日本垃圾焚燒爐排爐技術(shù)探究

嚴(yán)夢(mèng)帆

(上?？岛悱h(huán)境股份有限公司，上海 201703)

1 前 言

根據(jù)《2016城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒》顯示，截止2016年年底，投入運(yùn)行的生活垃圾焚燒20發(fā)電廠有250座，總處理能力為23.7萬(wàn)t/d，總裝機(jī)約為4 880MW。其中采用爐排爐的焚燒發(fā)電廠有168座，合計(jì)處理能力達(dá)到16.4萬(wàn)t/d，裝機(jī)達(dá)到3 040MW；其余主要為采用流化床的焚燒發(fā)電廠，總計(jì)有82座，合計(jì)處理能力為7.3萬(wàn)t/d，裝機(jī)達(dá)到1 840MW?？梢?jiàn)，無(wú)論從焚燒發(fā)電廠的數(shù)量、總處理能力及裝機(jī)容量看，爐排爐都已占據(jù)了2/3的市場(chǎng)份額。根據(jù)中國(guó)環(huán)境保護(hù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)近兩年新投運(yùn)的垃圾焚燒設(shè)施不完全統(tǒng)計(jì)，爐排爐是焚燒爐的主流工藝，統(tǒng)計(jì)了49個(gè)項(xiàng)目，其中僅3家焚燒廠使用流化床工藝，其余均采用爐排爐工藝，占比93.88%。垃圾焚燒爐排爐化，趨勢(shì)明顯。

而作為擁有最先進(jìn)生活垃圾焚燒技術(shù)的日本，垃圾焚燒爐排爐技術(shù)的實(shí)際運(yùn)用已擁有了超過(guò)50年的歷史，本文探究了比較有代表性的幾家企業(yè)的不同技術(shù)，通過(guò)對(duì)不同企業(yè)的研發(fā)歷程，以及現(xiàn)行機(jī)種的特長(zhǎng)研究，結(jié)合日本整個(gè)垃圾焚燒行業(yè)的發(fā)展歷史，包括垃圾熱值的變化、排放標(biāo)準(zhǔn)的提高、垃圾發(fā)電系統(tǒng)熱回收高效化等對(duì)爐排研發(fā)的影響情況。明確了我國(guó)在爐排爐技術(shù)的研發(fā)方向。希望對(duì)我們國(guó)內(nèi)的相關(guān)研發(fā)有學(xué)習(xí)和借鑒的價(jià)值。

2 日本垃圾焚燒技術(shù)的變遷[1]

2.1 日本垃圾焚燒技術(shù)概況

日本的垃圾處理技術(shù)，從填埋到野外焚燒，再到有記載的工業(yè)化焚燒廠，最早可追溯到1897年的敦賀市10t/d批次爐項(xiàng)目。焚燒爐技術(shù)大致經(jīng)歷了批次爐、機(jī)械化批次爐、準(zhǔn)連續(xù)爐和全連續(xù)爐，4個(gè)階段。而全連續(xù)爐排爐即是現(xiàn)在泛用度最高的，我們通常所講的爐排爐技術(shù)。

