垃圾焚燒爐用爐排片改進設計及應用

　　1 導言

　　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。

　　2 爐排片工作特征

　　機械爐排爐是以機械式的爐排片構成爐床，可動爐排片與固定爐排片之間的相對運動，使垃圾不斷翻動、攪拌并推向前進。往復焚燒爐用爐排片設計需要爐排片有規則的往復運動，從而保證垃圾進入爐內與熱空氣接觸、升溫、干燥、著火、燃燼。

　　爐排往復運動不僅使垃圾均勻移動，也是對垃圾的一種攪動，使垃圾與已燃垃圾混合，致使往復爐排片垃圾具有下部著火的因素，爐排運動能有效地攪動垃圾。爐排與垃圾的相對運動，可以使燃燒的垃圾松動，增加垃圾的透氣性，改善燃燒條件。為了保證焚燒爐的連續穩定燃燒，爐溫維持在950 ～ 1050℃，對爐排提出高溫抗氧化性要求；垃圾由于分類不完善，進爐垃圾比重較大，爐排片機械負荷較大，對爐排片提出機械磨損需求；垃圾由于成分復雜，通常含有 CI、S 等元素，燃燒后形成酸性氣體，對爐排片金屬材質形成腐蝕性影響。因此，爐排片工作環境具有如下特性：干燥段垃圾載荷較大，主要承受機械磨損，燃燒段屬于環境溫度高，主要承受高溫磨損，燃燼段不可燃物較多，固體顆粒物容易夾雜到爐排片之間縫隙中，主要承受偏磨等非正常磨損；另外，垃圾焚燒后形成氣氛包含高溫腐蝕性氣體，對爐排片形成腐蝕作用；爐排片磨損后，縫隙變大、漏渣增加，對垃圾熱灼減率帶來負面影響；爐排片翹起及燒損，如果頻率太高，需要停爐檢修處理，勢必影響焚燒廠運營。

　　3 爐排片設計要求

　　（1）爐排通風率。爐排通風率等于爐排面上通風孔總面積與整個爐排面積之比。爐排片是高溫工作部件，工作條件相當惡劣。尤其是往復爐排片長期工作在高溫下，雖然爐排片與燃燒層間隔著一層“灰渣墊”，可遮蔽部分熱量，但爐排片表面溫度仍可達 600 ～ 700℃以上，為保證爐排片安全可靠的工作，必須采取有效的空氣冷卻；往復焚燒爐用爐排片保證垃圾是在爐排片上均勻移動燃燒，空氣從爐排片下的風室，自下而上地穿過爐排片及垃圾層，為垃圾燃燒提供充足的氧氣。因此，爐排片上應布有均勻的通風通道，這就是所謂的通風率要求，在爐排片設計時，必須考慮如何控制和減少漏渣，提高可燃物質的利用率。通常情況下往復爐排片在干燥段通風通道寬度控制在 4mm 以內，燃燒區域內通風道寬度控制在 3mm 以內，燃燼段區域內通風寬度稍小，這樣既能夠有效地控制漏渣，同時能夠大幅提高燃燒利用率。很多相關資料中都認為往復爐排片的通風率應在3% ～ 6%。當然通風率越大，通風通道截面越大，空氣穿孔速度越小，流阻越小。受制于漏渣及爐排片強度等因素的影響，通風率達到 2% ～ 4%，屬于高壓損爐排，實際使用效果很好。總的來說，爐排片的進風需要綜合考慮通風率、漏渣率、燃燒效率等重要因素。（2）爐排冷卻度。爐排冷卻度等于爐排片肋板總面積與爐排總面積之比。爐排片主要依靠空氣對流對爐排片進行冷卻，從而降低爐排片溫度。爐排片肋板設計既是結構強度的考慮，同時也是強制冷卻的考量。按照目前經驗值，在滿足爐排片本身強度設計前提下，冷卻度一般設計大于 2。另外，低位熱值超過 8260kJ/kg，考慮采用水冷爐排，進一步增強強制冷卻效果。（3）爐排片固定形式。爐排片安裝形式多樣，通常采用尾部固定形式。部分廠家在爐排片底部或者兩側設計螺栓或者拉鉤進行固定，防止爐排片翹起。可動爐排片與可動爐排片，固定爐排片與固定爐排片的連接形式多樣，常見爐排片之間采用有間隙裝配、緊固裝配兩種，緊固裝配能一定程度上防止爐排片翹起及偏磨，但是檢修拆卸不便，間隙裝配拆卸檢修方便，容易異物卡滯，間隙變大，出現偏磨，導致爐排片提前更換。爐排片固定形式要保證爐排片往復運動不易卡滯，翹起，又要預留一定檢修維護便利性。（4）輔助設計工具。爐排片通常服役時間長，一般設計壽命大于 5 年，新型爐排片的開發設計，如果采用實爐驗證方式，不僅周期太長，而且對工程應用帶來不確定性，不利于產品的開發設計。因此，在工程應用前，需要采用輔助設計軟件進行分析，常見的有計算機輔助工程 CAE（Computer Aided Engineering）軟件如ANSYS 進行熱應力分析，優化爐排片的結構強度設計；通過計算流體動力學 CFD（computational fluid dynam-ics）如 FLUENT 進行流體分析，優化爐排片的通風率，冷卻度等參數。通過 CFD 類軟件如 FLUENT 進行爐排片側面或者爐排片本身的通風率模擬計算，實現爐排片壓損和流速優化計算，為爐排片的熱應力分析提供對流換熱邊界條件，同時也為垃圾層厚的理論計算提供設計依據。通過CAE 類軟件如 ANSYS 進行爐排片結構分析，在結構強度和傳熱方面進行仿真計算，通過耦合傳熱和結構應力分析，避免爐排片局部出現大范圍熱應力集中，從而為爐排片結構優化提供設計依據。通過輔助設計軟件應用，優化爐排片結構形式，減少產品設計周期，提高爐排片的結構穩定性、可靠性，降低產品開發設計成本。

　　4 結語

　　綜上所述，垃圾焚燒爐用爐排片結構合理，材質耐用對焚燒爐穩定運行起到至關重要的作用。在結構設計上，既要保證安裝固定可靠，又要保證合理的通風性能，從而避免夾雜異物、異常翹起、偏移磨損。在材質應用上，區分高溫區和低位區，高溫區采用高溫穩定性、耐腐蝕性、耐磨損、高溫氧化性優良的合金金屬材質，低溫度采取鑄鐵材質，從而保證爐排系統不僅性價比高，而且性能優異，適合國內垃圾特性的爐排片產品。