一种废弃物层状燃烧装置及其模拟废弃物移动床燃烧方法

摘要

本发明公开了一种废弃物层状燃烧装置及其模拟废弃物移动床燃烧方法。装置包括空气源、氧气源、流量控制器组、控制系统、风室组、炉排、炉膛和设置在炉膛的可替换式炉拱副。炉拱副包括可拆卸前拱和可拆卸后拱，能够在炉膛中形成喉口以及顺流、逆流或混合流的烟气流向。设定炉排废弃物虚拟移动速度为v，计算获得t时刻任一第i风室的即时时移风量曲线为qi＝f(yi+vt)，并按此调节氧气流量控制器和空气流量控制器供风量和qi，air之和为qi，且与qi，air的比例根据过量空气系数和所需的床层氧浓度进行调节，通过该比例调节可以调整总供氧量以及局部氧浓度。本发明具有简化研究过程等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种废弃物层状燃烧装置及其模拟废弃物移动床燃烧方法，尤其涉及一种能够模拟废弃物移动床燃烧的固定床式废弃物层状燃烧装置及其方法，属于废弃物燃烧技术领域。

背景技术

垃圾焚烧已成为中国生活垃圾处理的主流工艺，截至2017年底，中国已建成垃圾焚烧设施350余座，焚烧设施规模约331000吨/日，人均焚烧量约67/人·年，年焚烧垃圾9300余万吨，占生活垃圾无害化处理的34.3％。另外，中国工业有机固废产量逐年增加，这些有机固废种类多、处置难、潜在环境污染严重，亟待解决。如果充分发挥垃圾焚烧设施处置能力和优势，利用垃圾焚烧设备协同处置工业有机固废，则既可有效利用焚烧设施产能，又能处置工业有机固废，不仅具有显著的经济、环境和社会效益，也是实现“无废城市”的重要手段。

2020年修订的《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》为生活垃圾分类和工业有机固废管理提供了有力的法律支撑，垃圾分类后组分、产量及热值变化明显，特别是热值增加较多。任何固废在炉排上燃烧，都要经历干燥、热解、固定碳燃烧在床层燃烧、挥发分在床层和空间燃烧、燃尽等几个阶段，这是共同的。但分类垃圾和有机固废自身在挥发分、固定碳、水分、热值方面等存在较大差异，因而燃烧过程迥然不同。典型的工业有机固废热值较高，在协同焚烧时会引起炉内燃烧组织的差别，导致炉膛烟气空间或炉排料层局部温度飞升的“飞温”现象。“飞温”是某处的局部温度急剧升高，显著偏离该区间内的平均温度，如果不及时抑制，将烧毁炉膛或者炉排等设施。

分类后城市生活垃圾(干垃圾或其他垃圾)产量相对固定，其中各物理组分平均含量相对稳定，而工业有机固废单品类产量小，但物理组分富集特征单一，即掺烧某一类工业固废后会引起混合燃料中某一种或多种污染元素的富集，导致单独垃圾焚烧时产生的痕量污染物增多，转变为协同焚烧特征污染物。

协同处置过程NOx的产生与炉膛内温度和气氛关系密切，富氧气氛与炉内高温会导致NOx生成量增多，而CO排放作为高效燃烧的关键指标，与NOx的生成往往存在此消彼长的情况，同时CO排放也是二噁英的生成量的间接衡量指标，如何控制炉温及炉内气氛条件，平衡NOx与二噁英的初始生成是本项目研究所关注的内容。多环芳烃PAHs也是二噁英生成的前驱物之一，重金属Cu等对二噁英的生成具有很强的催化能力，而含硫化合物对二噁英有一定的抑制能力，故不同特征污染物之间存在着可能的相互促进或抑制作用。

