爐排式垃圾焚燒爐爐襯材料對出口煙氣溫度的影響及應用

垃圾焚燒作為新型能源技術，是垃圾資源化、減容化和穩定化的理想途徑，在世界各國均得到了廣泛應用。垃圾焚燒處理系統的關鍵設備是焚燒爐，典型的爐型有循環流化床焚燒爐、機械式爐排焚燒爐回轉式焚燒爐等。目前，生活垃圾焚燒主流爐型為爐排式焚燒爐，市場占比在 70% 以上。

爐排式焚燒爐通過余熱利用系統實現垃圾焚燒余熱的回收，目前廣泛采用的余熱利用系統是一體式余熱鍋爐，包括燃燒室和燃燒室上方的密閉式鍋爐爐膛，也稱一號煙道(或一通道)。燃燒室工作溫度為1100~1200℃。由于焚燒垃圾產生的污染物二噁英在 800 ℃ 以上才能完全分解，故 DB31/768-2013 要求煙氣溫度高于 850 ℃，且停留時間大于2s。

因此，為保證環保達標，爐排式焚燒爐一通道出口煙溫通常控制在850 ℃以上。一通道出口煙氣的溫度與余熱利用系統導走熱量的多少有關。焚燒垃圾產生的熱量通過爐排爐一通道水冷壁內襯傳導至水冷管內繼而轉化為高溫蒸汽以實現余熱回收，水冷壁內襯一般選擇高導熱的 SiC 質耐火材料。

國內外爐排爐在水冷壁內襯結構設計上有較大差別，國外爐排爐水冷壁內襯結構為鰭片(扁鋼)掛釘+SiC掛磚+SiC自流料填充密封，簡稱膜式壁結構；國內則為水冷管錨固釘+SiC澆注料結構。不同的爐襯材質和結構對水冷壁內襯傳熱有較大影響，目前尚未見爐排爐水冷壁內襯熱傳導研究報道。

在本工作中，采用有限元分析軟件 ANSYS 的流體模塊 FUENT對爐排爐兩種不同水冷壁內襯的熱傳導進行了數值模擬研究，分析了爐襯材質和結構對爐排爐一通道出口煙氣溫度的影響。

一、有限元分析條件

（一）計算模型的選取

采用有限元分析軟件ANSYS的流體模塊FLUENT對國內外爐排爐常用的兩種水冷壁內襯結構內部的溫度分布進行數值模擬分析。膜式壁結構(掛磚+自流料)和水冷管錨固釘+澆注料兩種爐襯結構的計算模型如圖1所示。


（二） 模擬計算邊界條件設定

模擬計算時對實際工況做了簡化及適當的假設并選取適當的參數：

1、水冷管內為單相水,流速為1m·s-1(質量流速為 600 kg·m-2·s-1)，溫度 280 ℃,壓力7 MPa；

2、水冷管材質為 20G 碳鋼,壁厚5 mm；

3、水冷管內腔尺寸為5.94 mx8.91 mx14 m；

4、煙氣流速3.4 m·s-1爐膛(一通道入口)溫度選取1100℃，忽略因垃圾熱值不同對煙氣溫度的影響；

5、爐排爐一通道出口煙氣溫度分布并不均勻煙氣靠近壁面處溫度較低,中間溫度則較高。為方便比較,提及的出口溫度均為平均溫度。

（三） 材料的物性參數

水冷壁內襯的熱傳導性能需要與爐況相匹配，既要盡可能多地將熱量傳導出去發電，又要保證一通道出口溫度不低于 850℃。模擬計算設定耐火材料熱導率恒定，暫不考慮使用過程中耐火材料組成變化對熱導率的影響和爐襯表面積灰對爐襯熱傳導的影響也不考慮掛釘和錨固釘對熱傳導的影響。進行模擬計算時，水冷壁內襯各工作層選取的熱導率見表1。


（四）爐襯厚度的設定

為了探究爐襯厚度對一通道出口煙氣溫度的影響,對兩種水冷壁的不同爐襯厚度進行了模擬計算。對于掛磚+自流料爐襯，固定 SiC 自流料厚度為5 mm,改變 SiC 掛磚厚度分別為 20、25、30、35、40.45 mm；對于 SiC 澆注料，調節其厚度分別為 25、30、35 、40 、45 、50 mm。

為更細致地了解膜式壁爐襯結構掛磚和自流料工作層厚度設置對爐襯熱傳導性能的影響:1)設定SiC 掛磚厚度均為 30 mm,SiC自流料厚度分別為 5、7.5、10、12.5、15 mm;2)爐襯總厚度均為 40 mm,SiC掛磚+SiC自流料厚度分別為(35+5)(32.5+7.5)(30+10)(27.5+12.5)(25+15)mm 進行熱模擬計算。

