燒具有占地少、減容減重效果明顯、無害化程度高、能回收廢物中所含的能量等優(yōu)點，成為危險廢物無害化處理的主要途徑之一，是國家可持續(xù)發(fā)展方針的重要內(nèi)容[4]。危廢焚燒過程中會產(chǎn)生大量的熱量，因此采用余熱鍋爐是垃圾焚燒系統(tǒng)余熱回收的主要方法，直接影響系統(tǒng)的熱量利用和回收效率[5]。研究對危廢焚燒過程中余熱鍋爐的應(yīng)用和分類進行了總結(jié)分析，重點闡述了在余熱鍋爐的數(shù)值模擬及優(yōu)化、積灰結(jié)焦與高溫腐蝕、二噁英等污染物的控制技術(shù)等國內(nèi)外研究進展。在此基礎(chǔ)上，對在余熱鍋爐中應(yīng)用的蒸汽空氣預(yù)熱技術(shù)、聯(lián)合換熱循環(huán)發(fā)展、余熱回收的梯級利用技術(shù)等進行了系統(tǒng)分析，為余熱鍋爐的新技術(shù)開發(fā)提供參考。

2 余熱鍋爐的應(yīng)用及分類

2.1 余熱鍋爐的應(yīng)用

危廢垃圾焚燒廠的工藝流程如圖1所示[6]。余熱鍋爐作為危廢焚燒系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié)，其上游連接危廢焚燒爐，下游連接煙氣急冷及尾氣處理裝置[7]。傳統(tǒng)的余熱鍋爐內(nèi)置在煙道內(nèi)的蒸發(fā)換熱管束的換熱會使得周圍爐墻的溫度過高，造成爐墻材料損壞、熱量通過爐墻散熱損失高以及密封性能不好鍋爐漏風(fēng)量大等問題。因此目前在危廢焚燒系統(tǒng)中密封和保溫性能更好的水冷壁余熱鍋爐應(yīng)用較為廣泛[8]。水冷壁全稱“水冷壁管”，它由數(shù)排鋼管組成，通常垂直鋪設(shè)在爐墻內(nèi)壁面上，其內(nèi)部為流動的水或蒸汽，用來吸收爐內(nèi)火焰和高溫?zé)煔馑懦鲚椛錈岬腻仩t受熱面，亦為余熱鍋爐水循環(huán)回路中的基本部件，兼有冷卻和保護爐墻的作用。在大容量鍋爐中，爐內(nèi)火焰溫度很高，熱輻射的強度很大，鍋爐中有40%～50%甚至更多的熱量由水冷壁所吸收。

圖1 危險廢物垃圾焚燒廠的工藝流程[6]

2.2 余熱鍋爐的分類

余熱鍋爐可以按照水冷壁受熱面的結(jié)構(gòu)形式進行分類，可以分為光管水冷壁、銷釘水冷壁、膜式水冷壁以及內(nèi)螺紋水冷壁。

如圖2所示，光管水冷壁一般由無縫鋼管構(gòu)成。銷釘水冷壁指在水冷壁管上焊接許多長20～25 mm，直徑6～12 mm的銷釘，然后敷上鉻礦砂耐火涂料，以減少水冷壁該部位的吸熱量，提高爐內(nèi)燃燒區(qū)溫度，適用于燃料著火特別困難的場合或某些液態(tài)排渣爐、旋風(fēng)爐或者固態(tài)排渣煤粉爐[9]。膜式水冷壁是把許多軋制好的水冷壁鰭片管用點焊互相焊接在一起，使其成為一個密封的氣密式組合受熱面[10]。優(yōu)點是爐膛的氣密性好、漏風(fēng)量少，排煙損失少、鍋爐熱效率高；可以減輕爐墻和保溫材料重量、簡化結(jié)構(gòu)，降低鍋爐成本；改善熱膨脹系數(shù)及燃燒工況，使爐墻不易結(jié)焦；缺點是管屏熱應(yīng)力分布比較復(fù)雜。各種水冷壁的優(yōu)缺點如表1所示。

圖2 水冷壁結(jié)構(gòu)圖

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種水冷壁的比較[9-10]

除此之外還有一種水冷壁結(jié)構(gòu)稱為內(nèi)螺紋水冷壁，是指用內(nèi)螺紋管代替普通光管的水冷壁。內(nèi)螺紋管可以抑制膜態(tài)沸騰、推遲傳熱惡化。與光管相比，螺紋管的內(nèi)螺紋一方面可使流體旋轉(zhuǎn)，增強管子內(nèi)壁面附近流體的擾動，避免氣泡在管內(nèi)壁面積聚形成“汽膜”，保證管內(nèi)壁面有連續(xù)的水流冷卻；另一方面內(nèi)肋片又加大了管內(nèi)換熱面積，有利于增強傳熱及降低壁溫。管內(nèi)液體流過螺紋管會形成漩渦和強烈的擾動，從而強化傳熱[9]。另外水冷壁采用了內(nèi)螺紋管，因阻力增加可以使水冷壁中的質(zhì)量流速降低，流量減少，在吸熱量不變的情況下，產(chǎn)氣量增加，循環(huán)倍率減小[11]。

3 危廢焚燒余熱鍋爐國內(nèi)外研究進展

余熱鍋爐是危廢焚燒系統(tǒng)實現(xiàn)能量梯級利用的重要一環(huán)，對整個系統(tǒng)的節(jié)能減排至關(guān)重要。因此，對余熱鍋爐開展深入研究具有重要的意義，越來越受到各國研究人員的重視。國內(nèi)外對于余熱鍋爐在危廢焚燒系統(tǒng)中應(yīng)用的研究主要集中在：(1)余熱鍋爐數(shù)值模擬及優(yōu)化：余熱鍋爐模型簡化、內(nèi)部流場的數(shù)值模擬、危廢焚燒系統(tǒng)的優(yōu)化研究；(2)余熱鍋爐結(jié)焦、高溫腐蝕與防護研究：水冷管壁磨損、鍋爐積灰及煙道結(jié)焦堵塞、高溫腐蝕機理和防腐措施；(3)二噁英等污染物的控制技術(shù)研究：危廢焚燒后的二噁英等污染氣體的排放及控制等方面的研究。下面圍繞這3個方面展開分析。

3.1 余熱鍋爐數(shù)值模擬及優(yōu)化

基于計算機技術(shù)的飛速發(fā)展及計算流體力學(xué)等模擬軟件的普及，許多學(xué)者對余熱鍋爐進行了流動與傳熱的數(shù)值模擬，研究其內(nèi)部復(fù)雜的傳熱流動機理，得出溫度場和速度場的分布，優(yōu)化余熱鍋爐的結(jié)構(gòu)，從而提高鍋爐的傳熱效率。有些學(xué)者還對余熱鍋爐乃至整個焚燒系統(tǒng)動態(tài)運行特性進行數(shù)值模擬、建立動態(tài)模型，研究鍋爐變工況下溫度及流場的變化與分布情況，為鍋爐工況的適應(yīng)及高效運行提供了依據(jù)。

