垃圾焚燒爐用爐排片改進設計及應用

張 智

（上海環(huán)境衛(wèi)生工程設計院有限公司，上海 200232）

21世紀初期，中國處于工業(yè)化和城鎮(zhèn)化加速發(fā)展階段，面臨的資源和環(huán)境形勢十分嚴峻，必須大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，按照“減量化、再利用、資源化”原則。垃圾焚燒已成為循環(huán)經(jīng)濟的重要組成部分。另外，在廢棄資源和廢舊材料回收利用加工過程中，不但解決了資源短缺問題，同時降低了垃圾排放，正可謂“一舉兩得”。

垃圾焚燒中機械爐排爐應用規(guī)模占全世界垃圾焚燒市場總量的80%以上。上海環(huán)境集團自2011年技術引進日本荏原HPCC爐排技術，應用該技術的垃圾處理規(guī)模已經(jīng)達到了1.25萬t/d。隨著國內城市生活垃圾熱值的逐步提高，垃圾焚燒爐的運行溫度也逐步增加，爐排片作為爐排爐的核心部件，其熱負荷增加必然對焚燒爐連續(xù)穩(wěn)定運行帶來影響。通過對集團內垃圾焚燒廠爐排片使用情況的持續(xù)跟蹤，對爐排片磨損情況進行測試、記錄、分析和研究，優(yōu)化設計爐排片，提高其使用壽命。

1 日本荏原HPCC特點

日本荏原公司有98年歷史，擁有多種垃圾焚燒處理技術和相關專利及產權，在日本、歐洲、中國等地有超過240座垃圾焚燒廠的供貨業(yè)績。HPCC是“High Pressure Combustion Control”的縮略語，即指高速（壓）燃燒型爐排。荏原HPCC爐排的主要技術特點如下：（1）爐排水平、可動爐排傾斜20°。爐排整體的安裝角度為水平、可動爐排上傾20°的斜上推動作用可確保垃圾的翻轉、攪拌、 打散，使燃燒控制簡便。（2）無間隙的橫向爐排。燃燒空氣均等而全面地吹出，不會出現(xiàn)局部偏漏現(xiàn)象。爐排片相互之間的側面經(jīng)機械加工等形成緊密結合的結構，因此爐排片之間無間隙，在該部位獲得較大的壓力損失。（3）爐排的動作。確保對垃圾層的控制，保證最佳燃燒狀態(tài)。根據(jù)垃圾品質、垃圾量以及燃燒控制，如需變更爐排動作行程，以可動基準點為中心前后調整。爐排的前進后退速度通過油量控制閥的開閉來調節(jié)。（4）利用爐排熱膨脹吸收裝置，恰當?shù)匚諣t排片的熱膨脹，不會對爐排的動作產生約束，同時爐排片間的縫隙能夠保持均勻。（5）針對中國垃圾高水分的特點，將爐排干燥段加長，使垃圾內的水分在進入燃燒段之前被充分蒸發(fā)，有利于垃圾的燃燼、燒透。

圖1 爐排片刮板示意圖

2 焚燒技術的應用情況

威海環(huán)境再生能源有限公司是上海環(huán)境集團在國內第一個采用日本HPCC焚燒技術的焚燒項目，集團內運營的HPCC技術的焚燒廠設計規(guī)模和運營時間，見表1。

表1

3 爐排片工作特性及問題

HPCC原設計結構形式如圖1所示，通風設計如圖2所示。原設計中每3片爐排片或者2片爐排片設置一塊刮板，一方面保證爐排片平整放置，確保爐排片間縫隙均勻；另一方面，由于爐排片底部接觸面積小，容易磨損，設置刮板后，防止爐排片底部磨損，增加爐排片的使用壽命。

早期項目為了快速實現(xiàn)焚燒技術在國內應用，確保焚燒爐的整體性能穩(wěn)定性，焚燒設備直接采用日本進口。由于爐排等耐熱鑄件屬于關鍵設備，采用進口產品，國內垃圾灰分較大，不可燃顆粒物較多導致爐排片容易異常翹起，在裸露燃燒環(huán)境中，容易造成爐排片的燒損，對爐排片壽命造成影響。

3.1 爐排片偏磨

如圖3所示，紅色部分為固體不可燃顆粒物，原設計爐排片采用無縫隙的松連接，在運行初期，刮板磨損均勻及爐排片間無夾雜物情況下，縫隙均勻，能夠確保一次風均勻進入爐內，爐排片及刮板均無異常磨損。在爐排片運行過程中，爐排片底部單側夾雜顆粒物后，無法借助外力而進入爐內或者渣斗，爐排片間形成偏角，爐排片間空隙出現(xiàn)不均勻，導致垃圾不均勻燃燒；爐排片間形成偏角后，爐排片組寬度增加，整列爐排片組寬度也增加，吸收器起不到應有的作用，導致外側爐排片與側面爐排片磨損加劇。

圖2 爐排片通風示意圖

圖3 爐排片偏磨示意圖

3.2 爐排片翹起

如圖4所示，紅色部分為固體不可燃顆粒物，在爐排片的運行過程中，顆粒物直接夾雜在刮板與爐排片中間位置，無法借助外力進入爐內或者渣斗，爐排片尾部固定，中間采用卡扣設計，爐排片頭部能夠從一定角度翹起，爐下灰斗一次風從爐排片與刮板縫隙直接進入爐內，導致垃圾不均勻燃燒，局部爐排片頭部溫度較高，爐排片燒損的可能性增加。