（五） SiC 自流料熱導率的設定

爐襯的厚度直接影響爐內有效容積,因此,在滿足需求的前提下,爐襯的厚度應盡量小。掛磚通常為燒成制品,熱導率相對固定,可調空間不大,自流料的熱導率可調空間則比較大。在爐襯厚度恒定的情況下,可以通過調節自流料的熱導率來調整爐襯的熱傳導性能和一通道出口煙氣溫度。模擬計算時設定爐襯厚度為 40 mm(掛磚 30 mm,自流料 10 mm),掛磚熱導率為 25 W·m-1·K-1(500 ℃),調節自流料熱導率分別為2、4、6、8、10 W·m-1·K-1,模擬其對爐襯熱傳導及一通道出口煙氣溫度的影響。

二、結果與討論

爐襯厚度對一通道出口煙氣溫度的影響兩種水冷壁爐襯的厚度對一通道出口煙氣溫度的影響如圖 2所示。可以看出：兩種爐襯厚度在 25~50 mm 變化時，一通道出口煙溫均高于 850 ℃；兩種水冷壁內襯結構均呈現爐襯越厚一通道出口煙溫越高的趨勢；當兩種爐襯厚度相同時，澆注料爐襯的一通道出口煙溫明顯高于掛磚+自流料爐襯的一通道出口煙溫。


掛磚和自流料厚度對一通道出口煙氣溫度的影響掛磚和自流料厚度對一通道出口煙氣溫度的影響如圖3 所示。從圖3可以看出：固定掛磚厚度不變，自流料厚度越大，一通道出口煙氣溫度越高：自流料厚度每增加 2.5 mm，一通道出口煙氣溫度升高8~15 ℃，且煙溫升高的速率隨著自流料厚度的增加而下降；固定爐襯總厚度不變，掛磚越厚、自流料層越薄，一通道出口煙溫越低。爐襯總厚度為 40 mm 時，通過調整掛磚和自流料厚度，一通道出口煙氣溫度差值高達20℃ 。


SiC 自流料熱導率對一通道出口煙氣溫度的影響圖4示出了自流料熱導率對一通道出口煙氣溫度的影響。可以看出，爐襯各工作層厚度固定時，一通道出口煙氣溫度隨自流料熱導率的升高而降低。通過調整自流料熱導率，一通道出口煙氣溫度差值高達 70 ℃。


三、實際應用效果

根據上述模擬分析結果，結合國內某垃圾焚燒發電項目實際工況在兩臺日處理量為750t的爐排爐上做了不同爐襯設計的實際應用對比。2#爐選用水冷管錨固件+SiC澆注料爐襯結構，爐襯厚度為 40 mm：3#爐選用鰭片(扁鋼)掛釘+SiC掛磚+SiC自流料的膜式壁爐襯結構，爐襯總厚度亦為40 mm(掛磚厚度32 mm,自流料厚度8 mm)。

兩臺設備投產運行7個月后開爐例行檢修，2#爐通道澆注料爐襯全部區域都有結焦，整體結焦嚴重，呈玻璃化，厚處可達1m，清除困難或無法清除；3#爐一通道掛磚爐襯區域約80%掛磚區域有1~2 mm 的浮灰，其余區域有結殼，厚處厚度5mm，易清除。

兩臺設備運行 11 個月后進行了能效測試。圖5對比了 90%鍋爐大的連續蒸發量(簡稱 MCR)和100%MCR 條件下鍋爐一通道的出口煙溫。圖6示出了100%MCR運行條件下兩臺鍋爐熱效率的對比。結果顯示：在 90%MCR 運行條件下，3#爐一通道出口煙溫比2#爐低 135.9 ℃，在100%MCR 運行條件下，3#爐一通道出口煙溫比 2#爐低 149.7 ℃，3#爐的熱效率比 2#爐高 0.64%。相較而言，使用膜式壁爐襯的3#爐在負荷相當的情況下，余熱鍋爐熱效率更高。



結論

1、爐排爐水冷壁爐襯越厚，一通道出口煙氣溫度越高，厚度相同時，澆注料爐襯的一通道出口煙溫明顯高于掛磚+自流料爐襯的。

2、對于掛磚+自流料爐襯，掛磚厚度不變時，自流料厚度越大，一通道出口煙氣溫度越高；爐襯總厚度不變時，掛磚越厚、自流料層越薄，一通道出口煙氣溫度越低；爐襯各工作層厚度固定時，一通道出口煙氣溫度隨自流料熱導率的升高而降低，通過調整自流料熱導率，一通道出口煙溫差值可達 70 ℃。

3、在相同的運行條件下，掛磚+自流料爐襯比澆注料爐襯一通道出口煙溫更低，余熱鍋爐熱效率更高，抗結焦能力更強。