提高垃圾焚燒用爐排片性能的措施

張建東(青島荏原環境設備有限公司，山東 青島 266031)

0 引言

在生活垃圾焚燒發電行業中，機械爐排式焚燒爐已成為主流設備，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展趨勢。由于現有的垃圾焚燒用爐排片無法適應高熱值垃圾，因此有必要采取改善爐排片材質、開發強制空冷和水冷爐排系統等措施，以延長爐排片的使用壽命，提高運營單位的經濟效益。垃圾基準熱值在低于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年內爐排片更換率小于5%的最低要求，垃圾基準熱值在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，使爐排片的更換率降低到客戶要求范圍內。而如果垃圾基準熱值超過10.9 MJ/kg，甚至摻燒塑料等工業垃圾使垃圾基準熱值超過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的熱量帶出系統外，客觀上會降低熱回收的效率，進而會降低發電效率。因此，如何在開發水冷爐排結構后，再設計出有效的熱回收系統，以提高整個系統的經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脫落、斷裂、卡住以及磨損等現象，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。但是根據實驗室數據，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 ℃之間與碳元素反應生產鉻的碳化物Cr23C6，這種化學反應主要是在晶體的邊界發生，隨著反應的進行當鉻含量小于12%左右時，將會破壞晶體間有效的固化(即產生脆化)，最后導致晶體的剝離，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等酸性氣體結露后的侵蝕。當溫度超過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，這將會加速爐排片的腐蝕[1]，如圖2所示。

圖2 腐蝕的元素化學反應示意

普通型爐排片通常是指不設置強制空冷和水冷的爐排片，根據使用材料的不同通常可以分為鑄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(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、提高燃燒穩定性、便于檢修維護。筆者所在公司相繼在改善爐排片材質、開發強制空冷爐排和水冷爐排系統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

2.1 鑄造爐排片

鑄造爐排片相繼開發了幾種結構型式，如：卡槽式、銷軸式、連體式等。卡槽式鑄造爐排片是引進國外技術后開發的第一款爐排片，該型爐排片具有耐高溫腐蝕、拆裝便利等優點，但是在運行過程中出現過自動脫落的現象。為了維持燃燒的穩定性，避免因爐排片的原因而造成非計劃停爐，又開發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，已經成為國內普遍采用的主流爐排片。此后，又開發了連體式鑄造爐排片，這種爐排片由于設置了出風口，運行也比較穩定，但是拆卸時需要借助專用器具整排拆卸，后來沒有大規模推廣使用。為了防止爐排片的翹起，又開發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，近期開發了焊接爐排片。焊接爐排片也相繼開發了銷軸式、承插式、開縫式、自清式等幾種不同的結構型式。承插式焊接爐排片在實驗過程中出現過開口銷腐蝕導致的運行中脫落現象。自清式爐排片在實驗過程中發現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，并未進行現場驗證。如上所述，銷軸式焊接爐排片也被廣泛地應用在國內各項目中。但是，該系列焊接爐排片在使用過程中普遍出現了快速燒損的問題，運行1年左右高溫區普遍出現了大面積的爐排片燒穿，不但影響燃燒的穩定性，而且會使爐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，為了便于現場拆裝方便又開發了一種插銷式爐排片，但由于結構有待完善，因此沒有進行工廠和現場實驗。

2.3 新材料爐排片

為了應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堆焊等多種應對方案，但由于目前正在試驗中，尚未取得實驗結論。

3 開發強制空冷爐排片

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置冷卻風噴嘴，將一次風量的30%～40%吹入不易被一次風冷卻、但又特別容易燒損的爐排片端頭部，在調整負荷時冷卻實驗結果，采用強制空冷后可以使爐排片溫度下降約150 ℃左右。

3.2 強制空冷爐排片的結構分類

風量不會隨著一次風的風量變化而變化，而且這種結構運行穩定也比較方便檢修。根據現場從結構型式而言，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。在上述幾種結構型式中，噴嘴式目前只完成了理論計算，尚未進行試驗；掛鉤式正在現場實驗中，尚未獲得數據；承插式因為爐排片易脫落的原因，雖經現場驗證但并未推廣；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，正在大規模應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，為了便于現場拆裝，又開發了一種曲軸式強制空冷爐排片，其組裝模型如圖4所示。在國內項目現場得到了實驗數據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、且不易受負荷變化影響等優勢。可以將爐排片的溫度降低到300 ℃以下，即避免爐排片發生高溫腐蝕的溫度范圍。但是水冷爐排也有會將焚燒爐內的熱量帶出系統外，從而降低發電效率的劣勢。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生泄漏，甚至會造成停爐，具有一定的風險性。

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，下面就簡要介紹筆者所在公司開發的水冷爐排，及在工廠和現場所進行的實驗中取得的技術成果。

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，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外的熱量，使發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，從現場和獲取的實驗數據來看，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現，水冷軟管和接頭短時間內漏水，且爐排片本身不易拆卸，要拆卸側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，開發出了一種冷卻水路和承載梁一體的結構，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進行了實驗，從實驗結果來看，冷卻效果仍不理想。當模擬爐膛內燃燒層的加熱器溫度設定在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據

4.3 水冷側面爐排片

為了繼續拓展爐排上可用于水冷的部件區域，提高在高溫區使用的部件壽命，又開發了水冷側面爐排片。如圖7所示。這是通過水冷塊與側面爐排片的接觸實現冷卻的，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

該型水冷側面爐排片設計完成后，在工廠進行了實驗。實驗過程中，出現的問題仍然是冷卻效果不佳。通過在水冷塊和側面爐排片之間填塞導熱片、涂抹碳化硅耐火涂料、涂抹金屬導熱膠等方式，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面爐排片溫度可以降低110 ℃的結論，有一定的冷卻效果，但是距離降低200 ℃的預期目標仍有一定的差距。通入冷卻水后的水冷塊和側面爐排片的溫度變化數據采集和數據分析如圖8所示，水冷塊溫度可以降至100 ℃以下，但側面爐排片溫度基本上都在300 ℃左右。

圖8 水冷側面爐排片工廠實驗數據

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構缺陷而未實驗，在現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進行試驗。

5 改善水冷爐排系統的探索

今后水冷爐排在改善結構的主要方向是盡快開發一種耐久性好、使用穩定的直接水冷爐排片。但除了對爐排片本體進行結構改進之外，也需要盡快開發出一套可以有效避免熱損失的水冷系統。

為了盡量減少水冷爐排將熱量帶出系統外，使發電效率不過度降低。筆者構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。新型水冷爐排系統的工藝流程簡圖如圖9所示。

圖9 水冷爐排系統工藝流程簡圖

該系統前正在設計開發中，還未進行現場實驗。如果實驗成功，則可以在不降低發電效率的前提下，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

中國國內垃圾焚燒發電行業近10年來成突飛猛進的趨勢發展，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新的變化。隨著各焚燒廠提升產能的需求不斷增加，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。

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

7 結語

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濟效益，乃至于環境效益和社會效益具有非常重要的意義。