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垃圾焚烧炉燃烧技术及设备的发展

1 前言

随着经济的发展、人口的不断增多以及人民生活水平的日益提高，城市垃圾的产生量也日渐增多。在当今世界，大量的垃圾已成为城市中一个长期存在的污染源。对垃圾的处理不当，可能会造成严重的大气污染、水污染和土壤污染，并将占用大量的土地。二十世纪九十年代中期在西班牙发生的垃圾堆山体松动、滑移并严重污染海滨的严重事件，便是对人类发出的一次警告。可以说，垃圾对环境的污染已经成为日益严重的问题。如何经济、有效地进行垃圾处理，是广大环保工作者和环保行业面临的一个亟待解决的问题。

垃圾焚烧是目前固体废弃物处理的有效途径之一，其目的在于垃圾的无害化处理和利用[1]。在西方发达国家，垃圾焚烧技术的应用已经有将近130年的历史，而且目前仍被认为是最有效、经济的垃圾处理技术之一。我国对垃圾的处理目前基本上仍采用露天堆放和填埋法，而在垃圾焚烧技术的研究、开发和应用方面起步较晚。相比之下，我国垃圾焚烧设备的设计、生产和应用的水平和规模与发达国家的差距还很大。因此对我国的环保工作者和生产企业来说，了解垃圾焚烧炉燃烧技术及设备的发展趋势，进而学习和掌握先进的垃圾焚烧炉设计和制造技术显得非常迫切和重要[2]。

本文通过对垃圾焚烧炉燃烧技术及设备发展历史的回顾，分析各种燃烧设备的特点，并对我国的垃圾焚烧技术和设备的发展提出建议。

2 垃圾焚烧炉发展早期的主要型式和特点

从十九世纪下半叶开始，西方发达国家已着手设计和开发垃圾焚烧设备。当时应用垃圾焚烧技术和设备的主要目的是[3]：

（1）在高温下进行垃圾的无害化处理，灭除细菌以及病原体；

（2）产生可加以利用的灰渣；

（3）避免由于燃烧而产生的烟尘和气味；

（4）将垃圾中含有的能量转换为蒸汽、电能或者热水加以利用；

（5）以尽可能低的成本进行垃圾的焚烧处理，而且设备操作和工作条件合理；

（6）焚烧所有无法利用的可燃废弃物。

世界上第一台固体废弃物焚烧设备诞生在第二次技术革命时期的欧洲。十九世纪下半叶，英国的Paddington已经发展成为一座人口密集的工业化城市。1870年，一台垃圾焚烧炉在Paddington市投入运行。当时的垃圾水分和灰分均很大，故其发热量低而难以焚烧，因此这台焚烧炉的运行状况不良，不久即停止运营。针对垃圾品质低劣、焚烧困难的问题，先是采用双层炉排(下炉排上为强烈燃烧的煤层)，进而在1884年试图将垃圾与煤混烧，以改善垃圾燃料的燃烧特性。然而两种尝试均未获得令人满意的结果，而且由于烟囱低矮，使得附近的环境受到刺激性烟气的污染。

为了解决刺激性烟气和炭黑污染的问题，首先采取的措施是将焚烧温度提高到700℃，后来又进一步提高到800～1100℃。当时人们已经知晓燃烧空气量和投入方式对烟气温度的影响，因此相继采用了加高烟囱、配置送风机和引风机等措施，以增加通风量和满足焚烧过程对燃烧空气量的需求。烟囱加高后，同时也解决了烟气中刺激性有害物质的扩散问题。

由于垃圾的种类和成分随着地域和季节的不同而可能发生很大的变化，垃圾焚烧设备必须具有良好的燃料适应性。在这方面，当时所采取的技术措施是在焚烧炉中增设垃圾干燥区以及采用燃烧空气预热。

