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[摘 要]垃圾焚烧发电作为目前垃圾“无害化、减量化、资源化”处理最有效的方式，将成为垃圾处理的主要方向。但垃圾成分复杂、热值不稳定、含水量差异大，燃烧工况极不稳定。本文从垃圾焚烧稳定性、产能的可靠性和经济性出发，着重研究探讨一种经济可行的伺服助燃系统，使垃圾处理的“三化”效果更趋理想。
[关键词]垃圾 焚烧 助燃技术 锅炉改造
中图分类号：TL941+.32 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）30-0260-01
0.前言
垃圾是人类日常生活和生产活动中产生的固体废弃物。在我国，随着人口的不断增长，随着城市化进程的加快，随着社会的迅猛发展，生活垃圾和工业垃圾的数量也在迅速增加，有些地方甚至出现垃圾围城的现象。因此，为切实改善人居环境，必须大力推进垃圾无害化处理的进程。而作为“无害化、减量化和资源化”最为有效的处理技术—垃圾焚烧发电技术已被越来越重视。
以垃圾为燃料的垃圾焚烧发电技术，是通过在焚烧锅炉内燃烧垃圾产生的热能通过蒸汽供给汽轮发电机进行发电。由于垃圾成分多样、热值不一、含水量等差异极易造成燃烧工况的不稳定、燃烧不彻底、炉内温度忽高忽低、蒸汽产量时大时小。如果遇到热值过低、过分潮湿的垃圾，燃烧工况将会恶化，炉膛温度急速下降，锅炉出力也会随之大幅减少，垃圾难以彻底燃烧，并且会形成恶性循环。当垃圾不能完全燃烧即容易产生一氧化碳等有害物，炉膛内温度低于850℃时，燃烧垃圾产生的二噁英等有害气体就无法得到有效分解，并随烟气流入大气对环境造成次生污染，“无害化”得不到保证；垃圾燃烧不彻底，排出的固体灰渣量增多，处理垃圾的能力也降低，“减量化”效果下降；燃烧工况恶化，锅炉出力不足，发电量也随着下降，“资源化”效果明显变差，而且如果蒸汽波动幅度大波动频繁，还会对发电设备构成损伤，增加设备故障发生率。
为确保垃圾焚烧发电的可靠高效运行，垃圾焚烧锅炉都配备有柴油助燃装置，但高额油价反而给垃圾处理带来了巨大的经济压力。因此，我们利用在水煤浆锅炉应用方面的丰富经验，给广东省某公司的两台SLC350-3.92/400型垃圾焚烧锅炉设计研发了一套水煤浆助燃系统，经连续使用和测试，比柴油助燃成本至少下降了42%，固废减少10%以上，炉膛温度维持在850℃至1050℃范围稳定燃烧，取得非常好的效果。
1. 性能参数
1.1 锅炉基本特性
垃圾日处理量： 350t
额定蒸发量： 33.3t/h
垃圾设计热值： 1200kCal/kg
垃圾燃烧适应热值范围： 900-1500 kCal/kg
1.2 水煤浆助燃系统参数
水煤浆设计热值： 4000kCal/kg
助燃启动时垃圾的相当热值： 900kCal/kg
假设当垃圾热值低于900kCal/kg时，为维持锅炉运行工况的稳定启动助燃系统，则每小时需额外燃用的水煤浆量为：
350/24*1000*（1200-900）/4000=1093.8（kg）
随着助燃开始，炉温上升，垃圾燃烧的充分性也相应提高，同时根据水煤浆及锅炉运行的特性，选取助燃浆量的范围为700-1100 kg/h。
所需补充风量范围：
V1=0.00025*（700*4000*4.18+1112）=2926.3（Nm？/h）