3.3 刮板的異常磨損

如圖3和圖4所示，爐排片的偏轉和爐排片地翹起，爐排片對應的刮板均會出現(xiàn)受力不均勻的現(xiàn)象，由于爐內溫度較高，長期運行后，刮板均出現(xiàn)變形，刮板與底部爐排片相對往復運動后出現(xiàn)線接觸，導致刮板的非正常磨損，設計壽命大大降低。

4 解決措施

在早期項目中，焚燒爐的爐排采用刮板設計形式，爐排片和刮板均采用韌性材質，既保證安裝及運行中爐排片的破損，又能保證爐排片鑄件便于修復，綜合性價比較高。隨著國內城市生活垃圾熱值的進一步提高，爐排片的熱負荷不斷增加，原有材質和結構形式已經(jīng)無法滿足新建垃圾焚燒廠的設計要求。通過對原有爐排片異常磨損和局部燒損情況進行分析，采用以下設計方案：

圖4 爐排片翹起示意圖

4.1 爐排材質性能提升

耐熱材料性能主要提升耐熱鑄件的耐熱溫度及表面硬度。常見的爐排片都采用含Cr、Ni、MO等合金元素的耐熱、耐蝕、耐磨鑄件，使用壽命長。如果爐排片材質的選用和結構設計比較合理，整體使用壽命能達到80 000 h。通過耐熱金屬的C、Ni、MO、Cr成分優(yōu)化，在抗氧化性與高溫強度好的基體上分布高溫穩(wěn)定性好且硬度高的硬度相，以獲得具有磨損、硬度、抗氧化性、拉伸、韌性等方面優(yōu)良性能。

4.2 爐排片聯(lián)結設計

隨著爐排片服役時間的增加以及其中夾雜著不可燃顆粒物，不可燃顆粒物的夾雜，導致爐排片地翹起，造成爐排片的異常燒損和磨損。如圖5和圖6所示，為了避免翹起，爐排片采用緊固件聯(lián)結，爐排片之間設計專用縫隙，保證一次風能夠均勻地進入燃燒室，確保垃圾能夠均勻燃燒。

圖5 優(yōu)化設計爐排片組

圖6 緊固件聯(lián)結爐排片

4.3 爐排片的刮板設計

刮板的設計主要是保證爐排片能夠平整，防止爐排片異常磨損。由于運行中爐排片間進入不可燃顆粒物后，導致爐排片刮板變形，出現(xiàn)異常磨損。采用緊固件聯(lián)結爐排片后，爐排片寬度方面能保證平齊，因此，取消刮板設計，同樣保證爐排片的整體使用壽命。

5 優(yōu)化后爐排片的實爐應用

南京環(huán)境再生能源有限公司設計規(guī)模為2 000 t/d，年處理生活垃圾66萬t，焚燒生產線采用4臺焚燒爐和4臺焚燒余熱鍋爐，焚燒爐選用機械爐排爐，單臺處理能力500 t/d，2014年投入運營。

焚燒爐爐排片開始運行階段，由于配合緊密，處于正常磨損狀態(tài)，磨損均勻。隨著服役時間增加，由于城市垃圾成分復雜，不可燃物和固體顆粒物較多，爐排片之間采用非緊密配合，小顆粒物夾雜在爐排片縫隙中，爐排片橫向增加長度增加，導致側面爐排片磨損加劇；另外，爐排片下部，由于設置刮板，增加了縫隙空間，小顆粒物異常夾雜后，爐排片刮板容易出現(xiàn)高低差，磨損不均勻，加劇了刮板的磨損。爐排片本身采用無縫隙設計，在運行過程中，出現(xiàn)各種異物填充后，導致縫隙變大，縫隙不均勻，容易導致垃圾分區(qū)不穩(wěn)定燃燒，垃圾焚燒效率受到一定影響，漏灰率也一定程度增加。

另外，在垃圾焚燒爐定期檢修中，爐排片由于采用卡扣設計，更換爐排片、刮板、側面爐排片，或者清理爐排片之間雜質物，爐排片必須從爐前拆至爐后，檢修工作量大，導致停爐周期長。

為了提高爐排片使用壽命，縮短爐排片檢修周期，降低設備綜合使用成本，在南京垃圾焚燒廠進行爐排片的實爐改造。2017年12月，在焚燒爐大修期對爐排爐單列燃燒段進行爐排片改造。通過10個月的跟蹤記錄，并在停爐檢修期內對爐排片的磨損情況進行記錄。優(yōu)化設計后爐排片的改造達到設計要求，爐排片的偏磨、翹起得到明顯改善。同時，由于改進了爐排片的通風形式，焚燒爐的燃燒情況更加穩(wěn)定。

6 結論

垃圾焚燒爐用爐排片對焚燒穩(wěn)定運行起到至關重要的作用。通過對焚燒廠原設計爐排片的跟蹤記錄，發(fā)現(xiàn)爐排片磨損不均勻、異常翹起，通過對爐排片使用情況進行分析，為了既保證安裝固定可靠，又要保證合理的通風性能，從而避免夾雜異物、異常翹起、異常磨損，在爐排片材質上采用耐高溫、耐磨損、高溫氧化性優(yōu)良的合金金屬材質，在爐排片結構形式采用專用通風結構，爐排片間采用螺栓聯(lián)結，既能保證爐排片的通風，又能保證爐排片的工作平穩(wěn)，進而取消刮板，使爐排系統(tǒng)不僅性價比高，而且性能優(yōu)異，適合國內垃圾燃燒特性的要求。