2.1 箱式垃圾焚烧炉

1876年，一家垃圾焚烧厂在英国Manchester市投入运行。该厂装有数台箱式垃圾焚烧炉，各炉共用一个排烟通道，炉内采用固定倾斜式阶梯炉排。运行结果表明，这种箱式焚烧炉比较适合于垃圾焚烧。在操作时，垃圾从炉门由人工投入燃烧室进行燃烧。炉门除了用于投入垃圾外，还用于除渣和拨火。炉排上方的炉拱在燃烧过程中呈白热化状态，由此而产生的强烈辐射对新燃料起到了烘干的作用。

由于当时Manchester这种类型的垃圾焚烧炉的成功，到十九世纪末在英国共制造和成功投运了210座同类型的垃圾焚烧装置，仅London一地就有14座。这种箱式焚烧炉的主要缺陷在于操作工人劳动强度大、工作条件恶劣。此外，人工投料和除渣操作造成焚烧过程的不连续性。图1所示的箱式垃圾焚烧炉在后墙增设了单独的除渣和拨火孔。

此后，在上述箱式焚烧炉的基础上又出现了双箱式焚烧炉和串联炉排炉等许多型式的垃圾焚烧炉。双箱式焚烧炉由两套箱式焚烧炉的燃烧设备以背靠背的形式组成，共有连接两套燃烧设备的后墙和一个垃圾给料口。运行时，在两套燃烧设备中交替进行除渣、给料和焚烧过程，即当其中一套燃烧设备进行除渣和给料操作时，另一套设备中正在进行垃圾焚烧过程。新加入的垃圾通过与灼热的后墙接触，也能够得到干燥。因此，即使在垃圾发热量较低时，炉内燃烧温度也能达到700～1000℃。箱式焚烧炉

的炉门最宽可达1 m,炉排面积通常为1.0～1.5 m2，最大可达3 m2。由于除渣操作频繁、焚烧过程不连续，箱式焚烧炉的焚烧量只有6～10 t/日(以24小时计)，在垃圾得到预热时可达20t/日。

2.2 立式垃圾焚烧炉

德国的Wiesbaden市于1902年建造了一座采用立式焚烧炉的垃圾焚烧厂。这种焚烧炉在运行时，垃圾由炉子上方经过一个倒置喇叭口投入炉膛，燃烧空气则通过水平渣井中的缝隙流入，在冷却炉渣的同时也得到了预热(图2)。在喇叭口处，烟气从侧面引出，并在加入二次风后进入燃烬室，以将烟气中携带的可燃成分(特别是可燃气体)充分燃烬。该焚烧炉炉高3 m，炉膛横截面为矩形，炉底尺寸为0.8×0.8 m。与箱式焚烧炉相比，立式焚烧炉的焚烧量较大，而且燃烬效果好，但仍存在人工除渣劳动强度大的缺点。

对上述型式的焚烧炉进行改进之后，出现了圆筒形炉膛的立式焚烧炉。燃烧空气改由炉膛的侧面送入，除渣操作则由一种特制的清渣刀来完成。在需要除渣时，圆筒炉膛的底盖打开，清渣刀由底部伸入炉膛中进行除渣操作；在其完成除渣操作退出炉膛后，炉膛底盖重新关闭，垃圾靠其自重自动地落在底盖上，炉膛上方空间由新加入的垃圾填充。这种焚烧炉每m2炉排面积的焚烧量可达2.6 t/h，炉膛温度约为900℃。一座垃圾焚烧厂可由数台立式焚烧炉组成，拥有公用的燃烬室和飞灰收集装置。

此后在欧洲各国又出现了各种改进型的立式焚烧炉，所应用的新技术包括采用水冷壁冷却立式炉壁、采用螺旋连续给料装置以及机械除渣。特别值得一提的是，在二十世纪初的欧洲就已经出现类似于沸腾燃烧的立式