为了研究单独的分类垃圾或者分类后垃圾与工业固废混烧的燃烧特性、污染排放特性，需要一种实验装置在实验室内模拟研究废弃物层状燃烧过程和污染物生成的交互影响过程。

发明内容

本发明旨在提供一种废弃物层状燃烧装置，利用风移变拱固定床模拟废弃物在移动床上的层状燃烧过程，并进一步研究层状燃烧过程中的“飞温”现象以及相应的污染物排放。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种废弃物层状燃烧装置，包括空气源、氧气源、流量控制器组、控制系统、风室组、炉排、炉膛和设置在炉膛的可替换式炉拱副，所述炉膛一侧壁面上设置有若干温度测点，能够通过热电偶组测得温度，所述热电偶组包括若干热电偶；所述炉拱副包括可拆卸前拱和可拆卸后拱，能够在所述炉膛中形成喉口以及顺流、逆流或混合流的烟气流向；所述风室组设置在炉排底部，所述风室组包括沿着炉排长度方向设置的若干个风室；所述流量控制器组与所述风室组一一对应式设置，且所述流量控制器组包括一一对应式设置的空气流量控制器组和氧气流量控制器组，所述空气流量控制器组包括若干个空气流量控制器，所述氧气流量控制器组包括若干个氧气流量控制器；所述空气源与风室组的风室一一通过空气管道相连，且每个空气管道上均设有一个空气流量控制器；所述氧气源与风室组的风室一一通过氧气管道相连，且每个氧气管道上均设有一个氧气流量控制器；热电偶、空气流量控制器、氧气流量控制器均一一通过信号线与所述控制系统相连。

上述技术方案中，所述风室包括n个风室和相应的n个空气流量控制器和n个氧气流量控制器，其中n为大于或等于2的整数。

上述技术方案中，所述炉膛包括前墙、后墙、左侧墙和右侧墙，所述前墙、后墙、左侧墙和右侧墙的外侧均设置有冷却盘管；所述前墙下部设置有前点火枪，所述后墙下部设置有后点火枪。

上述技术方案中，所述右侧墙上设置有填料孔、烟气取样孔、压力测点和若干二次风喷口。

上述技术方案中，所述可拆卸后拱侧下角度α为50-80°。

一种模拟废弃物移动床燃烧的方法，包括：

获取待模拟移动床运行参数，所述参数包括移动床炉排风量曲线函数Q＝f(x)，其中x为移动床废弃物实时位置；

所述炉排长L，所述风室包括第1风室至第i风室，第i个风室起始端距离炉排起始端距离为y

按预期烟气流向选择并安装可替换式炉拱副，，使得所述炉膛内预期烟气流向包括顺流、逆流或混合流中的任一种；

将废弃物均匀铺设在所述炉排整个表面或者局部表面上；通过控制系统开启供风，按照任一第i个风室的即时时移风量曲线q

通过控制系统采集和记录来自热电偶组的温度信号的同时，从烟气取样孔抽取烟气进行气体成分分析获得燃烧气体产物信息，所述气体成分包括O

待t＝L/v时，停止供风，完成模拟燃烧；

待炉膛冷却后，对固体残渣进行取样分析。

上述技术方案中，通过控制系统控制和调节，从二次风喷口喷入二次风。

上述技术方案中，根据采集的温度信号分析局部高温和局部高温的产生条件，并以温度信号和/或气体产物信息建模分析。

本发明具有以下优点及突出性效果：①通过风量的变化模拟物料的移动焚烧过程，使得研究过程得到简化；②采用可拆卸前拱和可拆卸后拱构成的可替换式炉拱副，通过改变炉拱的形式，能够改变炉膛内的传热、传质和燃烧过程，从而为工程设计提供优化的炉拱结构。

附图说明

图1为本发明所涉及的一种废弃物层状燃烧装置其中一个实施例正面示意图。

图2为图1所示实施例的侧面示意图。

图3为图1所示实施例的炉排示意图。

图4为本发明所涉及的顺流炉拱副示意图。

图5为本发明所涉及的逆流炉拱副示意图。

图6为本发明所涉及的混合流炉拱副示意图。

图7为本发明所涉及的一种废弃物层状燃烧装置炉排配风示意图。

图中：1－流量控制器组；2－空气源；3－空气管道；4－风室组；5－前点火枪；6－前冷却盘管；7－前墙；8－可拆卸前拱；9－L型挂钩；10－T型挂钩；11－快压螺栓；12－烟罩；13－防爆门；14－烟道；15－清洗装置；16－引风机；17－二次风氧气流量控制器；18－二次风空气流量控制器；19－后点火枪；20－控制系统；21－氧气源；22－烟气取样孔；23－可拆卸后拱；24－后冷却盘管；25－二次风阀；26－二次风喷口；27－热电偶组；28－温度测点；29－侧冷却盘管；30－填料孔；41－炉顶墙；42－后墙；43－炉排；44－炉底墙；45－左侧墙；46－右侧墙；47－废弃物；48－炉拱副；49－风帽；50－氧气管道；51－压力测点；52－炉膛上部空间；53－炉膛下部空间；54－喉口；55－烟气流向；56－炉膛。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明的具体实施方式及工作过程作进一步的说明。

