日本水冷爐排技術綜述

嚴夢帆，於志華

（上海康恒環境股份有限公司，上海 201703）

前言

隨著我國城市化進程的不斷加快，垃圾的產生量與日俱增，為了滿足垃圾“無害化、減量化、資源化”的處理要求，垃圾焚燒處理方式已成為主流。由于垃圾的種類不同，可分為生活垃圾、高熱值生活垃圾、工業垃圾、醫療垃圾、生物質垃圾等。其中機械爐排爐工藝以其垃圾適應性強、運行可靠，可控性高等特點，已逐漸占據生活垃圾焚燒的主導地位。而為了使其在熱值較高的高熱值生活垃圾、工業垃圾、醫療垃圾及生物質垃圾焚燒中也有用武之地，水冷設計已成為一種趨勢。水冷機械爐排爐的優點在于對垃圾熱值的適應性更強，使多種垃圾摻燒成為一種可能，從而增加經濟效益。

1 水冷爐排冷卻水系統

垃圾燃燒時，循環冷卻水系統會源源不斷提供冷卻水，通過熱對流及熱傳導的方式，降低爐排的表面溫度。通常會采用整個系統加壓化的方式，防止爐排塊內部蒸氣化，并達到降低用水量的目的。冷卻水系統的壓力通過在水箱及水路中充入氮氣維持。具體工藝如圖1。

圖1 冷卻水系統示意圖

2 日本企業的水冷爐排概要

2.1 日立造船的水冷爐排[1]

日立造船的水冷爐排塊使用埋管后一體鑄造成型，形狀見圖2，冷卻水系統見圖3。

圖2 日立造船水冷爐排塊及水管外形

圖3 冷卻水系統示意圖

該構造的好處在于，若解決了鑄造工藝問題，爐排塊成品率會相對較高。缺點在于，冷卻水管的形式還是略顯復雜，鑄造時對鑄造工藝的選擇；澆冒口的布置需進行反復試驗；初期水冷管材質的選擇也很重要，由于材料熱膨脹系數不同，材料選擇不當，會加大鑄造難度并降低使用效果。但試制成功后，這些問題便都能得到解決。

對于原有的空冷爐排塊而言，為了達到低空氣比燃燒及高熱值垃圾的燃燒，減少過多的空氣供給，并對爐排塊進行冷卻，水冷爐排塊效果顯著。因此，在相同的工況下，水冷爐排及空冷爐排的效果研究是十分必要的。如圖4所示，水冷爐排塊的工作溫度維持在100℃～120℃的相對低溫狀態，最高溫度為180℃左右，同工況下與使用空冷爐排的溫度差約為120℃，據日立造船推斷，使用壽命可延長約15年。具體實施案例見表1。另外，日立造船在北海道也有使用該種爐排的項目在運行。

圖4 日立造船空冷及水冷爐排塊運行表面溫度對比

表1 熊本市東部環境工廠項目概要

2.2 川崎重工的水冷爐排

川崎重工的水冷爐排塊結構見圖5及圖6。

圖5 水冷管布置

圖6 水冷爐排安裝后外觀圖

水冷管在爐排框架上迂回布置，爐排塊嵌入式安裝在框架上。這種構造的好處在于確保了原來使用空冷爐排的項目存在改造為水冷爐排的可能性，互換方便，且無需重新設計水冷爐排塊。水冷管如出現問題，維護較便捷。缺點在于，難確保水冷管與爐排塊接觸性良好，水冷管的水量較大，但尚不明確是否會出現局部水冷效果較差的情況。

圖7為空冷爐排塊與水冷爐排塊的溫度對比圖。在同等工況下，空冷爐排的表面溫度可達300℃以上，而水冷爐排塊的溫度可保證在200℃以下，極端最高溫度約250℃，在相同的工況下，空冷爐排及水冷爐排的表面溫差最高可接近250℃，對延長爐排塊壽命有顯著效果。具體實施案例見表2。

圖7 川崎重工空冷及水冷爐排塊運行表面溫度對比

表2 岸和田市貝塚清掃中心項目概要

2.3 JFE的水冷爐排[2]

JFE水冷爐排（如圖8）有較好的冷卻及防爐排塊燒損效果。能夠應對低空氣比及高溫燃燒的同時，可提升持續運行時間。其結構采用爐排水腔鑄造成型，外接金屬軟管的方式聯通水路。其優點在于較之埋管鑄造工藝，工藝要求適應度更廣，但對鑄件的缺陷控制要求也大幅提高，細微的鑄造缺陷都可能造成成品率下降。

如圖9所示，水冷爐排表面溫度保證在150℃左右，最高約為190℃，在相同工況下，空冷爐排溫度峰值點與水冷爐排溫度峰值差200℃。具體試驗焚燒爐參數見表3。

圖8 JFE水冷爐排外形圖

圖9 JFE空冷及水冷爐排塊運行表面溫度對比

表3 試驗焚燒爐參數概要

2.4 其他企業的水冷爐排

調研發現，日本的各大企業基本都已擁有水冷爐排技術，總體差異度不大。只有荏原的研發思路略有不同。荏原采取的是使用強制空冷爐排，并在高溫部添加了間接水冷爐排塊的方式（見圖10、圖11）。間接水冷爐排不直接與垃圾接觸，通過熱傳導方式降低空冷爐排的溫度。該工藝設計的優點是，對原有爐排塊的改動較小，間接水冷爐排塊的位置布置較靈活。缺點是，由于是間接水冷，在冷卻水量相同的情況下，冷卻效果略低于直接式的水冷爐排塊，整體系統多增加一個部件，就增加一個故障點，使用壽命略低于直接水冷式爐排。具體實施案例見表4。其他如住友重機使用的是水冷管通過小零件嵌入式安裝在爐排塊上的形式，三機工業使用的是板材焊接水冷腔的形式等（見圖12、圖13、圖14）。

圖10 強制空冷爐排

圖11 間接水冷爐排

表4 川崎市玉禪寺處理中心項目概要

圖12 住友重機水冷爐排

圖13 田熊水冷爐排

圖14 三機工業水冷爐排

循環冷卻水約80℃，冷卻水系統壓力控制在0.4～0.6MPa，進出口水溫差控制在40℃內，水冷爐排的表面溫度及冷卻水量的變化仍在比例范圍內，詳見圖15。

圖15 冷卻水量與出、入口水溫差關系圖（JFE水冷爐排實測）

3 結論

水冷爐排的構造方式，有埋管一體鑄造成型（日立造船、田熊）；鑄造空腔外接軟管（JFE）；爐排梁焊接水冷管后，爐排塊嵌入式安裝（川崎重工）；強制空冷加間接水冷爐排塊（荏原）；水冷管通過小零件嵌入式安裝在爐排塊上（住友重工）；板材焊接水冷腔（三機工業）等6種形式，各有優缺點。冷卻水系統，選取整體水溫在80℃左右，冷卻水系統壓力控制0.4～0.6MPa，進、出口水溫差控制在40℃內。在水冷爐排設計時，應充分考慮具體的爐排形式及加工工藝優勢，選取適合的水冷爐排構造方式，并結合摻燒或高熱值垃圾的實際情況，考慮熱輻射對爐排表面溫度的影響，初步選取爐排表面150℃作為參考，結合熱傳導及熱對流實際換熱量，選取水冷管材質及管徑進行設計。