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《装备维修技术》2021年第9期
吴 健
（江苏天楹等离子体科技有限公司上海分公司，上海 200000）
摘 要：本文简述二燃室的作用，基本设计思路及设计要点，结合某项目的实际输入数据进行危险废弃物焚烧炉二燃室的设计，并从项目实际运行状况验证设计的正确性。
关键词：二燃室；热工计算；容积热密度；烟气停留时间 0. 概述
二燃室是废弃物焚烧系统的主要组成设备，一般废物焚烧处置系统如垃圾焚烧处理线、废弃物热解系统、回转窑协同处置危废系统、废弃物熔融处置系统都会设置二燃室，其作用为废弃物焚烧炉出口烟气的热氧化，烟气中未燃尽的有害物质在二燃室中进一步销毁，以达到排放要求。根据《危险废弃物焚烧
污染控制标准》（GB18484-2020）的相关要求，为保证二燃室内有害物质被彻底销毁，二燃室内烟气温度不低于1100℃，烟气停留时间大于等于2s 。二燃室出口烟气为两部分组成：一部分为危险废弃物焚烧过程产生并经二燃烧室氧化后的烟气，另一部分为二燃室燃烧器产生的烟气。
1. 二燃室设计基本思路
1.1 二燃室系统的设计范围
不同的废弃物处理系统，二燃室的结构，形式都不相同，常见
的二燃室为圆筒形，分立式和卧式两种，具体形式需根据工艺需求
确定。二燃室的设计范围一般包括炉膛尺寸计算、二燃室烟气入口和烟气出口尺寸计算、耐火材料选型及结构设计、燃烧系统的系统的设计。
1.2 二燃室系统的设计思路一般情况下二燃烧室的主要设计思路包括如下几个步骤：1.根据入口烟气中可燃气体的组分、烟气出口含氧量的要求、出口烟气
温度计算配风量、出口烟气总量、出口烟气总焓值；2.根据二燃烧室出口烟气总焓值以及二燃室容积热负荷计算二燃室的有效体积；3.根据二燃室出口烟气流量以及二燃室的有效体积计算烟气停留时
间；4.根据烟气停留时间计算二燃室所需高度；5.根据二燃室的有效体积及有效高度计算二燃室的直径；6.根据进口烟气中的酸性气
体组分，综合分析选定二燃室炉壳设计温度；7.根据二燃室内烟气
组分选择合适的耐火材料；8.根据炉壳设计温度，二燃室内径，设
计计算耐火材料各层厚度及温度分布；
在设计之前需参照一些的标准和相关经验数据来设定一些参数，这些参数主要包括烟气在高温段的温度T 、烟气在高温段停留时间t 、炉膛的容积热负荷q 、烟气流速v 。前2个参数在《危险废弃物焚烧污染控制标准》（GB 18484-2020）[1]中有规定，即T ≥1100℃，t ≥2s ，但并不是烟气温度T 无限高于1100℃都可以，需结合耐火材料的选型、设备高温强度、能源消耗、NOx 生成温度等综合因素选择合适的温度范围，一般在设计过程中，二燃烧室高温段烟气温
度T 控制在1100~1200℃；烟气停炉时间t 也不是无限高于2s ，需考虑工况波动、烟气中可燃气体充分燃烧、厂房等客观条件限制等因素，一般选取2~3s 比较合适；二燃室的容积热负荷q ，烟气流速v 可参考《固体废弃物处置与资源化》中给定经验，q 值范围取330~630x103kJ/（m³·h ），烟气流速v 的取值范围为3~7m/s [2]。
2 设计实例碳膜电位器
某危废焚烧炉入炉物料有三种不同的配伍，通过热力学模拟计算软件FactSage 可以得到焚烧炉出口烟气相关参数如表1所示，焚烧炉出口烟气即为二燃室入口烟气，可根据表1中的数据作为二燃室的输入条件进行二燃室的基本设计。
表1 二燃室入口烟气参数表
烟气浓度（g/Nm 3） 最小工况设计工况最大工况1200℃1200℃1200℃CO 2482.4446.96353.3
H 2O 307.4149.03189.2NaCl 3.757.01=8.18
KCl 1.95 2.65 4.79CO 21.3866.52135.1
HCl 4.09111.2452.21H 20.731 1.198 3.46
H 2S 0.040430.48 5.55SO 27.548.139.47
SO 30.00110.00160.0003O 20.00070.00060.0001
