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炉排型生活垃圾焚烧炉的设备及应用

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学社问答 发表于 2019-9-28 09:31 | 显示全部楼层 打印 上一主题 下一主题
分析了四种生活垃圾焚烧炉的特点。以某市生活垃圾焚烧发电项目为例,介绍了新型炉排型生活垃圾焚烧炉设备,采用“顺推干燥+逆推燃烧燃尽”结构设计、烟气循环烘干的工艺设计,并采用计算机CFD技术对炉排炉燃烧场进行数值模拟分析,技术先进、运行稳定,适合我国城市生活垃圾、城市污泥、餐厨垃圾等无分拣的混合型垃圾处理。/ a/ f6 x7 g( d; o* ^2tech.cn

/ J8 F. z' ]/ Y4 B2016年12月31日,国家发展和改革委员会、住房和城乡建设部联合印发《“十三五”全国城镇生活垃圾无害化处理设施建设规划》指出:全国城镇生活垃圾处理设施采用技术,2015~2020年,垃圾焚烧所占比例由31%提高至54%。“十三五”全国城镇生活垃圾无害化处理设施建设总投资为2518.4亿元。相比生活垃圾填埋,生活垃圾焚烧发电具有无害化、资源化、减量化、稳定化等特点,高效、环保、且有显著的经济效益。
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我国生活垃圾的组成复杂、热值低、灰分大,垃圾量随季节性变化较大,垃圾热值的高低也受之影响。影响垃圾焚烧的主要因素有停留时间、燃烧温度、湍流度和过量空气系数。3 N5 _3 q  [; {" ~9 ^2tech.cn
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停留时间一是指垃圾在焚烧炉内的停留时间,即垃圾进炉焚烧至炉渣从炉内排出所需的时间,其影响焚烧残渣的热灼减率和焚烧去除率;二是指垃圾焚烧烟气在炉中停留的时间,即垃圾焚烧产生的烟气在炉中所需时间,其影响燃烧效率、焚烧去除率和二英的分解率。垃圾在焚烧炉内停留时间越长,燃烧越充分,二 英分解越彻底,焚烧炉的体积越大,设备要求越高。
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垃圾燃烧过程要求控制适宜的燃烧温度,因为燃烧温度过低,会使垃圾燃烧不完全,产生二 英;燃烧温度越高,燃烧反应速度越快,但过高的燃烧温度会加快焚烧炉的内壁和炉内机械结构的腐蚀速度,影响炉壁的使用寿命及炉内机械的运行,还会促进氮氧化物的生成。' b% Y4 b7 _, l1 s( Y1 [$ l; _2tech.cn
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焚烧炉是垃圾焚烧处理工艺中的核心设备,其对整体工艺路线、焚烧效果、工程造价、经济效益等,都起着重要的作用。# Q' \0 m! y. R, M( g2 {2tech.cn

, o* {$ C4 V, Y# p0 y1 工程概况
" z6 \" @  J! G3 K+ G% N
* @! h) \; p5 W% r6 @1 l8 c, U某市建立城市生活垃圾焚烧发电厂项目,设计生活垃圾总处理规模为1500t/d。一期规模为1000t/d,建设两条2×500t/d的生活垃圾焚烧线及余热锅炉+1×18MW凝汽式汽轮发电机组。机、炉的参数选定为中温、中压(锅炉4.0MPa、400℃;汽机3.83MPa、395℃)。预留1×500t/d的生活垃圾焚烧线及配套系统扩建场地。! q. j3 W5 K. P  [6 E2tech.cn
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2 技术分析7 |: O% e# y, @" h6 H/ _2tech.cn

/ j4 \% ^9 U5 X, A  _0 O3 H生活垃圾焚烧处理是指垃圾与一定量的空气在焚烧炉内进行氧化燃烧反应。生活垃圾焚烧技术主要有4种:炉排炉层状焚烧技术、水泥回转窑燃烧技术、流化床焚烧技术和静态热解炉焚烧技术。对应的焚烧炉主要为机械式炉排炉、回转式焚烧炉、流化床焚烧炉、静态连续焚烧炉。  z! ~  t4 n3 T0 T4 E7 `0 _2tech.cn

