垃圾燃燒氣化爐原理
摘要：垃圾氣化過程是一個十分復雜的包羅萬象的化學反應過程，其重要條件是為一系列氣化反應提供穩定持續的化學反應溫度。
關鍵詞：垃圾，燃燒，氣化爐，原理，氣化過程
一、引言
眾所周知，焚燒處理城市生活垃圾比填埋、堆肥處理要好。但焚燒處理城市生活垃圾也存在諸多問題，如垃圾熱值低時需要輔助燃料；爐溫較低，對二惡英類等有毒有害成份不能徹底分解摧毀，會帶來二次污染；資源化方面只能供熱或余熱發電；以及需要花費昂貴的污水處理系統、鍋爐供水系統、發電配套系統等造成投資大、運行成本高。因此，人們力求用氣化技術處理城市生活垃圾，以達到更佳的無害化、減量化、資源化效果。但由于城市生活垃圾成份復雜、水份多、熱值低，用氣化方式處理垃圾難度更大。對此，我公司數年來致力于垃圾的氣化研發。經過上百次反復試驗，兩臺示范性垃圾燃燒氣化爐已在廣東省河源市環衛局垃圾填埋場成功地試運行。結果表明，對于水份多、熱值低的垃圾，略經粗選，即可入爐氣化處理，爐溫基本穩定在850℃～1100℃，平均900℃，其煙氣經檢測已達到國家排放標準，而且滲濾液全部入爐氣化，無污水排放，同時獲得燃氣和燃油。較好地實現了“三化”處理垃圾，創造性地體現了“處理廢物、補充能源、保護環境”的三重功效。
二、氣化原理及氣化過程
城市生活中含有大量的有機物，如塑料、橡膠、紙類、布類、草木、樹枝等，這些有機物都是可燃的。換言之，垃圾也是一種燃料，只不過是含有機物的多寡，其熱值有高低不同而已。有機物在無氧或缺氧條件下加熱，其熱能使有機化合物的化合鍵斷裂，由大分子量轉化成小分子量的燃氣、油或油脂液狀物及焦炭等。在垃圾燃燒氣化爐的特殊結構條件下，點燃氣化爐底周圍的垃圾，當垃圾被點燃后，在抽風機、引風機的抽力作用下，垃圾坑中含臭氣的空氣經爐底爐渣坑預熱后，進入一次進風管，再進入圍欄中的通火道。并沿著通火道，以較高的速度參與燃燒，使水份多、熱值高、成分復雜的垃圾，迅速上火，并沿通火道抽力方向流動，燃燒主要是通火道周圍的垃圾。再由控制室自動控制著一次進風口的進風量，從而也控制了垃圾燃燒的速度和范圍。使先期的燃燒圍繞在數個通火道周圍，然后再擴展開去，并使其盡量延長燃燒時間和缺氧還原環境，而不使圍欄周圍的垃圾在較短的時間內很快燃盡或擴大燃燒范圍，而出現不利于部分氧化氣化的燒穿、燒空、穿孔、塔橋等現象。
通火道周圍的垃圾在燃燒時，不斷向爐膛四周傳遞和輻射熱量，使燃燒器、爐膛及其從中部到下部再到上部的垃圾的溫度迅速升高。由于爐膛容裝的垃圾多、厚度大、高度高，再加上爐體保溫層的保溫絕熱，爐膛又被密封隔絕空氣，所以垃圾有充分的時間在整個爐膛范圍中蒸發、干燥、干餾、熱解。隨著燃燒熱量源源不斷地傳遞、輻射，使含水份多、有機質多的垃圾在高溫缺氧的還原環境下，逐漸逸出水蒸氣、揮發份，進而發生干餾熱分解，產生大量的由可燃氣體、水蒸氣、焦油、煙氣等組成的混合燃氣。這種過程不斷進行，直至垃圾最終被干餾成殘炭并向下垮落到貯渣坑中后，新的垃圾又源源不斷地補充進來。在垃圾的燃燒過程中，從二次進風口補充的必須的分布均勻的二次空氣和水蒸氣，作為氣化劑與熾熱的殘炭反應，維持和穩定垃圾的燃燒氣化過程。爐膛產生的大量混合燃氣，在強制抽風、引風的抽力作用下，進入旋風引射喉管。由于旋風引射喉管的過流面積遠小于燃燒器內混合腔的過流面積，混合燃氣被旋風引射喉管中的旋風槽扭轉引導成為旋轉的混合燃氣后，進入燃燒器的混合腔，與從三次進風口進入的三次空氣混合，在混合腔頂端的火口旋轉燃燒，成為旋風式火焰。同時，由于旋風引射喉管管徑小，流量也小，混合燃氣在爐膛內的停留時間較長，爐膛內的水蒸氣、二氧化碳和從二次風口進來的限量空氣等作為氣化劑與燃燒的熾熱碳，快燃盡的殘碳、懸浮的焦油等充分發生還原作用。如水蒸氣被還原成一氧化碳和氫氣，二氧化碳被還原成一氧化碳，焦油被分解成碳氫化合物等。而混合燃氣中的不燃燒物，如二氧化碳、氧化氮等能較長時間地停留在爐膛中，使隨燃燒而帶走的熱量少。其次，混合燃氣中的焦油和懸浮碳粒等也因還原反應而大大減少。再者，在旋風引射喉管中混合燃氣因快速旋轉而使殘留在燃燒氣中的懸浮碳粒、焦油、重金屬蒸氣、煙塵及二惡英類微粒等有害成份，被離心分離出來，重新落入爐膛，再次被分解氣化或燒掉。不僅凈化了燃氣，而且減輕了下游凈化設備的負擔，也避免了這些焦油、重金屬蒸氣、煙塵等微粒聚合，而堵塞、腐蝕下游設備和管道。