V2=0.00025*（1100*4000*4.18+1112）=4598.3（Nm？/h）
2. 助燃系统设计
2.1 主要设备参数确定
2.1.1 浆罐容积的确定
根据垃圾焚烧锅炉的运行经验，在南方，平均每天需要助燃的时间约6小时，而依据以上计算，每小时平均耗浆量约为1吨。因此，主储浆罐的设计容积选80 m，日用浆罐的设计容积选定为5 m？就足够。
2.1.2 根据“1.1”“1.2”的计算结果及水煤浆的传送距离、水煤浆的流动特性和雾化燃烧方式，确定其他主要设备参数如下：
耐腐耐磨泵：适用介质为浓浆，扬程30m，流量约20 m？/h；
供浆泵：选用单螺杆泵，扬程120m，流量1.2 m？/h -2.0m？/h；
离心风机：风量2900 m？/h-4600 m？/h，全压2000Pa-2600Pa；
空气压缩机：额定压力：0.8Mpa，排气量7 m？/min-8 m？/min。
2.2 助燃燃烧器的设计
用于垃圾焚烧锅炉上的燃烧器，必须适应以下条件：高温高热辐射、高粉尘、潮湿高腐蚀性气体、伺服间断使用且时间不确定；水煤浆挥发份低着火点高、受热易干涸堵塞管道、输送距离远落差大等等。
首先，我们对水煤浆的雾化喷枪作了合理的设计改良。由于煤浆输送距离远，我们降低了对浆压的要求，范围为0.5至0.7Mpa，采用压力为0.6至0.8Mpa的压缩空气与水煤浆进行引射、二级混合、节流加速、切向旋转喷射，既提高了雾化效果、拉近着火点利于充分燃烧，又有效防止了枪头堵塞。其次，用中压风机以适当的风压风速输送一次风，既可对燃烧器本体进行适时降温延长机具的使用寿命，也通过旋转送风力的搅动并及时给氧，加速煤粒燃烧。由于雾化喷枪前端部处于炉膛内的高温环境中，一旦停机，枪内余浆将会迅速干涸堵塞，下次无法正常使用。为此，本燃烧器还设置了自动清洗功能，喷浆停止立即用一定压力的清水和压缩空气进行交替吹洗，确保燃烧器停机仍处于良好的待机状态。
为避免停机待机时炉内高温辐射对燃烧器的损害，本燃烧器配置了自动伸缩动力装置和防热辐射闸门。停机时在对雾化喷枪进行彻底清洗后，燃烧器整体退出闸门关闭，既保护了燃烧器也减少了不必要的热损失。 2.3 助燃系统的安装
2.3.1 供浆泵及管系的安装
由于水煤浆的浓度高，粘度大，流动性差，易积易堵，因此管道阀门尽量用通过性能好的手动或气动球阀。管径选取宜充分考虑流量流速及压降等因素，过大造成资源浪费，过小则易堵塞。管道应向排污口或回流出口端倾斜，以利管道排空。拐弯或截面突变处要圆滑过渡，尽量使用大弯曲半径的弯头。死角位要接入备用清洗水管，清洗水压不小于0.2Mpa，尽量减少管道清洗死角位及死角长度，确保长时间停机时可彻底冲洗管道。供浆泵入口要接入备用清洗水管，出口端要有压力监测仪表。
2.3.2 燃烧器的安装
首先，合理确定燃烧器的安装位置，燃烧器安装位置选取垃圾焚烧火焰高温区附近，燃烧器出口应以刚露出炉墙内侧为好，并应向内向下倾斜形成约15至200的水煤浆喷射角。这样，一方面利于水煤浆的引燃；另方面，浆燃烧产生的火焰区有向下的趋势，将高温区适当下拉，利于垃圾燃烧的加剧和彻底，增加出力并减少固废；第三，煤浆液滴的斜向下喷燃，减少了煤灰随烟飘荡的比例从而减少烟道的堵塞和炉壁挂焦的机率。