由于煙氣的成分、組分間的相互作用及爐內(nèi)流動傳熱十分復(fù)雜，研究者在數(shù)值模擬過程中對建立的模型大都采取了合理的簡化，并選擇合適的傳熱流動模型[12-13]。崔成云等[14]采用二維標準湍流模型對余熱鍋爐入口煙道流場進行了數(shù)值分析，受熱面采用多孔介質(zhì)進行簡化，阻力系數(shù)根據(jù)設(shè)計人為給定。丁陽等[15]采用Realizable湍流模型對余熱鍋爐進行數(shù)值模擬，模型沿氣流方向分為過渡段及多孔介質(zhì)兩部分。Shin等[16]采用數(shù)值模擬和實驗研究相結(jié)合的方法對余熱鍋爐的入口過渡煙道煙氣流場的分布進行研究，實驗采用1:20比例縮小模型與數(shù)值模擬相互印證。Gomez等[17]確定了余熱鍋爐的簡化結(jié)構(gòu)，并將模擬結(jié)果與實際運行數(shù)據(jù)對比，驗證了模型簡化的合理性。張子坤[18]采用標準湍流模型對垃圾焚燒余熱鍋爐運行工況進行數(shù)值模擬，分析爐膛內(nèi)部流場、溫度場的分布，以及煙道內(nèi)的換熱趨勢。楊衛(wèi)宏等[19]采用貼體坐標系統(tǒng)(BFC)對網(wǎng)格進行劃分，并對余熱鍋爐內(nèi)部溫度場和流場進行了模擬計算。杜文靜等[20]提出了一種新的余熱鍋爐全尺寸數(shù)值模擬方法，實驗驗證了該方法的可靠性，證明可用于相關(guān)余熱鍋爐的數(shù)值計算中。上述工作為余熱鍋爐的模型簡化、建模方法的選擇以及模型的可行性提供了參考依據(jù)。

余熱鍋爐內(nèi)煙氣的溫度分布及速度分布對于爐內(nèi)換熱有重要影響，直接決定了余熱鍋爐的蒸汽產(chǎn)量及品質(zhì)。由于進入余熱鍋爐的煙氣具有熱負荷不穩(wěn)定、流量變化大、有毒有害等特點，對余熱鍋爐內(nèi)溫度場、濃度場和流場的現(xiàn)場持續(xù)測量難度較大且不穩(wěn)定。因此采用數(shù)值模擬的方法模擬爐內(nèi)的流動傳熱過程具有重要參考價值，國內(nèi)外均有對鍋爐煙氣側(cè)流動及換熱的數(shù)值模擬研究。楊震等[21]對入口煙道進行模擬，發(fā)現(xiàn)加裝倒流板可改善入口煙道及出口界面的速度分布均勻性。周樟華等[22]通過模擬發(fā)現(xiàn)出口煙道90度拐角對鍋爐尾部受熱部件處煙氣均勻性影響很小。聶宇宏等[23]通過模擬發(fā)現(xiàn)在余熱鍋爐煙道通流結(jié)構(gòu)加入導(dǎo)流管，氣流的均勻性大大提高，有利于余熱鍋爐均勻換熱和長期、安全、穩(wěn)定運行。Liu等[24]通過實驗和數(shù)值模擬研究了應(yīng)用于余熱鍋爐的帶有內(nèi)部翅片和外部翅片的翅片管的流動和傳熱特性，并分析了外翅片高度和翅片管間距對殼側(cè)流動和傳熱的影響。鐘崴等[25]對余熱鍋爐輻射室進行模擬，發(fā)現(xiàn)輻射室擋板的位置和尺寸對流場及溫度場的整體形態(tài)具有決定性影響。

近年來，利用數(shù)值模擬方法對鍋爐故障預(yù)測、熱效率、灰塵沉積[26]及煙氣排放進行計算的研究也逐漸增多。Rahimi等[27]根據(jù)余熱鍋爐溫度場及受力的模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在高于設(shè)計溫度下工作是過熱管故障及損壞的主要原因，并認為數(shù)值模擬可以預(yù)測鍋爐管在傳熱傳質(zhì)過程中的損壞情況。Thiyagu等[28]發(fā)現(xiàn)在空氣預(yù)熱器后增加熱交換器可以提高鍋爐熱效率。閆丹麗等[29]以某廢熱鍋爐蒸發(fā)器為研究對象，應(yīng)用Mixture多相流模型和沸騰傳質(zhì)模型，對殼側(cè)兩相流區(qū)域的沸騰傳熱進行數(shù)值模擬，得到了兩相流區(qū)域的蒸汽體積分數(shù)及溫度、壓力分布情況。穆林等[30]利用Eulerian-Lagrangian模型耦合飛灰沉積模型對一臺化工廢液焚燒臥式余熱鍋爐的飛灰沉積和分布進行數(shù)值模擬，飛灰組成如表2所示。結(jié)果表明，粒子尺寸是影響沉積率以及沉積分布的主要因素，并且通過現(xiàn)場測量表明，模擬結(jié)果與實際測量結(jié)果吻合較好。

表2 飛灰組成和含量[30]

對余熱鍋爐乃至整個焚燒系統(tǒng)整體動態(tài)運行特性進行數(shù)值模擬，建立動態(tài)模型，可為鍋爐設(shè)計及高效、穩(wěn)定運行提供依據(jù)。賀翔宇等[31]模擬得到輻射廢熱鍋爐的溫度場，并進行爐內(nèi)熔渣傳熱過程的動態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)熔渣的半徑大小會影響流體傳熱效果。Rovaglio等[32]對回轉(zhuǎn)窯焚燒廠的焚燒和余熱回收段進行數(shù)值建模及動態(tài)模擬。假設(shè)燃料特性恒定，開發(fā)了通用模型程序，且模擬數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)基本一致，因此該程序?qū)τ诠こ潭杂袑嶋H指導(dǎo)價值。Alobaid等[33]對焚燒爐及余熱鍋爐建立整體的動力學(xué)模型，對部分負載操作，故障狀況及啟閉程序等非穩(wěn)態(tài)工況下工作過程相互影響進行了模擬，為焚燒爐及余熱鍋爐優(yōu)化設(shè)計和優(yōu)化運行提供了參考。Magnanelli等[34]對焚燒廠建立動態(tài)模型，分析危險廢物種類、熱值變化，工作參數(shù)波動時的動態(tài)響應(yīng)，驗證模型關(guān)鍵過程參數(shù)如何影響過程輸出，分析焚燒系統(tǒng)的抗干擾能力。

目前對于余熱鍋爐的數(shù)值模擬研究主要針對鍋爐各個受熱面、管道等部件，通過數(shù)值模擬軟件對以上部分進行模擬計算，得出溫度場和速度場分布，分析現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的不足進而提出優(yōu)化改進的方法。但是把這些模塊綜合在一起進行整體的數(shù)值模擬研究還較少，故后續(xù)的研究趨勢是要把余熱鍋爐的入口及過渡煙道、省煤器、蒸發(fā)器等模塊放在一起進行綜合考慮，深入研究各個模塊之間的相互影響，對余熱鍋爐的整體進行把控。另外，根據(jù)模擬及仿真結(jié)果預(yù)測鍋爐故障及損傷情況，及時避免損失，指導(dǎo)企業(yè)安全運行也是下一步模擬研究的方向。