; C  {. Z  q4 J* P# c# L( ]. f# A" I2.1 机械式炉排炉
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* i2 h- c* }/ R. S+ \( @6 e+ g4 l机械式炉排炉是目前世界上最常用、处理量最大、适用性最好的城市生活垃圾焚烧技术。机械炉排炉层状焚烧技术,垃圾不需要进行预处理,对垃圾热值适应性强,且维护简单,在欧美等发达国家广泛应用。机械式炉排炉的炉床由机械组成,炉温正常运行时维持在850℃~950℃,垃圾在炉排上依次通过预热干燥段、燃烧段和燃尽段。
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/ J3 L. U" P) i垃圾通过炉排间的相对运动翻动、搅拌并推向前进。机械式炉排炉单台炉处理量大,垃圾在炉内分布均匀,燃烧充分,运行时的给料情况可根据炉内垃圾焚烧状况调整,设备运行时间≥8000h,技术成熟。炉排的关键部件耐高温,对材质要求高,设备造价高。焚烧炉的占地面积较大。7 J) b/ a) P+ T: J2tech.cn
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2.1.1 马丁炉排炉
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3 Q. Q0 @: u8 p2 l$ p4 y! ~  `马丁炉排炉是逆推式炉排炉(如图1),炉排分为固定炉排和活动炉排两种。两种炉排按一定斜度依次排列。
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图1 马丁炉排炉3 [3 _6 h8 Y3 f  G+ s2tech.cn

' W9 Z& w' f, @  S垃圾在重力的作用下向下移动,活动炉排产生与重力方向相反的倾斜推力,使部分垃圾往炉排表面反向移动,使垃圾充分搅拌。向上滑动的物料与新加入的垃圾混合在一起,可缩短干燥和点火的时间。马丁炉排炉单台炉的处理量大,垃圾在炉内分布均匀,料层稳定,燃烧完全。" L4 b. a; o* a/ j9 v2tech.cn
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可根据炉内垃圾的焚烧状况调节炉排转速,控制垃圾在炉内的停留时间,直至燃尽。无需加燃煤,垃圾在炉排上燃烧,烟气中的粉尘含量低,减轻了烟气处理系统的压力,可降低运行成本。9 J6 K& R/ m: ]* l% r3 T2tech.cn
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2.1.2 二段式垃圾焚烧炉
" l! Q' C( M5 @. X3 K7 |9 ~" O
- |$ j6 Z- K" d& c二段式垃圾焚烧炉排分为顺推和逆推两个燃烧区域(如图2)。! x+ Q8 g+ L( f- _* }2tech.cn
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图2 二段式垃圾焚烧炉
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* H2 N2 o# f) I* q2 h垃圾进入炉膛后,落在倾斜的逆推炉排上。通过逆推炉排的活动炉排,垃圾在炉排上不断翻滚和搅拌,干燥、燃烧。在逆推炉排的末端,经过落差掉入顺推炉排上,继续燃烧至燃尽。灰渣由出渣机排出炉外。1 [; E& Y0 W) x: P( L3 G2tech.cn
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通过逆推炉排的逆向运动,垃圾层得到充分搅拌,料层平整,燃烧状态稳定,炉膛温度波动小。逆推炉排与顺推炉排之间设置有台阶,使垃圾进一步搅动,确保垃圾充分燃烧。采用逆推炉和顺推炉相结合,可保证垃圾焚烧的热灼减率。! p5 q. V3 U/ Q0 D/ O6 I+ J2tech.cn
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2.1.3 机械液压顺推炉排炉
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机械液压顺推炉排炉分为水平给料炉排和焚烧炉排两部分。垃圾通过料槽后,由水平给料炉排送到下方倾斜布置的液压顺推焚烧炉排上,炉排排面共有32排炉排片,分为5个炉排单元。# S2 {. q! v& H% J- C2 @2tech.cn
* s% a& n, e, m: `/ P. b/ J9 \2tech.cn
排面与水平面呈21°角。炉排分为预热干燥段、燃烧段、燃尽段。水平炉排片、上下翻动炉排片、固定炉排片组成一个动作单元,炉排片周期性的水平和上下翻动动作,使垃圾与一次风充分接触燃烧。液压系统控制每节炉排片的动作,并通过自动控制系统调节其频率,完成垃圾的焚烧过程。
  P$ `: F& c: K7 s- x0 A/ I, f0 r4 `* q' w: `2tech.cn
2.2 回转式焚烧炉$ X7 _6 A( W- F1 v0 N8 v2tech.cn

