今日分享 | 高熱值垃圾強(qiáng)制冷卻爐排技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)

一、背景

目前機(jī)械爐排爐仍然是國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的垃圾焚燒處理技術(shù)，為了穩(wěn)定焚燒爐燃燒，焚燒爐必須滿足850℃ 2s的環(huán)保要求，焚燒爐內(nèi)燃燒區(qū)維持在950℃-1050℃，焚燒爐爐膛示意見圖1。垃圾通過料斗被給料器推入爐排（爐排分為干燥區(qū)、燃燒區(qū)、燃燼區(qū)）進(jìn)行焚燒，由于爐排之間的交錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，將垃圾向下方推動(dòng)，直至燃燼排出爐膛。

圖1  焚燒爐和爐排

垃圾在爐排上直接燃燒，爐排片一直處于高溫工作狀態(tài)，平均溫度達(dá)到350℃-450℃，最高溫度達(dá)到450℃-550℃，局部溫度會(huì)更高，尤其是在燃燒高熱值垃圾或超負(fù)荷運(yùn)行時(shí)爐膛容積熱負(fù)荷過高的情況，勢(shì)必導(dǎo)致爐排鑄件處易燒損的高溫區(qū)域，從保護(hù)爐排角度必須配置冷卻系統(tǒng)，以保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)營。常規(guī)爐排底部布置一次風(fēng)，既提供燃燒氧氣，又能直接冷卻爐排鑄件。隨著高熱值垃圾及多源固廢的摻燒，現(xiàn)有一次風(fēng)無法有效降低爐排片工作溫度，亟需引入強(qiáng)制冷卻技術(shù)，降低爐排片工作溫度，從而保障焚燒爐長期穩(wěn)定運(yùn)營。

二、冷卻技術(shù)路線

傳熱學(xué)在各個(gè)領(lǐng)域都有應(yīng)用，基本包含了強(qiáng)化傳熱、削弱傳熱和溫度控制三個(gè)典型內(nèi)容，并且理論研究已經(jīng)相當(dāng)成熟，典型冷卻系統(tǒng)節(jié)能減排技術(shù)路線如圖2所示：

圖2  冷卻系數(shù)技術(shù)路線

在冷卻側(cè)通過風(fēng)冷或液冷直接控制溫度，在內(nèi)循環(huán)或外循環(huán)實(shí)現(xiàn)能量回收是目前最常見的技術(shù)應(yīng)用方式。

三、傳熱方式

（一）高導(dǎo)熱材料或熱管技術(shù)強(qiáng)化傳熱

常見金屬材料及熱管的導(dǎo)熱系數(shù)如圖3所示，采用鋁等高導(dǎo)熱金屬材料或熱管能顯著增強(qiáng)傳熱。

圖3  金屬及熱管的導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)比

（二）強(qiáng)制水冷技術(shù)強(qiáng)化換熱

對(duì)流換熱是最常見的強(qiáng)制冷卻方式，它是依靠流體質(zhì)點(diǎn)的移動(dòng)進(jìn)行熱量傳遞的，與流體的流動(dòng)情況密切相關(guān)。如圖4所示，強(qiáng)制水冷對(duì)流由于其對(duì)流換熱系數(shù)較大、經(jīng)濟(jì)性好，成為應(yīng)用最廣泛的技術(shù)。

圖4  對(duì)流換熱系數(shù)對(duì)比

四、強(qiáng)制爐排冷卻技術(shù)及應(yīng)用

（一）強(qiáng)制風(fēng)冷爐排技術(shù)

強(qiáng)制風(fēng)冷依靠風(fēng)管引入常溫高壓冷卻空氣，通過噴管高速吹掃爐排片高溫區(qū)域，局部溫度平均降低30℃~50℃，從而避免爐排片局部高溫?zé)龘p。上海環(huán)境院的風(fēng)冷爐排系統(tǒng)如圖5所示，常溫空氣經(jīng)過高壓風(fēng)機(jī)吹掃爐排片后與一次風(fēng)混合進(jìn)入焚燒爐參與燃燒，該設(shè)計(jì)不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且便于控制調(diào)節(jié)，靈活可靠。

圖5 上海環(huán)境院強(qiáng)制風(fēng)冷系統(tǒng)圖

（二）強(qiáng)制風(fēng)冷爐排技術(shù)應(yīng)用

歐洲、日本焚燒技術(shù)廠家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制風(fēng)冷爐排技術(shù)應(yīng)用，其中以日本荏原、西格斯等焚燒技術(shù)廠家為代表。上海環(huán)境在漳州二期項(xiàng)目、松江二期、浙江金華、奉賢二期等項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)制風(fēng)冷技術(shù)的應(yīng)用。