3.2 余熱鍋爐結(jié)焦堵塞、高溫腐蝕與防護研究

垃圾焚燒的燃料為工業(yè)危險廢物，其中含有塑料、化工廢液、金屬、醫(yī)療品等物質(zhì)，成分復(fù)雜，且燃燒產(chǎn)生的煙氣中往往含有多種酸性氣體、鹽類物質(zhì)、飛灰顆粒[35]。這些物質(zhì)隨煙氣的流動非常容易造成爐內(nèi)水冷壁管壁的磨損與高溫腐蝕，甚至發(fā)生爆管[36]。另外煙氣中存在大量煙塵及無機鹽黏結(jié)在窯爐或管道內(nèi)壁，容易固化形成結(jié)焦，嚴重時甚至?xí)氯麩煹?，影響機組的穩(wěn)定運行，成為系統(tǒng)運行的重要安全隱患。因此國內(nèi)外許多學(xué)者都對水冷壁的高溫腐蝕及結(jié)焦積灰的機理進行了研究，并提出諸多防止措施和解決方案，以期保證系統(tǒng)的安全運行，防止爆管、堵塞事故的發(fā)生，降低企業(yè)的運營風(fēng)險。

在余熱鍋爐腐蝕機理的研究中，蔣旭光等[37]對鍋爐受熱面腐蝕進行了詳細的介紹，主要分析了氯、硫和堿金屬腐蝕3種較為常見腐蝕的發(fā)生機理及各自的影響因素。許明磊等[38]對余熱鍋爐內(nèi)部高溫腐蝕情況進行了詳細分析，認為氯化物氣體是引起受熱面高溫腐蝕的主要原因。Phongphiphat等[39]認為換熱面的腐蝕常常包括了電化學(xué)反應(yīng)、化學(xué)反應(yīng)等多種反應(yīng)過程，涉及氣體、固體、液體間的復(fù)雜反應(yīng)，氯、硫和堿金屬是受熱面腐蝕的主要腐蝕介質(zhì)。Nielsen等[40]研究認為氯腐蝕是垃圾焚燒腐蝕的主要原因，氯具有較高的活性，當有堿金屬、硫、氧等因素存在的時候，會與氯形成協(xié)同效應(yīng)，形成熔渣，沉積于管道受熱面，對換熱面造成嚴重的腐蝕破壞。白賢祥等[41]通過對煙氣腐蝕性氣體濃度、腐蝕受熱面管材附著物、表面灰渣及壁面氣氛等分析研究，確定了余熱鍋爐高溫腐蝕類型為高溫氯化腐蝕，并分析了溫度對于腐蝕速度的影響。

減緩及防止水冷壁腐蝕對于余熱鍋爐的安全運行具有重要意義。王小聰?shù)萚42]針對水冷壁高溫腐蝕提出了敷設(shè)耐火材料、采用表面防護如采用熱噴涂方法噴涂高鉻、鎳材料隔絕腐蝕氣體、定期清灰等水冷壁高溫氯化腐蝕相關(guān)防治措施。Liu等[43]認為控制爐膛溫度，加強吹灰，保證受熱面清潔可以有效減緩高溫腐蝕。Martin等[44]提出用化學(xué)添加劑的方法降低余熱鍋爐氯化物的高溫腐蝕。Hearley等[45]報道了一種通過高速氧燃料(HVOF)熱噴涂制作防高溫氯腐蝕的涂層方法。相比于其他噴涂方法，HVOF噴涂具有高密度、低氧化水平等特點，所以具有更好的防腐蝕性，這種涂層沉積方法已經(jīng)有了多個高溫氧化的工業(yè)應(yīng)用實例[46]。另外還出現(xiàn)了對水冷壁表面采取堆焊、感應(yīng)重熔、低溫微熔等新型防腐措施。上述工作促進了余熱鍋爐防腐技術(shù)的發(fā)展。

結(jié)焦在危廢焚燒余熱鍋爐中普遍存在，使鍋爐的換熱效率降低，排煙溫度升高導(dǎo)致煙氣處理系統(tǒng)負荷加大，設(shè)備運行壽命縮短，煙氣凈化能力下降。同時結(jié)焦還會引起蒸汽溫度升高，甚至?xí)?dǎo)致汽水管爆破；且結(jié)焦往往不均勻，因而水冷壁結(jié)焦會對鍋爐的水循環(huán)安全性和水冷壁的熱偏差帶來較大影響。余熱鍋爐結(jié)焦是一個復(fù)雜的物理化學(xué)過程，與許多因素有關(guān)，例如危廢焚燒后灰的成分、形態(tài)、熔化特征溫度；垃圾品質(zhì)不一，實際燃燒垃圾熱值遠高于設(shè)計值，導(dǎo)致鍋爐超溫嚴重；不合理的鍋爐結(jié)構(gòu)；鍋爐漏風(fēng)等等。

許多學(xué)者針對余熱鍋爐結(jié)焦的原因結(jié)合現(xiàn)場實際工況，提出了應(yīng)對措施。劉潤偉[47]通過對危險廢物進行成分分析，認為對酸性污染物氯、磷、氟的投加速率進行有效控制，根據(jù)焚燒廢物的化學(xué)組分進行合理配伍可以有效減少結(jié)焦。爐膛溫度分布不合理易造成結(jié)焦，因此控制爐膛溫度在合理范圍內(nèi)，避免溫度過高是防止結(jié)焦的重要措施[48-49]。良好的爐內(nèi)空氣動力場，控制爐內(nèi)煙氣的流速并減少鍋爐的漏風(fēng)量也可以防止鍋爐結(jié)焦。張志超等[50]認為加強煙道的清灰工作，尤其是水平煙道的定期清灰，根據(jù)配伍組分及入爐煙氣成分的變化及時調(diào)整清灰的頻率，建立相應(yīng)監(jiān)控體系可以有效預(yù)防鍋爐煙道堵塞。

綜上所述，研究者們通過實驗與模擬相結(jié)合的方式探究余熱鍋爐結(jié)焦與腐蝕的機理和原因，提出了諸多減緩結(jié)焦及防止腐蝕的方法，極大地確保余熱鍋爐的安全穩(wěn)定運行，減少事故發(fā)生。下一步可以進一步探究余熱鍋爐結(jié)焦與腐蝕的機理，尋找更加高效經(jīng)濟的解決措施，保證系統(tǒng)的正常運行。

3.3 余熱鍋爐段對二噁英等污染物的控制技術(shù)

危廢焚燒過程中產(chǎn)生的二噁英不僅對環(huán)境和人體都有巨大的危害，而且阻礙了焚燒技術(shù)的發(fā)展，因此，二噁英的控制和降解技術(shù)就顯得尤為重要[51-52]。二噁英控制技術(shù)目前主要包括廢棄物燃燒前預(yù)處理、燃燒過程控制和煙氣控制與凈化3個方面。El-Shahawi等[53]發(fā)現(xiàn)在進入焚燒爐之前，垃圾中有一定數(shù)量的二噁英。這些二噁英在焚燒爐的熱處理過程中并沒有被完全破壞，而是繼續(xù)存在于煙道氣和飛灰中。廢棄物中最初的二噁英與垃圾的類型有關(guān)，如紡織品、醫(yī)療用品和塑料產(chǎn)品中二噁英含量較高。許多學(xué)者對二噁英生成機理進行了深入研究，Babushok等[54]研究發(fā)現(xiàn)在理想焚燒爐條件下，當溫度超過1 200 K時，在混合良好的塞流系統(tǒng)下，系統(tǒng)中氣相二噁英的形成極其困難。Buekens等[55]研究證明二噁英的“從頭合成”在焚燒爐的燃后區(qū)300～325 ℃達到最大。Mckay[51]認為溫度對于二噁英的形成起主要作用，且350 ℃最適宜二噁英形成。故實施迅速冷卻技術(shù)縮短煙氣在該溫度段的停留時間，能有效降低二噁英的生成量[56-57]。