8 L0 Y5 B2 _7 b$ U* k/ }- x回转式焚烧炉利用水泥回转窑协同焚烧处理生活垃圾。水泥回转窑窑体为内衬耐火砖材料的钢制桶状设备,水平放置并轻度倾斜。筒体通过自身的回转混合搅拌炉桶内垃圾,使垃圾完全燃烧。垃圾进入回转窑后,干燥、燃烧、燃尽,最后排至排渣装置。% b1 K* ?- v: k  \* u% s2tech.cn

6 ~/ h8 `% d! a( C! M) s* |焚烧后的垃圾残渣作为熟料的一部分。回转式焚烧炉机械零件少,可长时间连续运行,故障率低,运行和维修费用少。通过炉体翻转,垃圾充分燃烧,避免产生废物未燃烧的死角。垃圾入炉前需进行严格的破碎、分选等预处理环节,结构尺寸较大、重金属含量较多、不明成分的垃圾严禁入炉。& _8 N5 J5 ^+ ^1 _6 Y2 Y2tech.cn

$ R9 g% z3 v+ Y+ h: ~5 p/ E预处理工序复杂,垃圾处理能力扩容困难,工作环境恶劣。回转式焚烧炉对热值较高的工业固体废弃物的焚烧使用较多,对于热值低的生活垃圾燃烧较困难。
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2.3 流化床焚烧炉5 y% c6 E: g, k' N/ q) o2tech.cn

4 k* w- w# a' [) J/ h8 W流化床焚烧炉采用流态化技术进行生活垃圾燃烧,炉内是固定多孔布风板,炉内加一定量的石英砂粒作为热载体。空气由布风板进入炉膛,通过调节空气量使砂粒加热至600℃以上处于流化状态。正常运行时,炉温维持在850℃~950℃。8 e9 _6 T5 `/ }2tech.cn
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经破碎的垃圾投入炉内后,与热载体充分混合而升温、干燥、焚烧、燃尽;燃烧稳定且速度快,燃烧完全,对垃圾变化的适应性好,燃烧残余物的热灼减率低;能保证炉温均匀,不易出现局部过热现象;对入炉垃圾的热值要求不高;流化床焚烧炉的炉内无运动部件,结构简单、维修方便。5 s; T, ]% k3 ^# {4 H2tech.cn

; `' ~  {( V/ W但流化床单台焚烧炉的处理能力较小;入炉前需对垃圾进行筛选和预处理;需设置垃圾破碎装置;烟气中的粉尘含量大,加重了除尘器负担;飞灰量大,增加了处理费用,对烟气处理系统要求较高。. V8 L7 T1 J( j2 o5 X: E  k1 q2tech.cn

! }6 D& s" K1 V, }6 [& i2.4 静态连续焚烧炉, @3 g' n5 y8 Q7 a2tech.cn

* y% t' s6 z1 ^静态连续焚烧炉的主要组成部分包括液压进料装置、一次燃烧室、二次燃烧室、空气供给系统及自动清灰装置。静态炉的工作分为热分解和氧化两个阶段。两个阶段分别在不同的室内完成。! {. l- q8 ~8 V7 F1 A2tech.cn
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一次燃烧室的炉温较低,供气较少,垃圾进入一次燃烧室后,当炉内温度达到500℃~550℃时,会自动控制其进气量,使垃圾在缺氧高温状态下,进行静态缺氧热解,以抑制某些酸性气体及飞灰的形成。热分解后,高温烟气进入二次燃烧室,并与充足的空气进行氧化燃烧,产生高温。5 C+ y" O0 A: Q+ Q2tech.cn

