垃圾焚燒爐排片使用壽命延長(zhǎng)方法

王本強(qiáng)

（青島尼歐迪克除塵設(shè)備有限公司，山東 青島 266032）

0 前言

現(xiàn)行的垃圾處理技術(shù)主要分為焚燒、衛(wèi)生填埋、堆肥和廢品回收等。在垃圾處理的常規(guī)技術(shù)中，焚燒處理由于具有減量明顯、無(wú)害化徹底、占地量小、余熱能得到利用、減少二次污染等優(yōu)點(diǎn)，成為目前世界各國(guó)廣泛采用的城市垃圾處理技術(shù)。大型的配備有熱能回收與利用裝置的垃圾焚燒處理系統(tǒng)，正逐漸上升為焚燒處理的主流。垃圾焚燒技術(shù)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，爐排型焚燒爐以其技術(shù)成熟、運(yùn)行可靠、適應(yīng)性廣，絕大部分固體垃圾不需要任何預(yù)處理可直接進(jìn)爐燃燒等優(yōu)勢(shì)，占據(jù)目前全世界垃圾焚燒市場(chǎng)總量80%以上。

1 爐排垃圾燃燒工藝及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

爐排型焚燒爐的結(jié)構(gòu)多種多樣，主要特征是被處理的垃圾堆放在爐排上，焚燒火焰從垃圾堆料層的著火面向未著火的料堆表面及內(nèi)層傳播，形成一層一層燃燒的過(guò)程。爐排爐通常由干燥段，燃燒Ⅰ段、燃燒Ⅱ段、燃燼段4 部分構(gòu)成。每部分爐排單元分別采用獨(dú)立的液壓缸驅(qū)動(dòng)。段與段之間通常設(shè)置段差，有利于爐排上的垃圾團(tuán)翻滾跌散，燃燒充分。圖1 為水平往復(fù)爐排爐結(jié)構(gòu)。

圖1 水平往復(fù)爐排爐結(jié)構(gòu)

根據(jù)給料裝置投入的垃圾量，爐排爐采用適當(dāng)?shù)乃俣确贌⑼扑屠＠诮?jīng)過(guò)爐排爐各段時(shí)，完成干燥脫水、高溫燃燒、燃燼的過(guò)程；做往復(fù)運(yùn)動(dòng)的爐排片翻轉(zhuǎn)、攪拌垃圾，促進(jìn)垃圾充分燃燒。利用爐排的高氣密性及適宜的氣孔率，可以提高燃燒空氣的通風(fēng)阻力。各爐排單元下面分別設(shè)置風(fēng)箱，能根據(jù)燃燒狀態(tài)按適當(dāng)?shù)姆峙浔嚷史植既紵諝狻＠茉跔t內(nèi)有效地燃燒，在燃燼段形成低熱灼減的灰渣，并被排出到灰渣處理設(shè)備。一般來(lái)說(shuō)，生活垃圾在焚燒爐內(nèi)與過(guò)量空氣進(jìn)行氧化燃燒反應(yīng)，有害物質(zhì)例如二惡英等在850℃以上的溫度區(qū)域停留2 s～ 3 s 即可氧化、熱解，滿足垃圾焚燒的工藝需要。圖2 為爐排爐內(nèi)垃圾燃燒狀況。

