提高垃圾焚燒用爐排片性能的措施

張建東(青島荏原環(huán)境設(shè)備有限公司，山東 青島 266031)

0 引言

在生活垃圾焚燒發(fā)電行業(yè)中，機械爐排式焚燒爐已成為主流設(shè)備，而爐排片又是其核心部件。隨著城市生活垃圾分類的實施，垃圾熱值將會出現(xiàn)大幅度地提高。同時，為了減少二噁英等污染物的排放，低空氣比高溫燃燒將成為未來垃圾焚燒的發(fā)展趨勢。由于現(xiàn)有的垃圾焚燒用爐排片無法適應(yīng)高熱值垃圾，因此有必要采取改善爐排片材質(zhì)、開發(fā)強制空冷和水冷爐排系統(tǒng)等措施，以延長爐排片的使用壽命，提高運營單位的經(jīng)濟效益。垃圾基準(zhǔn)熱值在低于6.7 MJ/kg的情況下，選用普通型爐排片通常可以滿足客戶2年內(nèi)爐排片更換率小于5%的最低要求，垃圾基準(zhǔn)熱值在6.7～10.9 MJ/kg時則必須使用強制空冷型爐排片，才可以減緩爐排片的燒損速度，使?fàn)t排片的更換率降低到客戶要求范圍內(nèi)。而如果垃圾基準(zhǔn)熱值超過10.9 MJ/kg，甚至摻燒塑料等工業(yè)垃圾使垃圾基準(zhǔn)熱值超過12.6 MJ/kg時，僅采用強制空冷也無法有效降低爐排片的高溫腐蝕速率，引入水冷爐排則成了必然的選擇。然而由于水冷爐排本身會將爐內(nèi)的熱量帶出系統(tǒng)外，客觀上會降低熱回收的效率，進而會降低發(fā)電效率。因此，如何在開發(fā)水冷爐排結(jié)構(gòu)后，再設(shè)計出有效的熱回收系統(tǒng)，以提高整個系統(tǒng)的經(jīng)濟效益將成為今后研究的課題。

1 爐排片燒損原理分析

垃圾焚燒用爐排片在運行過程中可能會出現(xiàn)脫落、斷裂、卡住以及磨損等現(xiàn)象，但從長遠來看影響爐排片使用壽命的最大問題是燒損。引入強制空冷和水冷系統(tǒng)的主要目的也是為了提高爐排片耐燒損的能力，延長使用壽命。因此，下面就對各種材料爐排片的燒損原理進行分析說明。

以前筆者所在公司曾經(jīng)采用過JIS牌號的SCH11和SCH13等奧氏體鋼，其材料成分中的鎳含量分別是4%～6%和11%～ 14%，鎳含量高的材料耐熱性較好。但是根據(jù)實驗室數(shù)據(jù)，鎳含量在5%～15%之間時、濃度為5%的硝酸和鹽酸、硫酸中材料的晶間腐蝕都較為嚴(yán)重。晶間腐蝕主要是指材料中的鉻元素在500～900 ℃之間與碳元素反應(yīng)生產(chǎn)鉻的碳化物Cr23C6，這種化學(xué)反應(yīng)主要是在晶體的邊界發(fā)生，隨著反應(yīng)的進行當(dāng)鉻含量小于12%左右時，將會破壞晶體間有效的固化(即產(chǎn)生脆化)，最后導(dǎo)致晶體的剝離，如圖1所示。因此，最終選用了鐵素體鋼SCH2作為鑄造爐排片的主流材料，因為其成分中的鎳含量小于1%，這樣可以有效地避免晶間腐蝕。