自敦賀項(xiàng)目建成，日本政府對(duì)國(guó)民衛(wèi)生情況的關(guān)注也到了一個(gè)新高度，1900年隨著日本“污物掃除法”的頒布，批次爐的發(fā)展大受鼓舞。當(dāng)時(shí)批次爐的運(yùn)行情況多為白天8h工作制。然而由于批次爐的工作條件和環(huán)境較差，采用自然通風(fēng)，加之使用人工攪拌的方式，導(dǎo)致不完全燃燒，冒黑煙的情況時(shí)有發(fā)生，鄰避問(wèn)題初露端倪。而且在水分多的季節(jié)，爐渣較之原生垃圾的減量化效果不甚明顯。大正時(shí)代末期到昭和初期(約19世紀(jì)20年代末，30年代初)，批次爐的研發(fā)到達(dá)全盛時(shí)期，機(jī)械化批次爐應(yīng)運(yùn)而生。所謂的機(jī)械化批次爐便是在垃圾上料、燃燒攪拌、爐渣出渣、風(fēng)機(jī)供風(fēng)等設(shè)備的機(jī)械化改進(jìn)，同時(shí)也有了簡(jiǎn)單的水洗、濾網(wǎng)過(guò)濾等尾氣控制設(shè)施。1938年建設(shè)的大阪市木津川第3工廠使用了卷?yè)P(yáng)機(jī)上料方式，便是現(xiàn)今的垃圾池和抓斗結(jié)合上料的原形。而在此前1918年建立的大阪市木津川第2工廠則是風(fēng)機(jī)在垃圾焚燒送風(fēng)模式的首次應(yīng)用。為了增加處理量及降低建設(shè)費(fèi)用，機(jī)械批次爐大型化也逐漸提上議程，采取單燃燒室并排布置，統(tǒng)籌上料及出渣的的方式，成為燃燒系統(tǒng)的主流形式。而運(yùn)行時(shí)間上仍相對(duì)保守，依然以8h工作制為主。

19世紀(jì)60年代初，隨著垃圾量不斷增加，技術(shù)的不斷進(jìn)步，歐美已有24h連續(xù)運(yùn)行的業(yè)績(jī)，日本的連續(xù)爐相關(guān)研發(fā)及引進(jìn)也迎來(lái)了契機(jī)。而所謂的準(zhǔn)連續(xù)爐與全連續(xù)爐最明顯的區(qū)別方法在于運(yùn)行時(shí)間的差別，全連續(xù)爐為24h運(yùn)行，而準(zhǔn)連續(xù)爐為16h運(yùn)行。出于提高性能，增強(qiáng)成本競(jìng)爭(zhēng)力，快速商業(yè)化等原因。多家廠家都進(jìn)行了技術(shù)引進(jìn)，其技術(shù)出處如下表所示。

2.2 主流爐排的形式

隨著爐排爐技術(shù)的發(fā)展及普及，爐排的配置也逐漸形成了由干燥段爐排根據(jù)垃圾的不同特性干燥，再到燃燒段燃燒，最后為了達(dá)到減量化需求，設(shè)置使?fàn)t渣充分燃盡的燃燼段的三段式布置方式。這種三段式的配置已成為爐排布置的常用模式。

表 日本主要引進(jìn)爐排爐技術(shù)關(guān)系Tab. Grate technologies imported in Japan

為了應(yīng)對(duì)垃圾成分的季節(jié)性波動(dòng)，仍能保證穩(wěn)定連續(xù)地運(yùn)行，各家的爐排形式也大相徑庭。另外，隨著垃圾熱值的提升，爐排傾斜角度的變化，甚至爐排水平布置的方式也屢見(jiàn)不鮮。同時(shí)爐膛整個(gè)高度的盡可能降低，以期降低土建成本，也成為了爐排設(shè)計(jì)需要考量的方面。

其次，為了更好的對(duì)應(yīng)干燥、燃燒、燃燼三段的功能及不同風(fēng)量的需求，在每段爐排下采用數(shù)量不一的灰斗兼風(fēng)室的布置方式也成為主流。

主要的爐排形式有順推列動(dòng)式、順推行動(dòng)式、逆推式、滾筒回轉(zhuǎn)式等，將在下文進(jìn)行詳述。此外，也有組合的方式，甚至有為了使垃圾充分燃盡，在爐排后設(shè)置回轉(zhuǎn)窯的嘗試。不過(guò)，為了運(yùn)行與維護(hù)的便利，同一焚燒線，還是以單一的爐排形式為宜。

3 爐排技術(shù)類型

3.1 H社的爐排技術(shù)

1960年，H社與丸紅、Von Roll一起，成立了三方合資公司，正式進(jìn)軍垃圾焚燒發(fā)電行業(yè)，依托Von Roll在歐洲積累的豐富的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，于1965年建成了日本最早的發(fā)電上網(wǎng)項(xiàng)目，西淀清掃工廠。處理能力市場(chǎng)份額世界第一(2008～2010)。

