提高垃圾焚烧用炉排片性能的措施

张建东(青岛荏原环境设备有限公司，山东 青岛 266031)

0 引言

在生活垃圾焚烧发电行业中，机械炉排式焚烧炉已成为主流设备，而炉排片又是其核心部件。随着城市生活垃圾分类的实施，垃圾热值将会出现大幅度地提高。同时，为了减少二噁英等污染物的排放，低空气比高温燃烧将成为未来垃圾焚烧的发展趋势。由于现有的垃圾焚烧用炉排片无法适应高热值垃圾，因此有必要采取改善炉排片材质、开发强制空冷和水冷炉排系统等措施，以延长炉排片的使用寿命，提高运营单位的经济效益。垃圾基准热值在低于6.7 MJ/kg的情况下，选用普通型炉排片通常可以满足客户2年内炉排片更换率小于5%的最低要求，垃圾基准热值在6.7～10.9 MJ/kg时则必须使用强制空冷型炉排片，才可以减缓炉排片的烧损速度，使炉排片的更换率降低到客户要求范围内。而如果垃圾基准热值超过10.9 MJ/kg，甚至掺烧塑料等工业垃圾使垃圾基准热值超过12.6 MJ/kg时，仅采用强制空冷也无法有效降低炉排片的高温腐蚀速率，引入水冷炉排则成了必然的选择。然而由于水冷炉排本身会将炉内的热量带出系统外，客观上会降低热回收的效率，进而会降低发电效率。因此，如何在开发水冷炉排结构后，再设计出有效的热回收系统，以提高整个系统的经济效益将成为今后研究的课题。

1 炉排片烧损原理分析

垃圾焚烧用炉排片在运行过程中可能会出现脱落、断裂、卡住以及磨损等现象，但从长远来看影响炉排片使用寿命的最大问题是烧损。引入强制空冷和水冷系统的主要目的也是为了提高炉排片耐烧损的能力，延长使用寿命。因此，下面就对各种材料炉排片的烧损原理进行分析说明。

以前笔者所在公司曾经采用过JIS牌号的SCH11和SCH13等奥氏体钢，其材料成分中的镍含量分别是4%～6%和11%～ 14%，镍含量高的材料耐热性较好。但是根据实验室数据，镍含量在5%～15%之间时、浓度为5%的硝酸和盐酸、硫酸中材料的晶间腐蚀都较为严重。晶间腐蚀主要是指材料中的铬元素在500～900 ℃之间与碳元素反应生产铬的碳化物Cr23C6，这种化学反应主要是在晶体的边界发生，随着反应的进行当铬含量小于12%左右时，将会破坏晶体间有效的固化(即产生脆化)，最后导致晶体的剥离，如图1所示。因此，最终选用了铁素体钢SCH2作为铸造炉排片的主流材料，因为其成分中的镍含量小于1%，这样可以有效地避免晶间腐蚀。

图1 微观晶体组织的粒界腐蚀

除了上述铬元素的晶间腐蚀外，炉排片在恶劣的燃烧环境中还会受到低温腐蚀和高温腐蚀，致使铁元素逐渐分离。低温腐蚀主要是指炉排片在150 ℃以下受到HCl、SO3等酸性气体结露后的侵蚀。当温度超过320 ℃的时候在炉床上的灰渣和炉膛中的烟气共同作用下，炉排片中的铁元素容易生成氯化铁和亚硫酸铁等熔融盐类，当温度达到480 ℃的时候，上述生成的熔融盐开始分解，到650 ℃的时候分解速率达到峰值。不论是含铁的熔融盐类的生成过程还是分解过程，都会造成铁元素从炉排片基体中逃离。如果炉膛中温度大幅度变动的话，铁元素的氧化和还原过程将会不断循环，这将会加速炉排片的腐蚀[1]，如图2所示。

