王本強

（青島尼歐迪克除塵設備有限公司，山東 青島 266032）

0 前言

現行的垃圾處理技術主要分為焚燒、衛(wèi)生填埋、堆肥和廢品回收等。在垃圾處理的常規(guī)技術中，焚燒處理由于具有減量明顯、無害化徹底、占地量小、余熱能得到利用、減少二次污染等優(yōu)點，成為目前世界各國廣泛采用的城市垃圾處理技術。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。垃圾焚燒技術經過幾十年的發(fā)展，爐排型焚燒爐以其技術成熟、運行可靠、適應性廣，絕大部分固體垃圾不需要任何預處理可直接進爐燃燒等優(yōu)勢，占據目前全世界垃圾焚燒市場總量80%以上。

1 爐排垃圾燃燒工藝及結構特點

爐排型焚燒爐的結構多種多樣，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層傳播，形成一層一層燃燒的過程。爐排爐通常由干燥段，燃燒Ⅰ段、燃燒Ⅱ段、燃燼段4 部分構成。每部分爐排單元分別采用獨立的液壓缸驅動。段與段之間通常設置段差，有利于爐排上的垃圾團翻滾跌散，燃燒充分。圖1 為水平往復爐排爐結構。

圖1 水平往復爐排爐結構

根據給料裝置投入的垃圾量，爐排爐采用適當的速度焚燒并推送垃圾。垃圾在經過爐排爐各段時，完成干燥脫水、高溫燃燒、燃燼的過程；做往復運動的爐排片翻轉、攪拌垃圾，促進垃圾充分燃燒。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阻力。各爐排單元下面分別設置風箱，能根據燃燒狀態(tài)按適當的分配比率分布燃燒空氣。垃圾能在爐內有效地燃燒，在燃燼段形成低熱灼減的灰渣，并被排出到灰渣處理設備。一般來說，生活垃圾在焚燒爐內與過量空氣進行氧化燃燒反應，有害物質例如二惡英等在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 為爐排爐內垃圾燃燒狀況。

圖2 爐排爐內垃圾燃燒狀況

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，于爐內直接推送高溫燃燒的垃圾，作業(yè)工況惡劣。常見的爐排片都采用含 Cr、Ni、MO 等合金元素的耐熱、耐蝕、耐磨鑄件，使用壽命長。如果爐排片材質的選用和結構設計比較合理，整體使用壽命能達到 80 000 h。通過耐熱金屬的 C、Ni、MO、Cr成分優(yōu)化，在抗氧化性與高溫強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]。溫度達到約500℃以上時，燒損、減薄將會顯著增加。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、燃燒完結點位置的不同也會使爐排片的燒損速度產生較大差異。因此，垃圾焚燒爐經濟性使用溫度為400℃～450℃。

為了保持這個溫度區(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點等因素的影響。在實際運行中，通常使用熱電偶測定燃燒段爐排片背面溫度，可實現中央監(jiān)視。正常運行時的爐排片溫度為450℃以下。一旦達到預警溫度，需人工干預，對燃燒空氣量，燃燒空氣溫度，爐排推動頻率參數等進行調整，使爐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，爐子的穩(wěn)定運行時間就越長。因此，爐排片的壽命是非常重要的一個指標。

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）結構上增加強制冷卻，強化對爐排片溫度的控制。2）材料上進行優(yōu)化，使之能更耐溫耐磨。

3.1 強制空冷爐排與強制水冷爐排

結構上為增加強制冷卻通常采用強制空冷爐排及強制水冷爐排。這兩者在爐排片材質通常與前述耐熱鑄鋼無異。強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計強制空氣冷卻管路，以低空氣量集中吹敷降溫。強制水冷爐排是以水作為冷卻媒介，通過水循環(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。因為水的比熱容高于空氣，所以2 種方式單從冷卻效果上看強制水冷爐排的冷卻效果更好。但是 由于其增加的水循環(huán)管路結構，需要考慮防止管路泄露及堵塞等問題，因而2種方式中目前還是以強制空冷爐排應用較廣。通過在已有生活垃圾焚燒項目的論證，強制空冷爐排大大提高熱值高垃圾情況下焚燒爐的長期連續(xù)穩(wěn)定燃燒時間，針對高熱值垃圾的燃燒，起到降低爐排片的燒損、延長爐排片的壽命的作用。圖3 為強制空冷爐排結構示意。

圖3 強制空冷爐排結構示意

3.2 爐排片本體材質優(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 等合金元素以及對爐排片進行鎳基噴涂方式。國外研究對比發(fā)現，與原耐熱鑄鋼爐排片相比，通過采用添加合金元素的方式，可使其使用壽命延長至原來的2～2.5 倍，價格變?yōu)樵瓉淼?.2～1.3 倍；通過使用鎳基噴涂的方式，可使其壽命延長至原來的3 倍，價格變?yōu)樵瓉淼?～2.5 倍。這2 種方式在延長其使用壽命的同時，價格增幅也較大，因此國內生活垃圾焚燒項目無應用。

國內某企業(yè)開發(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合，結合強度高，耐磨鋼板合金在高溫下具有很強的穩(wěn)定性，能夠滿足1 200℃以內條件下使用。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工作面，利用基材金屬進行組焊連接。

在威海環(huán)境再生能源有限公司的爐排生活垃圾焚燒項目進行試驗，由堆焊耐磨鋼板焊接而成的爐排片作為試驗品均布于爐內各段位置，在2年中對其進行跟蹤檢測發(fā)現，焊接型爐排片未出現燒損、裂紋等現象。以工況最惡劣的燃燒段爐排作為對比，堆焊耐磨鋼焊接爐排片2年內磨損量不足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。對試驗品爐排片其進行了強度、硬度、元素含量等檢測，證明其性能穩(wěn)定。雖然堆焊耐磨鋼較普通板材價格有所提高，但對于有一定焊接加工基礎的企業(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成本。在成本價格持平甚至略低的基礎上，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，因此針對現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用價值。

4 結語

對于歐美、日本等發(fā)達國家地區(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的普及，生活垃圾熱值呈上升趨勢。因此，我國地方在投資建設爐排式生活垃圾焚燒項目式，綜合考慮，對爐排片進行優(yōu)化設計，延長其使用壽命，使焚燒效益最大化。