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：

1. 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。
2. 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。
3. 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：
  1. 炉膛改为圆形截面，设置防焦挡板；
  2. 炉排升级为逆推式+防焦涂层；
  3. 受热面采用螺旋鳍片管+Cr₃C₂-NiCr涂层；
  4. 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：
  1. 炉膛分段控温，燃烧段温度控制在900℃；
  2. 炉排表面喷涂Al₂O₃-TiO₂复合涂层；
  3. 水冷壁倾角调整为12°；
  4. 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。