摘要：生活垃圾焚烧采用炉排炉已成为行业的标准配置，本文通过对行业内几种常见焚烧炉结构的详细分析，从炉排形式、炉拱形式及炉内配风方式等多方面来说明这些因素对燃烧的影响，为该行业焚烧炉结构设计及优化提供理论参考。
1 概述
生活垃圾焚烧技术起源于欧洲，随后美国、日本等发达国家也相继研发出适合生活垃圾焚烧的各种炉型，但与我国生活垃圾与国外生活垃圾存在很大不同。
我国生活垃圾来源多样、成分复杂，其中厨余占有较大比例，加之饮食结构中水分较高，垃圾的含水量同厨余比例有着较高的相关性，生活垃圾中总体含水量高，一般为40%～60%，高于欧美国家10%～30%的水平；
我国的总体发展水平低于西方国家，纸类、塑料类等生活垃圾中的热量源比例低，而砖瓦陶瓷类的垃圾成分偏高，目前我国的生活垃圾平均热值（高位）在5337kJ/kg，且不可燃质的比例高。
同时，随着我国经济和社会发展水平的不断提高，城市生活垃圾中可燃质比例增加，垃圾的平均热值也会不断提高。
早期我国在引进国外垃圾焚烧炉时，有部分焚烧炉由于不能适应我国的垃圾特性，不得不对原有炉型进行改造，因此研究各大主流焚烧炉炉型及其各自的配风对燃烧的影响是十分必要的。
2 生活垃圾的燃烧过程
生活垃圾炉排炉焚烧技术是生活垃圾通过焚烧方式处理时使用最多、分布最为广泛的技术，其基本过程如图1所示。
图1炉排炉焚烧过程示意图
料仓中的生活垃圾经推料器推入炉膛中的炉排上，生活垃圾中的有机部分在炉排上充分燃烧转化为气体，可燃气体在上部炉膛中继续燃烧、燃尽，燃烧所产生的热量通过换热面进行回收，烟气被冷却，最终产生的烟气经过烟气处理设备净化后排入大气。
在炉排上，生活垃圾在进入炉排后，由炉排片运动的驱使向前移动，大体上经过干燥、热解、焦炭的燃烧以及燃尽四个过程后成灰。
图2炉排上生活垃圾燃烧过程
如图2所示，生活垃圾在炉排片的混合作用下，处在料层不同高度的垃圾得以在一定程度上实现上述过程同步进行，因而在炉排上可形成区别明显的几个区域：干燥区、热解与燃烧阶段、燃尽阶段。
3 垃圾焚烧炉的一般结构特点
垃圾焚烧的基本目的是实现垃圾减量、余热利用并消除有害物质，因而垃圾焚烧炉设计的基本要求是高燃烧效率、低污染物排放。
炉排炉是垃圾焚烧炉中最成熟的炉型之一，通过合理的炉排、炉拱设计和一次风、二次风布置，可以应对复杂多变的燃料性质，并降低NOx、二恶英、CO等污染物的排放，实现生活垃圾的清洁高效利用。
3.1 炉排
生活垃圾直接同炉排接触，在炉排上形成燃料层进行燃烧，炉排的设计主要考虑生活垃圾的充分燃尽、气体的燃尽，因此炉排需要具有以下几个功能：
（1）输运垃圾经过整个炉膛，使垃圾经过燃烧过程后减量化；
（2）垃圾的均匀分布，对垃圾的搅动、混合，并在垃圾燃烧过程中对其进行翻滚，可有效促进垃圾的干燥、热解和燃烧的过程，使垃圾燃烧充分，所需空气量少；
（3）输送并布置一次风（国内垃圾热值较低一般为热一次风）；
（4）控制生活垃圾在不同燃烧阶段的停留时间。
3.2 炉拱
炉拱是实现高效燃烧的关键结构，分为前拱和后拱。前拱的主要作用是辅助新加入的原料干燥和着火。
前拱本身并不产生热量，它的引燃作用主要在于通过吸收来自火焰和高温烟气的辐射热量，并加以集中辐射到新燃料上，使之升温、着火。后拱位于炉排的后部，其具体作用包括：
（1）引燃。一方面，输送高温烟气至前拱区，提高炉温、强化前拱的辐射引燃作用；另一方面，引导灼热炭粒（飞灰）至前端，并使之散落在新燃料上产生明火引燃效果，可称之为直接引燃。
（2）混合。后拱输送富氧的烟气至前拱区，使之与那里的可燃气体相混合，是炉内气体大尺度混合的主要方式。由于前拱一般不很长，因此后拱的输气路程较长。同时，由于后拱烟气的流动速度高，因而所产生的扰动混合也大。
（3）保温促燃。由于焦炭的化学活性较差，因此必须在炉排后部保持高温，才能保证那里以焦炭为主的燃料层的燃尽。后拱的存在，可有效地防止炉排面向炉膛上部放热，所以能有效地提高炉排后部的炉温。
