关注 | 日本垃圾焚烧炉排炉发展历史及各家炉排技术特点分析
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章
导
读
我国垃圾焚烧发电技术起步晚，发展快，采用炉排炉、流化床等不同的技术，目前垃圾焚烧炉排炉化，趋势明显。结合日本垃圾焚烧炉排炉的发展历史，概述了炉排炉的设计要点，阐述了各家炉排的技术特点及研发历程。明确了垃圾焚烧炉排技术的研究方向:炉排的大型化研发、高热值炉排的研发以及炉排的稳定运行改进。为我国垃圾焚烧炉排炉的技术研发及引进提供参考和启示。
来源：《四川环境》
根据《2016城乡建设统计年鉴》显示，截止2016年年底，投入运行的生活垃圾焚烧发电厂有250座，总处理能力为23.7万t/d，总装机约为4880MW。其中采用炉排炉的焚烧发电厂有168座，合计处理能力达到16.4万t/d，装机达到3040MW;其余主要为采用流化床的焚烧发电厂，总计有82座，合计处理能力为7.3万t/d，装机达到1840MW。
可见，无论从焚烧发电厂的数量、总处理能力及装机容量看，炉排炉都已占据了2/3的市场份额。根据中国环境保护产业协会统计数据，对近两年新投运的垃圾焚烧设施不完全统计，炉排炉是焚烧炉的主流工艺，统计了49个项目，其中仅3家焚烧厂使用流化床工艺，其余均采用炉排炉工艺，占比93.88%。垃圾焚烧炉排炉化，趋势明显。
而作为拥有最先进生活垃圾焚烧技术的日本，垃圾焚烧炉排炉技术的实际运用已拥有了超过50年的历史，本文探究了比较有代表性的几家企业的不同技术，通过对不同企业的研发历程，以及现行机种的特长研究，结合日本整个垃圾焚烧行业的发展历史，包括垃圾热值的变化、排放标准的提高、垃圾发电系统热回收高效化等对炉排研发的影响情况。
明确了我国在炉排炉技术的研发方向。希望对我们国内的相关研发有学习和借鉴的价值。
2.1 日本垃圾焚烧技术概况
日本的垃圾处理技术，从填埋到野外焚烧，再到有记载的工业化焚烧厂，最早可追溯到1897年的敦贺市10t/d批次炉项目。焚烧炉技术大致经历了批次炉、机械化批次炉、准连续炉和全连续炉，4个阶段。而全连续炉排炉即是现在泛用度最高的，我们通常所讲的炉排炉技术。
自敦贺项目建成，日本政府对国民卫生情况的关注也到了一个新高度，1900年随着日本“污物扫除法”的颁布，批次炉的发展大受鼓舞。当时批次炉的运行情况多为白天8h工作制。
然而由于批次炉的工作条件和环境较差，采用自然通风，加之使用人工搅拌的方式，导致不完全燃烧，冒黑烟的情况时有发生，邻避问题初露端倪。
而且在水分多的季节，炉渣较之原生垃圾的减量化效果不甚明显。大正时代末期到昭和初期(约19世纪20年代末，30年代初)，批次炉的研发到达全盛时期，机械化批次炉应运而生。
所谓的机械化批次炉便是在垃圾上料、燃烧搅拌、炉渣出渣、风机供风等设备的机械化改进，同时也有了简单的水洗、滤网过滤等尾气控制设施。
1938年建设的大阪市木津川第3工厂使用了卷扬机上料方式，便是现今的垃圾池和抓斗结合上料的原形。而在此前1918年建立的大阪市木津川第2工厂则是风机在垃圾焚烧送风模式的首次应用。
为了增加处理量及降低建设费用，机械批次炉大型化也逐渐提上议程，采取单燃烧室并排布置，统筹上料及出渣的的方式，成为燃烧系统的主流形式。而运行时间上仍相对保守，依然以8h工作制为主。
19世纪60年代初，随着垃圾量不断增加，技术的不断进步，欧美已有24h连续运行的业绩，日本的连续炉相关研发及引进也迎来了契机。而所谓的准连续炉与全连续炉最明显的区别方法在于运行时间的差别，全连续炉为24h运行，而准连续炉为16h运行。出于提高性能，增强成本竞争力，快速商业化等原因。多家厂家都进行了技术引进，其技术出处如下表所示。
表 日本主要引进炉排炉技术关系
2.2主流炉排的形式
随着炉排炉技术的发展及普及，炉排的配置也逐渐形成了由干燥段炉排根据垃圾的不同特性干燥，再到燃烧段燃烧，最后为了达到减量化需求，设置使炉渣充分燃尽的燃烬段的三段式布置方式。这种三段式的配置已成为炉排布置的常用模式。