垃圾焚烧炉[3]。垃圾由炉子上方送入炉膛，而燃烧空气由下至上喷入。在40～50 mbar 空气压力的作用下，垃圾中热值较低的碎屑便被分离出来，并和飞灰一起由烟气携带至飞灰收集室，而热值较高的粗大垃圾则在面积约为1.2 m2的炉排上进行燃烧。这种焚烧炉采用了机械化给料装置，每m2炉排面积的焚烧量达1.1 t/h，炉膛温度约为1000～1100℃。

2.3 其它型式的垃圾焚烧炉

为了实现垃圾焚烧过程中进料、拨火、清渣和除灰等主要操作的机械化，先后开发和应用了阶梯式炉排、倾斜炉排和链条炉排以及转筒式垃圾焚烧炉。与现代的倾斜往复炉排相似，本世纪二十年代的阶梯式炉排也是由固定炉排片和活动炉排片组成的，整个炉排呈阶梯状，水平倾角约为10～13°。垃圾通过螺旋给料装置进入炉子，并在预热后被抛向炉排的最低处。通过炉排片的往复运动，垃圾在炉排上连续并均匀地自下而上逆向移动，并产生良好的拨火作用，而且有利于破碎硬化的灰渣层。10～13°的炉排倾角可使熔融的灰渣回流至新加入的垃圾中，有利于加速垃圾的干燥和着火。因此，阶梯式炉排不仅能够较好地适应垃圾成分的波动，而且与箱式和立式焚烧炉相比，更加适用于焚烧量和蒸发量较大的情况。根据焚烧量的大小，阶梯式炉排可以采用单排或双排的型式。当时阶梯式炉排长度可达3.5 m，单排宽度1.3 m，平均焚烧量可达3.5 t/h。

此后又进一步开发了采用倾斜炉排的垃圾焚烧炉。这种倾斜炉排的特点是炉排自进料口至灰斗方向向下倾斜15～25° (即与现代倾斜往复炉

排的倾角大致相同[4, 5])，垃圾由于炉排片的往复运动而向灰斗方向移动并同时得到松动，故其亦具有很好的拨火作用。具有双排倾斜炉排的垃

圾焚烧炉的炉排总面积达16 m2，其焚烧量可达8 t/h，炉膛温度约为900～1000℃。

转筒式垃圾焚烧炉的开发和应用是垃圾焚烧操作走向机械化的一个重要步骤。通常这种焚烧炉的燃烧设备是由转筒和倾斜炉排共同组成的。垃圾进入炉膛后首先在倾斜炉排上得到部分高温烟气的干燥；在进入转筒前，垃圾甚至已经着火或开始燃烧。对于低热值的垃圾，整个炉膛内布置有分别用于垃圾干燥、引燃和焚烧的三组倾斜炉排。因为用于垃圾干燥和引燃的炉排的位置均高于焚烧炉排和转筒，造成炉膛高度和体积较大，设备投资较高。因此从技术经济比较的角度来看，转筒式垃圾焚烧炉的焚烧量应不小于30000 t/年。

拨火操作对于垃圾(尤其是低热值、高灰分的垃圾)焚烧过程影响较大，而链条炉排的主要缺点之一正是其对燃料层无自动扰动作用，拨火操作仍需借助于人力，因此将链条炉排用于低热值垃圾焚烧不太适宜。到本世纪六十年代，曾有外国公司在垃圾焚烧炉中采用链条炉排。但是由于链条炉排在燃烧技术上的种种缺陷(着火条件差、拨火作用弱以及配风调节能力差等)，到八十年代末便为往复推饲炉排所代替。

3 现代垃圾焚烧炉的主要型式和特点

垃圾焚烧技术已经经历了将近130年的发展过程，垃圾焚烧技术和设备已经日臻完善并得到了广泛的应用。西方发达国家目前通用的垃圾焚烧系统主要有以下几类：

（1）垃圾层燃焚烧系统，如采用滚动炉排、水平往复推饲炉排和倾斜往复炉排(包括顺推和逆推倾斜往复炉排)等。层燃焚烧方式的主要特点