阅读说明：本技术 基于炉排的循环流化床垃圾焚烧锅炉及其工作方法 (Circulating fluidized bed waste incineration boiler based on fire grate and working method thereof ) 是由 蒋敏华 高洪培 袁野 时正海 王海涛 孙献斌 肖平 于 2020-07-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开的一种基于炉排的循环流化床垃圾焚烧锅炉及其工作方法,属于生活垃圾焚烧烟气处理技术领域。进料系统与炉排干燥段连接,炉排干燥段、流化燃烧段和炉排燃尽段依次连接,并且下部分别通过风量调节装置与一次风系统连接；炉排燃尽段与排渣管连接；炉排前拱位于炉排干燥段上方,炉排后拱位于炉排燃尽段上方；炉膛与二次风系统连接,炉膛上方与水平烟道连接,水平烟道与返料系统的入口连接,返料系统的返料出口通过返料管与锅炉的返料口连接,返料系统的烟气出口连接至尾部烟道。提高了给料和排渣的稳定性,从而使燃烧均匀、稳定,减少了有害污染物的排放,提高了锅炉的燃烧效率,避免了停炉风险。(The invention discloses a circulating fluidized bed waste incineration boiler based on a grate and a working method thereof, and belongs to the technical field of household waste incineration flue gas treatment. The feeding system is connected with the grate drying section, the fluidized combustion section and the grate burnout section are sequentially connected, and the lower parts of the grate drying section, the fluidized combustion section and the grate burnout section are respectively connected with the primary air system through the air volume adjusting device; the fire grate burnout section is connected with the slag discharge pipe; the front arch of the fire grate is positioned above the drying section of the fire grate, and the rear arch of the fire grate is positioned above the burnout section of the fire grate; the hearth is connected with a secondary air system, the upper part of the hearth is connected with a horizontal flue, the horizontal flue is connected with an inlet of a material returning system, a material returning outlet of the material returning system is connected with a material returning port of the boiler through a material returning pipe, and a smoke outlet of the material returning system is connected to a tail flue. The stability of feeding and slag discharging is improved, so that the combustion is uniform and stable, the emission of harmful pollutants is reduced, the combustion efficiency of the boiler is improved, and the risk of blowing out is avoided.)

基于炉排的循环流化床垃圾焚烧锅炉及其工作方法

技术领域

本发明属于生活垃圾焚烧烟气处理技术领域，具体涉及一种基于炉排的循环流化床垃圾焚烧锅炉及其工作方法。

背景技术

大量的垃圾、固体废弃物给环境带来了很大的危害，主要表现为侵占土地，污染大气、土壤及水体。相比于填埋和堆肥，焚烧法具有减容、减重，可就地处理，处理速度快，热能回收，无害化程度高等特点。因此，各个国家已将垃圾焚烧发电作为开发新能源和垃圾处置的一项重要途径。

在垃圾无害化处置技术的迫切需求下，在国家环保、节能的大趋势下，垃圾焚烧处理产业面临着技术、能耗、环保等多方面的挑战。目前市场上主要的垃圾焚烧系统为流化床和炉排炉锅炉。炉排炉的最大优势在于运行稳定、可靠、飞灰量少，绝大部分固体垃圾不需要任何预处理可直接进炉燃烧。但是，目前仍存在设备的投资成本较高、占地面积较大、炉排和它上方炉膛温度的分布和燃烧条件不稳定、燃尽率低、NOx生成和二噁英等污染物原始排放浓度过高、尾部烟气环保设备复杂、运行成本高等问题。与之相反，流化床垃圾焚烧技术可有效应对这些问题。流化床垃圾炉燃料种类适应性强，能提供垃圾干燥、热解和开始燃烧所需的大量热量，燃烧效率高。同时，其烟气排放性能好，由于循环流化床采用低温、分级燃烧，限制了热力型和燃料型NOx的形成。其次，SNCR、炉内干法系统及脱酸系统简单，高效，可靠。假若垃圾焚烧厂常规污染物指标进一步降低，相比于炉排炉，流化床垃圾炉在NOx、SO₂及HCl等污染物脱除的投资和运行成本上将具有非常大的优势。但是目前流化床垃圾炉自身仍存在一些问题，灰占比较高、燃烧不稳定及CO排放高等问题仍需要进一步的研究。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于炉排的循环流化床垃圾焚烧锅炉及其工作方法，提高了给料和排渣的稳定性，从而使燃烧均匀、稳定，减少了有害污染物的排放，提高了锅炉的燃烧效率，避免了停炉风险。