王偉[58]提出對工藝進行改進，把鍋爐出口500 ℃左右煙氣送入以噴水的方式與煙氣進行快速熱量交換的急冷塔，理論上能夠使煙氣在0.22 s以內(nèi)，從500 ℃降至200 ℃以下，從而抑制二噁英的二次合成。Cunliffe等[59]模擬研究實際煙氣條件下管道積灰中的二噁英遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，表明管道積灰會為二噁英的合成提供場所。余熱鍋爐煙道中蒸發(fā)器、省煤器、管道及換熱面表面的飛灰[60]中含有二噁英，也含有合成二噁英所需要的主要碳源、氯源及催化劑[61]。因此，定期清除煙道中的積灰，也是減少燃燒后區(qū)域合成二噁英的重要控制手段?，F(xiàn)代煙氣處理還加入了催化劑的使用，以抑制燃燒過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%，明顯高于降解能力為28% 的含氮化合物。故目前多數(shù)研究都集中于含硫化合物對二噁英的抑制[63-64]。通過將高硫煤與城市生活垃圾混合，利用煤中的硫化物來減少二噁英生成的研究逐漸興起[65]。

隨著環(huán)保要求不斷提高，研究者們提出了諸多二噁英的控制與減排方法，例如合理配伍、控制溫度區(qū)間及停留時間、定期清灰等，保證了危廢處理裝置的污染物排放達到國家環(huán)保的要求。下一步如何使二噁英排放達標的同時保證鍋爐蒸汽產(chǎn)量及換熱效率，實現(xiàn)環(huán)保經(jīng)濟雙贏，也是研究人員關(guān)注的重點。

4 新技術(shù)在危廢焚燒系統(tǒng)中的應(yīng)用

隨著國家及社會對于危廢資源化處理的重視，許多技術(shù)都應(yīng)用到了危廢焚燒系統(tǒng)中，加快了各種技術(shù)間的相互融合與創(chuàng)新，促進了危廢焚燒行業(yè)的快速發(fā)展。本綜述對其中應(yīng)用較為成熟的蒸汽空氣預(yù)熱技術(shù)、聯(lián)合換熱循環(huán)發(fā)展、余熱回收的梯級利用技術(shù)進行介紹和分析。

4.1 蒸汽空氣預(yù)熱技術(shù)

由于危險廢物成分復(fù)雜，含水率高，并含有大量氯、堿金屬等有害元素。這些成分在焚燒爐燃燒后產(chǎn)生氯化氫、硫氧化物、氮氧化物等酸性氣體，容易引起余熱鍋爐尾部煙道及受熱面發(fā)生腐蝕和嚴重積灰問題[66]。因此，一些危廢焚燒系統(tǒng)采用布置在鍋爐外部的蒸汽空氣預(yù)熱器來代替常規(guī)的煙氣空氣預(yù)熱器，以提高入爐一次風(fēng)溫度，來降低鍋爐尾部煙道低溫腐蝕和嚴重積灰。蒸氣空氣預(yù)熱器是指利用鍋爐過熱蒸汽或者汽泡飽和蒸汽來加熱冷空氣的裝置。冷空氣依次經(jīng)過低壓段、高壓段進行換熱，空氣加熱到指定溫度后，作為一次風(fēng)送入爐膛助燃。

曾紀進等[67]以一臺670 t×h-1垃圾焚燒爐為研究對象，采用汽輪機抽汽的方式在蒸汽空氣預(yù)熱器低壓段加熱冷空氣，余熱鍋爐的有效輸出熱量增加了2 947.2 kW，但采用汽輪機抽氣加熱蒸汽空氣預(yù)熱器會導(dǎo)致蒸汽做功能力的損失。朱紅芳[68]研究發(fā)現(xiàn)當空氣預(yù)熱器的加熱氣源從飽和蒸汽改為汽機抽氣時，為維持垃圾處理量不變，額定蒸發(fā)量、過熱器受熱面積、過熱器阻力和省煤器受熱面積數(shù)值增大，給水流量減小。因此改變蒸汽空氣預(yù)熱器的加熱氣源需要對整臺余熱鍋爐進行重新計算和設(shè)計，鍋爐給水量、結(jié)構(gòu)和閥門等都會出現(xiàn)相關(guān)的變化。Kessel等[69]對余熱鍋爐進行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)增加空氣預(yù)熱器，可以提高回收的熱量及余熱鍋爐整體熱效率。雖然蒸汽空氣預(yù)熱器能夠有效避免鍋爐尾部煙道及受熱面發(fā)生低溫腐蝕和嚴重積灰問題，但是也會對鍋爐效率、機組效率及鍋爐過熱器和省煤器的結(jié)構(gòu)等產(chǎn)生影響。因此設(shè)計選擇合理的結(jié)構(gòu)和運行參數(shù)，才能提高余熱鍋爐的經(jīng)濟效益。

4.2 聯(lián)合換熱循環(huán)發(fā)展

危廢焚燒系統(tǒng)與其他項目聯(lián)合運行一直是人們關(guān)注的熱點，受到研究者的重視。與火電廠組合運行，利用燃氣輪機高溫排氣為焚燒廠提供額外熱源。Kessel等報道采用再熱循環(huán)系統(tǒng)，高壓汽輪機出口蒸汽返回余熱鍋爐中再次加熱到原有溫度，然后進入汽輪機做功[70]，可以提高熱量的利用效率。例如歐洲某些國家的焚燒企業(yè)采用此工藝，可以降低燃燒過程的氧含量，并最大限度地利用煙氣余熱[71]，實現(xiàn)熱量的高效利用。與熱電廠協(xié)調(diào)運行，Nikolic等[72]通過把廢物焚燒設(shè)施建在一個現(xiàn)有的供熱廠旁邊，采用熱電聯(lián)合系統(tǒng)，利用垃圾焚燒廠產(chǎn)生的熱能，替代熱電廠中用于地區(qū)供暖的一部分進口天然氣。他們還評價了焚燒產(chǎn)生的能源對城市總能源的貢獻，該研究為危險廢物焚燒企業(yè)與其他項目聯(lián)合發(fā)展提供了經(jīng)驗[73-74]。

總體來說，目前國內(nèi)多數(shù)危廢焚燒企業(yè)規(guī)模較小且以處理廢物為主，蒸汽的產(chǎn)量不大，因此，產(chǎn)業(yè)聯(lián)合運行較少。但隨著危廢產(chǎn)量逐年增長及企業(yè)規(guī)模的逐步擴大，危廢企業(yè)與發(fā)電、供熱等項目的集成化運行，不僅可以減少系統(tǒng)重疊部分的工程量及輸送過程的損耗，而且能有效提升熱量的利用效率，因此產(chǎn)業(yè)間的聯(lián)合發(fā)展勢必會得到更多關(guān)注。

4.3 余熱回收的梯級利用技術(shù)

