焚烧炉的工作原理是什么

焚烧炉工作原理深度解析：从机械运动到热力控制的系统工程

焚烧炉作为固体废物无害化处理的核心设备，其工作原理融合了热力学、流体力学与燃烧学等多学科知识。本文以机械炉排炉、流化床焚烧炉、回转窑焚烧炉三大主流技术为切入点，系统解析焚烧炉的物理过程、化学转化与热能利用机制。

一、机械炉排炉：机械运动驱动的分层燃烧体系

机械炉排炉通过炉排的往复或滚动运动实现垃圾的干燥、燃烧与燃尽三阶段控制，其核心在于通过机械结构优化垃圾与空气的混合效率。

（一）燃烧阶段动态控制

垃圾进入炉排后依次经历三个物理化学过程：

干燥阶段：垃圾在炉排初始段接受炉壁辐射热与一次风对流热，水分含量从45%-55%降至20%以下。上海老港再生能源利用中心通过炉排分段控温技术，使垃圾层温度在8分钟内从室温升至200℃。

：当垃圾温度达到燃点后，二次风从炉排上方以15-20m/s速度喷入，形成湍流度达0.8以上的混合环境。深圳老虎坑环保电厂采用逆推式炉排，使垃圾在燃烧区停留时间达45分钟，确保挥发分充分裂解。

燃尽阶段：残余固定碳在炉排末端与三次风充分接触，通过调整炉排倾角（通常5°-8°）控制灰渣热灼减率低于3%。

（二）热力系统耦合设计

炉排下方布置的膜式水冷壁吸收辐射热，产生4.0MPa、400℃的中压蒸汽。杭州九峰环保能源项目通过优化炉排间距（前段300mm，后段200mm），使燃烧室热负荷达2.5×10⁵kJ/m³·h，较传统设计提升18%。

（三）技术优势与局限

优势：单台日处理量可达1200吨，燃料适应性广（热值4000-6000kJ/kg），运行稳定性高（年运行8000小时以上）。

局限：炉排片磨损率达0.2mm/千小时，需采用Cr25Ni20耐热铸铁材质；NOx初始排放浓度达300mg/m³，需配套SNCR系统。

二、流化床焚烧炉：气固两相流的湍流燃烧机制

流化床技术通过石英砂介质实现垃圾的快速干燥与高效燃烧，其核心在于构建稳定的流态化燃烧环境。

（一）流态化燃烧过程

介质预热阶段：底部布风板以20m/s速度鼓入200℃热风，使650-800℃的石英砂层形成直径0.5-2mm的气泡流。

垃圾投入与混合：破碎至粒径≤15cm的垃圾从顶部投入，在0.3-0.5m/s的表观气速下实现悬浮燃烧。广州李坑环保电厂数据显示，垃圾停留时间缩短至8-12分钟，燃烧效率达98%。

分离循环系统：旋风分离器捕获粒径＞0.1mm的砂粒，通过返料腿实现95%的介质循环率。

（二）热工参数精准控制

温度场调控：通过调节二次风比例（通常占总风量30%-40%），维持燃烧室温度在850-900℃。

氧浓度优化：采用激光氧分析仪实时监测，保持烟气含氧量6%-8%，确保CO排放浓度＜50mg/m³。

压力平衡：通过变频风机实现炉膛负压-50至-100Pa控制，防止粉尘外溢。

（三）技术特性分析

：燃烧效率高（未燃尽率＜2%），负荷调节范围大（50%-110%），二噁英排放浓度稳定在0.008ngTEQ/m³以下。

：电耗较炉排炉高25%-30%（风机功率达800kW），砂子年补充量达15吨，石英砂磨损率导致设备维护成本增加。

三、回转窑焚烧炉：旋转运动的热解气化复合体系

回转窑通过筒体旋转实现垃圾的均匀混合与分级燃烧，其技术核心在于热解区与燃烧区的功能分区。

（一）旋转燃烧动力学

热解阶段：垃圾在窑体前段（占长度40%）经历600℃缺氧环境，产生含CO、H₂的合成气。北京鲁家山项目通过调节窑体转速（0.5-2r/min），控制热解产物中焦油含量＜50mg/m³。

燃烧阶段：中段（30%长度）喷入二次风，使气相温度升至1100℃，固定碳燃烧效率达99%。

熔融阶段：后段（30%长度）通过耐火材料蓄热，使灰渣熔融成玻璃态物质，重金属浸出浓度＜0.1mg/L。

（二）热能回收系统设计

余热锅炉：采用膜式水冷壁结构，产生5.3MPa、485℃的过热蒸汽。

空气预热器：利用烟气余热将一次风温度从20℃升至200℃，降低燃料消耗率12%。

急冷塔：通过双流体喷嘴实现烟气从550℃到200℃的快速冷却，抑制二噁英再合成。

（三）技术适用性评估

：设备利用率高（年运行8500小时），灰渣含碳量＜1%，对高水分垃圾（含水率＞55%）处理能力强。

：单台处理量受限（通常＜200吨/日），低热值垃圾需掺烧15%-20%的煤或生物质，维护周期短（每3个月需停炉检修）。

四、技术演进方向：智能化与资源化融合

当前焚烧炉技术发展呈现三大趋势：

智能控制系统：应用数字孪生技术建立燃烧模型，深圳能源环保公司通过AI算法实现炉温波动控制在±5℃以内。

资源化利用：熔融炉渣制备路基材料技术成熟，北京绿色动力项目实现炉渣利用率92%。

低碳化改造：耦合碳捕集系统（CCUS），上海黎明环保厂试点项目实现二氧化碳捕集率85%。

结语

焚烧炉的工作原理本质是物质转化与能量传递的动态平衡过程。从机械炉排炉的分层燃烧到流化床的湍流混合，再到回转窑的热解气化，每种技术路线都体现了对燃烧三要素（温度、时间、湍流度）的精准控制。随着"双碳"目标推进，焚烧炉技术正从单一处理向"处理+能源+材料"的综合利用模式转型，这要求工程师在热力学计算、材料科学与自动化控制等领域实现更深度的技术融合。