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摘要：城市生活垃圾成分复杂，热值低，灰分高，含水量因季节变化而波动范围大，垃圾热值随之变化也很大。影响垃圾焚烧的主要因素包括垃圾热值、焚烧炉型式、燃烧温度、料层停留时间以及过量空气系数等。焚烧炉是垃圾焚烧过程的基本设备，对垃圾的焚烧过程、燃尽情况起主要影响作用，对后续的余热锅炉、炉后烟气净化系统的配置等都起到重要作用，是影响系统工程总成本和经济效益的关键设备。
关键词：生活垃圾；垃圾焚烧发电；焚烧炉；机械炉排应用分析；
前言
随着经济社会发展，生活水平的提高，生活垃圾的成分和热值都在不断变化，在过去几十年，我国的生活垃圾实际低位热值仅有800~1000大卡左右，低热值的垃圾焚烧，对于焚烧炉的技术设计是一个很大的挑战。而近年来，随着生活水平提高，大部分地区的垃圾热值已经达到1300~1500大卡左右，在上海、北京、深圳等发达城市，热值已经达到1800~2000大卡。热值变动，对于焚烧设备的长期运行带来很大的影响，对焚烧炉的型式选择起着决定性的作用。
一、国外垃圾焚烧炉技术及现状
目前有两种主要的焚烧方式：分层燃烧、流化燃烧。生活垃圾焚烧使用的主要焚烧炉型有：机械式炉排焚烧炉、流化床垃圾焚烧炉、超高温气化熔炉、回转式窑炉等。回转窑炉主要用于医疗危废等垃圾处置，受炉型限制，处理规模小，很少用于城市生活垃圾处置；超高温气化熔炉则是将多级燃烧，使炉内垃圾处于超高温气化熔融状态，最终的焚烧产物变成无毒无害的玻璃体状物质，无需经过二次处理。产生的可燃气体再送往燃烧锅炉生产蒸汽，之后再进行烟气处理。这种处理技术，对垃圾的要求比较低，处理范围比较广泛，各种铁块、危废、器具等，多用于煤矸石资源化处理，由于系统要达到超高温（约1700~1800℃以上）的能耗较高，因此在生活垃圾焚烧领域中暂无大规模使用案例。流化床燃烧炉在早期的国内垃圾焚烧中也有较多应用，通过床压设定，使垃圾在炉膛内悬浮燃烧，并通过锅炉水冷壁吸收以及炉膛后的蒸发器过热器等进行烟气余热回收，最终达到回收垃圾热量的目的。但采用流化床焚烧技术，对于垃圾的选择性较大，需要对垃圾进行分类预处理，并且受床压和床温影响，焚烧产生的二次污染严重，二恶英产生量大，后期处理成本高。该技术在近年的垃圾焚烧市场中已经逐渐被机械式炉排技术所取代。而以流化床技术发展为代表的国能锦江集团，也已在多个流化床垃圾焚烧项目改扩建中采用机械式炉排取代了原有的流化床焚烧炉。
焚烧炉排通过其机械运动来加强炉排上垃圾的混合，促进垃圾的翻转和燃烧。其处理特点是生活垃圾无需经过预处理即直接投入炉膛焚烧；焚烧过程中不需要添加其它辅助燃料；燃烧过程稳定连续，燃烧完全，炉渣热灼率可小于3%；燃烧产生的飞灰量少；技术成熟，设备年运行时间可达8000小时以上，连续运行时间长，垃圾处理规模量大，是生活垃圾焚烧处理的不二选择。
机械式焚烧炉排炉主要式通过机械式分段燃烧技术，使无分类的生活垃圾在焚烧炉内通过干燥、燃烧、燃烬三个阶段后，垃圾内的有机物热量经过充分燃烧后转变为热能，再通过余热回收炉进行余热回收利用发电，从而使资源得到最大化利用。
二、垃圾焚烧炉技术对比分析
机械式垃圾焚烧炉排已经过了上百年的发展，随着垃圾发电市场的新兴和发展，炉排的型式也是越来越多样，各种炉排技术在垃圾焚烧处理中不断得到改进，在适应垃圾热值不断提高，单台焚烧线的垃圾处理量不断提升的同时，在燃烧控制，炉排设计制造方面都不断得到创新和发展。
在机械式炉排技术中，根据其炉排片运动方式和技术特点，可大致分为以下几类具有典型代表性的技术流派：
国外炉排代表类型：
三菱马丁炉排：炉排运动方式采用逆推往复式运动炉排，其特点是使用了交错式布置的活动和固定排片，按照一定的倾斜角度安装，使得炉排上层的垃圾因重力作用和活动排片的振动作用而不断向炉排尾部移动，而下层的垃圾则随着排片的逆推动作，向上翻动，最终完成垃圾的疏松和翻转动作，有利于垃圾的充分搅拌和完全燃烧。由于在燃烧过程中，炉排上的料层被充分搅拌，同时在排片逆向推动下，延长了垃圾在焚烧炉内的停留时间，可以使炉床的尺寸设计更小，减少了焚烧炉占地面积。这也是为什么对于焚烧同样规模垃圾的焚烧炉，逆推炉排的占地总是小于顺推炉排的原因。