本申请文件中的上、下、左、右、前和后等方位用语是基于附图所示的位置关系而建立的。附图不同，则相应的位置关系也有可能随之发生变化，故不能以此理解为对保护范围的限定。

如图1和图2所示，一种废弃物层状燃烧装置，包括空气源2、氧气源21、流量控制器组1、控制系统20、风室组4、炉排43、炉膛56和设置在炉膛56的可替换式炉拱副48。炉膛56顶部还设置有烟罩12、清洗装置15、引风机16，且烟罩12、清洗装置15和引风机16通过烟道14相连。烟罩12上方还设置有防爆门13。

如图3所示，风室组4设置在炉排43底部，风室组4包括两个以上的风室，记为第i风室其中，i＝(1,2,3,…,n)(n为大于等于2的整数)。风室沿着炉排长度方向设置，流量控制器组1与风室组4一一对应式设置，且优选质量流量控制器。流量控制器组1包括一一对应式设置的空气流量控制器组和氧气流量控制器组，空气流量控制器组包括若干个空气流量控制器，氧气流量控制器组包括若干个氧气流量控制器。炉排43长L，第i风室长l

炉拱副48包括可拆卸前拱8和可拆卸后拱23，能够在炉膛56中形成喉口54。喉口54以上的炉膛空间为炉膛上部空间52，以下为炉膛下部空间53。可拆卸后拱23侧下角度α为50-80°。

炉膛56包括前墙7、后墙42、左侧墙45、右侧墙46、炉底墙44和炉顶墙41，且前墙7、后墙42、左侧墙45和右侧墙46的外侧均设置有冷却盘管，包括前冷却盘管6、后冷却盘管24和侧冷却盘管29。可拆卸前拱8和可拆卸后拱23通过L型挂钩9、T型挂钩10固定在前墙7、后墙42和炉顶墙41上。前墙7、后墙42、左侧墙45和右侧墙46通过快压螺栓11固定到炉底墙44和炉顶墙41上，如图2所示。利用不同结构的异型耐火砖形成不同形状的可拆卸前拱8和可拆卸后拱23匹配，能够在炉排和炉膛下部空间形成不同的烟气流向，分别如图4～图6所示的顺流、逆流和混合流。采用顺流炉拱副时，烟气流与垃圾运动方向相同，烟气进入炉膛上部空间，喉口位于炉排的尾部；采用逆流炉拱副时，烟气流与垃圾运动方向相反，烟气进入炉膛上部空间，喉口位于炉排的前部；采用混合流炉拱副时，烟气流流向介于顺流式与逆流式之间，烟气进入炉膛上部空间，喉口位于炉排的中部。

炉膛56一侧壁面上设置有若干温度测点28，能够通过放置热电偶组27测得温度，热电偶组27包括若干热电偶，呈矩形阵列排列在右侧墙46上。

右侧墙46上设置有可用于放置物料(废弃物)的填料孔30、烟气取样孔22、压力测点51和二次风喷口26。二次风喷口26通过二次风总管分别连接氧气源21和空气源2，二次风总管与二次风喷口26连接侧设置有二次风阀25，而二次风总管与氧气源21和空气源2连接侧分别设置有二次风氧气流量控制器17和二次风空气流量控制器18。二次风阀25、二次风氧气流量控制器17和二次风空气流量控制器18与控制系统20之间也均有信号线相连。

在炉膛内炉排的前部、后部设置有点火装置，如等离子点火装置、燃气点火装置等，并可将等离子点火装置、燃气点火装置等作为长明火支撑废弃稳定燃烧。优选的，分别在前墙7和后墙42上设置前点火枪5和后点火枪19。

