通过焚烧炉结构设计减少炉内结焦问题的策略研究
引言
焚烧技术作为固体废弃物减量化、无害化的核心手段,广泛应用于生活垃圾、工业固废及危险废物的处理。然而,炉内结焦问题长期制约焚烧系统的稳定运行,导致热效率下降、设备腐蚀加剧、停炉检修频繁等问题。据统计,国内垃圾焚烧厂因结焦导致的非计划停炉率高达15%-20%,年维护成本增加30%以上。结焦本质是灰分在高温下熔融、黏附、沉积的过程,其形成与焚烧炉结构设计、物料特性、运行工况密切相关。本文从焚烧炉结构设计的角度出发,系统分析结焦成因,并提出针对性优化策略,以期为行业提供技术参考。
一、焚烧炉结焦的成因与危害
1.1 结焦的物理化学机制
结焦过程可分为三个阶段:
- 灰分熔融:灰分中的碱金属(Na、K)、碱土金属(Ca、Mg)及重金属(Pb、Zn)在高温下形成低熔点共晶物(如Na₂O-SiO₂体系熔点<800℃),导致灰分软化甚至液化。
- 黏附沉积:熔融灰分与炉壁、换热管表面接触时,因表面张力作用黏附,并逐步累积形成结焦层。
- 焦层增长:结焦层表面粗糙度增加,进一步捕获飞灰颗粒,形成恶性循环。
研究表明,灰分中SiO₂/Al₂O₃比值是影响熔融特性的关键指标:比值<1.8时灰熔点较高,而比值>3.0时易形成低熔点共晶物。
1.2 结焦对焚烧系统的影响
- 热效率下降:结焦层厚度每增加1mm,换热效率降低5%-8%,导致燃料消耗量增加。
- 设备腐蚀:焦层中的Cl、S等元素在高温下与金属反应,形成腐蚀性氯化物或硫酸盐,缩短设备寿命。
- 运行风险:结焦脱落可能堵塞炉排或烟道,引发爆燃等安全事故。
- 维护成本:人工清焦需停炉48-72小时,单次成本超50万元。
二、焚烧炉结构设计对结焦的影响
2.1 炉膛结构与温度场分布
炉膛尺寸、形状及配风方式直接影响温度场均匀性。传统矩形炉膛易形成局部高温区(>1200℃),加速灰分熔融;而圆形炉膛通过优化气流组织,可降低温度梯度。某垃圾焚烧厂改造案例显示,将炉膛截面由矩形改为圆形后,最高温度从1350℃降至1150℃,结焦速率降低60%。
2.2 炉排结构与物料扰动
炉排的倾斜角度、运动速度及通风孔设计决定物料翻动频率。阶梯式炉排通过多级翻动减少物料堆积,而逆推式炉排则通过反向运动增强物料扰动。实验表明,逆推式炉排可使物料停留时间分布系数(CV值)从0.45降至0.25,避免局部过热。
2.3 受热面布置与防焦涂层
受热面(如水冷壁、过热器)的布置方式影响灰分沉积概率。螺旋管式水冷壁通过增加表面曲率,减少灰分黏附面积;而膜式水冷壁则通过优化鳍片间距(通常为20-30mm),平衡换热效率与防焦性能。此外,防焦涂层(如SiC、Al₂O₃)可提高表面硬度(>1500HV)并降低表面能(<25mN/m),显著抑制结焦。
2.4 烟气流动与清灰装置
烟气速度与湍流强度影响飞灰颗粒的轨迹。合理设计二次风喷射角度(通常为15°-30°)可增强烟气混合,使灰分颗粒保持悬浮状态。声波清灰器通过20-200Hz低频振动(声压级>150dB),可使焦层剥落效率达80%以上;而蒸汽吹灰器则通过高温蒸汽(>300℃)冲击焦层,适用于顽固性结焦。
三、基于结构设计的防焦优化策略
3.1 炉膛结构优化
- 采用分段式炉膛:将炉膛分为干燥段、燃烧段与燃尽段,通过独立控温避免局部过热。例如,燃烧段温度控制在850-950℃,燃尽段温度降至750-850℃,降低灰分熔融风险。
- 设置防焦挡板:在炉膛侧壁安装可调节角度的挡板(倾角10°-20°),引导烟气冲刷受热面,减少灰分沉积。某危废焚烧项目应用后,水冷壁结焦厚度从50mm降至15mm。