圖1 微觀晶體組織的粒界腐蝕

除了上述鉻元素的晶間腐蝕外，爐排片在惡劣的燃燒環(huán)境中還會受到低溫腐蝕和高溫腐蝕，致使鐵元素逐漸分離。低溫腐蝕主要是指爐排片在150 ℃以下受到HCl、SO3等酸性氣體結(jié)露后的侵蝕。當(dāng)溫度超過320 ℃的時候在爐床上的灰渣和爐膛中的煙氣共同作用下，爐排片中的鐵元素容易生成氯化鐵和亞硫酸鐵等熔融鹽類，當(dāng)溫度達到480 ℃的時候，上述生成的熔融鹽開始分解，到650 ℃的時候分解速率達到峰值。不論是含鐵的熔融鹽類的生成過程還是分解過程，都會造成鐵元素從爐排片基體中逃離。如果爐膛中溫度大幅度變動的話，鐵元素的氧化和還原過程將會不斷循環(huán)，這將會加速爐排片的腐蝕[1]，如圖2所示。

圖2 腐蝕的元素化學(xué)反應(yīng)示意

普通型爐排片通常是指不設(shè)置強制空冷和水冷的爐排片，根據(jù)使用材料的不同通?？梢苑譃殍T造爐排片和焊接爐排片兩大類。相比鑄造爐排片，焊接爐排片具有良好的耐磨性能，但是耐高溫腐蝕的能力較差。究其原因，是由于其耐磨層的成型工藝與鑄件不同，這是一種利用加藥堆焊技術(shù)(或高溫熔射/熱噴涂)將各種耐腐蝕、耐磨損的金屬粉末按比例混合后熔合在基材上，形成高硬度的板材，然后再焊接成型的爐排片。雖然各種金屬粒子(如鉻等)保留了其本身的硬度，但是整體的晶體組織不如鑄件(通過金屬溶液凝固)致密，因此在長期高溫環(huán)境下更容易受到腐蝕。

為了提高爐排片耐燒損的能力，同時也為了降低制造成本、提高燃燒穩(wěn)定性、便于檢修維護。筆者所在公司相繼在改善爐排片材質(zhì)、開發(fā)強制空冷爐排和水冷爐排系統(tǒng)方面進行了長期研究，下面就分別從這三個方面對研究成果和不足之處進行論述。

2 改善爐排片材質(zhì)

2.1 鑄造爐排片

鑄造爐排片相繼開發(fā)了幾種結(jié)構(gòu)型式，如：卡槽式、銷軸式、連體式等?？ú凼借T造爐排片是引進國外技術(shù)后開發(fā)的第一款爐排片，該型爐排片具有耐高溫腐蝕、拆裝便利等優(yōu)點，但是在運行過程中出現(xiàn)過自動脫落的現(xiàn)象。為了維持燃燒的穩(wěn)定性，避免因爐排片的原因而造成非計劃停爐，又開發(fā)了銷軸式鑄造爐排片，這種爐排片雖然有檢修時不利于拆卸，且與之配套的刮板易磨損等缺點，但是由于運行過程中從未脫落，耐高溫腐蝕的性能較好，爐排片的更換率較低，已經(jīng)成為國內(nèi)普遍采用的主流爐排片。此后，又開發(fā)了連體式鑄造爐排片，這種爐排片由于設(shè)置了出風(fēng)口，運行也比較穩(wěn)定，但是拆卸時需要借助專用器具整排拆卸，后來沒有大規(guī)模推廣使用。為了防止?fàn)t排片的翹起，又開發(fā)了尾部帶有簡易固定裝置的爐排片，相鄰爐排片之間運行中會相互錯位，以清理爐排片縫隙的作用。

