今日分享 | 高热值垃圾强制冷却炉排技术应用及发展趋势

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读

炉排系统是炉排式垃圾焚烧炉中最核心技术装备，高热值生活垃圾以及多源固废的掺烧将导致炉排设备出现高温烧损影响长期安全稳定运行，应用强制冷却炉排技术，延长炉排的使用寿命，循环利用热能，助力焚烧项目节能减排。

一、背景

目前机械炉排炉仍然是国内应用最广泛的垃圾焚烧处理技术，为了稳定焚烧炉燃烧，焚烧炉必须满足850℃ 2s的环保要求，焚烧炉内燃烧区维持在950℃-1050℃，焚烧炉炉膛示意见图1。垃圾通过料斗被给料器推入炉排（炉排分为干燥区、燃烧区、燃烬区）进行焚烧，由于炉排之间的交错运动，将垃圾向下方推动，直至燃烬排出炉膛。

图1  焚烧炉和炉排

垃圾在炉排上直接燃烧，炉排片一直处于高温工作状态，平均温度达到350℃-450℃，最高温度达到450℃-550℃，局部温度会更高，尤其是在燃烧高热值垃圾或超负荷运行时炉膛容积热负荷过高的情况，势必导致炉排铸件处易烧损的高温区域，从保护炉排角度必须配置冷却系统，以保证系统安全稳定运营。常规炉排底部布置一次风，既提供燃烧氧气，又能直接冷却炉排铸件。随着高热值垃圾及多源固废的掺烧，现有一次风无法有效降低炉排片工作温度，亟需引入强制冷却技术，降低炉排片工作温度，从而保障焚烧炉长期稳定运营。

二、冷却技术路线

传热学在各个领域都有应用，基本包含了强化传热、削弱传热和温度控制三个典型内容，并且理论研究已经相当成熟，典型冷却系统节能减排技术路线如图2所示：

图2  冷却系数技术路线

在冷却侧通过风冷或液冷直接控制温度，在内循环或外循环实现能量回收是目前最常见的技术应用方式。

三、传热方式

（一）高导热材料或热管技术强化传热

常见金属材料及热管的导热系数如图3所示，采用铝等高导热金属材料或热管能显著增强传热。

图3  金属及热管的导热系数对比

（二）强制水冷技术强化换热

对流换热是最常见的强制冷却方式，它是依靠流体质点的移动进行热量传递的，与流体的流动情况密切相关。如图4所示，强制水冷对流由于其对流换热系数较大、经济性好，成为应用最广泛的技术。

图4  对流换热系数对比

四、强制炉排冷却技术及应用

（一）强制风冷炉排技术

强制风冷依靠风管引入常温高压冷却空气，通过喷管高速吹扫炉排片高温区域，局部温度平均降低30℃~50℃，从而避免炉排片局部高温烧损。上海环境院的风冷炉排系统如图5所示，常温空气经过高压风机吹扫炉排片后与一次风混合进入焚烧炉参与燃烧，该设计不仅结构简单，而且便于控制调节，灵活可靠。

图5 上海环境院强制风冷系统图

（二）强制风冷炉排技术应用

欧洲、日本焚烧技术厂家已经实现强制风冷炉排技术应用，其中以日本荏原、西格斯等焚烧技术厂家为代表。上海环境在漳州二期项目、松江二期、浙江金华、奉贤二期等项目实现了强制风冷技术的应用。

（三）强制水冷系统

水冷系统依靠硬管或软管送入冷却水，通过间接或者直接方式带走炉排片热量，实现炉排片稳定工作在250℃以下，同时保障焚烧炉实现低过量空气燃烧，从而提高燃烧效率。

水冷炉排系统热量可以用于加热一次风，后经过一次风预热器进入焚烧炉内燃烧，实现循环热能利用，从而降低热损失，详见附图6。

图6  强制水冷加热一次风

水冷炉排系统热量也可以进入锅炉循环水系统用于驱动汽轮机组详见附图7，从而实现热量循环利用。总体而言，水冷系统能够带走热负荷2-3%，降低系统热损失，增加焚烧厂发电量。

图7  强制水冷加热汽水系统

（四）强制水冷炉排片应用

欧、美、日本焚烧技术厂家已经实现了水冷炉排片、水冷系统补偿及回热循环利用，形成完善的解决方案，以德国马丁、丹麦伟伦、日立造船、田熊、JFE等焚烧技术厂家为代表，另外瑞士雅克博斯福特、赫拉环境采用全焊接水冷腔结构，日本荏原、日本岸田采用间接水冷结构。

上海环境院自主开发的强制水冷炉排片，已经完成了产品研发，2022年将开展实炉验证，为水冷炉排改造和新建工程业务开展奠定基础。

五、强制冷却炉排应用的市场前景

欧、美、日韩在一般工业废弃物、高热值废弃物、RDF均采用水冷炉排，随着节能减排理念、垃圾特性变化和技术发展需求，强制炉排冷却技术在国内已从技术研发储备向工程应用过渡，垃圾分类带来的垃圾热值提升以及协同其他高热值城市固废，强制炉排冷却技术在国内处于发展窗口期，市场需求将逐步释放。

通过对强制冷却技术的推广应用，配合其他焚烧设备和工艺系统的改进，提高发电效率，可以使垃圾焚烧炉适应性强、运行可靠，同时推广高热值生活垃圾、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。

垃圾焚烧厂入炉垃圾热值≤2000kcal/kg，仍建议使用常规风冷炉排；热值超过2000 kcal/kg 低于2400kcal/kg，甚至达到2800 kcal/kg，建议采用强制风冷炉排技术；热值超过2800 kcal/kg，风冷炉排使用面临较大考验，会经常出现超温、损害，建议采用水冷炉排技术；水冷炉排广泛应用于一般工业废弃物、高热值废弃物、RDF等固废处理物，将有助于拓展炉排炉应用范围，替代风冷将是必然选择。

六、结论

强制冷却技术目前是技术研发和应用示范的窗口期，也是双碳目标下提高能效和降本增效的有效技术手段。近期内强制风冷炉排技术通过升级改造更容易实现，远期水冷炉排技术还需要根据热值变化在一线城市逐步推广应用。

来源 | 上海环境卫生工程设计院

作者 | 张智、周洪权

编辑 | 匡宋尧

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