3.3炉膛结构与配风
炉膛形式是影响主燃区燃烧的重要因素之一，炉膛形式与炉排上的焚烧相配合完成焚烧过程，也是进行燃烧优化的重要途径。通常依照炉膛结构（包括炉拱）与炉膛内一次风的流动形式将焚烧炉分为逆流式、顺流式、混流式以及二次流式焚烧炉，如图3所示。
图3炉膛结构形式
逆流式焚烧炉将燃烧区上方高温火焰向前驱使，使高温区更靠近入炉的垃圾，利于垃圾的干燥过程，特别适用于含水量高的生活垃圾。
顺流式焚烧炉的优点则在于其在燃尽方面具有极好的表现，热解阶段产生的大量的可燃气体在拱的导流作用下直接进入高温区，因而可燃气体的燃烧温度得到了保证；顺流式炉膛中燃烧产生的高温烟气会经过炉排的燃烬区上方，使炉排燃烬区的温度得到了提升，有利于剩余灰渣的燃尽。
但是顺流式炉膛对于生活垃圾的干燥作用较低，适用于低水分、高热值的垃圾。混流式焚烧炉将炉膛出口设置在炉排中部的上方，具有一定的灵活性，可根据生活垃圾的特性来调整具体的位置，热值高时出口可向尾部移动，热值低时出口可向进口处移动。
二次流式焚烧炉是将烟气的上方和下方隔开，同时具有顺流和逆流的效果，适用于垃圾性质变化较大的垃圾，我国目前使用的生活垃圾的焚烧炉大多采用此种方式。
生活垃圾焚烧炉通常除了炉排底部供给的空气外，在炉膛的上方还要喷入二次空气来实现可燃气体的燃尽。
首先，因为生活垃圾热解气体占生活垃圾质量比例较高，实现气体的燃烧，需要供给足量的空气，并有强度较高的混合效应实现可燃气体同氧气的混合；其次，较低的主燃区及总的空气过量系数有利于氮氧化物的控制，降低主燃区的空气过量系数、优化二次风来降低总的空气过量系数成为大多数焚烧技术发展的关键。
有的焚烧炉采用了部分烟气再循环的方式来加强炉内气体的混合、进一步降低总的空气过量系数，并调节炉内烟气温度。下面分析几种典型焚烧炉的炉膛结构。
（1）A型炉炉膛结构与配风，如图4所示。
图4 A型垃圾焚烧炉结构
A型垃圾焚烧炉采用顺推炉排，可以分为干燥段、热解燃烧段和燃尽段，其中干燥段与热解燃烧段、热解燃烧段与燃尽段之间各设置一级阶梯，使得干燥后的垃圾经过跌落后进行翻滚与碰撞，防止垃圾抱团成块，使料层不断翻松、更为均匀，减少床层阻力，也有助于挥发份的析出与焦炭的燃烧。
另外，在干燥段与热解燃烧段采用倾斜炉排，在炉排推动和重力作用下不断翻滚、挥发份析出更为均匀，并具有较快的下料速度。
A型生活垃圾焚烧炉的前后拱呈“八”字，对炉排形成了有效的覆盖。其中，前拱可以将其从炉膛火焰中吸收的热量，通过再辐射的形式向湿垃圾传热，辅助干燥与着火过程；后拱遮挡了此部分炉排向换热面的传热、将高温区辐射而来的热量转移到炉排上提高了该区域的温度水平，有利于垃圾的燃尽。
前后拱之间向上呈收缩形式形成喉口，可将炉排前后端的剩余空气输送到燃烧段上方可燃气体含量高的区域，使烟气聚拢、提高了烟气的混合效果：
一方面有利于挥发分的燃尽，提高炉膛的整体温度，来促进垃圾的干燥热解过程；另一方面将后端过氧区生成的NOx与前端缺氧区的NOx前驱物（NH3与HCN）混合，实现烟气中NOx的自身脱除。
A型垃圾焚烧炉所采用的炉排片开孔率低，风仓风压大（1～2kPa），通过炉排片的风速高，这样炉排片本身的空气阻力系数对总阻力系数占主要贡献。即使料层局部的阻力系数发生变化，对总阻力系数影响不大，从而保证了炉排配风的均匀程度，垃圾在炉内的燃烧可同步进行。
A型采用的高速燃烧炉排片技术，减少了料层燃尽所需的空气量，可将床层所需的空气过量系数控制在1.2～1.3的水平上。
A型垃圾焚烧炉使用空气分级和烟气再循环的方式，在保证炉排末端垃圾和炉排上可燃气体燃尽的前提下，将总空气量中的一部分作为二次风在焚烧炉的上部送入炉膛，尽可能降低一次风的空气过量系数。
在拱的导流和流体自身混合作用下，干燥段和燃尽段炉排上的过剩空气在主燃烧区同热解燃烧段上方的可燃气体进行混合燃烧时，可以将整体氧浓度维持在一个较低的水平，实现NOx的低浓度排放。