其次，燃烧器的中心轴线和推拉器的轴线要保持平行，以确保燃烧器进退灵活自如。水煤浆、压缩气和鼓风软管要可靠固定并有足够的摆动幅度。
2.4 系统的控制流程
由于浆管阀门采用气动球阀，气管或冲洗水管道采用电动或电磁阀门，供浆螺杆泵采用变频器多段速控制，因此，电控系统我们只需配套一FX1N-40MR型可编程控制器便可轻松实现如下控制流程。
2.5 水煤浆助燃垃圾焚烧效果测试
设备安装调试正常后，我们择机对本助燃系统的效果进行测试，并对测试前后锅炉的运行数据整理比对，未投入水煤浆助燃时锅炉的产汽量及炉膛温度曲线如图三，在天气条件相近的次日投入水煤浆助燃后温度及产汽状况如图四。
图四所示的投浆助燃时间自11：16分开始，至17：30分结束。其中发现炉膛温度高于1100℃时调低助燃浆量。
通过相邻两天的运行记录比对，未加助燃时炉温及产汽量都极不稳定，且变化幅度很大。助燃系统启用后，炉排近表面炉温可控制在一个相对较好较平稳的状态，可靠地避免垃圾低温焚烧造成的有害有毒气体的产生，垃圾燃烬率大提高，并有效减少了飞灰在烟道管壁的巴结积聚。同时锅炉产能得到较好发挥，产汽量大且稳定，蒸汽品质的提高使得蒸汽发电生产更趋理想。
3. 结论
本设备系统经历大半年的试用证明，它在提高垃圾燃烬率、减少固废、减少有害气体的生成、增加锅炉出力、提升蒸汽品质、降低设备故障了生率等方面带来了良好的经济效益和社会效益，更加有利于垃圾处理的“无害化、减量化、资源化”。
垃圾焚烧炉在焚烧状况不理想时用水煤浆助燃比用油助燃成本节约60%以上。但在炉膛高温区的温度低于600℃或高于1000℃时不宜或不必使用水煤浆助燃系统。
参考文献
[1] 马昌华主编.《锅炉事故防患与安全运行》.地震出版社.
[2] 《工业锅炉设计计算标准方法》编委会.《工业锅炉设计计算标准方法》 中国标准出版社.
[3] 《生活垃圾处理工程技术规范》（CJJ90-2009） 中华人民共和国建设部.
[关键词]垃圾 焚烧 助燃技术 锅炉改造
中图分类号：TL941+.32 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）30-0260-01
0.前言
垃圾是人类日常生活和生产活动中产生的固体废弃物。在我国，随着人口的不断增长，随着城市化进程的加快，随着社会的迅猛发展，生活垃圾和工业垃圾的数量也在迅速增加，有些地方甚至出现垃圾围城的现象。因此，为切实改善人居环境，必须大力推进垃圾无害化处理的进程。而作为“无害化、减量化和资源化”最为有效的处理技术—垃圾焚烧发电技术已被越来越重视。
以垃圾为燃料的垃圾焚烧发电技术，是通过在焚烧锅炉内燃烧垃圾产生的热能通过蒸汽供给汽轮发电机进行发电。由于垃圾成分多样、热值不一、含水量等差异极易造成燃烧工况的不稳定、燃烧不彻底、炉内温度忽高忽低、蒸汽产量时大时小。如果遇到热值过低、过分潮湿的垃圾，燃烧工况将会恶化，炉膛温度急速下降，锅炉出力也会随之大幅减少，垃圾难以彻底燃烧，并且会形成恶性循环。当垃圾不能完全燃烧即容易产生一氧化碳等有害物，炉膛内温度低于850℃时，燃烧垃圾产生的二噁英等有害气体就无法得到有效分解，并随烟气流入大气对环境造成次生污染，“无害化”得不到保证；垃圾燃烧不彻底，排出的固体灰渣量增多，处理垃圾的能力也降低，“减量化”效果下降；燃烧工况恶化，锅炉出力不足，发电量也随着下降，“资源化”效果明显变差，而且如果蒸汽波动幅度大波动频繁，还会对发电设备构成损伤，增加设备故障发生率。