混合燃氣在火口旋轉燃燒后，產生溫度極高的煙氣（大于1000度以上），高溫煙氣在容積較大的圓環形燃燒室內，被短暫停留（大于2秒），再次使上述未根除徹底的焦油、重金屬蒸氣、煙塵、二惡英類等微粒徹底摧毀燒掉。高溫煙氣短暫停留后，由煙道口進入煙道管。因煙道管很長，且外殼有保溫層，又包圍在焊有許多吸熱片的進料管外殼上。所以，垃圾在進料管內長時間停留時，高溫煙氣能充分預熱蒸發干燥和干餾熱分解煙道管周圍垃圾中的大部分有機物，如廢塑、廢橡膠、廢紙、木屑、油脂、樹脂、果皮、殘羹剩飯等，被熱解成可燃氣體和碳粒，可燃氣體經冷凝后，成為燃油和尾氣的有用資源。而碳粒繼續下落至爐內氣化，由于爐內裝有碎料器，大塊垃圾或結焦結餅的垃圾被旋轉的碎料器破碎成小塊，被布料器均分布，而不致于造成留空、塔橋等不利于氣化的現象。當這些被干餾、熱解的垃圾殘留物，落入爐膛底部時，又被攪拌器螺旋片攪動、松散、翻轉，不僅與限量空氣混合形成湍流加速燃燒氣化，而且更防止了這些垃圾殘留物結焦結餅，而影響整個氣化燃燒。
當爐渣坑內的爐渣還有少數未燃盡的殘碳存在時，會遇到進入爐渣坑內的預熱空氣，再次吹燃而直到燃成灰份，使垃圾的熱灼減量很低而減量化很高。
由于高溫煙氣對煙道管周圍的垃圾進行有效的蒸發、干燥、干餾熱解，因此對垃圾的水份含量限制不大，只要垃圾中的有機可燃成份能維持燃燒，即可入爐氣化處理。在氣化燃燒正常情況下，垃圾坑內的滲濾液、污水可隨垃圾一并夾帶入氣化爐內，被蒸發、干燥、干餾熱解。煙道管周圍的垃圾干燥時，產生的水蒸氣通過導氣孔儲存在煙道管的蒸氣包內，當蒸氣溫度壓力達到一定時，在壓力作用下，蒸氣通過蒸氣管輸入爐底，又與殘碳發生水煤氣反應，而產生大量燃氣。
隨著燃氣的大量產生和不斷燃燒，爐溫將會不斷升高。通過調節入爐空氣量和進料量，將溫度控制在所需范圍內，維持穩定所需氣化溫度和熱平衡。
對于垃圾燃燒氣化而言，不怕爐溫高，就怕爐溫低。當垃圾熱值太低，爐溫不斷下降，熱平衡失調時，通過放慢進料速度和減少空氣量水蒸氣量，爐溫又上升，熱平衡被穩定，氣化又恢復正常，這是生產運行操作所多次驗證了的。
以上可見，氣化爐內產生了干餾煤氣、水煤氣、空氣煤氣、裂解氣（包括焦油被裂解）等可燃氣的混合燃氣。其化學反應過程大概如下：
開始點火，打開風門向爐內通入少量空氣，使垃圾中的C、H、S、P有機成份部分燃燒，化學反應如下：
碳2C+空氣O2一氧化碳CO↑+放出熱量Q
碳C+空氣O2二氧化碳CO2↑+放出熱量Q
氫H+空氣O2水蒸氣H2O↑+放出熱量Q
硫S+空氣O2二氧化硫SO2↑+放出熱量Q
磷P+空氣O2五氧化二磷P2O5↑+放熱量Q
上述反應放出的熱量使爐溫急劇升高，爐內垃圾被干燥，進而發生熱分解（干餾）。化學反應如下：
垃圾干燥≤150℃水蒸氣H2O-吸收熱量Q
垃圾熱分解150℃-550℃（自身熱量）
可燃氣體（H2、CH4、CnHm、CO、H2S、NH3、SO2等）+燃料油、有機酸C6H8O+炭黑（殘炭C）-吸收熱量Q。產生可燃氣體在火口燃燒，更使爐溫急劇升高，這時水蒸氣、燃料油便發生裂解，化學反應如下：
水蒸氣H2O＞800℃（裂解）氫氣H2↑+氧氣O2↑+吸收熱量Q
焦油C6H8O＞800℃（裂解）可燃氣體CnHm↑+殘炭C-吸收熱量Q
熾熱殘碳C與空氣O2、水蒸氣H2O等進一步發生還原化學反應，產生更多的可燃氣體，化學反應如下：
殘碳2C+空氣O2一氧化碳2CO↑-吸收熱量Q
殘碳C+二氧化碳CO2一氧化碳2CO↑-吸收熱量Q
殘碳C+水蒸氣2H2O氫氣2H2↑+CO↑-吸收熱量Q
殘碳C+氧氣2H2甲烷CH4↑-吸收熱量Q
上述說明，垃圾氣化過程是一個十分復雜的包羅萬象的化學反應過程，其重要條件是為上述一系列氣化反應提供穩定持續的化學反應溫度。
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