在回轉(zhuǎn)窯焚燒系統(tǒng)中，危險廢物燃燒產(chǎn)生的煙氣熱量通過二燃室后設(shè)置的余熱鍋爐回收，并產(chǎn)生低壓飽和蒸汽。蒸汽可用于余熱鍋爐給水除氧、一次風(fēng)預(yù)熱、煙氣加熱等，但在實際生產(chǎn)中，由于蒸汽用戶的局限性，特別是采暖用氣的季節(jié)性變化較大，余熱蒸汽無法完全有效利用，富余部分往往通過蒸汽冷凝器冷凝成凝結(jié)水回用，既增加了設(shè)備投資，也浪費了能源，增加了系統(tǒng)電耗[75]。因此，開發(fā)新的余熱蒸汽利用途徑，對危險廢物焚燒的余熱進行梯級回收利用，對節(jié)能減排、降低危廢處置的成本、提高企業(yè)經(jīng)濟性有著重要意義，并可以取得良好的社會效益。

由于危廢焚燒工況穩(wěn)定性較差、蒸汽產(chǎn)量波動大、產(chǎn)生的蒸汽參數(shù)較低、汽輪機組維護和使用要求高，因此常規(guī)的汽輪發(fā)電機組不太適用于危廢焚燒廠中，可選用適應(yīng)性相對較強的螺桿膨脹機進行發(fā)電。螺桿膨脹發(fā)電機組是當今國內(nèi)外唯一能同時適用于過熱蒸汽、飽和蒸汽、汽水兩相濕蒸汽及熱水的熱動力機，對蒸汽品質(zhì)要求不高，能夠適應(yīng)熱源參數(shù)的大范圍波動，運行維護簡單，因此非常適合用于危廢焚燒處置系統(tǒng)中。為了充分利用蒸汽熱焓，可以采用背壓型螺桿膨脹機替代減壓閥，既滿足了蒸汽減壓的要求，又能回收部分能量。發(fā)出的電力可以補充系統(tǒng)自身電耗，降低運行成本[76]。在減少企業(yè)熱污染的同時提高了企業(yè)能源的利用效率，經(jīng)濟效益良好，也完全符合國家的節(jié)能減排政策。螺桿膨脹機發(fā)電系統(tǒng)流程圖如圖3所示[77-78]。

圖3 某企業(yè)螺桿膨脹機發(fā)電系統(tǒng)流程圖[77-78]

通過螺桿膨脹機發(fā)電的余熱回收利用后，產(chǎn)生的乏汽仍然具有一定的熱焓，如果無組織排放，不但浪費能源，還會對環(huán)境產(chǎn)生一定的影響。因此，考慮通過增加汽水換熱器設(shè)備，將乏汽中的熱能置換出來，加熱冷水，產(chǎn)生的熱水可以用于生產(chǎn)或生活用水(如職工浴室使用)。在北方供熱地區(qū)，也可以用于供熱系統(tǒng)，減少熱源供給。換熱后的水汽經(jīng)過冷凝后可以回收水分，循環(huán)使用，減少水耗[79-80]?？傊?，余熱梯級利用技術(shù)能夠最大限度地提高換熱效率，增加企業(yè)效益。

5 結(jié)語

危廢焚燒行業(yè)作為環(huán)保產(chǎn)業(yè)、新能源產(chǎn)業(yè)和市政基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)合，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)危廢減量化、無害化處理，減少對土地資源的依賴；還在能量回收方面起著重要作用，實現(xiàn)廢物資源的再次利用。我國的危廢焚燒產(chǎn)業(yè)正處于向資源化利用和可持續(xù)發(fā)展的轉(zhuǎn)型階段。目前，余熱鍋爐在數(shù)值模擬與優(yōu)化、積灰結(jié)焦與腐蝕、污染物控制等方面的研究有所突破和進展，今后的研究可以參考以下幾個方面：

(1) 針對不同地區(qū)的危險廢物種類、不同廢物熱值、不同工況條件及不同余熱鍋爐結(jié)構(gòu)要求等，建立通用的設(shè)計準則及行業(yè)規(guī)范，提高危險廢物焚燒余熱鍋爐的實際應(yīng)用范圍及應(yīng)用效果。

(2) 隨著計算機和計算流體力學(xué)的發(fā)展，使用數(shù)值模擬方法建立危險廢物焚燒余熱鍋爐計算模型，不斷提高數(shù)值模擬準確性，捕捉余熱鍋爐內(nèi)部流場細節(jié)，為優(yōu)化余熱鍋爐換熱性能提供參考和依據(jù)。

(3) 基于大數(shù)據(jù)方法，對整個危險廢物焚燒系統(tǒng)乃至整個固廢處理行業(yè)進行運行和數(shù)據(jù)檢測分析，確定影響換熱效率、能耗、蒸發(fā)量的關(guān)鍵控制變量，建立數(shù)據(jù)庫，對系統(tǒng)整體運行進行優(yōu)化分析，提升余熱鍋爐的控制及自動化水平，從而達到系統(tǒng)節(jié)能及最優(yōu)運行的目的。

[1] 張璐, 嚴建華, 杜長明, 等. 熱等離子體熔融固化模擬醫(yī)療廢物的研究 [J]. 環(huán)境科學(xué), 2012, 33(6): 2104-2109.

ZHANG L, YAN J H, DU C M,. Study on vitrification of simulated medical wastes by thermal plasma [J]. Environmental Science, 2012, 33(6): 2104-2109.

[2] WANG Y, LAI N, ZUO J,. Characteristics and trends of research on waste-to-energy incineration: A bibliometric analysis, 1999-2015 [J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2016, 66: 95-104.

[3] 國家能源局. 能源藍皮書:中國能源發(fā)展報告(2019) [R]. 北京: 電力規(guī)劃設(shè)計總院, 2018.

National Energy Administration. Energy Blue Book: China energy development report (2019) [R]. Beijing: China Electric Power Planning and Engineering Institute, 2018.

[4] 胡明, 徐鵬程, 邵哲如, 等. 危廢焚燒灰渣等離子熔融系統(tǒng)的熱力學(xué)分析 [J]. 工程熱物理學(xué)報, 2019, 40(3): 690-696.

HU M, XU P C, SHAO Z R,. Thermodynamic analysis of plasma vitrification of ash from hazardous waste incinerator [J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2019, 40(3): 690-696.

[5] ZHAO X G, JIANG G W, LI A,. Technology, cost, a performance of waste-to-energy incineration industry in China [J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2016, 55: 115-130.

[6] 陸子龍, 肖惠平, 朱霞, 等. 危廢焚燒系統(tǒng)中膜式壁式余熱鍋爐的設(shè)計及應(yīng)用 [J]. 工業(yè)鍋爐, 2012, 55(6): 25-27.

LU Z L, XIAO H P, ZHU X,. Design and application of membrane wall heat recovery boiler in hazardous waste incineration system [J]. Industrial Boilers, 2012, 55(6): 25-27.

[7] MAYER F, BHANDARI R, GAETH S. Critical review on life cycle assessment of conventional and innovative waste-to-energy technologies [J]. Science of the Total Environment, 2019, 672: 708-721.

[8] 馬攀. 危險廢物焚燒系統(tǒng)的數(shù)值模擬與試驗研究 [D]. 杭州: 浙江大學(xué), 2012.

MA P. Numerical simulation and experimental study on hazardous waste incineration [D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2012.

[9] 中國電力百科全書編輯委員會. 中國電力百科全書 [M]. 北京: 中國電力出版社, 2010.

Editorial Board of Encyclopedia of China Electric Power. Encyclopedia of China electric power [M]. Beijing: China Electric Power Press, 2010.