为确保垃圾焚烧发电的可靠高效运行，垃圾焚烧锅炉都配备有柴油助燃装置，但高额油价反而给垃圾处理带来了巨大的经济压力。因此，我们利用在水煤浆锅炉应用方面的丰富经验，给广东省某公司的两台SLC350-3.92/400型垃圾焚烧锅炉设计研发了一套水煤浆助燃系统，经连续使用和测试，比柴油助燃成本至少下降了42%，固废减少10%以上，炉膛温度维持在850℃至1050℃范围稳定燃烧，取得非常好的效果。
1. 性能参数
1.1 锅炉基本特性
垃圾日处理量： 350t
额定蒸发量： 33.3t/h
垃圾设计热值： 1200kCal/kg
垃圾燃烧适应热值范围： 900-1500 kCal/kg
1.2 水煤浆助燃系统参数
水煤浆设计热值： 4000kCal/kg
助燃启动时垃圾的相当热值： 900kCal/kg
假设当垃圾热值低于900kCal/kg时，为维持锅炉运行工况的稳定启动助燃系统，则每小时需额外燃用的水煤浆量为：
350/24*1000*（1200-900）/4000=1093.8（kg）
随着助燃开始，炉温上升，垃圾燃烧的充分性也相应提高，同时根据水煤浆及锅炉运行的特性，选取助燃浆量的范围为700-1100 kg/h。
所需补充风量范围：
V1=0.00025*（700*4000*4.18+1112）=2926.3（Nm？/h）
V2=0.00025*（1100*4000*4.18+1112）=4598.3（Nm？/h）
2. 助燃系统设计
2.1 主要设备参数确定
2.1.1 浆罐容积的确定
根据垃圾焚烧锅炉的运行经验，在南方，平均每天需要助燃的时间约6小时，而依据以上计算，每小时平均耗浆量约为1吨。因此，主储浆罐的设计容积选80 m，日用浆罐的设计容积选定为5 m？就足够。
2.1.2 根据“1.1”“1.2”的计算结果及水煤浆的传送距离、水煤浆的流动特性和雾化燃烧方式，确定其他主要设备参数如下：
耐腐耐磨泵：适用介质为浓浆，扬程30m，流量约20 m？/h；
供浆泵：选用单螺杆泵，扬程120m，流量1.2 m？/h -2.0m？/h；
离心风机：风量2900 m？/h-4600 m？/h，全压2000Pa-2600Pa；
空气压缩机：额定压力：0.8Mpa，排气量7 m？/min-8 m？/min。
2.2 助燃燃烧器的设计
用于垃圾焚烧锅炉上的燃烧器，必须适应以下条件：高温高热辐射、高粉尘、潮湿高腐蚀性气体、伺服间断使用且时间不确定；水煤浆挥发份低着火点高、受热易干涸堵塞管道、输送距离远落差大等等。
首先，我们对水煤浆的雾化喷枪作了合理的设计改良。由于煤浆输送距离远，我们降低了对浆压的要求，范围为0.5至0.7Mpa，采用压力为0.6至0.8Mpa的压缩空气与水煤浆进行引射、二级混合、节流加速、切向旋转喷射，既提高了雾化效果、拉近着火点利于充分燃烧，又有效防止了枪头堵塞。其次，用中压风机以适当的风压风速输送一次风，既可对燃烧器本体进行适时降温延长机具的使用寿命，也通过旋转送风力的搅动并及时给氧，加速煤粒燃烧。由于雾化喷枪前端部处于炉膛内的高温环境中，一旦停机，枪内余浆将会迅速干涸堵塞，下次无法正常使用。为此，本燃烧器还设置了自动清洗功能，喷浆停止立即用一定压力的清水和压缩空气进行交替吹洗，确保燃烧器停机仍处于良好的待机状态。