图2 腐蚀的元素化学反应示意

普通型炉排片通常是指不设置强制空冷和水冷的炉排片，根据使用材料的不同通常可以分为铸造炉排片和焊接炉排片两大类。相比铸造炉排片，焊接炉排片具有良好的耐磨性能，但是耐高温腐蚀的能力较差。究其原因，是由于其耐磨层的成型工艺与铸件不同，这是一种利用加药堆焊技术(或高温熔射/热喷涂)将各种耐腐蚀、耐磨损的金属粉末按比例混合后熔合在基材上，形成高硬度的板材，然后再焊接成型的炉排片。虽然各种金属粒子(如铬等)保留了其本身的硬度，但是整体的晶体组织不如铸件(通过金属溶液凝固)致密，因此在长期高温环境下更容易受到腐蚀。

为了提高炉排片耐烧损的能力，同时也为了降低制造成本、提高燃烧稳定性、便于检修维护。笔者所在公司相继在改善炉排片材质、开发强制空冷炉排和水冷炉排系统方面进行了长期研究，下面就分别从这三个方面对研究成果和不足之处进行论述。

2 改善炉排片材质

2.1 铸造炉排片

铸造炉排片相继开发了几种结构型式，如：卡槽式、销轴式、连体式等。卡槽式铸造炉排片是引进国外技术后开发的第一款炉排片，该型炉排片具有耐高温腐蚀、拆装便利等优点，但是在运行过程中出现过自动脱落的现象。为了维持燃烧的稳定性，避免因炉排片的原因而造成非计划停炉，又开发了销轴式铸造炉排片，这种炉排片虽然有检修时不利于拆卸，且与之配套的刮板易磨损等缺点，但是由于运行过程中从未脱落，耐高温腐蚀的性能较好，炉排片的更换率较低，已经成为国内普遍采用的主流炉排片。此后，又开发了连体式铸造炉排片，这种炉排片由于设置了出风口，运行也比较稳定，但是拆卸时需要借助专用器具整排拆卸，后来没有大规模推广使用。为了防止炉排片的翘起，又开发了尾部带有简易固定装置的炉排片，相邻炉排片之间运行中会相互错位，以清理炉排片缝隙的作用。

2.2 焊接炉排片

为了降低铸造炉排片的制造成本，改善铸造炉排片易磨损的特点，近期开发了焊接炉排片。焊接炉排片也相继开发了销轴式、承插式、开缝式、自清式等几种不同的结构型式。承插式焊接炉排片在实验过程中出现过开口销腐蚀导致的运行中脱落现象。自清式炉排片在实验过程中发现因为灰渣的填塞而失去了交错运动的机能。开缝式炉排片只完成了理论核算，并未进行现场验证。如上所述，销轴式焊接炉排片也被广泛地应用在国内各项目中。但是，该系列焊接炉排片在使用过程中普遍出现了快速烧损的问题，运行1年左右高温区普遍出现了大面积的炉排片烧穿，不但影响燃烧的稳定性，而且会使炉排片的更换率大大高于基本要求。最终，几乎所有焊接型炉排片不得不停止使用。此外，为了便于现场拆装方便又开发了一种插销式炉排片，但由于结构有待完善，因此没有进行工厂和现场实验。

2.3 新材料炉排片

为了应对焊接式炉排片快速烧损的问题，提出了在易烧损的炉排片端板上采用含有Nb、Mo、W等元素的新材料，选用耐高温腐蚀的SUS310S，用螺栓连接SCH13铸件端头，在端板上用Inconel625堆焊等多种应对方案，但由于目前正在试验中，尚未取得实验结论。

3 开发强制空冷炉排片

3.1 强制空冷炉排片的原理

强制空冷炉排片是指在炉排片背面筋板的缝隙中设置冷却风喷嘴，将一次风量的30%～40%吹入不易被一次风冷却、但又特别容易烧损的炉排片端头部，在调整负荷时冷却实验结果，采用强制空冷后可以使炉排片温度下降约150 ℃左右。