[10] OHNISHI S, FUJII M, OHATA M,. Efficient energy recovery through a combination of waste-to-energy systems for a low-carbon city [J]. Resources, Conservation and Recycling. 2018, 128(1): 394-405.

[11] 唐人虎, 尹飛, 陳聽寬. 超臨界變壓運行直流鍋爐內(nèi)螺紋管螺旋管圈水冷壁的傳熱特性研究 [J]. 中國電機工程學(xué)報, 2005, 25(16): 90-95.

TANG R H, YIN F, CHEN T K. An investigation on heat transfer characteristics of spiral wall with internal rib in supercritical sliding-pressure operation once-through boiler [J]. Proceedings of the Chinese Society of Electrical Engineering, 2005, 25(16): 90-95.

[12] XU M H, AZEVEDO J, CARVALHO M G. Modelling of the combustion process and NOemission in a utility boiler [J]. Fuel, 2000, 79(13): 1611-1619.

[13] XU J C, LIAO Y F, YU Z S,. Co-combustion of paper sludge in a 750 t/d waste incinerator and effect of sludge moisture content: A simulation study [J]. Fuel, 2018, 217(1): 617-625.

[14] 崔成云, 孟曉冬, 段躍非. 余熱鍋爐入口煙道流場優(yōu)化 [J]. 鍋爐制造, 2006(1): 26-27.

CUI C Y, MENG X D, DUAN Y F. Flow field optimization of the gas inlet of heat recovery steam generator [J]. Boiler Manufacturing, 2006(1): 26-27.

[15] 丁陽, 石永鋒, 程斌. 余熱鍋爐入口流動優(yōu)化研究 [J]. 鍋爐技術(shù), 2020, 51(1): 24-29.

DING Y, SHI Y F, CHENG B. Study on flow optimization of HRSG inlet [J]. Boiler Technology, 2020, 51(1): 24-29.

[16] SHIN H, KIM D, AHN H,. Investigation of the flow pattern in a complex inlet duct of a heat recovery steam generator [J]. Energy and Power, 2012, 2(1): 1-8.

[17] GOMEZ A, FUEYO N, DIEZ L I. Modelling and simulation of fluid flow and heat transfer in the convective zone of a power-generation boiler [J]. Applied Thermal Engineering, 2007, 28(5): 532-546.

[18] 張子坤. 垃圾焚燒發(fā)電廠余熱鍋爐數(shù)值模擬 [J]. 化學(xué)工程與裝備, 2017(3): 217-218.

ZHANG Z K. Numerical simulation of waste heat boiler in waste incineration power plant [J]. Chemical Engineering and Equipment, 2017(3): 217-218.

[19] 楊衛(wèi)宏, 賴亞欣, 蕭澤強. 余熱鍋爐流場溫度場數(shù)值計算 [J]. 中國有色金屬學(xué)報, 2000, 10(2): 278-281.

YANG W H, LAI Y X, XIAO Z Q. Numerical simulation of flow and temperature fields of waste heat boiler [J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2000, 10(2): 278-281.

[20] 杜文靜, 趙春雷, 程林. 水泥生產(chǎn)過程中低溫?zé)煔庥糜酂徨仩t性能的全尺寸數(shù)值模擬 [J]. 科學(xué)通報, 2016, 61(17): 1922-1930.

DU W J, ZHAO C L, CHENG L. Full-scale numerical simulations on the performance of the heat recovery boiler used in the cement production process [J]. Chinese Science Bulletin, 2016, 61(17): 1922-1930.

[21] 楊震, 劉忠樓, 郭琴琴, 等. 余熱鍋爐入口煙道數(shù)值模擬 [J]. 鍋爐技術(shù), 2007, 38(3): 1-3.

YANG Z, LIU Z L, GUO Q Q,. Numerical simulation of heat recovery steam generator inlet duct [J]. Boiler Technology, 2007, 38(3): 1-3.

[22] 周樟華, 彭鵬. 煙道式余熱鍋爐進出口煙道煙氣流場數(shù)值模擬 [J]. 余熱鍋爐, 2007(1): 12-16.

ZHOU Z H, PENG P. Numerical simulation of flue gas flow field in inlet and outlet flue of flue waste heat boiler [J]. Waste Heat Boiler, 2007(1): 12-16.

[23] 聶宇宏, 任祥翔, 聶德云, 等. 余熱鍋爐通流結(jié)構(gòu)的三維數(shù)值模擬及結(jié)構(gòu)優(yōu)化 [J]. 鍋爐技術(shù), 2014, 45(6): 7-11.

NIE Y H, REN X X, NIE D Y,. Three-dimensional numerical simulation of the waste heat boiler flow structure and structural optimization [J]. Boiler Technology, 2014, 45(6): 7-11.

[24] LIU L, FAN Y Z, LING X,. Flow and heat transfer characteristics of finned tube with internal and external fins in air cooler for waste heat recovery of gas-fired boiler system [J]. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 2013, 74(11): 142-152.

[25] 鐘崴, 丁晟, 宋冬根, 等. 閃速煉銅余熱鍋爐輻射室流場溫度場數(shù)值模擬 [J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版), 2012, 46(2): 321-326.

ZHONG W, DING S, SONG D G,. Numerical simulation of flow and temperature fields in the radiation chamber of a waste-heat boiler for copper flash smelting [J]. Journal of Zhejiang University (Engineering Science) , 2012, 46(2): 321-326.

[26] 邱劍勇, 郭慶華, 許建良, 等. 氣流床氣化輻射廢鍋單面受熱水冷壁數(shù)值模擬 [J]. 高校化學(xué)工程學(xué)報, 2019, 33(1): 48-54.

QIU J Y, GUO Q H, XU J L,. Numerical simulation of one-side heating membrane wall in radiant syngas cooler of entrained flow gasification [J]. Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities, 2019, 33(1): 48-54.

[27] RAHIMI M, KHOSHHAL A, SHARIATI S M. CFD modeling of a boiler's tubes rupture [J]. Applied Thermal Engineering, 2006, 26(17): 2192-2200.

[28] THIYAGU S, NAVEEN T K, SIDDHARTHAN B,. Numerical investigation and performance enhancement of 210 MW boiler by utilization of waste heat in flue gas [J]. Materials Today: Proceedings, 2020, 33(1): 756-762.

[29] 閆丹麗, 劉智勇. 廢熱鍋爐兩相流區(qū)沸騰傳熱數(shù)值模擬 [J]. 煤氣與熱力, 2016, 36(3): 8-11.

YAN D L, LIU Z Y. Numerical simulation of boiling heat transfer in two-phase flow zone of waste heat boiler [J]. Gas and Heat, 2016, 36(3): 8-11.

[30] 穆林, 趙亮, 尹洪超. 廢液焚燒余熱鍋爐內(nèi)氣固兩相流動與飛灰沉積的數(shù)值模擬 [J]. 中國電機工程學(xué)報, 2012, 32(29): 30-37.

MU L, ZHAO L, YIN H C. Numerical simulation of gas-solid two-phase flows and ash deposition in a wastewater incineration heat recovery steam generator [J]. Proceedings of the Chinese Society of Electrical Engineering, 2012, 32(29): 30-37.