H社現(xiàn)行爐排技術(shù)主要分為L(zhǎng)型爐排和R型爐排。所謂的L型爐排為順推列動(dòng)往復(fù)式爐排，帶剪切刀裝置；而R型爐排為順推行動(dòng)往復(fù)式爐排。

3.1.1 L型爐排

L型爐排結(jié)構(gòu)如圖1所示，剪切刀通常設(shè)置在燃燒段。三段爐排間，設(shè)置有1.2m以上的落差墻，依靠垃圾跌落時(shí)的沖擊力，起到翻動(dòng)的效果?；顒?dòng)梁在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，沿水平方向向上10°，做往復(fù)式運(yùn)動(dòng)。剪切刀裝置的運(yùn)作方式，詳見(jiàn)圖2。

L型爐排的優(yōu)點(diǎn)在于，剪切刀的設(shè)置，對(duì)垃圾的破碎效果更為突出，更有利于含水率高的低熱值垃圾焚燒。但在燃燒高熱值垃圾時(shí)，由于垃圾層厚的降低，爐排表面溫度的提升，會(huì)造成剪切刀裝置的燒損，因此在燃燒高熱值垃圾時(shí)，也存在不設(shè)置剪切刀的情況。

由于受到爐排熱膨脹結(jié)構(gòu)的限制，單段爐排模塊最大長(zhǎng)度為5.6m，最大寬度為4m。單模塊3段爐排的最大處理能力為300t/d。日立最大的L型爐排為寬度方向上，左右分體的雙模塊結(jié)構(gòu)，最大處理能力為600t/d。此后,H社技術(shù)轉(zhuǎn)讓給上?？岛?，經(jīng)過(guò)康恒團(tuán)隊(duì)對(duì)爐排驅(qū)動(dòng)及熱膨脹結(jié)構(gòu)的改良，現(xiàn)L型爐排的最大規(guī)模為寬度方向上，三模塊排列，最大處理能力為900t/d。

圖1 H社L型爐排結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of L-type grate stoker

圖2 剪切刀裝置運(yùn)作方式Fig.2 Running mode of grate cutter

3.1.2 R型爐排

隨著生活水平的不斷提高，垃圾中的紙、塑料、鋁罐等的比重逐步增加，垃圾的含水率逐漸降低，垃圾熱值也有了大幅的提升，為了防止熔融塑料及鋁，從爐排間隙滴落，造成灰斗的起火及堵塞等情況的發(fā)生。H社和VonRoll開(kāi)始了R型爐排的相關(guān)研發(fā)。

R型爐排的結(jié)構(gòu)如圖3所示,由于面向熱值更高的垃圾，落差墻的高度降低到1m，爐排梁垂直垃圾輸送方向布置，分為活動(dòng)梁和固定梁，兩者交錯(cuò)布置。為了減小爐排間隙，防止熔渣的滴落，寬度方向上使用彈簧拘束方式；為了防止?fàn)t排塊的燒損，爐排塊底部的導(dǎo)流筋板做了特殊的設(shè)計(jì)，以起到一次風(fēng)強(qiáng)制風(fēng)冷的目的。單模塊爐排長(zhǎng)度2m，寬度為1.8～2.6m的多重組合方式。設(shè)計(jì)三段最大處理規(guī)?？蛇_(dá)1 000t/d。

R型爐排，較之L型爐排，更適合于高熱值垃圾的燃燒，但對(duì)于垃圾含水率的適應(yīng)性與攪拌效果方面，選用L型爐排會(huì)更好。

圖3 H社R型爐排結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of R-type grate stoker

3.2 K社的爐排技術(shù)

K社的爐排技術(shù)，由最早與德國(guó)DBA社，協(xié)同研發(fā)的滾筒爐排，到后來(lái)的翻轉(zhuǎn)爐排(類似于H社L型爐排的剪切刀構(gòu)造)，到之后的SUN型爐排，及階梯往復(fù)式爐排，歷程詳見(jiàn)圖4。