6 K+ I0 v  c( K8 p静态连续焚烧炉的占地面积较小,燃烧完全,设备结构简单、维修方便、投资较低、运行费用少;当垃圾热值偏低或含水量过高时,需加入较多的辅助燃料;热解-氧化控制范围小,对控制系统的可靠性要求高。
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精彩评论3

 楼主| 学社问答 发表于 2019-9-28 09:33 | 显示全部楼层
3 某项目的技术选择及技术特点& l4 i- Q: [; q% c2tech.cn

& f; Q( O1 O4 j  y: d根据《城市生活垃圾处理及污染防治技术政策》,垃圾焚烧目前宜采用以炉排炉为基础的成熟技术,审慎采用其他炉型的焚烧炉。禁止使用不能达到控制标准的焚烧炉。结合某市的生活垃圾日处理量及垃圾具高水分、低热值、没分拣的特点,选用机械炉排炉层状焚烧技术二段式机械焚烧炉。* t( U& |1 U' b2tech.cn
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某项目一期两条2×500t/d的生活垃圾焚烧线路焚烧炉是在世界先进垃圾焚烧技术的基础上,结合国内生活垃圾的特点和燃烧情况研发的复合式机械炉排炉,采用“顺推干燥+逆推燃烧燃尽”结构设计和烟气循环烘干的工艺设计,运用计算机CFD技术对炉排炉燃烧场进行数值模拟分析。
) }: [$ o) H9 c1 d, C. t) K; ~9 [! y2tech.cn
3.1 “顺推段干燥+逆推段燃烧”结构设计
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复合式机械炉排炉主要由进料装置、推料装置、顺推干燥炉排、逆推燃烧、燃尽炉排、落渣灰斗、出渣机及液压站等组成。
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! W) h4 ]" E% `$ x3 ~垃圾车经地磅秤称重后进入垃圾卸料平台,卸入垃圾贮坑。封闭式的垃圾贮坑正常运行时为负压,确保坑内臭气不外逸。垃圾在垃圾贮坑内存放发酵后,通过垃圾吊车抓斗进入焚烧炉给料斗,经溜槽进入焚烧炉内。垃圾先进入顺推炉排干燥。顺推炉排固定炉排片和移动炉排片组成,固定炉排片和移动炉排片交替排列。! K9 r9 e( o" U) P% K2tech.cn
" b0 U- j# P1 U, c) Y# c2tech.cn
进入炉排的垃圾含有大量水分,重量大,顺推炉排能承受较大负载,炉排面积大,便于垃圾烘干。垃圾烘干后,进入逆推排炉。顺推排列与逆推排炉间存在落差,落差使垃圾跌落翻转,打散大块的垃圾,保证垃圾燃烧更充分。. R) `" ?2 y5 o! e: Z2tech.cn
9 ?" K+ ?0 W+ i7 N9 a- q5 W; a2tech.cn
逆推排炉的炉排片也有固定炉排片与活动炉排片依次排列组成。垃圾在重力和炉排片的推力作用下以螺旋形翻搅方式前进。垃圾与空气充分接触,燃烧更彻底。顺推段干燥+逆推段燃烧的结构设计,缩短了垃圾干燥时间,增大了干燥面积,可保证垃圾在逆推段充分燃烧。- m6 U( H* f' \2 R9 `2tech.cn
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针对炉排密封风密封结构与连杆接触位置易产生间隙,密封效果不佳的问题,特设计了滑块结构的炉排密封风密封装置。滑块随连杆的运动而往复移动,可确保密封结构与驱动连杆的接触位置不产生间隙,密封效果好。
+ x0 H- E+ a# N6 F
, g' ]  f* `- j' ~0 }3.2 烟气循环烘干式工艺设计% K% \3 |- U# y2tech.cn