3.2 强制空冷炉排片的结构分类

风量不会随着一次风的风量变化而变化，而且这种结构运行稳定也比较方便检修。根据现场从结构型式而言，强制空冷炉排片也有螺栓式、销轴式、承插式、挂钩式、喷嘴式等，在使用材料上都可以做成铸造式和焊接式两种形式。在上述几种结构型式中，喷嘴式目前只完成了理论计算，尚未进行试验；挂钩式正在现场实验中，尚未获得数据；承插式因为炉排片易脱落的原因，虽经现场验证但并未推广；销轴式的喷嘴距离炉排片端头较远，模拟计算冷却效果不太理想，正在大规模应用的是螺栓式强制空冷炉排片。螺栓式强制空冷炉排片的模拟计算效果如图3所示。从图中可以看出螺栓式炉排片因喷嘴距离炉排片端头较近，冷却效果较好。

图3 螺栓式强冷的冷却效果模拟

此外，为了便于现场拆装，又开发了一种曲轴式强制空冷炉排片，其组装模型如图4所示。在国内项目现场得到了实验数据的是螺栓式的焊接炉排片，其使用寿命约为没有投用强制空冷的炉排片的3倍左右。

图4 曲轴式强制空冷炉排片模型

4 水冷炉排系统的研究成果

相比于强制空冷炉排，水冷炉排具有冷却效果明显、且不易受负荷变化影响等优势。可以将炉排片的温度降低到300 ℃以下，即避免炉排片发生高温腐蚀的温度范围。但是水冷炉排也有会将焚烧炉内的热量带出系统外，从而降低发电效率的劣势。而且，在炉排的长期运动过程中，水冷块接头、金属软管等部件容易发生泄漏，甚至会造成停炉，具有一定的风险性。

目前市场上，各大主要炉排厂家基本上都有自己的水冷炉排系统，下面就简要介绍笔者所在公司开发的水冷炉排，及在工厂和现场所进行的实验中取得的技术成果。

4.1 铸造式水冷炉排

为防止水冷炉排片破损后冷却水泄漏到炉膛内，同时也为了避免水冷回路中的水直接受高温加热汽化后堵塞回路，在开发水冷炉排时采用了间接冷却的方式。

即水冷块与炉排片分体式，水冷块铸造时采用埋管式直接将冷却水管浇注在水冷块中。这种冷却方式还可以最大限度地减少带出到系统外的热量，使发电效率不会过度降低[2-3]。

但是间接冷却方式最大的缺点是冷却效果不佳，由于炉排片和水冷块之间的间隙很难消失，即便涂抹碳化硅系耐火材料以加强热传导，从现场和获取的实验数据来看，炉排片表面温度仍很难降低到300 ℃以下，无法完全避免炉排片的低温腐蚀，从而延长炉排片使用寿命的程度有限，如图5所示。

图5 荏原总部在日本松山现场实验的水冷炉排片冷却效果

4.2 焊接式水冷炉排

上述铸造式间接水冷炉排片在初次实验过程中发现，水冷软管和接头短时间内漏水，且炉排片本身不易拆卸，要拆卸侧面吸收器部件则必须拆除水冷块等一些问题。为了解决上述问题，开发出了一种冷却水路和承载梁一体的结构，由于水冷块是机加工比铸件的表面粗糙度小，与炉排片的间隙较小，理论上可以改善传热效果。

上述焊接式间接水冷炉排的实验机做成后在工厂内进行了实验，从实验结果来看，冷却效果仍不理想。当模拟炉膛内燃烧层的加热器温度设定在600 ℃的时候，冷却水量从0.2～3.0 m3/h变化时，炉排片背面温度始终高于300 ℃，炉排片表面温度接近500 ℃，虽然后来在水冷块与炉排片之间塞了导热性较好的锡箔片，之后又涂抹了碳化硅耐火泥等，但是冷却效果仍然不理想。如图6所示，当冷却水流量为3 m3/h的时候，水冷块温度高于100 ℃，炉排片温度高于400 ℃。