为了应对垃圾成分的季节性波动，仍能保证稳定连续地运行，各家的炉排形式也大相径庭。另外，随着垃圾热值的提升，炉排倾斜角度的变化，甚至炉排水平布置的方式也屡见不鲜。同时炉膛整个高度的尽可能降低，以期降低土建成本，也成为了炉排设计需要考量的方面。
其次，为了更好的对应干燥、燃烧、燃烬三段的功能及不同风量的需求，在每段炉排下采用数量不一的灰斗兼风室的布置方式也成为主流。
主要的炉排形式有顺推列动式、顺推行动式、逆推式、滚筒回转式等，将在下文进行详述。此外，也有组合的方式，甚至有为了使垃圾充分燃尽，在炉排后设置回转窑的尝试。不过，为了运行与维护的便利，同一焚烧线，还是以单一的炉排形式为宜。
3.1 H社的炉排技术
1960年，H社与丸红、VonRoll一起，成立了三方合资公司，正式进军垃圾焚烧发电行业，依托VonRoll在欧洲积累的丰富的技术经验，于1965年建成了日本最早的发电上网项目，西淀清扫工厂。处理能力市场份额世界第一(2008～2010)。H社现行炉排技术主要分为L型炉排和R型炉排。所谓的L型炉排为顺推列动往复式炉排，带剪切刀装置;而R型炉排为顺推行动往复式炉排。
3.1.1 L型炉排
L型炉排结构如图1所示，剪切刀通常设置在燃烧段。三段炉排间，设置有1.2m以上的落差墙，依靠垃圾跌落时的冲击力，起到翻动的效果。
图 1 H社L型炉排结构图
活动梁在运动过程中，沿水平方向向上10°，做往复式运动。剪切刀装置的运作方式，详见图2。
图 2 剪切刀装置运作方式
L型炉排的优点在于，剪切刀的设置，对垃圾的破碎效果更为突出，更有利于含水率高的低热值垃圾焚烧。但在燃烧高热值垃圾时，由于垃圾层厚的降低，炉排表面温度的提升，会造成剪切刀装置的烧损，因此在燃烧高热值垃圾时，也存在不设置剪切刀的情况。
由于受到炉排热膨胀结构的限制，单段炉排模块最大长度为5.6m，最大宽度为4m。单模块3段炉排的最大处理能力为300t/d。日立最大的L型炉排为宽度方向上，左右分体的双模块结构，最大处理能力为600t/d。此后，H社技术转让给上海康恒，经过康恒团队对炉排驱动及热膨胀结构的改良，现L型炉排的最大规模为宽度方向上，三模块排列，最大处理能力为900t/d。
3.1.2 R型炉排
随着生活水平的不断提高，垃圾中的纸、塑料、铝罐等的比重逐步增加，垃圾的含水率逐渐降低，垃圾热值也有了大幅的提升，为了防止熔融塑料及铝，从炉排间隙滴落，造成灰斗的起火及堵塞等情况的发生。H社和VonRoll开始了R型炉排的相关研发。
图 3 H社R型炉排结构图
R型炉排的结构如图3所示，由于面向热值更高的垃圾，落差墙的高度降低到1m，炉排梁垂直垃圾输送方向布置，分为活动梁和固定梁，两者交错布置。为了减小炉排间隙，防止熔渣的滴落，宽度方向上使用弹簧拘束方式;为了防止炉排块的烧损，炉排块底部的导流筋板做了特殊的设计，以起到一次风强制风冷的目的。单模块炉排长度2m，宽度为1.8～2.6m的多重组合方式。设计三段最大处理规模可达1000t/d。
R型炉排，较之L型炉排，更适合于高热值垃圾的燃烧，但对于垃圾含水率的适应性与搅拌效果方面，选用L型炉排会更好。
3.2 K社的炉排技术
K社的炉排技术，由最早与德国DBA社，协同研发的滚筒炉排，到后来的翻转炉排(类似于H社L型炉排的剪切刀构造)，到之后的SUN型炉排，及阶梯往复式炉排，历程详见图4。
图 4 K社炉排的变迁
其中SUN型炉排为K社现行的主流机种，具体结构详见图5。
图 5 SUN型炉排结构图
单模块最大宽度为4m，现有最大规模为1000t/d。SUN型炉排的运行方式，不同于传统的顺推列动式往复炉排的直线运动，其运动轨迹为以炉排下的前部驱动轴及后部支撑座为支点的弧线运动。驱动部分的磨耗有所减少。
3.3 M社的炉排技术
M社的炉排技术大致经历了4个阶段，从1960年代的TGR型链条炉，到60年代末的2TF型(2段式链条炉+往复式炉排)，再到70年代初的准连续炉排F型，最后便是70年代通过与德国马丁公司技术转让而来的MATIN炉排。
3.3.1 MATIN炉排
MATIN炉排是典型的逆推行动式往复炉排，垃圾在输送过程中，通过炉排的逆推效果，使垃圾在炉排表面有更好的搅拌效果，原理详见图6。