N 2124.8101.5119.6NO 0.000130.00060.0007
入口烟气体积流量，Nm³/h 473.76666.92823.82.1 二燃室出口烟气参数计算
在进行热工计算之前，先设定烟气出口氧含量为9%（干
基），从表1可知，烟气中可燃性气体主要包括CO 、H 2、H 2S ，三
种可燃性气体与O 2完全燃烧的化学反应方程式分别为CO+
1
2
O 2=CO 2、H 2+12O 2=H 2O 、H 2S+3
2
O 2=H 2O+SO 2，由反应方程式可知1molCO 、H 2、H 2S 完全燃烧所需氧量分别为0.5mol ，0.5mol ，1.5mol ，根据表1的数据计算入口烟气中可燃气体成分的摩尔量和理论配风量，计算结果如表2所示：超滤膜清洗
表2 二燃室入口烟气可燃气体摩尔量和理论配风量计算
可燃气体单位可燃气体摩尔量低位热值（MJ/Nm³）
最小工况设计工况最大工况CO kmol/h 0.3617 1.5844 3.794812.636H 2kmol/h 0.17320.3995 1.424410.786H 2S kmol/h 0.0006
0.59790.1344
23.383
单位，kmol/h
可燃气体单位理论配风量最小工况设计工况最大工况CO Nm³/h 4.048817.7444.51H 2Nm³/h 1.9394 4.4715.95H 2S
Nm³/h 0.0188220.08 4.5167理论配风量合计
Nm³/h
28.62
大理石测量平台
201.47
309.46
单位，Nm³/h
根据理论配风量，出口氧含量9%（干基）反向计算实际配风量；查无机盐热力学手册及通用烟气焓值，采用内插法计算计算入口烟气总焓值；将入口烟气总焓值加上可燃气体反应热得到燃烧后烟气总焓值；炉膛散热按经验值取出口烟气总焓值的5%，计算出口烟气焓值；根据出口烟气焓值、查询无机盐热力学手册及通用烟气焓反向计算出口烟气温度，可以得到出口烟气参数，如表3所示：
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工装设计
表3 二燃室出口烟气参数
计算项目单位最小工况设计工况最大工况入口烟气温度℃100010001000入口烟气焓值kJ/h 1436548.633021407.723409422.84理论配风量Nm³/h 28.62201.47309.46实际配风量Nm³/h 249.93615.94860.14燃烧后总焓值kJ/h 1507489.78
3243328.23537092.51
散热损失5%5%5%出口烟气焓值kJ/h 1432115.313081161.793360237.88出口烟气量Nm³/h 516.4967.111284.92出口烟气温度℃
1148.631180.241194.32出口氧含量
9%
9%
9%
2.1 二燃室尺寸计算
按照表3设计工况条件下烟气参数计算二燃室尺寸，基本计算
步骤包括：将烟气量由标方折算成实际状态体积；选取合适的容积
热负荷，考虑烟气的充分反应，炉膛结渣两方面的因素，一般按上限值的减少10%选用[3]，计算二燃室的有效体积；计算烟气停留时间；计算二燃室的高度；计算二燃烧室的直径；各步骤的计算公式和
计算结果见表4：
表4
设计工况条件下二燃室尺寸计算
设计工况条件下二燃室尺寸计算
出口烟气量Q Nm³/h 967.11出口烟气温度T ℃1180.24出口烟气实际焓值h kJ/h 3081161.79折算烟气量Q 折m³/h 5148.14Q 折=
容积热负荷q kJ/（m³·h ）567000
按经验值上限减10%
取值 二燃室有效体积V m³ 5.43V=
烟气停炉时间t s 3.8t=
烟气流速v m/s 2 二燃室高度H
m
7.6
H=vt 二燃室直径d m 0.95 d= 设计校核：按设计工况计算得到的二燃室体积，分别计算最小工况条件及最大工况条件下烟气在炉内的停留时间和二燃室的容积热负荷，计算结果如表5所示：表5
氚电池
最小工况和最大工况校核