2.2 焊接爐排片

為了降低鑄造爐排片的制造成本，改善鑄造爐排片易磨損的特點，近期開發(fā)了焊接爐排片。焊接爐排片也相繼開發(fā)了銷軸式、承插式、開縫式、自清式等幾種不同的結(jié)構(gòu)型式。承插式焊接爐排片在實驗過程中出現(xiàn)過開口銷腐蝕導(dǎo)致的運行中脫落現(xiàn)象。自清式爐排片在實驗過程中發(fā)現(xiàn)因為灰渣的填塞而失去了交錯運動的機能。開縫式爐排片只完成了理論核算，并未進行現(xiàn)場驗證。如上所述，銷軸式焊接爐排片也被廣泛地應(yīng)用在國內(nèi)各項目中。但是，該系列焊接爐排片在使用過程中普遍出現(xiàn)了快速燒損的問題，運行1年左右高溫區(qū)普遍出現(xiàn)了大面積的爐排片燒穿，不但影響燃燒的穩(wěn)定性，而且會使?fàn)t排片的更換率大大高于基本要求。最終，幾乎所有焊接型爐排片不得不停止使用。此外，為了便于現(xiàn)場拆裝方便又開發(fā)了一種插銷式爐排片，但由于結(jié)構(gòu)有待完善，因此沒有進行工廠和現(xiàn)場實驗。

2.3 新材料爐排片

為了應(yīng)對焊接式爐排片快速燒損的問題，提出了在易燒損的爐排片端板上采用含有Nb、Mo、W等元素的新材料，選用耐高溫腐蝕的SUS310S，用螺栓連接SCH13鑄件端頭，在端板上用Inconel625堆焊等多種應(yīng)對方案，但由于目前正在試驗中，尚未取得實驗結(jié)論。

3 開發(fā)強制空冷爐排片

3.1 強制空冷爐排片的原理

強制空冷爐排片是指在爐排片背面筋板的縫隙中設(shè)置冷卻風(fēng)噴嘴，將一次風(fēng)量的30%～40%吹入不易被一次風(fēng)冷卻、但又特別容易燒損的爐排片端頭部，在調(diào)整負(fù)荷時冷卻實驗結(jié)果，采用強制空冷后可以使?fàn)t排片溫度下降約150 ℃左右。

3.2 強制空冷爐排片的結(jié)構(gòu)分類

風(fēng)量不會隨著一次風(fēng)的風(fēng)量變化而變化，而且這種結(jié)構(gòu)運行穩(wěn)定也比較方便檢修。根據(jù)現(xiàn)場從結(jié)構(gòu)型式而言，強制空冷爐排片也有螺栓式、銷軸式、承插式、掛鉤式、噴嘴式等，在使用材料上都可以做成鑄造式和焊接式兩種形式。在上述幾種結(jié)構(gòu)型式中，噴嘴式目前只完成了理論計算，尚未進行試驗；掛鉤式正在現(xiàn)場實驗中，尚未獲得數(shù)據(jù)；承插式因為爐排片易脫落的原因，雖經(jīng)現(xiàn)場驗證但并未推廣；銷軸式的噴嘴距離爐排片端頭較遠，模擬計算冷卻效果不太理想，正在大規(guī)模應(yīng)用的是螺栓式強制空冷爐排片。螺栓式強制空冷爐排片的模擬計算效果如圖3所示。從圖中可以看出螺栓式爐排片因噴嘴距離爐排片端頭較近，冷卻效果較好。

圖3 螺栓式強冷的冷卻效果模擬

此外，為了便于現(xiàn)場拆裝，又開發(fā)了一種曲軸式強制空冷爐排片，其組裝模型如圖4所示。在國內(nèi)項目現(xiàn)場得到了實驗數(shù)據(jù)的是螺栓式的焊接爐排片，其使用壽命約為沒有投用強制空冷的爐排片的3倍左右。

圖4 曲軸式強制空冷爐排片模型

4 水冷爐排系統(tǒng)的研究成果

相比于強制空冷爐排，水冷爐排具有冷卻效果明顯、且不易受負(fù)荷變化影響等優(yōu)勢?？梢詫t排片的溫度降低到300 ℃以下，即避免爐排片發(fā)生高溫腐蝕的溫度范圍。但是水冷爐排也有會將焚燒爐內(nèi)的熱量帶出系統(tǒng)外，從而降低發(fā)電效率的劣勢。而且，在爐排的長期運動過程中，水冷塊接頭、金屬軟管等部件容易發(fā)生泄漏，甚至?xí)斐赏t，具有一定的風(fēng)險性。