[31] 賀翔宇, 邱劍勇, 許建良, 等. 輻射廢鍋內(nèi)熔渣傳熱過程動態(tài)分析 [J]. 高?；瘜W(xué)工程學(xué)報, 2020, 34(2): 326-334.

HE X Y, QIU J Y, XU J L,. Dynamic analysis of heat transfer processes of molten slag in a radiant syngas cooler [J]. Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities, 2020, 34(2): 326-334.

[32] ROVAGLIO M, MANCA D, BIARDI G. Dynamic modeling of waste incineration plants with rotary kilns: Comparisons between experimental and simulation data [J]. Chemical Engineering Science, 1998, 53(15): 2727-2742.

[33] ALOBAID F, Al-MALIKI W A K, LANZ T,. Dynamic simulation of a municipal solid waste incinerator [J]. Energy, 2018, 149(8): 230-249.

[34] MAGNANELLI E, TRANAS O L, CARLSSON P,. Dynamic modeling of municipal solid waste incineration [J]. Energy, 2020, 209(20): 118-136.

[35] 沈東升, 鄭元格, 姚俊, 等. 典型固體廢物焚燒飛灰的污染物特性研究 [J]. 環(huán)境科學(xué), 2011, 32(9): 2610-2616.

SHEN D S, ZHENG Y G, YAO J,. Analysis of pollution characteristics of solid waste incinerator fly ash in Zhejiang Province [J]. Environmental Science, 2011, 32(9): 2610-2616.

[36] SRIKANTH S, RAVIKUMAR B, SWAPAN K.. Analysis of failures in boiler tubes due to fireside corrosion in a waste heat recovery boiler [J]. Engineering Failure Analysis, 2003, 10(1): 59-66.

[37] 蔣旭光, 劉曉博. 垃圾焚燒鍋爐關(guān)鍵受熱面腐蝕研究進展及方向思考 [J]. 中國腐蝕與防護學(xué)報, 2020, 40(3): 3-12.

JIANG X G, LIU X B. Research progress and direction thinking on corrosion of key heat transfer components in waste incineration boilers [J]. Journal of Chinese Society for Corrosion and Protection, 2020, 40(3): 3-12.

[38] 許明磊, 嚴建華, 馬增益, 等. 垃圾焚燒爐受熱面的積灰腐蝕機理分析 [J]. 中國電機工程學(xué)報, 2007, 27(23): 32-37.

XU M L, YAN J H, MA Z Y,. Mechanism analysis of ash deposits corrosion in waste incinerator [J]. Proceedings of the Chinese Society of Electrical Engineering, 2007, 27(23): 32-37.

[39] PHONGPHIPHAT A, RYU C, YANG Y B,. Investigation into high-temperature corrosion in a large-scale municipal waste-to-energy plant [J]. Corrosion Science, 2010, 52(12): 3861-3874.

[40] NIELSEN H P, FRANDSEN F J, DAM-JOHANSEN K,. The implications of chlorine-associated corrosion on the operation of biomass-fired boilers [J]. Progress in Energy and Combustion Science, 2000, 26(3): 283-298.

[41] 白賢祥, 張玉剛. 生活垃圾焚燒廠余熱鍋爐水冷壁高溫腐蝕治理研究 [J]. 環(huán)境衛(wèi)生工程, 2018, 26(3): 68-70.

BAI X X, ZHANG Y G. Research on treatment of water-wall high temperature corrosion of waste heat boiler in municipal solid waste incinerator [J]. Environmental Sanitation Engineering, 2018, 26(3): 68-70.

[42] 王小聰, 陳洪君, 倪進飛, 等. 生活垃圾焚燒發(fā)電鍋爐水冷壁高溫腐蝕速率研究 [J]. 全面腐蝕控制, 2012, 26(9): 61-64.

WANG X C, CHEN H J, NI J F,. High temperature corrosion rate research on municipal solid waste incineration power boiler water wall [J]. Total Corrosion Control, 2012, 26(9): 61-64.

[43] LIU J Y, SUN F Z. Experimental study on operation regulation of a coupled high-low energy flue gas waste heat recovery system based on exhaust gas temperature control [J]. Energies, 2019, 12(4): 706.

[44] MARTIN J D, ROBBINS K. Evaluation of chloride corrosion reduction with chemical additives at Maine energy recovery: Proceedings of the 13th North America Waste to Energy Conference [C]. Orlando, Florida: The American Society of Mechanical Engineers, 2005: 99-104.

[45] HEARLEY J A, LIU C, LITTLE J A,. Corrosion of Ni-Al high velocity oxyfuel (HVOF) thermal spray coating by fly ash and synthetic biomass ash deposits [J]. British Corrosion Journal, 2001, 36(2): 111-120.

[46] MOHAMMADI M, JAVADPOUR S, JAHROMI S,. Characterization and hot corrosion performance of LVPS and HVOF-CoNiCrAlYSi coatings [J]. Vacuum, 2012, 86(10): 1458-1464.

[47] 劉潤偉. 危險廢物焚燒處置過程余熱鍋爐出口結(jié)焦情況研究 [J]. 節(jié)能, 2020, 39(2): 93-94.

LIU R W. Study on coking at the exit of waste heat boiler during incineration and disposal of hazardous waste [J]. Energy Conservation, 2020, 39(2): 93-94.

[48] 李文艷. 電站鍋爐煤粉燃燒過程及結(jié)渣的數(shù)值模擬 [D]. 北京: 華北電力大學(xué)(北京), 2003.

LI W Y. The numerical simulation of coal powder combustion process and slapping in utility boiler [D]. Beijing: North China Electric Power University (Beijing), 2003.

[49] 吳永新. 生活垃圾機械爐排焚燒爐結(jié)焦積灰的問題分析及控制對策研究 [D]. 北京: 清華大學(xué), 2013.

WU Y X. Analysis and control measures for MSW grate incinerator coking and ash deposition [D]. Beijing: Tsinghua University, 2013.

[50] 張志超, 郭英毅, 巴文君. 淺談炭素余熱鍋爐結(jié)焦、積灰的處理方法 [J]. 輕金屬, 2009(4): 61-64.

ZHANG Z C, GUO Y Y, BA W J. Treating methods of coking and deposition dust on waste heat boiler in carbon production [J]. Light Metals, 2009(4): 61-64.

[51] MCKAY G. Dioxin characterisation, formation and minimisation during municipal solid waste (MSW) incineration: Review [J]. Chemical Engineering Journal, 2002, 86(3): 343-368.

[52] MA H , DU N , LIN X ,. Inhibition of element sulfur and calcium oxide on the formation of PCDD/Fs during co-combustion experiment of municipal solid waste [J]. Science of the Total Environment, 2018, 633(15): 1263-1271.

[53] EL-SHAHAWI M S, HAMZA A, BASHAMMAKH A S,. An overview on the accumulation, distribution, transformations, toxicity and analytical methods for the monitoring of persistent organic pollutants [J]. Talanta, 2010, 80(5): 1587-1597.

[54] BABUSHOK V I, TSANG W. Gas-phase mechanism for dioxin formation [J]. Chemosphere, 2003, 51(10): 1023-1029.

[55] BUEKENS A. HUANG H. Comparative evaluation of techniques for controlling the formation and emission of chlorinated dioxins/furans in municipal waste incineration [J]. Journal of Hazardous Materials, 1998, 62(1): 1-33

[56] 盛鍇. 危險廢物焚燒系統(tǒng)煙氣急冷塔的數(shù)值模擬研究 [D]. 杭州: 浙江大學(xué), 2008.