其中SUN型爐排為K社現(xiàn)行的主流機(jī)種，具體結(jié)構(gòu)詳見(jiàn)圖5。單模塊最大寬度為4m，現(xiàn)有最大規(guī)模為1 000 t/d。SUN型爐排的運(yùn)行方式，不同于傳統(tǒng)的順推列動(dòng)式往復(fù)爐排的直線運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)軌跡為以爐排下的前部驅(qū)動(dòng)軸及后部支撐座為支點(diǎn)的弧線運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)部分的磨耗有所減少。

3.3 M社的爐排技術(shù)

M社的爐排技術(shù)大致經(jīng)歷了4個(gè)階段，從1960年代的TGR型鏈條爐，到60年代末的2TF型(2段式鏈條爐+往復(fù)式爐排)，再到70年代初的準(zhǔn)連續(xù)爐排F型，最后便是70年代通過(guò)與德國(guó)馬丁公司技術(shù)轉(zhuǎn)讓而來(lái)的MATIN爐排。

3.3.1 MATIN爐排

MATIN爐排是典型的逆推行動(dòng)式往復(fù)爐排，垃圾在輸送過(guò)程中，通過(guò)爐排的逆推效果，使垃圾在爐排表面有更好的攪拌效果，原理詳見(jiàn)圖6。該爐排的燃燒熱負(fù)荷率可達(dá)350kg/m2·h。爐排的行程420mm。爐排單模塊最小寬度1.5m，最大寬度2.5m，同樣采用多模塊寬度方向上組合的方式，以達(dá)到大型化的目的。日本國(guó)內(nèi)最大6模塊排列，寬度12.8m，日本國(guó)外最大有8模塊的業(yè)績(jī)，最大規(guī)模1 200t/d。

圖4 K社爐排的變遷[2]Fig.4 Changes of K company’s grate

圖5 SUN型爐排結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure of SUN-type grate stoker

圖6 逆推垃圾攪拌原理Fig.6 Principle of waste stirring on backstepping grate

3.3.2 F型爐排(圖7)

與面向中、大型化的MATIN爐排向互補(bǔ)，F(xiàn)型爐排為M社在中、小型規(guī)模的現(xiàn)行機(jī)種。F型爐排為順推行動(dòng)往復(fù)式，爐排的液壓系統(tǒng)采用與MATIN爐排相同的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。各段爐排間設(shè)置0.9m的落差墻，爐排傾角已滿足垃圾在爐排上的停留時(shí)間為前提，水平布置也可。單模塊爐排寬度最小1.5m，最大3m，最大的業(yè)績(jī)?yōu)殡p模塊排列，單條線最大寬度6m。

MATIN爐排較之單純的順推的F型爐排而言，對(duì)垃圾的攪拌效果更佳，但由于垃圾輸送方向與爐排驅(qū)動(dòng)方向相反，相同情況下，為控制垃圾在爐排上的停留時(shí)間，爐排傾角會(huì)更大，造成焚燒爐高度升高的情況。總體而言，MATIN爐排適合大型化，F(xiàn)型適合相對(duì)較小規(guī)模的項(xiàng)目。

圖7 F型爐排結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structure of F-type grate stoker

3.4 E社的爐排技術(shù)

E社的爐排技術(shù)，經(jīng)歷了所有從批次爐、機(jī)械化批次爐、準(zhǔn)連續(xù)爐和全連續(xù)爐，四個(gè)階段。先后引進(jìn)過(guò)美國(guó)，以及意大利db社的技術(shù)。爐排傾角也從20世紀(jì)60年代的兩段式，第一段爐排40°，第二段爐排10°；到70年代末的21°；至80年代初的20°；再到80年代末的15°；最后到1994年的水平布置。爐排傾角的設(shè)計(jì)不斷變緩，也從另一側(cè)面體現(xiàn)了垃圾熱值的不斷提升。機(jī)械負(fù)荷也從最早的180 kg/m2·h到現(xiàn)在的300 kg/m2·h。