目前市場上，各大主要爐排廠家基本上都有自己的水冷爐排系統(tǒng)，下面就簡要介紹筆者所在公司開發(fā)的水冷爐排，及在工廠和現(xiàn)場所進行的實驗中取得的技術(shù)成果。

4.1 鑄造式水冷爐排

為防止水冷爐排片破損后冷卻水泄漏到爐膛內(nèi)，同時也為了避免水冷回路中的水直接受高溫加熱汽化后堵塞回路，在開發(fā)水冷爐排時采用了間接冷卻的方式。

即水冷塊與爐排片分體式，水冷塊鑄造時采用埋管式直接將冷卻水管澆注在水冷塊中。這種冷卻方式還可以最大限度地減少帶出到系統(tǒng)外的熱量，使發(fā)電效率不會過度降低[2-3]。

但是間接冷卻方式最大的缺點是冷卻效果不佳，由于爐排片和水冷塊之間的間隙很難消失，即便涂抹碳化硅系耐火材料以加強熱傳導(dǎo)，從現(xiàn)場和獲取的實驗數(shù)據(jù)來看，爐排片表面溫度仍很難降低到300 ℃以下，無法完全避免爐排片的低溫腐蝕，從而延長爐排片使用壽命的程度有限，如圖5所示。

圖5 荏原總部在日本松山現(xiàn)場實驗的水冷爐排片冷卻效果

4.2 焊接式水冷爐排

上述鑄造式間接水冷爐排片在初次實驗過程中發(fā)現(xiàn)，水冷軟管和接頭短時間內(nèi)漏水，且爐排片本身不易拆卸，要拆卸側(cè)面吸收器部件則必須拆除水冷塊等一些問題。為了解決上述問題，開發(fā)出了一種冷卻水路和承載梁一體的結(jié)構(gòu)，由于水冷塊是機加工比鑄件的表面粗糙度小，與爐排片的間隙較小，理論上可以改善傳熱效果。

上述焊接式間接水冷爐排的實驗機做成后在工廠內(nèi)進行了實驗，從實驗結(jié)果來看，冷卻效果仍不理想。當(dāng)模擬爐膛內(nèi)燃燒層的加熱器溫度設(shè)定在600 ℃的時候，冷卻水量從0.2～3.0 m3/h變化時，爐排片背面溫度始終高于300 ℃，爐排片表面溫度接近500 ℃，雖然后來在水冷塊與爐排片之間塞了導(dǎo)熱性較好的錫箔片，之后又涂抹了碳化硅耐火泥等，但是冷卻效果仍然不理想。如圖6所示，當(dāng)冷卻水流量為3 m3/h的時候，水冷塊溫度高于100 ℃，爐排片溫度高于400 ℃。

圖6 焊接式間接水冷爐排片工廠實驗數(shù)據(jù)

4.3 水冷側(cè)面爐排片

為了繼續(xù)拓展?fàn)t排上可用于水冷的部件區(qū)域，提高在高溫區(qū)使用的部件壽命，又開發(fā)了水冷側(cè)面爐排片。如圖7所示。這是通過水冷塊與側(cè)面爐排片的接觸實現(xiàn)冷卻的，也屬于間接冷卻的范疇。

圖7 兼具熱膨脹吸收功能和冷卻功能的裝置

該型水冷側(cè)面爐排片設(shè)計完成后，在工廠進行了實驗。實驗過程中，出現(xiàn)的問題仍然是冷卻效果不佳。通過在水冷塊和側(cè)面爐排片之間填塞導(dǎo)熱片、涂抹碳化硅耐火涂料、涂抹金屬導(dǎo)熱膠等方式，前后進行了十余次實驗，最終得出了在相同條件下通冷卻水的時候比不通冷卻水的時候側(cè)面爐排片溫度可以降低110 ℃的結(jié)論，有一定的冷卻效果，但是距離降低200 ℃的預(yù)期目標(biāo)仍有一定的差距。通入冷卻水后的水冷塊和側(cè)面爐排片的溫度變化數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析如圖8所示，水冷塊溫度可以降至100 ℃以下，但側(cè)面爐排片溫度基本上都在300 ℃左右。