图 6 逆推垃圾搅拌原理
该炉排的燃烧热负荷率可达350kg/m2·h。炉排的行程420mm。炉排单模块最小宽度1.5m，最大宽度2.5m，同样采用多模块宽度方向上组合的方式，以达到大型化的目的。日本国内最大6模块排列，宽度12.8m，日本国外最大有8模块的业绩，最大规模1200t/d。
3.3.2 F型炉排(图7)
图 7 F型炉排结构图
与面向中、大型化的MATIN炉排向互补，F型炉排为M社在中、小型规模的现行机种。F型炉排为顺推行动往复式，炉排的液压系统采用与MATIN炉排相同的液压驱动系统。各段炉排间设置0.9m的落差墙，炉排倾角已满足垃圾在炉排上的停留时间为前提，水平布置也可。
单模块炉排宽度最小1.5m，最大3m，最大的业绩为双模块排列，单条线最大宽度6m。MATIN炉排较之单纯的顺推的F型炉排而言，对垃圾的搅拌效果更佳，但由于垃圾输送方向与炉排驱动方向相反，相同情况下，为控制垃圾在炉排上的停留时间，炉排倾角会更大，造成焚烧炉高度升高的情况。总体而言，MATIN炉排适合大型化，F型适合相对较小规模的项目。
3.4 E社的炉排技术
E社的炉排技术，经历了所有从批次炉、机械化批次炉、准连续炉和全连续炉，四个阶段。先后引进过美国，以及意大利db社的技术。炉排倾角也从20世纪60年代的两段式，第一段炉排40°，第二段炉排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。炉排倾角的设计不断变缓，也从另一侧面体现了垃圾热值的不断提升。机械负荷也从最早的180kg/m2·h到现在的300kg/m2·h。
E社炉排的现行机种，为HPCC21型，采用了独有的强制风冷设计。该炉排为顺推行动往复式，具体结构见图8。
图 8 强制空冷炉排结构图
炉排为水平布置，活动与固定炉排梁内部，都有冷却空气管，冷却空气由炉外风管吹入，同时通过活动炉排梁和固定炉排梁，由炉排片下部的喷嘴喷出。强制空冷空气比例为一次风比例的20%～40%，空气比为1.25～1.4，炉排下部压力为1.0～2.0kPa。
强制风冷炉排的的优点在于更适合低空气比燃烧，同时也增强了炉排片的冷却效果，从而延长了炉排片寿命及炉排维护的周期。但炉排的供风系统更复杂，前期的投资与维护成本会有上浮。
3.5其他炉排技术
在过去的半个多世纪，无论是自主研发、技术引进，或是产、学、研合作，日本的各大厂家都有着自己艰辛的研发历程。包括T社、J社、S社、K社、I社、SK社、KT社、SW社等，各自都为垃圾焚烧行业的发展作出了贡献，可说是百花争艳，由于篇幅所限，难以一一介绍，诸如S社的W+E型炉排(图9)、T社的SN型炉排等(图10)，也都自成一派。在炉排炉相关的其他设备上各家也做着孜孜不倦的研发，其中J社的炉膛中拱(图11)，也是独树一帜。放上部分图片供学习、借鉴。
图 9 S社的炉排结构图
图 10 T社的SN型炉排结构图
图 11 J社的二回流焚烧炉
日本的大部分厂家都有相对成熟的炉排炉技术。而我国的垃圾焚烧炉排炉技术的发展，与日本的历程有很多相似之处，也是通过从技术引进到自主研发的方式。结合日本不同厂家的研发历程，我国垃圾焚烧炉排技术的研究方向为:
4.1炉排的大型化研发
大型机械炉排炉凭借其单条线垃圾处理能力大的特点，可大大降低项目投资、运行、维护的成本，从而增加经济效益，大型化势在必行。
4.2高热值炉排的研发
随着生活水平的不断提高，以及垃圾分类的推广，垃圾热值得升高也是必然的趋势。另外，垃圾处理的园区化，也对多种垃圾的掺烧，提出了新课题，包括农林废弃物、医疗废弃物、工业废弃物等高热值垃圾的掺烧也对炉排的耐高温性能提出了新的要求，炉排的水冷化研发也将提上日程。
4.3炉排的稳定运行改进
从炉排的结构出发，减少已损件的磨耗及故障率，可有效延长炉排使用寿命和停炉周期，从而降低运行成本，并提高焚烧炉的累计运行时间，增加发电量。此类研究将对垃圾焚烧厂的经济效益有明显的提高。
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