本发明通过以下技术方案来实现：

本发明公开了一种基于炉排的循环流化床垃圾焚烧锅炉，包括一次风系统、进料系统、炉排干燥段、流化燃烧段、炉排燃尽段、炉排前拱、炉排后拱、排渣管、炉膛、返料管、二次风系统、水平烟道和返料系统；

进料系统与炉排干燥段的首端连接，炉排干燥段的尾端与流化燃烧段的首端连接，流化燃烧段的尾端与炉排燃尽段的首端连接，炉排燃尽段的尾端与排渣管连接；炉排干燥段、流化燃烧段和炉排燃尽段的下部分别通过风量调节装置与一次风系统连接，流化燃烧段用于实现垃圾物料的流化燃烧；炉排前拱位于炉排干燥段上方，炉排后拱位于炉排燃尽段上方；炉膛与二次风系统连接，炉膛上方与水平烟道连接，水平烟道与返料系统的入口连接，返料系统的返料出口通过返料管与锅炉的返料口连接，返料系统的烟气出口连接至尾部烟道。

优选地，炉排干燥段与炉排前拱之间的空间沿炉排干燥段首端至尾端渐扩；炉排燃尽段与炉排后拱之间的空间沿炉排燃尽段的尾端至首端渐扩。

进一步优选地，炉排干燥段与炉排前拱之间的夹角为25～40°，炉排燃尽段与炉排后拱之间的夹角为25～40°。

优选地，进料系统包括进料抓斗和水平往复式进料装置，进料抓斗设在水平往复式进料装置上方，水平往复式进料装置与炉排干燥段连接。

优选地，流化燃烧段为炉排式或固定风帽式。

优选地，二次风系统包括第一二次风管和第二二次风管，第一二次风管和第二二次风管分别设在炉膛两侧。

优选地，返料系统包括分离器、出口烟道和外置床换热器；分离器的中心筒与出口烟道连接，出口烟道连接至尾部烟道；分离器入口与水平烟道连接，分离器下方出口与外置床换热器连接，外置床换热器通过返料管与锅炉的返料口连接。

优选地，锅炉的返料口设在炉排燃尽段上方。

本发明公开了上述基于炉排的循环流化床垃圾焚烧锅炉的工作方法，包括：

垃圾物料经进料系统送入炉膛，依次经过炉排干燥段、流化燃烧段和炉排燃尽段，一次风系统分别经过风量调节装置作用于炉排干燥段、流化燃烧段和炉排燃尽段，使垃圾物料在炉排干燥段经干燥预热后在流化燃烧段进行流化燃烧，二次风系统进入炉膛助燃，燃烧过程中含尘烟气经水平烟道进入返料系统处理后，烟气由烟气出口进入尾部烟道，返料由返料管返回炉排燃尽段促进垃圾燃料燃尽后由排渣管排出。

优选地，炉排干燥段的一次风量为一次风总风量的10％～15％，流化燃烧段的一次风量为一次风总风量的75％～80％，炉排燃尽段的一次风量为一次风总风量的5％～10％。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

