3.5 粉状有机废弃物旋风燃烧
采用悬浮燃烧方式，可以使有机废弃物品种的范围扩大，使炉子的操作实现机械化和自动化，并且可以适应炉子容量不断扩大的需要。虽然如此，但悬浮燃烧方式也有它的严重缺点，例如，因为烟气中含有大量的飞灰，占全部灰分的85%～90%，造成换热器和风机的磨损，而且有碍环境卫生，不得不装设复杂的除尘设备。此外，还需要复杂的制粉设备，增加了设备投资。为克服这一缺点，可采用旋风燃烧实现粉状有机废弃物的燃烧。
3.5.1 旋风燃烧
旋风燃烧是利用旋风分离器的工作原理，使燃烧空气流沿燃烧室内壁的切线方向以高达100～200m/s的速度做旋转运动，如图3-36所示，在离心力的作用下，有机废弃物颗粒和空气得以紧密接触并迅速完成燃烧反应。在这种燃烧方式下，不仅改善了有机废弃物和空气的混合条件，而且还显著延长了有机废弃物在燃烧室中的停留时间，因此可以将空气过剩系数降到1.05～1.1，并且可以燃烧粗粉或碎粒，从而可以简化甚至取消制粉设备。旋风燃烧法的突出优点是燃烧强度大，它的容积热强度可达到（12.5～25.1）×106kJ/m3，而且由于燃烧温度高，可以使渣熔化成液体排出，从而解决了由烟气飞灰所带来的一系列问题。
图3-36 旋风燃烧
3.5.2 旋风燃烧炉
旋风燃烧炉有卧式和立式两种结构形式，现以卧式旋风炉为例，将旋风燃烧室的有关特性说明如下。
卧式旋风燃烧炉的简单示意图如图3-37所示。有机废弃物碎粒由一次空气从旋风燃烧炉前的喷料器送入炉内，二次空气沿切线方向送入炉内，在炉膛内和有机废弃物碎粒强烈混合并燃烧。炉渣熔化成液态，在离心力的作用下在炉墙上形成液态渣膜。旋风炉可以水平布置，也可以向下倾斜5°～20°，使熔渣容易排出。
图3-37 卧式旋风燃烧炉示意图
旋风燃烧炉中的轴向速度有两个极大值，可将气流分为外层和内层两个区域。在外层气流中，越靠近炉墙，其切向速度越低。在气流中心处则相反，越靠近中心，切向速度越低。
有机废弃物碎粒由于离心力的作用，大部分集中在外层气流中，随着气流螺旋形前进，直到喇叭形的出口处所形成的旋风沟中。在旋风沟中，有机废弃物浓度很高，空气消耗系数远小于1，有机废弃物强烈气化，而且由于此处温度很高，因此化学反应速率很快。在悬浮燃烧炉中，有机废弃物和烟气的停留时间是相同的，而在旋风燃烧炉中，有机废弃物在炉内的停留时间大大延长，而且扩散掺混和燃烧过程特别强烈。
工业上实际采用的旋风炉，由于二次空气送入的方式不同，气流分布和燃烧情况不尽相同。图3-38给出旋风炉循环区的位置与气流入口位置的关系。当气流集中在旋风炉前部送入时，如前所述，外层气流的循环区位于旋风沟附近，燃烧过程主要也在那里进行。相反，如果将气流入口移到旋风沟中，则外层气流的循环区移到旋风炉前部，燃烧区的位置也随之改变。当气流由两端送入时，燃烧主要是在旋风炉中部进行。如果气流由中间送入，则前后都进行激烈的燃烧反应。由此可见，将气流集中到旋风炉前部送入是不恰当的，不能充分利用炉膛容积，只有出口部分有液体渣膜，前部的耐火材料容易磨损。将气流集中在旋风沟中送入的方式同样也是不恰当的，它将导致旋风沟中温度过分降低，影响液态渣的排出。比较合理的方式是将气流在中部送入，这时火焰充满炉膛，几乎全部炉墙都由液体渣膜包住。
图3-38 旋风炉循环区的位置与气流入口位置的关系
除了送风方式以外，旋风燃烧室的工作状态还和有机废弃物性质、灰渣成分及有机废弃物颗粒尺寸大小等因素有关。一般都将二次风嘴沿旋风炉宽度成组布置，并分别调节，这样具有较大的灵活性，并可获得最有利的工况。
