通过一次风量和模拟垃圾本身特性的变化，对焚烧过程中固定床内温度分布、烟气浓度、床层重量随时间变化进行详细的实验研究
以掌握一次风量和垃圾本身特性对垃圾床层内燃烧过程的影响，可以为验证和改进垃圾焚烧数值模型及层燃式垃圾焚烧工程提供基础数据
固废科技第25期｜2024年10月17日
▲图1 物料燃烧时床层内温度分布(℃,一次风流量：240 L/min)
经实验测绘床温分布等值线（图1），可见垃圾焚烧过程要经过水分蒸发、热解、燃烧、燃尽四个阶段。第一个过程是干燥，垃圾中的水分将在100℃等值线处干燥完毕，垃圾水分干燥过程占整个物料燃烧的绝大部分时间，是决定整个焚烧过程时间长短的主要因素。物料中水分在蒸发温度100℃附近，没有出现短暂的停留平台阶段，是由于物料燃烧锋面吸热量大，而本身燃料层较薄，含水量相对较小的原因。
紧接下来就是热解和点燃过程，热解温度一般在260℃左右，物料在温度260℃附近也没有出现短暂的停留时间，热解开始温度曲线与蒸发曲线相距距离短，此区域干燥物料温升非常快。热解开始曲线之后，温升梯度进一步加大，主要是由于大量气体挥发分析出，并迅速着火燃烧，形成燃烧锋面向下传播(达到300 ℃）时刻被认为是模拟垃圾挥发分开始着火时间。
着火后形成火焰锋面，床层高度随火焰锋面一起向炉排移动。在床层表面附近有两个明显的高温区，第一个高温区是上层物料燃烧和燃气燃烧辐射共同作用导致，而后一个高温区出现在床高为200mm 左右时，主要原因是由于在物料燃烧后期未燃尽焦炭大量累积，同时靠近炉排氧气浓度高，气流扰动较大，焦炭和空气混合较好，焦炭迅速燃烧形成此处的高温区。
随着一次风量的增加床层高温区内的最高温度先升高后降低，存在一极大值。这主要是 由于床层内气固之间传热性质决定的，一次风流量增加，化学反应速度虽然有所增加，但空气对床料的冷却速度加快，到达一定平衡点后，会使床温下降。炉床温度与一次风流量变化关系见表1。
▼表1 床温最大值随一次风流量变化
物料质量及其产物在焚烧过程中的变化分析
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▲图2 固定床上床料质量和床高随时间变化
如图2，可以看出物料燃烧时垃圾层高度随时间不断降低，垃圾层高度的变化显示了火焰锋面向下移动的速度。当燃烧稳定时，垃圾质量变化率几乎是恒定，说明在主燃烧区段内物料燃烧速度基本上是一常数，只是在前期预热阶段和后期燃尽阶段，质量损失较慢，这两个阶段时间占整个燃烧过程的时间份额较小。燃烧后期由于灰层厚度增加，热量和质量传递阻力增大，床料质量损失速率有所降低。
物料燃烧形成主要烟气成分的变化
从图3和图4中，可以看出CO₂和CO的浓度的变化与氧气浓度的变化是密切相关的，开始时处于物料干燥加热阶段，反应还未开始，O₂ 浓度基本没有发生变化。由于物料中含有一些易燃的纸板，经过一定时间的干燥后，上层易燃物质析出的大量挥发分，迅速着火燃烧，O₂浓度迅速降低，CO和CO₂的浓度迅速上升，形成床层内燃烧初期的第一个高温燃烧反应区；之后，析出挥发分后剩余的大量焦炭，不断积累，在燃烧后期出现另一个O₂的大量消耗区，CO 和CO₂浓度相应升高到第二个峰值。
▲图3 床层内物料燃烧时O₂-CO₂随时间的变化
由于炉排附近氧气浓度高，料层与气流混合强烈，这一时段内已经大量积累的焦炭参与燃烧反应，形成很高的料层温度，CO₂和 CO浓度达到最高值。在燃烧过程中产生CO₂比CO的浓度要高出很多，CO和CO₂达到最大值后，由于氧气供入和可燃物质的逐渐燃尽，使得CO和 CO₂浓度迅速降低。
测量结果表明，实验中床层内产生的氮氧化物95%以上是NO，NO₂排放浓度非常小可忽略，故研究NOx的生成源及抑制途径主要是针对NO而言。
NO的浓度和O₂的浓度随时间的变化关系与CO的浓度和O₂浓度关系相似，NO的变化曲线会出现两个波峰，出现波峰的位置和CO波峰的位置相同。形成第一波峰的原因主要是物料的挥发分析出，开始着火，挥发分中的N 与O₂ 反应，生成NO，但由于燃烧温度低，氧气浓度有限，挥发分中的N转化为NO速率较低，形成较低的NO峰值。
挥发分析出燃烧后，焦炭中的N随焦炭一起与氧进行反应，但初期反应速度较慢，NO的浓度降低，随着物料燃烧锋面的下移，在床层下降到一定高度时，焦炭燃烧反应加速，燃烧锋面温度迅速升高，焦炭中的N与氧反应加速，同时，下层燃料中挥发分析出，开始着火，挥发分中的N也大量转化为NO，NO形成第二个浓度峰值(最大值)。
由于在垃圾焚烧床层内燃烧温度不高(1100℃以下)，NO主要以燃料型NO为生成路径，热力型NO生成量小，床层内形成NO的最大浓度值在100×10-6左右。可见，NO的生成与料层内物料析出挥发分的过程密切相关，其大量生成时段和挥发分大量析出时段相吻合，同时和焦炭反应速度也密切相关。