圖2 爐排爐內(nèi)垃圾燃燒狀況

2 普通耐熱爐排片及其溫度控制方式

爐排片作為垃圾焚燒的執(zhí)行部件，于爐內(nèi)直接推送高溫燃燒的垃圾，作業(yè)工況惡劣。常見(jiàn)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(zhǎng)。如果爐排片材質(zhì)的選用和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較合理，整體使用壽命能達(dá)到 80 000 h。通過(guò)耐熱金屬的 C、Ni、MO、Cr成分優(yōu)化，在抗氧化性與高溫強(qiáng)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、拉伸和韌性等方面優(yōu)良性能[1]。溫度達(dá)到約500℃以上時(shí)，燒損、減薄將會(huì)顯著增加。主要原因是腐蝕性煙氣、溶融鹽等造成高溫腐蝕（粒界腐蝕），并且爐排片與此腐蝕的生成物發(fā)生摩擦造成損壞。爐排片主要由于高溫腐蝕發(fā)生減薄變形，稱之為燒損。各個(gè)不同部位的爐排片燒損速度是不一樣的。在主燃燒部分，出現(xiàn)高溫的爐排片燒損最快，另外燃燒空氣量、垃圾發(fā)熱量、垃圾層厚度、燃燒完結(jié)點(diǎn)位置的不同也會(huì)使?fàn)t排片的燒損速度產(chǎn)生較大差異。因此，垃圾焚燒爐經(jīng)濟(jì)性使用溫度為400℃～450℃。

為了保持這個(gè)溫度區(qū)間，需要有足夠的冷卻，將爐排片的表面溫度控制在400℃以下。但是，要求全體爐排片保持此溫度范圍非常困難，特別是主燃燒部的爐排片頂端部分經(jīng)常超出上述溫度。這是由于爐排片溫度很大程度上要受到燃燒空氣量、垃圾發(fā)熱量、垃圾層厚度和燃燒完結(jié)點(diǎn)等因素的影響。在實(shí)際運(yùn)行中，通常使用熱電偶測(cè)定燃燒段爐排片背面溫度，可實(shí)現(xiàn)中央監(jiān)視。正常運(yùn)行時(shí)的爐排片溫度為450℃以下。一旦達(dá)到預(yù)警溫度，需人工干預(yù)，對(duì)燃燒空氣量，燃燒空氣溫度，爐排推動(dòng)頻率參數(shù)等進(jìn)行調(diào)整，使?fàn)t排片溫度逐步脫離此溫度范圍。爐排片的冷卻效果越好，則腐蝕磨損的越少。爐排片的更換周期就越長(zhǎng)，爐子的穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間就越長(zhǎng)。因此，爐排片的壽命是非常重要的一個(gè)指標(biāo)。

3 提高爐排片使用壽命方式

為了提高爐排片壽命，一般采取的方式有2 種。1）結(jié)構(gòu)上增加強(qiáng)制冷卻，強(qiáng)化對(duì)爐排片溫度的控制。2）材料上進(jìn)行優(yōu)化，使之能更耐溫耐磨。

3.1 強(qiáng)制空冷爐排與強(qiáng)制水冷爐排

結(jié)構(gòu)上為增加強(qiáng)制冷卻通常采用強(qiáng)制空冷爐排及強(qiáng)制水冷爐排。這兩者在爐排片材質(zhì)通常與前述耐熱鑄鋼無(wú)異。強(qiáng)制空冷爐排是以空氣作為冷卻媒介，在爐排片高溫部位下部設(shè)計(jì)強(qiáng)制空氣冷卻管路，以低空氣量集中吹敷降溫。強(qiáng)制水冷爐排是以水作為冷卻媒介，通過(guò)水循環(huán)冷卻布置在爐排片高溫區(qū)的傳熱塊，從而降低爐排片溫度。因?yàn)樗谋葻崛莞哂诳諝猓? 種方式單從冷卻效果上看強(qiáng)制水冷爐排的冷卻效果更好。但是 由于其增加的水循環(huán)管路結(jié)構(gòu)，需要考慮防止管路泄露及堵塞等問(wèn)題，因而2種方式中目前還是以強(qiáng)制空冷爐排應(yīng)用較廣。通過(guò)在已有生活垃圾焚燒項(xiàng)目的論證，強(qiáng)制空冷爐排大大提高熱值高垃圾情況下焚燒爐的長(zhǎng)期連續(xù)穩(wěn)定燃燒時(shí)間，針對(duì)高熱值垃圾的燃燒，起到降低爐排片的燒損、延長(zhǎng)爐排片的壽命的作用。圖3 為強(qiáng)制空冷爐排結(jié)構(gòu)示意。