% \1 R) s5 ]* o5 Z+ s垃圾经过进料装置、推料装置进入顺推干燥段炉排,由于生活垃圾含水率高、热值低,垃圾在顺推干燥段炉排烘干助燃。垃圾燃烧的助燃空气一次风取自垃圾池,经蒸气空气预热器加热后送入炉内。垃圾烘干后进入逆推燃烧段炉排焚烧。) c5 V0 U' k& I! K( z1 ~/ g# \+ G2tech.cn

, ~' s; Y" H: @' o( R垃圾加热挥发的可燃性气体正常燃烧需5%~10%的氧气,空气中的含氧量约为21%,炉内的可燃性气体与过量的氧气燃烧会产生大量的氮氧化物,增加烟气净化系统的负担,污染环境。垃圾燃烧产生的烟气温度在850℃~1000℃。烟气通过余热锅炉过热器回收烟气的热量。
$ D& H9 w( T7 G& H3 C3 F/ l1 S' p7 _8 W" v0 |8 s2tech.cn
从烟气排放通道连接端到外端,锅炉过热器的烟气温度呈线性递减。与空气连接端排出的烟气温度小于100℃。因此,二次风从锅炉房上部锅炉过热器内300℃~400℃温度区引出,加压后进入炉膛。
% T+ U9 i- c! ^2 R8 b$ G$ q8 Y5 L( x4 J2 a6 r$ `, x# f. y/ _2tech.cn
二次风的含氧量小于空气的含氧量,含氧量为8%~10%。垃圾通过300℃~400℃的温度烘干后,烟气中的含氧量与垃圾中的可燃性气体可以充分燃烧,可有效减少因氧气过量产生的氮氧化物,实现烟气循环利用。! r. S& V  P7 u' _& ]% T9 o2tech.cn
3 ]& k' r7 D$ c  z3 W2tech.cn
3.3 计算机CFD技术数值模拟分析3 ^4 _4 l8 L6 U: g. R* ]4 h2tech.cn

7 b; Z+ y) X8 r( V: VCFD,即计算流体动力学, 以计算机为工具,应用各种离散化数学方法,对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究,已广泛用于大气环境、航空航天、传热及化学反应等工业领域,解决黏性流体的流动问题。可以利用CFD对大型垃圾焚烧炉的速度、温度、速度矢量和浓度场等进行数值模拟计算。
$ i+ \  r) E" }2 Q
6 p& a+ D3 P/ e) v' {根据炉排炉床层固相燃烧、床层上方气相燃烧的特点,采用分块模拟,建立三维立体模型,并对参数变化梯度较大的区域进行网格加密。焚烧炉二维模型和中心纵截面三维网格分布图如图3所示。& U1 K3 T! I' E" x$ E8 J0 N2tech.cn
  f  J5 T# u' W7 y8 R2 Y& B2tech.cn
环境学社1.jpg
. ?! l6 E/ `* L3 J$ s3 n; o6 M7 E
2 N2 j- q$ }4 M! X: v图3 焚烧炉二维模型和中心纵截面网格分布图' O$ z4 J8 g# P7 p8 D, V2tech.cn
6 n$ m4 z5 p5 ]; M2 @* p2tech.cn
焚烧炉二次风纵截面的速度分布图如图4所示。
/ Z2 J0 _5 F( `5 q0 w- i" Z 环境学社2.jpg 4 T# b  K# `( X, m. ~, H2tech.cn

