垃圾焚燒作為新型能源技術(shù)，是垃圾資源化、減容化和穩(wěn)定化的理想途徑，在世界各國(guó)均得到了廣泛應(yīng)用。垃圾焚燒處理系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備是焚燒爐，典型的爐型有循環(huán)流化床焚燒爐、機(jī)械式爐排焚燒爐回轉(zhuǎn)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(chǎng)占比在 70% 以上。

 

爐排式焚燒爐通過(guò)余熱利用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)垃圾焚燒余熱的回收，目前廣泛采用的余熱利用系統(tǒng)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(hào)煙道(或一通道)。燃燒室工作溫度為1100~1200℃。由于焚燒垃圾產(chǎn)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(shí)間大于2s。

 

因此，為保證環(huán)保達(dá)標(biāo)，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(tǒng)導(dǎo)走熱量的多少有關(guān)。焚燒垃圾產(chǎn)生的熱量通過(guò)爐排爐一通道水冷壁內(nèi)襯傳導(dǎo)至水冷管內(nèi)繼而轉(zhuǎn)化為高溫蒸汽以實(shí)現(xiàn)余熱回收，水冷壁內(nèi)襯一般選擇高導(dǎo)熱的 SiC 質(zhì)耐火材料。

 

國(guó)內(nèi)外爐排爐在水冷壁內(nèi)襯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上有較大差別，國(guó)外爐排爐水冷壁內(nèi)襯結(jié)構(gòu)為鰭片(扁鋼)掛釘+SiC掛磚+SiC自流料填充密封，簡(jiǎn)稱膜式壁結(jié)構(gòu)；國(guó)內(nèi)則為水冷管錨固釘+SiC澆注料結(jié)構(gòu)。不同的爐襯材質(zhì)和結(jié)構(gòu)對(duì)水冷壁內(nèi)襯傳熱有較大影響，目前尚未見(jiàn)爐排爐水冷壁內(nèi)襯熱傳導(dǎo)研究報(bào)道。

 

在本工作中，采用有限元分析軟件 ANSYS 的流體模塊 FUENT對(duì)爐排爐兩種不同水冷壁內(nèi)襯的熱傳導(dǎo)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，分析了爐襯材質(zhì)和結(jié)構(gòu)對(duì)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(jì)算模型的選取

 

采用有限元分析軟件ANSYS的流體模塊FLUENT對(duì)國(guó)內(nèi)外爐排爐常用的兩種水冷壁內(nèi)襯結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度分布進(jìn)行數(shù)值模擬分析。膜式壁結(jié)構(gòu)(掛磚+自流料)和水冷管錨固釘+澆注料兩種爐襯結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型如圖1所示。

 

（二） 模擬計(jì)算邊界條件設(shè)定

 

模擬計(jì)算時(shí)對(duì)實(shí)際工況做了簡(jiǎn)化及適當(dāng)?shù)募僭O(shè)并選取適當(dāng)?shù)膮?shù)：

 

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

 

2、水冷管材質(zhì)為 20G 碳鋼,壁厚5 mm；

 

3、水冷管內(nèi)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(duì)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(shù)

 

水冷壁內(nèi)襯的熱傳導(dǎo)性能需要與爐況相匹配，既要盡可能多地將熱量傳導(dǎo)出去發(fā)電，又要保證一通道出口溫度不低于 850℃。模擬計(jì)算設(shè)定耐火材料熱導(dǎo)率恒定，暫不考慮使用過(guò)程中耐火材料組成變化對(duì)熱導(dǎo)率的影響和爐襯表面積灰對(duì)爐襯熱傳導(dǎo)的影響也不考慮掛釘和錨固釘對(duì)熱傳導(dǎo)的影響。進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)，水冷壁內(nèi)襯各工作層選取的熱導(dǎo)率見(jiàn)表1。

 

（四）爐襯厚度的設(shè)定

 

為了探究爐襯厚度對(duì)一通道出口煙氣溫度的影響,對(duì)兩種水冷壁的不同爐襯厚度進(jìn)行了模擬計(jì)算。對(duì)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(duì)于 SiC 澆注料，調(diào)節(jié)其厚度分別為 25、30、35 、40 、45 、50 mm。

 

為更細(xì)致地了解膜式壁爐襯結(jié)構(gòu)掛磚和自流料工作層厚度設(shè)置對(duì)爐襯熱傳導(dǎo)性能的影響:1)設(shè)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(jìn)行熱模擬計(jì)算。