圖8 水冷側(cè)面爐排片工廠實驗數(shù)據(jù)

綜上所述，在工廠進行試驗的間接冷卻式焊接水冷爐排片和水冷側(cè)面爐排片的實驗效果都不太理想，直接冷卻式水冷爐排片因為存在結(jié)構(gòu)缺陷而未實驗，在現(xiàn)場進行試驗的間接冷卻式鑄造水冷爐排片取得了一定的效果，并計劃擴大冷卻范圍在一個新項目中繼續(xù)進行試驗。

5 改善水冷爐排系統(tǒng)的探索

今后水冷爐排在改善結(jié)構(gòu)的主要方向是盡快開發(fā)一種耐久性好、使用穩(wěn)定的直接水冷爐排片。但除了對爐排片本體進行結(jié)構(gòu)改進之外，也需要盡快開發(fā)出一套可以有效避免熱損失的水冷系統(tǒng)。

為了盡量減少水冷爐排將熱量帶出系統(tǒng)外，使發(fā)電效率不過度降低。筆者構(gòu)思了一種將汽輪機冷凝水(50～60 ℃，0.01 MPa)從凝汽器引出通入水冷爐排，冷卻爐排片后再回到壓力式除氧器(130～140 ℃，0.4 MPa)的思路，經(jīng)計算處理量為150 t/d，熱值12 600～14 700 kJ/kg的爐排全爐冷卻水流量約為90 m3/h。新型水冷爐排系統(tǒng)的工藝流程簡圖如圖9所示。

圖9 水冷爐排系統(tǒng)工藝流程簡圖

該系統(tǒng)前正在設(shè)計開發(fā)中，還未進行現(xiàn)場實驗。如果實驗成功，則可以在不降低發(fā)電效率的前提下，有效地延長爐排片使用壽命。屆時將會使機械式爐排爐在高熱值垃圾焚燒行業(yè)中，也會有用武之地。

6 爐排片改進研究的市場前景

中國國內(nèi)垃圾焚燒發(fā)電行業(yè)近10年來成突飛猛進的趨勢發(fā)展，隨著垃圾分類政策在各地的落實，城市生活垃圾的熱值將會進一步提高，原有焚燒廠的爐排片勢必要進行改造升級以適應(yīng)新的變化。隨著各焚燒廠提升產(chǎn)能的需求不斷增加，爐排片的強制空冷或水冷化的改造將會有廣闊的市場前景。

通過對現(xiàn)有水冷爐排技術(shù)成果的利用，探索如何進一步改善水冷爐排系統(tǒng)，以降低熱損失，提高發(fā)電效率。配合其他焚燒設(shè)備和工藝系統(tǒng)的改進，可以使垃圾適應(yīng)性強、運行可靠的機械式爐排爐在高熱值生活垃圾、工業(yè)垃圾、醫(yī)療垃圾、生物質(zhì)垃圾甚至危險廢棄物垃圾的焚燒處理行業(yè)中的應(yīng)用成為可能。今后應(yīng)該繼續(xù)在降低爐排片制造成本、提高燃燒穩(wěn)定性和檢修維護的便利性方面采取改進措施，以期繼續(xù)提高爐排片的性能。

7 結(jié)語

綜上所述，作為垃圾焚燒爐核心部件的爐排片，如何提高其使用性能，降低其全生命周期成本(LCC)，對提高運營單位的經(jīng)濟效益，乃至于環(huán)境效益和社會效益具有非常重要的意義。