现有的流化床生活垃圾锅炉由于垃圾燃料性质，容易存在给料、排渣不稳定等问题，物料循环过程不稳定会导致燃烧不稳定、CO排放过高、排渣不畅、物料板结甚至是停炉风险。本发明的基于炉排的循环流化床垃圾焚烧锅炉，利用炉排在给料排渣系统上的优势，生活垃圾燃料进入炉排，燃烧后由返料系统送至燃尽段，并在炉排的作用下排出，炉排可以较好地实现生活垃圾燃料的输送和排渣。同时，利用流化燃烧段风量调控实现流态化燃烧，流化床炉膛形式和返料系统对于大颗粒的捕集作用，大大提高了整体炉膛温度的均匀性，延长了燃料的停留时间，有利于燃料的充分燃烧，提高锅炉效率。

环保层面，炉膛整体温度的均匀性和停留时间对于二噁英的形成至关重要。一般PCDD/Fs(二噁英)通过两种机制形成。一个来自均相反应，温度范围为500～800℃。主要过程是氯化前体的重排反应气体，如氯酚(CP)和氯苯(CBz)。此过程中的PCDD/Fs称为均质PCDD/Fs或高温PCDD/Fs。PCDD/Fs也可以通过非均相反应形成反应，温度范围为200～400℃。非均相反应主要是在飞灰中的催化作用下，由CP、CBz，或粉煤灰中的碳形成，即de novoprocess(源头生成)。对于不同的二噁英生成机理来讲，高温环境可以实现对二噁英及其前驱物的彻底分解破坏，从而达到消减二噁的目的。目前应用较为广泛的3T(温度、时间、湍流度)+E(过量空气系数)控制技术，主要指使炉膛达到850℃、2s或更为苛刻的处理工况。就湍流强度而言，流化床高温区的几何尺寸和烟道流动速度之积相比炉排炉较大，因此其湍流更为剧烈。此外，对于温度和停留时间的耦合而言，流化床的燃烧方式也有其优势，因其为室燃并且依靠高浓度物料进行传热传质，炉膛温度可调节性更强，整体均匀性更好，易得到更高的温度，进而更有利于二噁英及其前驱物的分解。炉膛温度越均匀，高温区域的停留时间越长，二噁英的分解率会显著提升。综上所述，本发明采用炉排对燃料进行输送和排渣，通过流化床炉膛及返料系统进行流态化燃烧，可以保证炉膛温度均匀。与此同时，流化床锅炉炉内均匀高温环境和较长的停留时间可以确保二噁英及其前驱物的分解。在不添加尾部活性炭吸附装置的前提下，实现生活垃圾焚烧不同负荷下的二噁英达标排放。

进一步地，炉排干燥段与炉排前拱之间的空间沿炉排干燥段首端至尾端渐扩；炉排燃尽段与炉排后拱之间的空间沿炉排燃尽段的尾端至首端渐扩，形成截面为类三角形的燃烧空间，具有良好保温效果的同时，可以使燃烧产生的烟气顺利进入炉膛。

更进一步地，炉排干燥段与炉排前拱之间的夹角为25～40°，与传统结构相比，降低了炉排前拱9和炉排后拱10的高度，炉排燃尽段与炉排后拱之间的夹角为25～40°，能够有效提高烟气的聚拢作用。

进一步地，采用水平往复式进料装置进料，高效稳定，给料速度可控。

进一步地，流化燃烧段采用炉排式，容易实现流化布风的同时具有良好的输送排渣效果；流化燃烧段采用固定风帽式，以便于更好地控制局部小孔流速，能够明显提升流化效果，进一步提高燃烧效率。

进一步地，返料系统采用分离器和外置床换热器结合的方式，外置床换热器内的高温过热器可以解决炉膛内受热面不足的问题。同时，因为腐蚀性气氛和易结焦元素绝大部分都是以气相及亚微米颗粒形式存在，而不会被分离器所捕集进而进入外置床。因此，利用外置床换热器可以很好地解决生活垃圾焚烧过程中的烟气高温腐蚀和结焦问题。

进一步地，锅炉的返料口设在炉排燃尽段上方，进一步促进未燃尽的垃圾物料燃尽。

本发明的基于炉排的循环流化床垃圾焚烧锅炉的工作方法，提高了给料和排渣的稳定性，从而使燃烧均匀、稳定，减少了有害污染物的排放，提高了锅炉的燃烧效率，避免了停炉风险，具有良好地应用前景。