 

（五） SiC 自流料熱導(dǎo)率的設(shè)定

 

爐襯的厚度直接影響爐內(nèi)有效容積,因此,在滿足需求的前提下,爐襯的厚度應(yīng)盡量小。掛磚通常為燒成制品,熱導(dǎo)率相對(duì)固定,可調(diào)空間不大,自流料的熱導(dǎo)率可調(diào)空間則比較大。在爐襯厚度恒定的情況下,可以通過(guò)調(diào)節(jié)自流料的熱導(dǎo)率來(lái)調(diào)整爐襯的熱傳導(dǎo)性能和一通道出口煙氣溫度。模擬計(jì)算時(shí)設(shè)定爐襯厚度為 40 mm(掛磚 30 mm,自流料 10 mm),掛磚熱導(dǎo)率為 25 W·m-1·K-1(500 ℃),調(diào)節(jié)自流料熱導(dǎo)率分別為2、4、6、8、10 W·m-1·K-1,模擬其對(duì)爐襯熱傳導(dǎo)及一通道出口煙氣溫度的影響。

 

二、結(jié)果與討論

 

爐襯厚度對(duì)一通道出口煙氣溫度的影響兩種水冷壁爐襯的厚度對(duì)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(shí)，一通道出口煙溫均高于 850 ℃；兩種水冷壁內(nèi)襯結(jié)構(gòu)均呈現(xiàn)爐襯越厚一通道出口煙溫越高的趨勢(shì)；當(dāng)兩種爐襯厚度相同時(shí)，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(duì)一通道出口煙氣溫度的影響掛磚和自流料厚度對(duì)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(shí)，通過(guò)調(diào)整掛磚和自流料厚度，一通道出口煙氣溫度差值高達(dá)20℃ 。

 

SiC 自流料熱導(dǎo)率對(duì)一通道出口煙氣溫度的影響圖4示出了自流料熱導(dǎo)率對(duì)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(shí)，一通道出口煙氣溫度隨自流料熱導(dǎo)率的升高而降低。通過(guò)調(diào)整自流料熱導(dǎo)率，一通道出口煙氣溫度差值高達(dá) 70 ℃。

 

三、實(shí)際應(yīng)用效果

 

根據(jù)上述模擬分析結(jié)果，結(jié)合國(guó)內(nèi)某垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目實(shí)際工況在兩臺(tái)日處理量為750t的爐排爐上做了不同爐襯設(shè)計(jì)的實(shí)際應(yīng)用對(duì)比。2#爐選用水冷管錨固件+SiC澆注料爐襯結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，爐襯總厚度亦為40 mm(掛磚厚度32 mm,自流料厚度8 mm)。

 

兩臺(tái)設(shè)備投產(chǎn)運(yùn)行7個(gè)月后開(kāi)爐例行檢修，2#爐通道澆注料爐襯全部區(qū)域都有結(jié)焦，整體結(jié)焦嚴(yán)重，呈玻璃化，厚處可達(dá)1m，清除困難或無(wú)法清除；3#爐一通道掛磚爐襯區(qū)域約80%掛磚區(qū)域有1~2 mm 的浮灰，其余區(qū)域有結(jié)殼，厚處厚度5mm，易清除。

 

兩臺(tái)設(shè)備運(yùn)行 11 個(gè)月后進(jìn)行了能效測(cè)試。圖5對(duì)比了 90%鍋爐大的連續(xù)蒸發(fā)量(簡(jiǎn)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(yùn)行條件下兩臺(tái)鍋爐熱效率的對(duì)比。結(jié)果顯示：在 90%MCR 運(yùn)行條件下，3#爐一通道出口煙溫比2#爐低 135.9 ℃，在100%MCR 運(yùn)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(fù)荷相當(dāng)?shù)那闆r下，余熱鍋爐熱效率更高。

 

結(jié)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(shí)，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(duì)于掛磚+自流料爐襯，掛磚厚度不變時(shí)，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(shí)，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(shí)，一通道出口煙氣溫度隨自流料熱導(dǎo)率的升高而降低，通過(guò)調(diào)整自流料熱導(dǎo)率，一通道出口煙溫差值可達(dá) 70 ℃。

 

3、在相同的運(yùn)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(jié)焦能力更強(qiáng)。