) B$ Z; n- _0 v3 Z图4 焚烧炉二次风纵截面的速度分布图
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8 `1 n3 _; S$ C- K! d; q
 楼主| 学社问答 发表于 2019-9-28 09:38 | 显示全部楼层
由图3、图4可知,二次风喷射的动量可以穿透一定的炉膛深度,有利于炉内的烟气混合,促进垃圾的燃烧,提高燃烧效率。焚烧炉炉膛中心纵截面温度分布图如图5所示。
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9 o3 P  R+ T4 D$ s" A/ l) K( ?
/ n* R+ Q* j" I3 H1 w0 k! F; L图5 焚烧炉中心纵截面的温度分布图
5 }% d" j8 Z. Q& t- D% ~- _& C3 H1 P# h; d2tech.cn
由图5可知,顺推干燥段温度为850℃~900℃,逆推燃烧段的前半部分温度为950℃~1100℃。说明采用烟气循环烘干技术,垃圾在顺推干燥段完成垃圾烘干,在逆推燃烧段的前半部分烘干后的垃圾得到充分燃烧。保证热灼减率≤2.6%。  V6 C- p9 T4 {, Q( t2tech.cn
4 Q: R, J$ P% a: `, ^8 r$ d2tech.cn
图6~图9分别为热态计算后炉膛中心纵截面O2、CO、CO2、H2O分布图。7 _, l; Q. _6 w5 }- R7 s2 [2tech.cn
' U6 }- e% F  w& j2tech.cn
环境学社2.jpg . l) Z' x0 b3 V5 s2tech.cn

+ _) b/ ~, @2 `- W1 ~; ]图6 炉膛中心纵截面的O2分布图
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图7 炉膛中心纵截面的CO分布图
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环境学社4.jpg & ?4 K# @0 S/ I; ~; v2tech.cn
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图8 炉膛中心纵截面的CO2分布图
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环境学社5.jpg " E4 `6 W: ?" t; `- a0 y3 ]2tech.cn

8 m. U. e6 k3 `! [2 U; V图9 炉膛中心纵截面的H2O分布图
. F" T" A. T% _+ z& |
/ f$ P+ Y. P. o* n( E; e由图6~图9可知,采用烟气循环的二次风入口含氧量较低。氧气量主要集中在逆推燃烧段。说明采用烟气循环烘干式技术可以控制含氧量在8%~10%,有效减少因氧气过量产生的氮氧化物。顺推干燥段的后端与逆推燃烧段的前段是挥发性气体的析出区域,此处CO分布集中,其他位置的CO浓度较低。顺推干燥段的CO 2 浓度最高,随炉排长度方向,CO 2 浓度和H 2 O逐渐减小。说明垃圾在顺推段干燥,含水率减少,在逆推燃烧段燃烧燃尽。
  `3 {& y) R; I0 l( O( z3 }+ r! ^5 F
6 F" C* U! P8 v( ~' D9 d: k3.4 主要参数(见下表)# @& @! ^$ g; i0 o2tech.cn
- Q0 u" O$ r  B! ~3 E2tech.cn
复合式机械炉排炉主要参数表- C; ~6 o9 n$ P* U* s" D4 g2 [) n1 c0 @2tech.cn

$ R. v+ P9 c  G4 E 环境学社7.jpg
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3.5 运行情况0 W7 p. d/ f  F2tech.cn
! A/ _4 u1 ]: [# h% a* D2tech.cn
该生活垃圾焚烧发电项目于2016年12月竣工并投入试生产,焚烧炉与环保配套设施运行正常。经现场监测,工程排放的废气、锅炉排水、循环冷却水排水、噪声各污染因子均符合国家相关环保标准限值要求,固体废物得到妥善处置。
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 楼主| 学社问答 发表于 2019-9-28 09:38 | 显示全部楼层
分析了城市生活垃圾焚烧中常用的机械式炉排炉、回转式焚烧炉、流化床焚烧炉、静态连续焚烧炉的特点。以某市生活垃圾焚烧发电项目为例,介绍了新型炉排型生活垃圾焚烧炉设备的特点。0 ]1 H" ]7 H) Q5 t7 |; |2 k- I! t2tech.cn
6 e7 V8 u0 y0 f' r7 }2tech.cn
该新型机械式炉排炉采用“顺推干燥+逆推燃烧燃尽”结构设计和烟气循环烘干的工艺设计,并采用计算机CFD技术对炉排炉燃烧场进行数值模拟分析,焚烧炉技术先进,运行稳定,适合我国城市生活垃圾、城市污泥、餐厨垃圾等无分拣的混合型垃圾处理。
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