（2）B型炉炉膛结构与配风。
B型垃圾焚烧炉属于顺推炉排。同其他顺推炉排不同的是，炉排片为纵向布置，即固定炉排列与活动炉排列交错布置，如图5所示，每列炉排片由多块相互搭接的炉排片构成，活动炉排片在推动垃圾的同时也对垃圾进行了松动，使气流均匀；活动炉排片同固定炉排片炉排中设置了两层阶梯落差，将整个炉排分隔为干燥、燃烧和燃尽三段，落差达到了1.3m，垃圾在炉排之间的落差段处跌落时能对结块的垃圾起到较好的破碎作用，有效改善同空气接触。
图5 B型垃圾焚烧炉结构
三个燃烧段炉排设置独立的液压驱动装置，活动炉排的最大行程为150mm，三个炉排面平行布置，倾角都为15°，每块炉排片前端面设置了风孔，一次风经此风孔进入炉膛。
B型垃圾焚烧炉的前拱类似于前述的A型生活垃圾焚烧炉类似：前拱通过从炉膛火焰中吸收的热量，以再辐射的形式向湿垃圾传热，加强干燥过程。后拱结构长而低，覆盖率高，非常高效地遮挡了此部分炉排向换热面的传热，保持燃尽段的温度，有利于剩余焦炭的燃尽。
前后拱之间形成喉口，可将炉排前后端的空气输送到燃烧段上方，使烟气聚拢、提高了烟气的混合效果。该炉拱的特点是：前拱较短、覆盖率较小；后拱低长，在利于焦炭燃尽的同时作为通道输送高温烟气至干燥段，加强原料的干燥并辅助着火。
在炉排的热解燃烧段与干燥段上方，由于该区域剧烈的挥发分析出，因而可燃气体含量较高。为了实现可燃气体的充分燃烧，B型垃圾焚烧炉设置了四处二次风喷口。
其中，二次风-1与二次风-2主要用于维持床层上方氧量，起到消烟的作用，并将床层析出的挥发分与空气均匀混合；二次风-3与二次风-4用于提供燃尽气相中可燃气体的空气量，实现可燃物的充分燃尽。
（3）C型炉炉膛结构与配风。如图6所示是C型垃圾焚烧炉的结构示意图，该垃圾焚烧炉的炉排结构是其最具特点的部分。该炉排属于顺推炉排。由结构相近的多级倾斜的模块化炉排组构成，炉排一个面布置．倾角为21°。
图6 C型垃圾焚烧炉结构示意图
每个炉排组模块包括2排固定炉排片、2排水平滑动炉排片和2排上下翻动的炉排片，每台焚烧炉一般由四个左右的炉排组模块组成，每个炉排组模块的框架两侧分别设置独立的三组液压，其中一组驱动炉排片的水平运动，另外两组分别驱动两行炉排片的上下翻转运动，翻转炉排片前端设置多个风孔，一次风燃烧空气从炉排底下经过该风孔进入炉膛，水平滑动炉排片做水平的运动，推动垃圾向前，其最大行程240mm。
作用为输送垃圾，翻动炉排片向上摆动的最大角度为30°，其作用是在此处实现垃圾在的翻动和并有利于之后的通风。
C型焚烧炉是唯一能够将输送动作（水平运动）、翻搅和通风动作（垂直运动）区分开的炉排控制系统，相互独立，操作灵活性高。其独特的炉排技术，使滑动炉排推动垃圾向前运动并决定了垃圾层厚度及停留时间；摆动炉排则起到搅动垃圾层的作用。
使系统很容易根据垃圾成份变化做出相应调整，特别适合于低热值、高水分的垃圾。C型垃圾焚烧炉的前拱较小，位置过高，其对料层的再辐射干燥和引燃性能不佳。
C型垃圾焚烧炉的后拱采用长而低的设计，保温效果好，整体上有利于焦炭的燃尽；后拱也能作为烟气通道，将后部富氧高温烟气导流至前端辅助热解、促进均相燃烧。此外，C型焚烧炉在喉口处设置了两个二次风喷口，有助于可燃气体与空气的充分混合与燃尽。
4 结束语
通过前文对几种典型炉排所具有的炉排结构、炉拱形式以及配风方式的分析，每种炉排都有其特有的结构特点，但其设计的宗旨是相同的。
（1）通过炉排的驱动形式、炉排的倾角以及炉排上各种辅助结构使得炉排上方垃圾料层能够分布均匀；
（2）通过前后拱的合理设置，充分发挥辅助着火燃烧、导流炉内烟气的作用，并形成喉口、加强湍动，配合二次风或循环烟气以保证燃尽；
（3）通过合理的一次风进风口布置形式，保证垃圾料层燃烧过程得到充足的氧量，并配合二次风以及烟气再循环风等实现炉膛中可燃气体的充分混合，使得热解段大量析出的可燃气体能够充分燃尽，同时降低整个燃烧过程的过量空气系数。