（三）強(qiáng)制水冷系統(tǒng)

水冷系統(tǒng)依靠硬管或軟管送入冷卻水，通過間接或者直接方式帶走爐排片熱量，實(shí)現(xiàn)爐排片穩(wěn)定工作在250℃以下，同時(shí)保障焚燒爐實(shí)現(xiàn)低過量空氣燃燒，從而提高燃燒效率。

水冷爐排系統(tǒng)熱量可以用于加熱一次風(fēng)，后經(jīng)過一次風(fēng)預(yù)熱器進(jìn)入焚燒爐內(nèi)燃燒，實(shí)現(xiàn)循環(huán)熱能利用，從而降低熱損失，詳見附圖6。

圖6  強(qiáng)制水冷加熱一次風(fēng)

水冷爐排系統(tǒng)熱量也可以進(jìn)入鍋爐循環(huán)水系統(tǒng)用于驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)組詳見附圖7，從而實(shí)現(xiàn)熱量循環(huán)利用?？傮w而言，水冷系統(tǒng)能夠帶走熱負(fù)荷2-3%，降低系統(tǒng)熱損失，增加焚燒廠發(fā)電量。

圖7  強(qiáng)制水冷加熱汽水系統(tǒng)

（四）強(qiáng)制水冷爐排片應(yīng)用

歐、美、日本焚燒技術(shù)廠家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了水冷爐排片、水冷系統(tǒng)補(bǔ)償及回?zé)嵫h(huán)利用，形成完善的解決方案，以德國馬丁、丹麥偉倫、日立造船、田熊、JFE等焚燒技術(shù)廠家為代表，另外瑞士雅克博斯福特、赫拉環(huán)境采用全焊接水冷腔結(jié)構(gòu)，日本荏原、日本岸田采用間接水冷結(jié)構(gòu)。

上海環(huán)境院自主開發(fā)的強(qiáng)制水冷爐排片，已經(jīng)完成了產(chǎn)品研發(fā)，2022年將開展實(shí)爐驗(yàn)證，為水冷爐排改造和新建工程業(yè)務(wù)開展奠定基礎(chǔ)。

五、強(qiáng)制冷卻爐排應(yīng)用的市場(chǎng)前景

歐、美、日韓在一般工業(yè)廢棄物、高熱值廢棄物、RDF均采用水冷爐排，隨著節(jié)能減排理念、垃圾特性變化和技術(shù)發(fā)展需求，強(qiáng)制爐排冷卻技術(shù)在國內(nèi)已從技術(shù)研發(fā)儲(chǔ)備向工程應(yīng)用過渡，垃圾分類帶來的垃圾熱值提升以及協(xié)同其他高熱值城市固廢，強(qiáng)制爐排冷卻技術(shù)在國內(nèi)處于發(fā)展窗口期，市場(chǎng)需求將逐步釋放。

通過對(duì)強(qiáng)制冷卻技術(shù)的推廣應(yīng)用，配合其他焚燒設(shè)備和工藝系統(tǒng)的改進(jìn)，提高發(fā)電效率，可以使垃圾焚燒爐適應(yīng)性強(qiáng)、運(yùn)行可靠，同時(shí)推廣高熱值生活垃圾、工業(yè)垃圾、醫(yī)療垃圾、生物質(zhì)垃圾甚至危險(xiǎn)廢棄物垃圾的焚燒處理行業(yè)中的應(yīng)用成為可能。

垃圾焚燒廠入爐垃圾熱值≤2000kcal/kg，仍建議使用常規(guī)風(fēng)冷爐排；熱值超過2000 kcal/kg 低于2400kcal/kg，甚至達(dá)到2800 kcal/kg，建議采用強(qiáng)制風(fēng)冷爐排技術(shù)；熱值超過2800 kcal/kg，風(fēng)冷爐排使用面臨較大考驗(yàn)，會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)超溫、損害，建議采用水冷爐排技術(shù)；水冷爐排廣泛應(yīng)用于一般工業(yè)廢棄物、高熱值廢棄物、RDF等固廢處理物，將有助于拓展?fàn)t排爐應(yīng)用范圍，替代風(fēng)冷將是必然選擇。

六、結(jié)論

強(qiáng)制冷卻技術(shù)目前是技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用示范的窗口期，也是雙碳目標(biāo)下提高能效和降本增效的有效技術(shù)手段。近期內(nèi)強(qiáng)制風(fēng)冷爐排技術(shù)通過升級(jí)改造更容易實(shí)現(xiàn)，遠(yuǎn)期水冷爐排技術(shù)還需要根據(jù)熱值變化在一線城市逐步推廣應(yīng)用。