圖3 強(qiáng)制空冷爐排結(jié)構(gòu)示意

3.2 爐排片本體材質(zhì)優(yōu)化

為了提高耐熱鑄鋼爐排片的耐燒損與耐磨的特性，通常采用在鑄造中添加Nb、Mo 等合金元素以及對(duì)爐排片進(jìn)行鎳基噴涂方式。國(guó)外研究對(duì)比發(fā)現(xiàn)，與原耐熱鑄鋼爐排片相比，通過(guò)采用添加合金元素的方式，可使其使用壽命延長(zhǎng)至原來(lái)的2～2.5 倍，價(jià)格變?yōu)樵瓉?lái)的1.2～1.3 倍；通過(guò)使用鎳基噴涂的方式，可使其壽命延長(zhǎng)至原來(lái)的3 倍，價(jià)格變?yōu)樵瓉?lái)的2～2.5 倍。這2 種方式在延長(zhǎng)其使用壽命的同時(shí)，價(jià)格增幅也較大，因此國(guó)內(nèi)生活垃圾焚燒項(xiàng)目無(wú)應(yīng)用。

國(guó)內(nèi)某企業(yè)開(kāi)發(fā)采用堆焊耐磨鋼板裝配焊接，代替鑄造型爐排片。選擇抗高溫磨粒磨損的特種堆焊板材，為在普通鋼板表面堆焊高鉻合金耐磨層，耐磨層硬度可達(dá)HRC58～62，而一般耐熱鑄鋼爐排片硬度僅為HB200～220。基材與耐磨層之間為冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度高，耐磨鋼板合金在高溫下具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性，能夠滿足1 200℃以內(nèi)條件下使用。耐磨鋼板基材為普通碳鋼鋼板（如Q235.Q245 等），可以采取焊接等方式與其他部件進(jìn)行組裝焊接。制作焊接爐排片利用堆焊板材的高硬度耐磨層特性充當(dāng)工作面，利用基材金屬進(jìn)行組焊連接。

在威海環(huán)境再生能源有限公司的爐排生活垃圾焚燒項(xiàng)目進(jìn)行試驗(yàn)，由堆焊耐磨鋼板焊接而成的爐排片作為試驗(yàn)品均布于爐內(nèi)各段位置，在2年中對(duì)其進(jìn)行跟蹤檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，焊接型爐排片未出現(xiàn)燒損、裂紋等現(xiàn)象。以工況最惡劣的燃燒段爐排作為對(duì)比，堆焊耐磨鋼焊接爐排片2年內(nèi)磨損量不足1 mm，而同位置的普通耐熱鑄鋼爐排片的磨損量為3 mm 以上。對(duì)試驗(yàn)品爐排片其進(jìn)行了強(qiáng)度、硬度、元素含量等檢測(cè)，證明其性能穩(wěn)定。雖然堆焊耐磨鋼較普通板材價(jià)格有所提高，但對(duì)于有一定焊接加工基礎(chǔ)的企業(yè)，利用焊接制作爐排片的成本甚至略低于耐熱鑄鋼爐排片的采購(gòu)成本。在成本價(jià)格持平甚至略低的基礎(chǔ)上，堆焊耐磨鋼焊接爐排片為普通耐熱鑄鋼爐排使用壽命的3 倍左右，因此針對(duì)現(xiàn)階段生活垃圾爐排爐焚燒，堆焊耐磨鋼焊接爐排片具有較大應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于歐美、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家地區(qū)，其生活水平高及垃圾分類執(zhí)行較好，垃圾熱值高，爐排損壞形式通常以高溫燃燒造成的燒損為主。我國(guó)目前的生活垃圾含灰分較高，不燃物較多，爐排損壞形式以磨損為主。但是隨著居民生活水平的提高及垃圾分類意識(shí)的普及，生活垃圾熱值呈上升趨勢(shì)。因此，我國(guó)地方在投資建設(shè)爐排式生活垃圾焚燒項(xiàng)目式，綜合考慮，對(duì)爐排片進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，延長(zhǎng)其使用壽命，使焚燒效益最大化。