单位最小工况最大工况计算公式
出口烟气量Nm³/h 516.41284.92出口烟气温度℃1148.631194.32折算烟气量m³/h 2689.126906.01
出口烟气焓值kJ/h 1432115.313360237.88二燃室有效体积m³ 5.43 5.43容积热负荷kJ/（m³·h ）
264293.8618828.33
烟气停留时间
s
7.27
2.83
校核结果分析：由上述校核结果可知，在最小工况条件，二燃室的容积热负荷偏小，需设置补燃烧嘴，补燃烧嘴的最小功率为（330000-264293）x5.43 /3600=100KW ，考虑一定的安全裕量，补燃烧嘴的总功率设置200KW ，分选4个50KW 的烧嘴，安装在炉壳四周，整个烧嘴的布置采用比较典型的四角切圆布置，以增强炉内气体扰动，保证烟气充分燃烧。
光纤熔接示意图烟气进口尺寸计算：二燃室入口烟道截面积S 入==0.499㎡，入口烟道直径d 入=
，取入口烟道
尺寸为0.8m
烟气出口尺寸计算：二燃烧室出口烟道截面积S 出=
，出口烟道直径d 出=
。
2.2 二燃室耐火材料结构设计
二燃室耐火材料采用比较常规的三层结构，最内层是工作层，主要承受烟气的高温和侵蚀作用；第二层是隔热层，因为工作层本身致密，导热率高，工作层两侧温差一般不大，此时需要选取
耐火度较高，同是又有一定保温效果的中质耐火材料，使温度降下来；第三层是保温层，可选用温度较低，但保温性能更好的耐火材料，把温度大幅度降下来。考虑到烟气中含有HCl ，SO 2等腐蚀性气体，当炉壳温度低于150℃时，会形成低温腐蚀区间，当炉壳温度在320~700℃时会形成高温腐蚀区间，本设计方案中炉壳温度按照150~180℃设计，根据此设计温度，炉膛尺寸，烟气成分，工作层耐火材料选择高铝砖LZ-65，隔热层选用粘土质隔热耐火砖NG-0.9，保温层选用陶瓷纤维毡，可满足需求。
3 二燃室实际运行状况分析
按照上述参数计算得到的二燃室，投入运行后，在日常巡检中，利用便携式测温测量二燃室不同位置的壁面温度，其均值在148.8~176.5℃之间；炉膛温度通过热电偶监测，长时间稳定运行过程中，热电偶监测到炉膛温度均值在1132.6~1200℃之间波动；通过CEMS 对排放物进行监测，污染物的排放浓度符合《危险废弃物焚烧污染控制标准》GB 18484-2020中相关规定，三个月内监测的污染物排放浓度如下表所示：
排放物名称
实测值折算值排放限值（GB 18484-2020）
烟尘 1.5mg/Nm³ 2.9日均值＜20mg/Nm³SO 23mg/Nm³ 4.3时均值＜100mg/Nm³HCl 1.4mg/Nm³ 5.8时均值＜50mg/Nm³CO 8.7mg/Nm³
1.9时均值＜80mg/Nm³NO X -
20.1时均值＜250mg/Nm³
氧含量浓度
9.40%
4 结论
1.一般危险废弃物焚烧炉炉内工况比较复杂，入炉物料会有多种不同的配伍，不同的物料配伍会使二燃室入口烟气参数不同，需根据不同的入口烟气参数计算二燃室出口烟气参数。
2.在进行二燃室尺寸设计计算前，需根据一些经验数据以及《危险废弃物焚烧污染控制标准》GB 184
滑动门技术84-2020需设定一些参数，如出口氧含量，炉膛容积热密度，烟气停留时间，烟气流速等，在设定这些参数后，先计算设计工况条件下炉膛的尺寸参数，再校核在最小工况条件以及最大工况条件下，计算结果是否合理。
3.二燃室投入运行后，炉膛温度必须控制在1100~1200℃，后端烟气的污染物的排放值必须符合GB 18484-2020《危险废弃物焚
烧污染控制标准》。
参考文献：
[1] 生态环境部，危险废弃物焚烧污染控制标准：GB 18484-2020[S].北京：中国环境出版集团，2020.[2] 赵由才，牛东杰，柴晓利.固体废弃物处置与资源化[M].3版北京：化学工业出版社，2012.
[3] 徐旭常，周力行.燃烧技术手册[M].北京：化学工业出版社，2007.
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