垃圾燃烧气化炉原理
摘要：垃圾气化过程是一个十分复杂的包罗万象的化学反应过程，其重要条件是为一系列气化反应提供稳定持续的化学反应温度。
关键词：垃圾，燃烧，气化炉，原理，气化过程
一、引言
众所周知，焚烧处理城市生活垃圾比填埋、堆肥处理要好。但焚烧处理城市生活垃圾也存在诸多问题，如垃圾热值低时需要辅助燃料；炉温较低，对二恶英类等有毒有害成份不能彻底分解摧毁，会带来二次污染；资源化方面只能供热或余热发电；以及需要花费昂贵的污水处理系统、锅炉供水系统、发电配套系统等造成投资大、运行成本高。因此，人们力求用气化技术处理城市生活垃圾，以达到更佳的无害化、减量化、资源化效果。但由于城市生活垃圾成份复杂、水份多、热值低，用气化方式处理垃圾难度更大。对此，我公司数年来致力于垃圾的气化研发。经过上百次反复试验，两台示范性垃圾燃烧气化炉已在广东省河源市环卫局垃圾填埋场成功地试运行。结果表明，对于水份多、热值低的垃圾，略经粗选，即可入炉气化处理，炉温基本稳定在850℃～1100℃，平均900℃，其烟气经检测已达到国家排放标准，而且渗滤液全部入炉气化，无污水排放，同时获得燃气和燃油。较好地实现了“三化”处理垃圾，创造性地体现了“处理废物、补充能源、保护环境”的三重功效。
二、气化原理及气化过程
城市生活中含有大量的有机物，如塑料、橡胶、纸类、布类、草木、树枝等，这些有机物都是可燃的。换言之，垃圾也是一种燃料，只不过是含有机物的多寡，其热值有高低不同而已。有机物在无氧或缺氧条件下加热，其热能使有机化合物的化合键断裂，由大分子量转化成小分子量的燃气、油或油脂液状物及焦炭等。在垃圾燃烧气化炉的特殊结构条件下，点燃气化炉底周围的垃圾，当垃圾被点燃后，在抽风机、引风机的抽力作用下，垃圾坑中含臭气的空气经炉底炉渣坑预热后，进入一次进风管，再进入围栏中的通火道。并沿着通火道，以较高的速度参与燃烧，使水份多、热值高、成分复杂的垃圾，迅速上火，并沿通火道抽力方向流动，燃烧主要是通火道周围的垃圾。再由控制室自动控制着一次进风口的进风量，从而也控制了垃圾燃烧的速度和范围。使先期的燃烧围绕在数个通火道周围，然后再扩展开去，并使其尽量延长燃烧时间和缺氧还原环境，而不使围栏周围的垃圾在较短的时间内很快燃尽或扩大燃烧范围，而出现不利于部分氧化气化的烧穿、烧空、穿孔、塔桥等现象。
通火道周围的垃圾在燃烧时，不断向炉膛四周传递和辐射热量，使燃烧器、炉膛及其从中部到下部再到上部的垃圾的温度迅速升高。由于炉膛容装的垃圾多、厚度大、高度高，再加上炉体保温层的保温绝热，炉膛又被密封隔绝空气，所以垃圾有充分的时间在整个炉膛范围中蒸发、干燥、干馏、热解。随着燃烧热量源源不断地传递、辐射，使含水份多、有机质多的垃圾在高温缺氧的还原环境下，逐渐逸出水蒸气、挥发份，进而发生干馏热分解，产生大量的由可燃气体、水蒸气、焦油、烟气等组成的混合燃气。这种过程不断进行，直至垃圾最终被干馏成残炭并向下垮落到贮渣坑中后，新的垃圾又源源不断地补充进来。在垃圾的燃烧过程中，从二次进风口补充的必须的分布均匀的二次空气和水蒸气，作为气化剂与炽热的残炭反应，维持和稳定垃圾的燃烧气化过程。炉膛产生的大量混合燃气，在强制抽风、引风的抽力作用下，进入旋风引射喉管。由于旋风引射喉管的过流面积远小于燃烧器内混合腔的过流面积，混合燃气被旋风引射喉管中的旋风槽扭转引导成为旋转的混合燃气后，进入燃烧器的混合腔，与从三次进风口进入的三次空气混合，在混合腔顶端的火口旋转燃烧，成为旋风式火焰。同时，由于旋风引射喉管管径小，流量也小，混合燃气在炉膛内的停留时间较长，炉膛内的水蒸气、二氧化碳和从二次风口进来的限量空气等作为气化剂与燃烧的炽热碳，快燃尽的残碳、悬浮的焦油等充分发生还原作用。如水蒸气被还原成一氧化碳和氢气，二氧化碳被还原成一氧化碳，焦油被分解成碳氢化合物等。而混合燃气中的不燃烧物，如二氧化碳、氧化氮等能较长时间地停留在炉膛中，使随燃烧而带走的热量少。其次，混合燃气中的焦油和悬浮碳粒等也因还原反应而大大减少。再者，在旋风引射喉管中混合燃气因快速旋转而使残留在燃烧气中的悬浮碳粒、焦油、重金属蒸气、烟尘及二恶英类微粒等有害成份，被离心分离出来，重新落入炉膛，再次被分解气化或烧掉。不仅净化了燃气，而且减轻了下游净化设备的负担，也避免了这些焦油、重金属蒸气、烟尘等微粒聚合，而堵塞、腐蚀下游设备和管道。