按照一次风的送入方式，卧式旋风炉又可分为两大类，即：一次风沿轴向送入或者沿切向送入。图3-37所示就是一次风沿轴向送入的旋风炉。试验证明，虽然一次风也是沿蜗壳喷燃器送入的，但决定旋风炉中气体流动情况的主要还是沿切向送入的二次风。试验发现，如果将有机废弃物沿轴向送入旋风炉，则将有许多细粉随着内层气流运动。虽然内层气流也是旋转的，但是它不经过旋风沟，气流也不循环，很快就流出旋风炉，使机械不完全燃烧增加，燃烧一直延续到旋风炉出口以后，捕渣率也降低。因此，当燃烧粒径较大的有机废弃物时，有机废弃物碎粒宜从切向送入，使有机废弃物保持在外层气流中，经过循环区，延长它在炉内的停留时间，使它能强烈气化和燃烧。
图3-39所示是一次风沿切向送入的卧式旋风炉。喷嘴分成上、下两排，下排用来送一次风，上排用来送二次风，而且它们是沿旋风炉的宽度均匀送入的，这样，在一次风和炉墙之间夹有一层空气，使有机废弃物不能直接和炉墙接触，只有熔化的液体渣由于密度较大，才能从气流中分离出去。由此可知，此时在一次风和二次风的接触面上都可以着火，着火面积大大增加，沿整个炉膛长度形成管状的着火面，如图3-40所示。这样，使得这种旋风炉不仅可燃烧含挥发物多的有机废弃物，而且可以燃烧挥发物少的有机废弃物。据资料介绍，当一次风沿切向进入时，可以燃烧挥发物只有8%、灰渣熔化温度高达1550℃的有机废弃物。
图3-39 切向送进一次风的卧式旋风炉
图3-40 切向送进一次风时卧式旋风炉的着火面
在采用旋风燃烧法时，旋风炉的二次风速高达130～180m/s，旋风炉的阻力往往也高达数百毫米水柱，因此降低二次风的阻力对旋风炉的经济性有很大意义。
在不改变风速的条件下，降低旋风炉阻力的主要措施是降低设备的阻力系数ζ。实验证明，阻力系数主要和下列结构因素有关。
①旋风炉的喷口直径dc和它的直径D之比。
②二次风喷嘴流通截面∑AC和旋风炉截面A之比，亦即：
（3-4）
对于几何相似的旋风炉，dc/D=const（常数），为了保证它们的阻力相等，在一定的二次风速下，必须保证它们的∑AC/A相同。一般情况下，∑AC/A=6.4%～2.2%。因为∑AC/A=const，而且二次风速w2=const，因此：
（3-5）
当一次风和二次风的比例不变，空气消耗系数相同时，旋风炉的热负荷正比于空气消耗量，故有：
Q∝V∝V2∝A （3-6）
亦即：
Q/A=const （3-7）
由此可见，为了保证旋风炉的经济性，使它的阻力在合理的范围内，需要保证的不是它的容积热强度，而是它的截面热强度Q/A[kJ/（m2·h）]。根据现有资料介绍，旋风炉的截面热强度一般约为（42～54.6）×106kJ/（m2·h）。
根据截面热强度，可以确定旋风炉的直径：
（3-8）
式中 B——有机废弃物处理量，kg/h；
Q低——有机废弃物的发热量，kJ/kg。
在采用轴向进料（一次风）时，一次风量约占15%。当负荷变化时，一次风量保持不变，一次风速为w1=30～35m/s。对于切向进风的旋风炉，一次风速较低，一般可取为w1=20～30m/s。旋风炉的空气消耗系数可取为1.05～1.1。
旋风炉出口的结构尺寸（喷口直径dc，长度lc，张角αc，参见图3-41）对它的工作有很大的影响。减小dc/D，可以使外层气流加大，最大切向速度ut也加快，边界上的气流切向速度几乎不变而中心的切向速度则增加，同时，还导致旋风炉中心负压和四周正压增大，因而使密封和加料困难，而且气流阻力也增大。因此，不宜过分减小喷口直径。一般情况下，dc/D=0.35～0.59为宜，对于挥发物含量高和化学反应能力强的燃料，dc/D可稍大。
图3-41 卧式旋风炉的几何尺寸
喇叭口的长度lc对气流运动情况的影响较小。喇叭口可以使循环气流加强，并且可以稍稍改善分离情况。喇叭口过长会使旋风沟减小，一般可取lc/D=0.6～1.0。
喇叭口的扩张角αc对旋风炉的阻力略有影响，当αc=30°～45°时，阻力最小。
当气流入口情况不变时，增加旋风炉的长度L导致阻力增加，使气流出口处的旋转速度降低。一般L/D=1～1.3。
综上所述，旋风燃烧法由于热强度大，设备结构紧凑，而且可以液体排渣，因此在蒸汽动力工业部门获得了很大的发展。