E社爐排的現(xiàn)行機(jī)種，為HPCC21型，采用了獨(dú)有的強(qiáng)制風(fēng)冷設(shè)計(jì)。該爐排為順推行動(dòng)往復(fù)式，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖8。爐排為水平布置，活動(dòng)與固定爐排梁內(nèi)部，都有冷卻空氣管，冷卻空氣由爐外風(fēng)管吹入，同時(shí)通過(guò)活動(dòng)爐排梁和固定爐排梁，由爐排片下部的噴嘴噴出。強(qiáng)制空冷空氣比例為一次風(fēng)比例的20%～40%，空氣比為1.25～1.4，爐排下部壓力為1.0～2.0kPa。

強(qiáng)制風(fēng)冷爐排的的優(yōu)點(diǎn)在于更適合低空氣比燃燒，同時(shí)也增強(qiáng)了爐排片的冷卻效果，從而延長(zhǎng)了爐排片壽命及爐排維護(hù)的周期。但爐排的供風(fēng)系統(tǒng)更復(fù)雜，前期的投資與維護(hù)成本會(huì)有上浮。

圖8 強(qiáng)制空冷爐排結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Structure of Forced air cooling grate

3.5 其他爐排技術(shù)

在過(guò)去的半個(gè)多世紀(jì)，無(wú)論是自主研發(fā)、技術(shù)引進(jìn)，或是產(chǎn)、學(xué)、研合作，日本的各大廠家都有著自己艱辛的研發(fā)歷程。包括T社、J社、S社、K社、I社、SK社、KT社、SW社等，各自都為垃圾焚燒行業(yè)的發(fā)展作出了貢獻(xiàn)，可說(shuō)是百花爭(zhēng)艷，由于篇幅所限，難以一一介紹，諸如S社的W+E型爐排(圖9)、T社的SN型爐排等(圖10)，也都自成一派。在爐排爐相關(guān)的其他設(shè)備上各家也做著孜孜不倦的研發(fā)，其中J社的爐膛中拱(圖11)，也是獨(dú)樹(shù)一幟。放上部分圖片供學(xué)習(xí)、借鑒。

圖9 S社的爐排結(jié)構(gòu)圖Fig.9 Structure of S company’s grate

圖10 T社的SN型爐排結(jié)構(gòu)圖Fig.10 Structure of SN-type grate of T company

圖11 J社的二回流焚燒爐[3] Fig.11 Two way gas flow incinerator of J company

4 結(jié)論與展望

日本的大部分廠家都有相對(duì)成熟的爐排爐技術(shù)。而我國(guó)的垃圾焚燒爐排爐技術(shù)的發(fā)展，與日本的歷程有很多相似之處，也是通過(guò)從技術(shù)引進(jìn)到自主研發(fā)的方式。結(jié)合日本不同廠家的研發(fā)歷程，我國(guó)垃圾焚燒爐排技術(shù)的研究方向?yàn)椋?/p>

4.1 爐排的大型化研發(fā)

大型機(jī)械爐排爐憑借其單條線垃圾處理能力大的特點(diǎn)，可大大降低項(xiàng)目投資、運(yùn)行、維護(hù)的成本，從而增加經(jīng)濟(jì)效益，大型化勢(shì)在必行。

4.2 高熱值爐排的研發(fā)

隨著生活水平的不斷提高，以及垃圾分類的推廣，垃圾熱值得升高也是必然的趨勢(shì)。另外，垃圾處理的園區(qū)化，也對(duì)多種垃圾的摻燒，提出了新課題，包括農(nóng)林廢棄物、醫(yī)療廢棄物、工業(yè)廢棄物等高熱值垃圾的摻燒也對(duì)爐排的耐高溫性能提出了新的要求，爐排的水冷化研發(fā)也將提上日程。

4.3 爐排的穩(wěn)定運(yùn)行改進(jìn)

從爐排的結(jié)構(gòu)出發(fā)，減少已損件的磨耗及故障率，可有效延長(zhǎng)爐排使用壽命和停爐周期，從而降低運(yùn)行成本，并提高焚燒爐的累計(jì)運(yùn)行時(shí)間，增加發(fā)電量。此類研究將對(duì)垃圾焚燒廠的經(jīng)濟(jì)效益有明顯的提高。