技术 | 水泥窑协同处置生活垃圾焚烧炉一次风加热方式的比较分析

前言

近些年国家把固体废物污染防治摆在生态文明建设的突出位置，而生活垃圾处理则是固体废物污染防治的重要环节。目前我国生活垃圾主要处理方式是卫生填埋和垃圾焚烧发电，水泥窑协同处置生活垃圾作为二者的补充，特别是小规模生活垃圾处理越来越被重视。利用水泥窑协同处置生活垃圾，能够彻底实现生活垃圾处理减量化、无害化和资源化，也为水泥工业发展循环经济、打造水泥绿色环保产业开辟了一种新的途径。

水泥窑联合炉排炉协同处置生活垃圾技术由于无需预处理、工艺流程简洁、运行稳定，具有良好的适应性，核心设备机械炉排炉已经在我国垃圾焚烧发电行业30年实践基础上已经得到了广泛的认同。生活垃圾水分高、热值低，燃烧温度低，且燃烧不稳定，为保证低热值垃圾顺利着火、充分燃烧和保证燃烧室温度，燃烧空气须经加热到一定温度后，再送入焚烧炉。本研究通过对机械炉排炉三种一次风加热方式的比较分析，提出了最佳烟气加热方案，为水泥窑协同处置生活垃圾的空气预热器选型及设计提供参考。

垃圾焚烧发电厂焚烧用一次风普遍采用蒸汽加热空气的方法，水泥窑协同处置生活垃圾焚烧后的高温烟气是直接送入分解炉作为替代燃料，综合考虑SP炉蒸汽成本，项目采用直接从高温烟气取热来加热一次风。

1.1 方案一：烟气循环(两级空气预热)

图1 采用烟气循环的两级空气预热

该方案采用焚烧炉出口900℃烟气与空预器出口低温烟气混合，使空预器入口烟气温度控制在500℃。空预器采用两级设计，第一级空气从20℃加热至140℃。进入第二级，由140℃加热至220℃。

该方案中烟气会与低温空气传热，在第一级空预器容易产生低温腐蚀，低温腐蚀在空气进口处较严重，管排使用寿命短；由于系统中需要设置烟气循环管路，各分管路中压力调节比较复杂，当工况变化，烟气量变化较小时，需管路调节阀有较高的调节比。在启停炉阶段，空预器会存在高温腐蚀与低温腐蚀并存现象，腐蚀较为严重，对焚烧系统的长期稳定运行构成威胁。

1.2 方案二：窑尾水热媒空预器+烟气循环(一级空气预热)

图2 窑尾水热煤空预器

水热媒空气预热器具有布置简单、占地小、投资省、余热回收效率高、使用寿命长等优点，是解决管式空气预热器低温腐蚀一个比较有效的途径。

方案二采用焚烧炉出口900℃烟气与空预器出口烟气混合，使空预器入口烟气温度控制在500℃。烟气设计空预器为一级，水泥窑窑尾布置水热媒空预器，水热媒空预器产生140℃热空气进入一级烟气预热器加热至220℃。

由于提高了管式空预器入口的空气温度，该方案可有效避免低温腐蚀，但是类似方案一，同样需要设置烟气循环管路，而且管式空预器受焚烧炉工况和窑尾烟气工况联合影响，系统运行调节复杂。

1.3 方案三：窑尾水热煤空预器+高温烟气直接混合预热

图3 采用烟气循环的一级空气预热

该方案需在出口烟气管路上设置烟气空气混合室，利用炉排炉焚烧产生的少量900℃高温烟气与140℃热空气直接混合，使一次风温度直接加热至220℃。该方案工艺流程相对简洁，没有低温腐蚀问题，空预器设备故障点少，系统稳定运行时间增加。窑尾水热媒空预器与窑尾余热锅炉并联，能够减少进入余热锅炉烟气量，水泥线系统阻力相应会减少，从而能够减少高温风机电耗，降低协同处置运行费用。特别是水泥线协同处置固体废物后，会导致窑尾烟气量和烟气温度的升高，高温风机负荷增大，进一步会影响水泥线产能，在SP锅炉余量不足情况下，该方案可提高焚烧热能利用效率。

该方案存在的不足之处是采用高温烟气与预热空气直接混合作为一次风，会导致助燃风含氧量降低，略微影响燃烧强度。根据计算，空气从140℃加热至220℃，高温烟气体积比约占混合后一次风量的10％。混合后，一次风氧含量约为19.6％。根据高海拔地区垃圾焚烧经验，氧含量在16％～21％的范围内，垃圾燃烧速率不会明显降低，可以保证焚烧炉的处理能力，满足项目稳定焚烧要求。

表1为三种一次风加热方式的综合对比分析，可以看出，方案一低温腐蚀风险较高，系统复杂，变工况系统调节性能差，项目调试、运行检修难度都大，技术适应性较差；方案二改进了低温段一次风的换热方式，有效避免了低温腐蚀的发生，其他与方案一大致相当，且系统更复杂；方案三各方面性能表现较为优越，缺点是含氧量会略有降低，但是不会明显降低垃圾燃烧速率，机械炉排炉的垃圾处理能力能够得到保证，是最佳一次风加热方式。

表1 一次风加热方式对比表

提出了三种空气预热模式，通过对机械炉排炉三种一次风加热方式进行对比分析，结合水泥窑协同处置生活垃圾项目特点，建议采用“窑尾水热煤空预器+高温烟气直接混合预热”方案。

作者：刘学炉

来源：《广东开能环保能源有限公司南京分公司》

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