混合燃气在火口旋转燃烧后，产生温度极高的烟气（大于1000度以上），高温烟气在容积较大的圆环形燃烧室内，被短暂停留（大于2秒），再次使上述未根除彻底的焦油、重金属蒸气、烟尘、二恶英类等微粒彻底摧毁烧掉。高温烟气短暂停留后，由烟道口进入烟道管。因烟道管很长，且外壳有保温层，又包围在焊有许多吸热片的进料管外壳上。所以，垃圾在进料管内长时间停留时，高温烟气能充分预热蒸发干燥和干馏热分解烟道管周围垃圾中的大部分有机物，如废塑、废橡胶、废纸、木屑、油脂、树脂、果皮、残羹剩饭等，被热解成可燃气体和碳粒，可燃气体经冷凝后，成为燃油和尾气的有用资源。而碳粒继续下落至炉内气化，由于炉内装有碎料器，大块垃圾或结焦结饼的垃圾被旋转的碎料器破碎成小块，被布料器均分布，而不致于造成留空、塔桥等不利于气化的现象。当这些被干馏、热解的垃圾残留物，落入炉膛底部时，又被搅拌器螺旋片搅动、松散、翻转，不仅与限量空气混合形成湍流加速燃烧气化，而且更防止了这些垃圾残留物结焦结饼，而影响整个气化燃烧。
当炉渣坑内的炉渣还有少数未燃尽的残碳存在时，会遇到进入炉渣坑内的预热空气，再次吹燃而直到燃成灰份，使垃圾的热灼减量很低而减量化很高。
由于高温烟气对烟道管周围的垃圾进行有效的蒸发、干燥、干馏热解，因此对垃圾的水份含量限制不大，只要垃圾中的有机可燃成份能维持燃烧，即可入炉气化处理。在气化燃烧正常情况下，垃圾坑内的渗滤液、污水可随垃圾一并夹带入气化炉内，被蒸发、干燥、干馏热解。烟道管周围的垃圾干燥时，产生的水蒸气通过导气孔储存在烟道管的蒸气包内，当蒸气温度压力达到一定时，在压力作用下，蒸气通过蒸气管输入炉底，又与残碳发生水煤气反应，而产生大量燃气。
随着燃气的大量产生和不断燃烧，炉温将会不断升高。通过调节入炉空气量和进料量，将温度控制在所需范围内，维持稳定所需气化温度和热平衡。
对于垃圾燃烧气化而言，不怕炉温高，就怕炉温低。当垃圾热值太低，炉温不断下降，热平衡失调时，通过放慢进料速度和减少空气量水蒸气量，炉温又上升，热平衡被稳定，气化又恢复正常，这是生产运行操作所多次验证了的。
以上可见，气化炉内产生了干馏煤气、水煤气、空气煤气、裂解气（包括焦油被裂解）等可燃气的混合燃气。其化学反应过程大概如下：
开始点火，打开风门向炉内通入少量空气，使垃圾中的C、H、S、P有机成份部分燃烧，化学反应如下：
碳2C+空气O2一氧化碳CO↑+放出热量Q
碳C+空气O2二氧化碳CO2↑+放出热量Q
氢H+空气O2水蒸气H2O↑+放出热量Q
硫S+空气O2二氧化硫SO2↑+放出热量Q
磷P+空气O2五氧化二磷P2O5↑+放热量Q
上述反应放出的热量使炉温急剧升高，炉内垃圾被干燥，进而发生热分解（干馏）。化学反应如下：
垃圾干燥≤150℃水蒸气H2O-吸收热量Q
垃圾热分解150℃-550℃（自身热量）
可燃气体（H2、CH4、CnHm、CO、H2S、NH3、SO2等）+燃料油、有机酸C6H8O+炭黑（残炭C）-吸收热量Q。产生可燃气体在火口燃烧，更使炉温急剧升高，这时水蒸气、燃料油便发生裂解，化学反应如下：
水蒸气H2O＞800℃（裂解）氢气H2↑+氧气O2↑+吸收热量Q
焦油C6H8O＞800℃（裂解）可燃气体CnHm↑+残炭C-吸收热量Q
炽热残碳C与空气O2、水蒸气H2O等进一步发生还原化学反应，产生更多的可燃气体，化学反应如下：
残碳2C+空气O2一氧化碳2CO↑-吸收热量Q
残碳C+二氧化碳CO2一氧化碳2CO↑-吸收热量Q
残碳C+水蒸气2H2O氢气2H2↑+CO↑-吸收热量Q
残碳C+氧气2H2甲烷CH4↑-吸收热量Q
上述说明，垃圾气化过程是一个十分复杂的包罗万象的化学反应过程，其重要条件是为上述一系列气化反应提供稳定持续的化学反应温度。
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