图6 焊接式间接水冷炉排片工厂实验数据

4.3 水冷侧面炉排片

为了继续拓展炉排上可用于水冷的部件区域，提高在高温区使用的部件寿命，又开发了水冷侧面炉排片。如图7所示。这是通过水冷块与侧面炉排片的接触实现冷却的，也属于间接冷却的范畴。

图7 兼具热膨胀吸收功能和冷却功能的装置

该型水冷侧面炉排片设计完成后，在工厂进行了实验。实验过程中，出现的问题仍然是冷却效果不佳。通过在水冷块和侧面炉排片之间填塞导热片、涂抹碳化硅耐火涂料、涂抹金属导热胶等方式，前后进行了十余次实验，最终得出了在相同条件下通冷却水的时候比不通冷却水的时候侧面炉排片温度可以降低110 ℃的结论，有一定的冷却效果，但是距离降低200 ℃的预期目标仍有一定的差距。通入冷却水后的水冷块和侧面炉排片的温度变化数据采集和数据分析如图8所示，水冷块温度可以降至100 ℃以下，但侧面炉排片温度基本上都在300 ℃左右。

图8 水冷侧面炉排片工厂实验数据

综上所述，在工厂进行试验的间接冷却式焊接水冷炉排片和水冷侧面炉排片的实验效果都不太理想，直接冷却式水冷炉排片因为存在结构缺陷而未实验，在现场进行试验的间接冷却式铸造水冷炉排片取得了一定的效果，并计划扩大冷却范围在一个新项目中继续进行试验。

5 改善水冷炉排系统的探索

今后水冷炉排在改善结构的主要方向是尽快开发一种耐久性好、使用稳定的直接水冷炉排片。但除了对炉排片本体进行结构改进之外，也需要尽快开发出一套可以有效避免热损失的水冷系统。

为了尽量减少水冷炉排将热量带出系统外，使发电效率不过度降低。笔者构思了一种将汽轮机冷凝水(50～60 ℃，0.01 MPa)从凝汽器引出通入水冷炉排，冷却炉排片后再回到压力式除氧器(130～140 ℃，0.4 MPa)的思路，经计算处理量为150 t/d，热值12 600～14 700 kJ/kg的炉排全炉冷却水流量约为90 m3/h。新型水冷炉排系统的工艺流程简图如图9所示。

图9 水冷炉排系统工艺流程简图

该系统前正在设计开发中，还未进行现场实验。如果实验成功，则可以在不降低发电效率的前提下，有效地延长炉排片使用寿命。届时将会使机械式炉排炉在高热值垃圾焚烧行业中，也会有用武之地。

6 炉排片改进研究的市场前景

中国国内垃圾焚烧发电行业近10年来成突飞猛进的趋势发展，随着垃圾分类政策在各地的落实，城市生活垃圾的热值将会进一步提高，原有焚烧厂的炉排片势必要进行改造升级以适应新的变化。随着各焚烧厂提升产能的需求不断增加，炉排片的强制空冷或水冷化的改造将会有广阔的市场前景。

通过对现有水冷炉排技术成果的利用，探索如何进一步改善水冷炉排系统，以降低热损失，提高发电效率。配合其他焚烧设备和工艺系统的改进，可以使垃圾适应性强、运行可靠的机械式炉排炉在高热值生活垃圾、工业垃圾、医疗垃圾、生物质垃圾甚至危险废弃物垃圾的焚烧处理行业中的应用成为可能。今后应该继续在降低炉排片制造成本、提高燃烧稳定性和检修维护的便利性方面采取改进措施，以期继续提高炉排片的性能。

7 结语

综上所述，作为垃圾焚烧炉核心部件的炉排片，如何提高其使用性能，降低其全生命周期成本(LCC)，对提高运营单位的经济效益，乃至于环境效益和社会效益具有非常重要的意义。