热电偶、空气流量控制器、氧气流量控制器均一一通过信号线与控制系统20相连。控制系统用软件控制，程序控制供风量大小和随时间的变化，并采集温度、压力等信号。

为了方便在实验室内研究废弃物在层状燃烧装置内的燃烧过程及污染物生成特性，类似三相异步电动机原理(磁场旋转和定子不转)以及虚拟现实原理(人不动而眼睛看到的景色在动)，利用废弃物静止不动而每个风室供风量随时间变化的模式来模拟废弃物在炉排上的燃烧过程，从而实现用“时移风驱”的固定床研究移动床内的真实燃烧情况，即废弃物本身静止，假想它移动到某个位置炉排上方后，用其真实静止所处的风室供给假想本该移动到在此处时的供风风量。当对某一种特定废弃物进行层状燃烧实验室，首先确定连续给料稳定工况下的供风曲线，此时每个风室的供风量不随时间变化，是一定值；然后根据设定的垃圾移动速度确定给料时每个风室的风量，此时每个风室的风量是一随时间变化的值，这即为废弃物移动的模拟假定。通过建模，可以采用不同的时移风量模型，以考虑物料重叠、炉拱辐射、传热传质等的影响。

因此，一种模拟废弃物移动床燃烧的方法，包括以下步骤。

首先，根据工业试验、焚烧炉运行数据或者生产厂商提供的信息获取待模拟移动床运行参数，包括移动床风量曲线函数Q＝f(x)，其中x为移动床废弃物实时位置，亦即废弃物距离炉排起始端的距离x。

根据废弃物移动的模拟假定，设定炉排废弃物虚拟移动速度为v，计算获得t时刻任一风室(第i风室)的即时时移风量曲线为q

将废弃物47均匀铺设在第i风室上方炉排上，第i风室上方的废弃物标记为w

对于虚拟移动的废弃物来说，不仅仅是每一个风室的风量按照风量f(x)函数模式在变化，同时对于第i风室上方的废弃物w

接着，按预期烟气流向选择并安装可替换式炉拱副48。利用不同结构的异型耐火砖做炉拱，从而实现炉膛内烟气顺流、逆流或混合流等的布置。采用顺流炉拱副时，烟气流与垃圾运动方向相同，烟气进入喉口位于炉排的尾部(图4)。采用逆流炉拱副时，烟气流与垃圾运动方向相反，烟气进入喉口位于炉排的前部(图5)。采用混合流炉拱副时，烟气流流向介于顺流式与逆流式之间，烟气进入喉口位于炉排的中部(图6)。

通过填料孔将废弃物均匀铺设在炉排43整个表面或者局部表面上。通过控制系统20开启供风，并按照第i风室的即时时移风量曲线q

通过点火装置点燃废弃物使其燃烧，通过控制系统20采集和记录来自热电偶组27的温度信号。同时，从烟气取样孔抽取烟气检测烟气中的O

待t＝L/v时，停止供风，完成模拟燃烧，收集燃烧后的残渣进行检测、分析。

根据需要，还可以调节二次风氧气流量控制器和二次风空气流量控制器并通过二次风喷口26提供二次风。

根据采集的温度信号分析局部高温和局部高温的产生条件，并以温度信号和/或气体产物信息建模分析。

此外，通过将废弃物均匀铺设在炉排整个表面或者局部表面来分别研究拱的辐射对废弃物局部燃烧的影响。例如，废弃物铺设在整个炉排前拱的下方，可以研究前拱的对燃烧的影响；废弃物仅铺设在后拱的下方，其余部分不铺设废弃物，则可研究后拱对燃烧的影响；废弃物只铺设在炉排的中间，则可研究前拱和后拱的综合影响。当直接按照q

理想的待模拟移动床炉排风量曲线函数Q＝f(x)沿着移动床炉排方向是一个连续函数，但实际工业设备的风室是独立的、有限的，因而这个函数一个分段函数，从而使得q

风室内风量等不同组合可以模拟各种移动焚烧过程，通过相应的数值计算和模型分析，可完成层状燃烧装置内单独的分类垃圾或者分类后垃圾与工业固废混烧的燃烧特性、飞温特性、污染排放特性以及污染物生成的交互影响。

当模拟风室更多的移动床炉排焚烧炉时，本装置的风室数n将依据实际的炉排焚烧炉配置。风室的数量n可根据实际情况确定，通常有n≥N，且n≥2。

为模拟因废弃物热值不均匀而导致的飞温，可在炉排表面根据需要分别铺设不同热值的废弃物，从而鉴别废弃物热值差异对产生飞温的影响。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。