大型垃圾焚烧炉的垃圾灰渣结焦关系研究

引言

垃圾焚烧发电作为城市固废处理的主流技术，其灰渣结焦问题直接影响焚烧炉的运行效率、设备寿命及污染物排放控制。结焦现象不仅会导致炉膛流通面积减小、烟道堵塞，还会引发局部过热、热效率下降等连锁反应，甚至威胁焚烧炉的安全运行。本文基于国内外研究成果，系统分析垃圾灰渣结焦的成因、影响因素及防控措施，为焚烧炉优化设计与运行管理提供理论支撑。

一、垃圾灰渣结焦的成因与机理

1.1 灰渣的熔融特性与结焦关系

垃圾灰渣的结焦本质上是灰分在高温下发生熔融、粘附并逐步固化的过程。其核心机理包括：

• 熔融温度窗口：垃圾飞灰的软化温度普遍低于1100℃，较煤灰低约200℃。当炉膛温度超过灰渣软化温度时，飞灰颗粒在未冷却前即粘附于受热面，形成初始结焦层。
• 低温共熔体形成：灰渣中的CaO、SiO₂、Al₂O₃等成分在高温下形成Ca₂Al₂SiO₇等低温共熔体，其熔点较单一氧化物更低。例如，CaO与SiO₂在1170℃即可形成共熔体，显著降低灰渣整体熔点。
• 还原性气氛催化：当炉膛内氧含量不足时，灰渣中的Fe₂O₃被还原为FeO，导致灰熔点降低约100℃。此外，CO、H₂等还原性气体可进一步降低灰熔点，加剧结焦趋势。

1.2 结焦的物理过程与形态演变

结焦过程可分为三个阶段：

• 初始粘附：熔融或半熔融状态的灰渣颗粒在受热面冷却后固化，形成疏松的灰层。
• 层状堆积：随着灰渣不断粘附，灰层厚度增加，形成片状或块状焦体。
• 熔融再粘结：当炉膛温度波动时，已形成的焦体可能再次熔融，与新粘附的灰渣融合，形成坚硬致密的结焦层。

二、影响垃圾灰渣结焦的关键因素

2.1 垃圾成分与热值波动

• 无机物含量：垃圾中玻璃、陶瓷、灰土等无机物含量越高，灰渣中SiO₂、Al₂O₃等酸性氧化物比例增加，易形成高熔点灰渣。但若CaO等碱性氧化物含量过高，反而会降低灰熔点。
• 含水率与热值：高含水率垃圾（如厨余垃圾）需消耗更多热量用于蒸发水分，导致炉膛温度波动，增加结焦风险。低热值垃圾燃烧不稳定，易产生局部还原性气氛。

2.2 焚烧炉运行参数

• 炉膛温度控制：为分解二噁英，炉膛温度通常控制在850～950℃，但火焰中心温度可能超过1100℃。当灰渣软化温度低于烟气温度时，易发生结焦。
• 配风方式与氧量：一次风量不足会导致燃烧不完全，二次风未投入运行则无法扰动喉部气流，使未燃尽颗粒沉积。过量空气系数低于1.2时，炉膛易处于还原性气氛，降低灰熔点。
• 料层厚度与分布：炉排炉各段料层厚度需精确控制。若干燥段过厚，烟气中携带的熔融颗粒易在前拱壁粘结；若燃烬段过薄，灰渣未完全冷却即排出，可能堵塞排渣口。

2.3 设备设计与维护

• 炉膛结构：绝热燃烧形式的炉膛缺乏受热面，导致喉部热负荷集中。烟气在喉部扩压时流速降低，粉尘易沉积。
• 受热面清洁度：长期运行的焚烧炉，受热面会逐渐积灰，降低换热效率。为维持出力，需提高炉膛温度，进一步加剧结焦。
• 温度测点准确性：挂焦、刮灰现象会导致温度测点偏差，实际炉膛温度可能高于控制值，增加结焦风险。

三、垃圾灰渣结焦的危害与影响

3.1 设备性能下降

• 传热效率降低：结焦层阻碍热交换，导致炉膛出口烟温升高，过热器管壁温度超限，可能引发爆管。
• 通风阻力增大：烟道积灰使引风机负荷增加，电耗上升。严重时，积灰堵塞烟道，迫使停炉清理。

3.2 运行安全性降低

• 局部过热：结焦导致水冷壁吸热不均，局部管壁温度过高，可能引发蠕变破裂。
• 大块焦渣脱落：炉膛上部结焦块掉落时，可能砸坏冷灰斗水冷壁管，造成灭火或排渣口堵塞。

3.3 污染物排放增加

• 二噁英再合成：结焦层表面可能吸附未燃尽有机物，在低温区重新合成二噁英。
• 重金属富集：飞灰中的Pb、Zn等重金属在结焦过程中被固定，增加灰渣处理难度。

四、垃圾灰渣结焦的防控措施

4.1 优化垃圾预处理与配伍

• 源头控制：减少建筑垃圾、渣土等低热值物料入炉，提高垃圾热值均匀性。
• 混合发酵：将城镇与乡村垃圾混合搅拌，延长发酵时间，降低含水率，稳定燃烧特性。

4.2 改进焚烧炉运行管理

• 精准控温：将炉膛2秒停留温度严格控制在850～950℃，避免局部超温。定期清理温度测点挂焦，确保测量准确。
• 合理配风：一次风速提高至18～22m/s，推迟煤粉着火点；二次风分级投入，扰动喉部气流。出口氧含量保持在6%～8%，避免还原性气氛。
• 动态调整料层：干燥段料层厚度控制在1200～1300mm，燃烧段700～800mm，燃烬段300～400mm，利用落差打散垃圾。

4.3 设备改造与技术创新

• 防结焦涂层：在炉膛水冷壁、过热器管壁喷涂KNM1000等防结焦涂层，其耐温达1800℃，可有效阻止灰渣粘附。
• 高效吹灰系统：采用声波吹灰器与蒸汽吹灰器联合作用，定期清除受热面积灰。
• 智能监控：引入物联网技术，实时监测炉膛温度、氧量、灰渣沉积情况，实现预警与自动调节。

4.4 灰渣资源化利用

• 熔融玻璃化：将结焦灰渣加热至1400℃以上，形成玻璃态物质，实现二噁英分解与重金属固化。
• 建材掺合料：预处理后的灰渣可用于制作免烧砖、陶粒等，替代部分天然骨料。

五、结论与展望

垃圾灰渣结焦是大型垃圾焚烧炉运行中的关键技术难题，其成因涉及灰渣熔融特性、运行参数、设备设计等多方面因素。通过优化垃圾预处理、精准控温、合理配风及设备改造，可显著降低结焦风险。未来研究应聚焦于：

1. 灰渣熔融特性的动态预测：建立基于机器学习的灰渣熔点预测模型，结合实时工况调整运行参数。
2. 新型防结焦材料开发：研发兼具耐高温、抗腐蚀、自清洁功能的复合涂层，延长设备寿命。
3. 智能监控与决策系统：集成大数据分析、人工智能算法，实现结焦风险的提前预警与自动处置。

通过多学科交叉与技术集成，可推动垃圾焚烧技术向更高效、更环保的方向发展，助力“无废城市”建设目标的实现。