SHENG K. Numerical simulation on flue gas quench tower of hazardous waste incineration system [D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2008.

[57] 陳旭. 危險廢物焚燒工藝選擇與廢氣處理設(shè)施工藝設(shè)計 [D]. 長春: 吉林大學(xué), 2019.

CHEN X. Design of hazardous waste incineration process and waste gas treatment facilities [D]. Changchun: Jilin University, 2019.

[58] 王偉. 垃圾焚燒中抑制二噁英二次生成的方法探討 [J]. 化工設(shè)計通訊, 2011, 27(1): 23-24.

WANG W. Study on inhibition of second generation of dioxin in waste incineration [J]. Chemical Engineering Design Communications, 2011, 27(1): 23-24.

[59] CUNLIFFE A M, WILLIAMS P T. Influence of temperature on PCDD/PCDF desorption from waste incineration fly ash under nitrogen [J]. Chemosphere, 2007, 66(6): 1146-1152.

[60] 徐林智, 張儉, 孫青, 等. 垃圾焚燒飛灰的表面改性及在聚丙烯中的應(yīng)用研究 [J]. 高?；瘜W(xué)工程學(xué)報, 2018, 32(4): 969-974.

XU L Z, ZHANG J, SUN Q,. Surface modification of MSWI fly ash and its application in polypropylene composites [J]. Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities, 2018, 32(4): 969-974.

[61] HU Y, ZHANG P F, CHEN D Z,. Hydrothermal treatment of municipal solid waste incineration fly ash for dioxin decomposition [J]. Journal of Hazardous Materials, 2012, 207(15): 79-85.

[62] SAMARAS P, BLUMENSTOCK M, LENOIR D,. PCDD/F inhibition by prior addition of urea to the solid fuel in laboratory experiments and results statistical evaluation [J]. Chemosphere, 2001, 42(5): 737-743.

[63] CHEN Z, LIN X, LU S,. Suppressing formation pathway of PCDD/Fs by S-N-containing compound in full-scale municipal solid waste incinerators [J]. Chemical Engineering Journal, 2019, 359: 1391-1399.

[64] 官貞珍, 潘衛(wèi)國, 郭瑞堂, 等. 國內(nèi)外燃煤電廠二惡英排放及控制 [J]. 燃燒科學(xué)與技術(shù), 2020, 26(5): 423-429.

GUAN Z Z, PAN W G, GUO R T,. PCDD/Fs emissions and control in coal-fired power plants at home and abroad [J]. Journal of Combustion Science and Technology, 2020, 26(5): 423-429.

[65] 陸勝勇. 垃圾和煤燃燒過程中二噁英的生成、排放和控制機理研究 [D]. 杭州: 浙江大學(xué), 2004.

LU S Y. Mechanism and experimental study on PCDD/Fs formation, emission and control during solid waste and coal combustion processes [D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2004.

[66] ABAECHERLI M L, CAPON-GARCIA E, SZIJJARTO A,. Optimized energy use through systematic short-term management of industrial waste incineration [J]. Computers and Chemical Engineering, 2017, 104(9): 241-258.

[67] 曾紀進, 段翠九, 陳國艷. 蒸汽空氣預(yù)熱器對余熱鍋爐有效輸出熱量的影響 [J]. 鍋爐技術(shù), 2014, 45(5): 1-3.

ZENG J J, DUAN C J, CHEN G Y. Effect of steamed air preheater on effective output heat in heat recovery steam generator [J]. Boiler Technology, 2014, 45(5): 1-3.

[68] 朱紅芳. 垃圾焚燒爐蒸汽空間空氣預(yù)熱器汽源的選擇對鍋爐的影響 [J]. 中國特種設(shè)備安全, 2014, 30(1): 10-12.

ZHU H F. Influence of steam source selection of steam space air preheater in waste incinerator on boiler [J]. China Special Equipment Safety, 2014, 30(1): 10-12.

[69] KESSEL L, ARENDSEN A, BOER-MEULMAN P,. The effect of air preheating on the combustion of solid fuels on a grate [J]. Fuel, 2003, 83(9): 1123-1131.

[70] ALI J, RASHEED T, AFREEN M,. Modalities for conversion of waste to energy-challenges and perspectives [J]. Science of the Total Environment, 2020, 727(7): 138-160.

[71] WAART D, Hendrikus M. Amsterdam waste fired power plant, first year operating experience: Proceedings of the 17th Annual North American Waste-to-Energy Conference [C]. Chantilly, Virginia: The American Society of Mechanical Engineers, 2009: 269-277.

[72] NIKOLIC A, MIKIC M, NAUNOVIC Z. Broadening the urban sustainable energy diapason through energy recovery from waste: A feasibility study for the capital of Serbia [J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2017, 69: 1-8.

[73] BAJI B, DODI S N, VUUROVI D G,. Waste-to-energy status in Serbia [J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2015, 50(10): 1437-1444.

[74] 劉耀明. 重慶市主城區(qū)危險廢物處理處置方案研究 [D]. 重慶: 重慶大學(xué), 2005.

LIU Y M. Study on the optimizing schemes for the hazardous waste treatment and disposal in Chongqing urban area [D]. Chongqing: Chongqing University, 2005.

[75] VERMEULEN I, CANEGHEM J V, BLOCK C,. Environmental impact of incineration of calorific industrial waste: Rotary kiln vs. cement kiln [J]. Waste Management, 2012, 32(10): 1853-1863.

[76] PANTALEO A M, SIMPSON M, ROTOLO G,. Thermoeconomic optimisation of small-scale organic Rankine cycle systems based on screw vs. piston expander maps in waste heat recovery applications [J]. Energy Conversion and Management, 2019, 200(11): 112-138.

[77] 張茂, 孟百宏, 王方明, 等. 危廢焚燒工程余熱蒸汽利用分析 [J]. 中國新技術(shù)新產(chǎn)品, 2019(15): 41-42.

ZHANG M, MENG B H, WANG F M,. Analysis of waste heat steam utilization in hazardous waste incineration project [J]. New Technology and New Products of China, 2019(15): 41-42.

[78] ZIVIANI D, GUSEV S, LECOMPTE S,. Characterizing the performance of a single-screw expander in a small-scale organic Rankine cycle for waste heat recovery [J]. Applied Energy, 2016, 181: 155-170.

[79] 黃榮炎.危險廢物焚燒處置系統(tǒng)的余熱回收梯級利用技術(shù)有效運用研究 [J]. 中國新技術(shù)新產(chǎn)品, 2017(2): 147-148.

HUANG R Y. Study on efficient application of stepwise utilization technology of waste heat recovery in hazardous waste Incineration disposal system [J]. New Technology and New Products of China, 2017(2): 147-148.

[80] 魏烈旭. 重金屬工業(yè)固廢余熱鍋爐設(shè)計及余熱利用 [J]. 有色冶金節(jié)能, 2019, 35(5): 54-57.

WEI L X. Design of waste heat boiler for industrial solid waste of heavy metal and waste heat utilization [J]. Energy Saving of Nonferrous Metallurgy, 2019, 35(5): 54-57.

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。

國家自然科學(xué)基金(51876150)。

高林(1997-)，男，山東日照人，西安交通大學(xué)碩士生。

張早校，E-mail：zhangzx@mail.xjtu.edu.cn