一次风对燃烧的影响
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一次风风量对火焰传播速度和物料燃烧速度的影响
物料在稳定燃烧阶段质量变化率几乎是一个定值，物料燃烧速度基本上是一常数，火焰锋面的传播速度也是恒定的，这是由于在燃烧过程中物料水分蒸发速率基本恒定，而燃烧锋面非常薄导致的。由图5可见，随着一次风流量的增加，火焰锋面的传播速度先增加后降低。这是由于过量的一次风(冷空气)大大地降低了着火锋面和炉膛内的温度。
在图5中可以看出，在较小一次风流量的条件下，随着空气流率的增加，模拟垃圾的焚烧速率不断上升，这时垃圾的焚烧速率主要决定于物料燃烧反应的化学反应速率，而随着空气量增加，燃烧锋面位置处氧浓度提高，使得燃烧速率加快。
但是，当空气流率增加到一定的数值后，模拟垃圾的焚烧速率达到最大值，之后随着空气流率的增加，模拟垃圾的焚烧速率减小，这主要是由于床层内气固之间传热性质决定的，一次风流量增加，使得空气对床料的冷却速度加快，风量到达一定值之后，会使床温大幅下降，床料的燃烧反应速度反而降低。
试验的一次风流量条件下，试验物料的燃烧质量损失速率在0.006 ~0.0275 kg/(m²·s), 在一次风流量为265 L/min时达到最大值，约为0.0275 kg/(m²·s)。
一次风量对N转换为NO和C转换为CO的影响
式中：Gco——CO转化率，%;
B—— 床层质量燃烧速率，kg/s;
Vy——标准状态下床层单位质量物料燃烧生成的体积，m³/kg;
V—— 标准状态下，CO的摩尔体积，m³/kmol;
Rc——物料中C百分含量，%;
Cco——烟气中CO体积浓度，m³/m³；
Mfuel———物料总质量，kg;
Mc——C摩尔质量，kg/kmol。
随着一次风量的增加，在床层表面CO平均排放浓度是一直降低的，见表2。在风量较小的时候，物料周围颗粒的O₂ 浓度不能满足物料燃烧所需要的氧气量，由于焦炭不能充分反应，焦炭部分燃烧形成大量CO、CO₂排放浓度始终处于比较高的一个水平；随着一次风流量不断增加，提供了更多O₂参与焦炭和挥发分反应，当一次风流量增加到一定程度后，O₂已经能够完全满足焦炭和挥发分燃烧，CO平均排放浓度逐渐降低。
一次风流量继续增加时，过量的一次风大大地降低了着火锋面的温度，反应速度降低且过量的氧气与CO 反应产生CO₂，造成C生成CO转化降低，CO₂浓度随着一次风流量的增加上升。
▼表2 生成NO转化率、C生成CO转化率和CO平均排放浓度随一次风流量的变化
当着火锋面达到烟气取样点时，取样位置料层开始析出NO。当一次风流量较小时，物料燃烧速度较小，此时物料中N与氧气反应速度较低，物料周围的氧气浓度不高，因此NO浓度不是很高，这时的反应主要是由氧气浓度来制约的，使得N生成NO的转化率较低。
随着一次风流量增加，物料的燃烧速度加快，NO生成浓度明显提高(100×10-⁶左右)，并且持续一段时间，使得N生成NO的转化率升高。当一次风流量达到400 L/min以上，大流量的一次风对床层有一定的冷却作用，反应温度和反应速度有所降低，NO浓度保持在相对较低的水平。总体来说，随着一次风量的增加，N生成NO的转化率是先升高后降低的。
不同一次风量下床内碳氢化合物和HCN的分布
▲图7 CH₄浓度在不同床高的变化
由图7可见，开始时CH₄浓度在1测量点比2和3测量点高，主要是由于火焰锋面从床层顶部到底部传播过程中床层上部物料首先开始燃烧，导致大量的挥发分析出，并且一定时间以后燃烧锋面向下传播。在t=1860s之后，CH₄浓度在1测量点比2测量点低，主要是由于CH₄ 随烟气上升过程中不断燃烧，使得1测量点的CH₄ 浓度降低。在t=2900s, 挥发分析出完成。在t=3000s，焦炭燃烧完成，整个燃烧过程完毕，测量点的碳氢化合物的浓度迅速降低。
▲图8 浓度在床层不同高度上随时间变化
▲图9 NO和HCN浓度随时间变化
HCN+O₂→NO+…(De Soete,1975年)
▲图10 CH₄浓度随一次风风量的变化
小结
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本文对生活垃圾焚烧炉的燃烧过程及一次风温的影响进行了研究，结果表明，一次风风量对垃圾燃烧着火时间、火焰锋面温度、烟气释放成分都有显著的影响。适当提高一次风温可以促进垃圾的干燥、挥发分析和燃烧，从而提高燃烧效率，但一次风温过高可能导致炉膛内燃烧不稳定，甚至产生有害气体。因此，在实际应用中，需要综合考虑垃圾的性质、炉型的特点以及环保要求，合理选择一次风温，以实现高效稳定的垃圾燃烧。未来研究可进一步探讨其他运行参数如送风量、垃圾性质等对燃烧过程的影响，为优化床层内固体垃圾焚烧炉的运行提供更多理论支持。