西格斯排炉：西格斯炉排主要形式为多级顺推式炉排，通过将不同的炉排片单元按照倾斜的阶梯形式左右排布。炉排片单元有三种类型，固定式，滑动式，翻转式，三种类型的排片交错布置，在炉排运动过程中，可以对垃圾料层进行有效翻转搅拌。其炉排片动作可实现水平运动、翻搅和垂直的通风运动，并且各自的动作可区分开，进行独立控制，操作灵活性更高。
日立造船炉排：日立炉排也是采用顺推式炉排的典型代表，其特点是采用了固定和活动炉排片交错布置的方式，垃圾物料在重力和炉排振动作用下向炉膛尾部移动，并且在各级炉排之间设置了较大的落差，可保证垃圾在炉排上的充分搅拌，增强燃烧效果。同时日立炉排在固定炉排片位置设置了剪切刀，可起到拨火和松动垃圾块的效果，避免团球垃圾导致部分燃烧效果不佳。这种炉排对于国内水分含量高、热值低的生活垃圾具有非常好的适应性，得到了大多数的用户的认可。
国内炉排类型代表：
随着近年来垃圾焚烧发电市场的迅猛发展，国内各大厂商根据我国生活垃圾的特点，在引进炉排的基础上开始研发创新型炉排设计，这类机械焚烧炉排也在实际项目运行中得到了效果验证，被证明为有效的创新型国产炉排代表。这类炉排主要代表有：
重庆三峰炉排：采用逆推式炉排，两段式布置，考虑到垃圾焚烧的不同阶段状态，两段炉排采用了不同的倾斜角度设计，更好的发挥了逆推式炉排的优势，使垃圾焚烧后的灰渣热灼率可小于2%的燃烧效果。
杭州新世纪炉排：采用逆推+顺推的双级设计，在干燥和燃烧段采用逆推形式，发挥了逆推炉排的最大优势，使垃圾得以充分搅拌和燃烧。而在燃尽段则采用顺推水平炉排，可使未燃烬的垃圾团球破碎后继续充分燃烧，保证燃烧的停留时间和燃尽率。
从以上对比分析可知，就各家的炉排技术而言，都具有各自的性能优缺点，随着垃圾焚烧技术的不断发展和创新，国产机械式焚烧炉排在发展和创新方面已占有一席之地，对国内的垃圾适应性较好，得到较多用户的认可。而机械式焚烧炉排的选择，则应根据不同地区不同类型的垃圾物料，分析其主要成分，热值特点以及处理垃圾的规模等因素，综合选择其合适的炉排技术才是关键。
三、焚烧炉机械设计策略研究
1.焚烧炉机械设计尺寸
焚烧炉设计人员应规划燃烧室尺寸，设计研究整体设计中炉底的具体长度和宽度，以充分满足炉排设计机械负荷要求，设计时应计算所有尺寸，设计合理的机械负荷及炉膛热负荷。在设备制造安装和使用过程中，应计算炉排强度，钢结构强度等，满足垃圾高温焚烧过程中的安全和性能方面的规范要求，确保焚烧炉整体运行的安全性和使用寿命设计。
2.炉排结构设计要点
机械式炉排的干燥、燃烧、燃尽段通常设计为倾斜的阶梯形式，一方面保证垃圾从前到后的运动和翻转，保证设备和系统的连续性运转，另一方面也保证了垃圾的分阶段式处理，确保垃圾焚烧处理的彻底性。根据各家炉排技术的不同，炉排片运动方式和设计角度各有差异。炉排的总体设计，应满足整体焚烧性能要求，并能适应长时期内垃圾热值的变化情况，具有良好的垃圾适应性。总之，在实际开发建设过程中，应对垃圾的成分、热值进行整体考察和规划，选择合理的垃圾热值进行焚烧炉设计，并尽可能满足整体寿命期内垃圾热值的可能变化趋势，确保系统整体配置的合理性。此外，设计过程中还应考虑垃圾燃料的特殊性，防止臭气外溢，以及潜在的可燃气体风险，应对炉膛内采用负压规划，并进行稳定性和可靠性进行验证。最后，必须合理地的分析垃圾原料，对焚烧炉进行合理的配氧量控制以及燃烧时间控制，以全面确保垃圾焚烧炉系统整体运行的经济性能，提高整体管理质量和效率。
结束语：
综上所述，垃圾焚化在许多发达国家得到广泛使用，截至2020年底，我国已投运的垃圾焚烧发电厂已达到600多个，在建垃圾电厂约30多个。目前中国城市生活垃圾分类不规范，垃圾中非燃料物质和厨余垃圾占比高，热值较低；另一方面，在非城镇地区的垃圾大量堆积散乱，形成公共危害，严重影响居民的身心健康，应得到有效处理。随着经济生活的发展，垃圾的成分和热值都在不断变化中，开发适合于现有垃圾成分、热值的焚烧炉技术，在垃圾减量化和无害化处理的同时，减少环境二次污染，已成为当前垃圾焚烧发电技术发展的大方向和趋势。
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