进一步地，炉排干燥段的一次风量为一次风总风量的10％～15％，主要起到对炉排降温和对垃圾物料预热干燥的作用；流化燃烧段的一次风量为一次风总风量的75％～80％，用于实现垃圾物料的流态化燃烧；炉排燃尽段的一次风量为一次风总风量的5％～10％，确保垃圾物料燃尽。

附图说明

图1为本发明实施例1的整体结构示意图；

图2为本发明的基于炉排的循环流化床垃圾焚烧锅炉内部结构俯视图；

图3为本发明实施例2的整体结构示意图。

图中：1-炉排干燥段风量调节装置，2-流化燃烧段风量调节装置，3-炉排燃尽段风量调节装置，4-炉排干燥段，5-流化燃烧段，6-炉排燃尽段，7-进料抓斗，8-水平往复式进料装置，9-炉排前拱，10-炉排后拱，11-排渣管，12-炉膛，13-返料管，14-第一二次风管，15-第二二次风管，16-水平烟道，17-分离器，17-1-第一分离器，17-2-第二分离器，18-出口烟道，19-外置床换热器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述，其内容是对本发明的解释而不是限定：

实施例1

本发明的一种基于炉排的循环流化床垃圾焚烧锅炉，如图1，本实施例中，进料系统采用进料抓斗7和水平往复式进料装置8结合的方式，进料抓斗7设在水平往复式进料装置8上方，水平往复式进料装置8与炉排干燥段4的首端连接，炉排干燥段4的尾端与流化燃烧段5的首端连接，流化燃烧段5的尾端与炉排燃尽段6的首端连接，炉排燃尽段6的尾端与排渣管11连接，流化燃烧段5采用与炉排干燥段4和炉排燃尽段6相同的炉排形式。

炉排干燥段4、流化燃烧段5和炉排燃尽段6的下部分别通过炉排干燥段风量调节装置1、流化燃烧段风量调节装置2和炉排燃尽段风量调节装置3与一次风系统连接，流化燃烧段5用于实现垃圾物料的流化燃烧。

炉排前拱9位于炉排干燥段4上方，炉排后拱10位于炉排燃尽段6上方；炉排干燥段4与炉排前拱9之间的空间沿炉排干燥段4首端至尾端渐扩；炉排燃尽段6与炉排后拱10之间的空间沿炉排燃尽段6的尾端至首端渐扩。具体地，炉排干燥段与炉排前拱之间的夹角可以设置为25～40°，炉排燃尽段与炉排后拱之间的夹角可以设置为25～40°，与传统结构相比，该结构降低了炉排前拱9和炉排后拱10的高度，保温的同时增强烟气的聚拢作用。

炉膛12与二次风系统连接，二次风系统包括第一二次风管14和第二二次风管15，第一二次风管14和第二二次风管15分别设在炉膛12两侧；炉膛12上方与水平烟道(16)连接，水平烟道16与返料系统的入口连接，返料系统包括分离器17、出口烟道18和外置床换热器19；分离器的中心筒与出口烟道18连接，出口烟道18连接至尾部烟道；分离器13入口与水平烟道16连接，分离器13下方出口与外置床换热器19连接，外置床换热器19通过返料管13与锅炉的返料口连接，优选地，锅炉的返料口设在炉排燃尽段6上方。

实施例2

如图3，本实施例中，进料系统采用进料抓斗7和水平往复式进料装置8结合的方式，进料抓斗7设在水平往复式进料装置8上方，水平往复式进料装置8与炉排干燥段4的首端连接，炉排干燥段4的尾端与流化燃烧段5的首端连接，流化燃烧段5的尾端与炉排燃尽段6的首端连接，炉排燃尽段6的尾端与排渣管11连接，流化燃烧段5采用固定风帽式，在布风板上设置若干固定风帽，以便于更好地控制局部小孔流速，同时实现物料的流态化燃烧。