- 优化炉膛出口形状:将矩形出口改为渐缩式圆形出口,降低烟气湍流强度,减少飞灰颗粒对受热面的冲击。
3.2 炉排系统改进
- 多级炉排组合:采用干燥炉排(倾角15°)+燃烧炉排(倾角20°)+燃尽炉排(倾角10°)的组合,通过分级翻动避免物料堆积。某垃圾焚烧厂改造后,炉排结焦频率从每周1次降至每月1次。
- 智能通风控制:通过压力传感器实时监测炉排各段风压,动态调整通风量(总风量波动<±5%),确保物料充分燃烧并降低灰分含碳量(<3%)。
- 炉排表面防焦处理:在炉排片表面涂覆耐磨陶瓷涂层(厚度0.5-1.0mm),硬度达HRA90以上,抗结焦性能提升3倍。
3.3 受热面防焦设计
- 螺旋鳍片管应用:将传统光管替换为螺旋鳍片管(鳍片高度12mm,间距8mm),增加换热面积30%的同时,减少灰分黏附面积50%。
- 防焦涂层技术:采用等离子喷涂工艺在受热面沉积Cr₃C₂-NiCr涂层(厚度150-200μm),硬度达HV1200,耐温1000℃以上,抗结焦寿命超20000小时。
- 受热面倾角优化:将水冷壁倾角从垂直改为10°-15°,利用重力作用促进灰分滑落,减少沉积。
3.4 烟气清灰系统升级
- 复合清灰技术:结合声波清灰(周期30s,间隔5min)与蒸汽吹灰(每日1次),实现焦层渐进式剥落。某生物质焚烧项目应用后,过热器压降从2.5kPa降至0.8kPa。
- 智能清灰控制:通过红外热像仪实时监测受热面温度分布,当局部温差>50℃时自动启动清灰程序,避免焦层局部过厚。
- 脉冲激波清灰:利用高压气体(0.6-0.8MPa)瞬间释放产生激波(压力峰值>0.5MPa),可穿透10mm厚焦层,适用于高温高压工况。
四、工程案例与效果验证
4.1 某生活垃圾焚烧厂改造案例
- 问题:原焚烧炉采用传统矩形炉膛+固定炉排,结焦严重,年停炉清焦12次。
- 改造措施:
- 炉膛改为圆形截面,设置防焦挡板;
- 炉排升级为逆推式+防焦涂层;
- 受热面采用螺旋鳍片管+Cr₃C₂-NiCr涂层;
- 增设声波-蒸汽复合清灰系统。
- 效果:结焦频率降至每年2次,热效率提升8%,年收益增加300万元。
4.2 某危废焚烧炉优化案例
- 问题:高氯高硫物料导致受热面严重腐蚀与结焦,设备寿命<3年。
- 改造措施:
- 炉膛分段控温,燃烧段温度控制在900℃;
- 炉排表面喷涂Al₂O₃-TiO₂复合涂层;
- 水冷壁倾角调整为12°;
- 采用脉冲激波清灰。
- 效果:设备寿命延长至8年,腐蚀速率从0.5mm/年降至0.1mm/年。
五、未来研究方向与技术展望
5.1 数值模拟与优化设计
利用CFD(计算流体力学)与DEM(离散元法)耦合模拟,预测炉内温度场、速度场及灰分颗粒轨迹,指导焚烧炉结构优化。例如,通过模拟优化二次风喷射角度,可使炉膛温度均匀性提升20%。
5.2 新型防焦材料开发
研发自清洁涂层(如超疏水涂层、光催化涂层)及智能响应材料(如温度/pH敏感型涂层),实现结焦的主动抑制与自剥离。例如,某团队开发的TiO₂-SiO₂复合涂层在紫外光照射下可分解焦层有机物,防焦效率提升40%。
5.3 在线监测与智能控制
集成红外热像仪、激光诱导击穿光谱(LIBS)等技术,实时监测结焦厚度与成分,结合AI算法实现清灰策略的动态优化。例如,某项目通过机器学习模型预测结焦速率,使清灰频率降低30%。
结论
焚烧炉结焦问题需通过结构设计、材料创新与智能控制协同解决。通过优化炉膛结构、炉排系统、受热面布置及清灰装置,可显著降低结焦风险,提升系统稳定性与经济性。未来,随着数值模拟、新型材料与人工智能技术的融合应用,焚烧炉防焦设计将向精准化、智能化方向发展,为固废处理行业的高质量发展提供技术支撑。