垃圾焚燒爐用爐排片改進設計及應用

張 智

（上海環境衛生工程設計院有限公司，上海 200232）

21世紀初期，中國處于工業化和城鎮化加速發展階段，面臨的資源和環境形勢十分嚴峻，必須大力發展循環經濟，按照“減量化、再利用、資源化”原則。垃圾焚燒已成為循環經濟的重要組成部分。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模占全世界垃圾焚燒市場總量的80%以上。上海環境集團自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模已經達到了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穩定運行帶來影響。通過對集團內垃圾焚燒廠爐排片使用情況的持續跟蹤，對爐排片磨損情況進行測試、記錄、分析和研究，優化設計爐排片，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，不會出現局部偏漏現象。爐排片相互之間的側面經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。根據垃圾品質、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。（4）利用爐排熱膨脹吸收裝置，恰當地吸收爐排片的熱膨脹，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，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

威海環境再生能源有限公司是上海環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焚燒技術在國內應用，確保焚燒爐的整體性能穩定性，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受力不均勻的現象，由于爐內溫度較高，長期運行后，刮板均出現變形，刮板與底部爐排片相對往復運動后出現線接觸，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成分優化，在抗氧化性與高溫強度好的基體上分布高溫穩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、韌性等方面優良性能。

4.2 爐排片聯結設計

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 優化設計爐排片組

圖6 緊固件聯結爐排片

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，出現異常磨損。采用緊固件聯結爐排片后，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 優化后爐排片的實爐應用

南京環境再生能源有限公司設計規模為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，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??；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，容易導致垃圾分區不穩定燃燒，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定。

6 結論

垃圾焚燒爐用爐排片對焚燒穩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，發現爐排片磨損不均勻、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結，既能保證爐排片的通風，又能保證爐排片的工作平穩，進而取消刮板，使爐排系統不僅性價比高，而且性能優異，適合國內垃圾燃燒特性的要求。