炉排干燥段4、流化燃烧段5和炉排燃尽段6的下部分别通过炉排干燥段风量调节装置1、流化燃烧段风量调节装置2和炉排燃尽段风量调节装置3与一次风系统连接，流化燃烧段5用于实现垃圾物料的流化燃烧。

炉排前拱9位于炉排干燥段4上方，炉排后拱10位于炉排燃尽段6上方；炉排干燥段4与炉排前拱9之间的空间沿炉排干燥段4首端至尾端渐扩；炉排燃尽段6与炉排后拱10之间的空间沿炉排燃尽段6的尾端至首端渐扩。具体地，炉排干燥段与炉排前拱之间的夹角可以设置为25～40°，炉排燃尽段与炉排后拱之间的夹角可以设置为25～40°，与传统结构相比，该结构降低了炉排前拱9和炉排后拱10的高度，保温的同时增强烟气的聚拢作用。

炉膛12与二次风系统连接，二次风系统包括第一二次风管14和第二二次风管15，第一二次风管14和第二二次风管15分别设在炉膛12两侧；炉膛12上方与水平烟道(16)连接，水平烟道16与返料系统的入口连接。

返料系统包括两套并列的分离器17、出口烟道18和外置床换热器19；分离器的中心筒与出口烟道18连接，出口烟道18连接至尾部烟道；如图2，第一分离器17-1和第二分离器17-2的入口分别与1个水平烟道16连接，第一分离器17-1和第二分离器17-2下方出口分别连接1个外置床换热器19连接，外置床换热器19通过返料管13与锅炉的返料口连接，优选地，锅炉的返料口设在炉排燃尽段6上方。

下面结合实施例1的工作方法对本发明进行进一步地解释说明：

生活垃圾由进料抓斗7送入水平往复式进料装置8，在其往复推动作用下，垃圾燃料进入炉排。此炉型的炉排前拱9和炉排后拱10较低，确保保温效果的同时，可以使得烟气可以进入炉膛12。垃圾燃料在炉排的输运作用下，顺次经过炉排干燥段4、流化燃烧段5和炉排燃尽段6。一次风由炉排干燥段风量调节装置1、流化燃烧段风量调节装置2和炉排燃尽段风量调节装置3控制分别进入炉排干燥段4、流化燃烧段5和炉排燃尽段6下部。实际运行过程中炉排干燥段4风量占总风量的10％～15％，流化燃烧段5风量占总风量的75％～80％，炉排燃尽段风量占总风量的5％～10％。炉排干燥段4风量较小，主要起对炉排的降温和预热作用。流化燃烧段)风量占一次风中绝大部分，在其单独的流化燃烧段风量调节装置2的作用下，可以实现燃料的流态化燃烧，燃烧过程中，部分小颗粒会随着烟气进入炉膛12上部，由水平烟道16进入第一分离器17-1和第二分离器17-2。整体设计过程中，由于该炉型炉排主要起物料输运排渣作用，炉排面积要低于同等处理规模炉排炉，具体设计参数根据垃圾特性决定。含尘烟气经过两个分离器17后，大颗粒被分离器17捕集后经由下部的外置床换热器19通过返料管13返回炉排燃尽段6，紧接着在炉排的输运作用下进入排渣管11。为了保证二噁英及其前驱物完全分解，炉膛12可适当进行部位绝热设计，保证炉内燃烧温度维持在950～1000℃。此处，高温灰颗粒可以进一步促进未燃尽垃圾燃料燃尽。由分离器17中心筒排出的烟气则汇合后由出口烟道18排出进行尾部换热。二次风由左右两侧的第一二次风管14和第二二次风管15通入炉膛12进行补燃，确保燃料燃烧效率。

需要说明的是，以上所述仅为本发明实施方式之一，根据本发明所描述的系统所做的等效变化，均包括在本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均属于本发明的保护范围。