为避免停机待机时炉内高温辐射对燃烧器的损害，本燃烧器配置了自动伸缩动力装置和防热辐射闸门。停机时在对雾化喷枪进行彻底清洗后，燃烧器整体退出闸门关闭，既保护了燃烧器也减少了不必要的热损失。 2.3 助燃系统的安装
2.3.1 供浆泵及管系的安装
由于水煤浆的浓度高，粘度大，流动性差，易积易堵，因此管道阀门尽量用通过性能好的手动或气动球阀。管径选取宜充分考虑流量流速及压降等因素，过大造成资源浪费，过小则易堵塞。管道应向排污口或回流出口端倾斜，以利管道排空。拐弯或截面突变处要圆滑过渡，尽量使用大弯曲半径的弯头。死角位要接入备用清洗水管，清洗水压不小于0.2Mpa，尽量减少管道清洗死角位及死角长度，确保长时间停机时可彻底冲洗管道。供浆泵入口要接入备用清洗水管，出口端要有压力监测仪表。
2.3.2 燃烧器的安装
首先，合理确定燃烧器的安装位置，燃烧器安装位置选取垃圾焚烧火焰高温区附近，燃烧器出口应以刚露出炉墙内侧为好，并应向内向下倾斜形成约15至200的水煤浆喷射角。这样，一方面利于水煤浆的引燃；另方面，浆燃烧产生的火焰区有向下的趋势，将高温区适当下拉，利于垃圾燃烧的加剧和彻底，增加出力并减少固废；第三，煤浆液滴的斜向下喷燃，减少了煤灰随烟飘荡的比例从而减少烟道的堵塞和炉壁挂焦的机率。
其次，燃烧器的中心轴线和推拉器的轴线要保持平行，以确保燃烧器进退灵活自如。水煤浆、压缩气和鼓风软管要可靠固定并有足够的摆动幅度。
2.4 系统的控制流程
由于浆管阀门采用气动球阀，气管或冲洗水管道采用电动或电磁阀门，供浆螺杆泵采用变频器多段速控制，因此，电控系统我们只需配套一FX1N-40MR型可编程控制器便可轻松实现如下控制流程。
2.5 水煤浆助燃垃圾焚烧效果测试
设备安装调试正常后，我们择机对本助燃系统的效果进行测试，并对测试前后锅炉的运行数据整理比对，未投入水煤浆助燃时锅炉的产汽量及炉膛温度曲线如图三，在天气条件相近的次日投入水煤浆助燃后温度及产汽状况如图四。
图四所示的投浆助燃时间自11：16分开始，至17：30分结束。其中发现炉膛温度高于1100℃时调低助燃浆量。
通过相邻两天的运行记录比对，未加助燃时炉温及产汽量都极不稳定，且变化幅度很大。助燃系统启用后，炉排近表面炉温可控制在一个相对较好较平稳的状态，可靠地避免垃圾低温焚烧造成的有害有毒气体的产生，垃圾燃烬率大提高，并有效减少了飞灰在烟道管壁的巴结积聚。同时锅炉产能得到较好发挥，产汽量大且稳定，蒸汽品质的提高使得蒸汽发电生产更趋理想。
3. 结论
本设备系统经历大半年的试用证明，它在提高垃圾燃烬率、减少固废、减少有害气体的生成、增加锅炉出力、提升蒸汽品质、降低设备故障了生率等方面带来了良好的经济效益和社会效益，更加有利于垃圾处理的“无害化、减量化、资源化”。
垃圾焚烧炉在焚烧状况不理想时用水煤浆助燃比用油助燃成本节约60%以上。但在炉膛高温区的温度低于600℃或高于1000℃时不宜或不必使用水煤浆助燃系统。
参考文献
[1] 马昌华主编.《锅炉事故防患与安全运行》.地震出版社.
[2] 《工业锅炉设计计算标准方法》编委会.《工业锅炉设计计算标准方法》 中国标准出版社.
[3] 《生活垃圾处理工程技术规范》（CJJ90-2009） 中华人民共和国建设部.