垃圾焚烧炉用炉排片改进设计及应用

　　1 导言

　　垃圾焚烧中机械炉排炉应用规模占全世界垃圾焚烧市场总量的 80% 以上。上海环境集团自 2011 年技术引进日本荏原HPCC 炉排技术，应用该技术的垃圾处理规模已经达到了 1.25万 t/d。随着国内城市生活垃圾热值的逐步提高，垃圾焚烧炉的运行温度也逐步增加，炉排片作为炉排炉的核心部件，其热负荷增加必然对焚烧炉连续稳定运行带来影响。通过对集团内垃圾焚烧厂炉排片使用情况的持续跟踪，对炉排片磨损情况进行测试、记录、分析和研究，优化设计炉排片，提高其使用寿命。

　　2 炉排片工作特征

　　机械炉排炉是以机械式的炉排片构成炉床，可动炉排片与固定炉排片之间的相对运动，使垃圾不断翻动、搅拌并推向前进。往复焚烧炉用炉排片设计需要炉排片有规则的往复运动，从而保证垃圾进入炉内与热空气接触、升温、干燥、着火、燃烬。

　　炉排往复运动不仅使垃圾均匀移动，也是对垃圾的一种搅动，使垃圾与已燃垃圾混合，致使往复炉排片垃圾具有下部着火的因素，炉排运动能有效地搅动垃圾。炉排与垃圾的相对运动，可以使燃烧的垃圾松动，增加垃圾的透气性，改善燃烧条件。为了保证焚烧炉的连续稳定燃烧，炉温维持在950 ～ 1050℃，对炉排提出高温抗氧化性要求；垃圾由于分类不完善，进炉垃圾比重较大，炉排片机械负荷较大，对炉排片提出机械磨损需求；垃圾由于成分复杂，通常含有 CI、S 等元素，燃烧后形成酸性气体，对炉排片金属材质形成腐蚀性影响。因此，炉排片工作环境具有如下特性：干燥段垃圾载荷较大，主要承受机械磨损，燃烧段属于环境温度高，主要承受高温磨损，燃烬段不可燃物较多，固体颗粒物容易夹杂到炉排片之间缝隙中，主要承受偏磨等非正常磨损；另外，垃圾焚烧后形成气氛包含高温腐蚀性气体，对炉排片形成腐蚀作用；炉排片磨损后，缝隙变大、漏渣增加，对垃圾热灼减率带来负面影响；炉排片翘起及烧损，如果频率太高，需要停炉检修处理，势必影响焚烧厂运营。

　　3 炉排片设计要求

　　（1）炉排通风率。炉排通风率等于炉排面上通风孔总面积与整个炉排面积之比。炉排片是高温工作部件，工作条件相当恶劣。尤其是往复炉排片长期工作在高温下，虽然炉排片与燃烧层间隔着一层“灰渣垫”，可遮蔽部分热量，但炉排片表面温度仍可达 600 ～ 700℃以上，为保证炉排片安全可靠的工作，必须采取有效的空气冷却；往复焚烧炉用炉排片保证垃圾是在炉排片上均匀移动燃烧，空气从炉排片下的风室，自下而上地穿过炉排片及垃圾层，为垃圾燃烧提供充足的氧气。因此，炉排片上应布有均匀的通风通道，这就是所谓的通风率要求，在炉排片设计时，必须考虑如何控制和减少漏渣，提高可燃物质的利用率。通常情况下往复炉排片在干燥段通风通道宽度控制在 4mm 以内，燃烧区域内通风道宽度控制在 3mm 以内，燃烬段区域内通风宽度稍小，这样既能够有效地控制漏渣，同时能够大幅提高燃烧利用率。很多相关资料中都认为往复炉排片的通风率应在3% ～ 6%。当然通风率越大，通风通道截面越大，空气穿孔速度越小，流阻越小。受制于漏渣及炉排片强度等因素的影响，通风率达到 2% ～ 4%，属于高压损炉排，实际使用效果很好。总的来说，炉排片的进风需要综合考虑通风率、漏渣率、燃烧效率等重要因素。（2）炉排冷却度。炉排冷却度等于炉排片肋板总面积与炉排总面积之比。炉排片主要依靠空气对流对炉排片进行冷却，从而降低炉排片温度。炉排片肋板设计既是结构强度的考虑，同时也是强制冷却的考量。按照目前经验值，在满足炉排片本身强度设计前提下，冷却度一般设计大于 2。另外，低位热值超过 8260kJ/kg，考虑采用水冷炉排，进一步增强强制冷却效果。（3）炉排片固定形式。炉排片安装形式多样，通常采用尾部固定形式。部分厂家在炉排片底部或者两侧设计螺栓或者拉钩进行固定，防止炉排片翘起。可动炉排片与可动炉排片，固定炉排片与固定炉排片的连接形式多样，常见炉排片之间采用有间隙装配、紧固装配两种，紧固装配能一定程度上防止炉排片翘起及偏磨，但是检修拆卸不便，间隙装配拆卸检修方便，容易异物卡滞，间隙变大，出现偏磨，导致炉排片提前更换。炉排片固定形式要保证炉排片往复运动不易卡滞，翘起，又要预留一定检修维护便利性。（4）辅助设计工具。炉排片通常服役时间长，一般设计寿命大于 5 年，新型炉排片的开发设计，如果采用实炉验证方式，不仅周期太长，而且对工程应用带来不确定性，不利于产品的开发设计。因此，在工程应用前，需要采用辅助设计软件进行分析，常见的有计算机辅助工程 CAE（Computer Aided Engineering）软件如ANSYS 进行热应力分析，优化炉排片的结构强度设计；通过计算流体动力学 CFD（computational fluid dynam-ics）如 FLUENT 进行流体分析，优化炉排片的通风率，冷却度等参数。通过 CFD 类软件如 FLUENT 进行炉排片侧面或者炉排片本身的通风率模拟计算，实现炉排片压损和流速优化计算，为炉排片的热应力分析提供对流换热边界条件，同时也为垃圾层厚的理论计算提供设计依据。通过CAE 类软件如 ANSYS 进行炉排片结构分析，在结构强度和传热方面进行仿真计算，通过耦合传热和结构应力分析，避免炉排片局部出现大范围热应力集中，从而为炉排片结构优化提供设计依据。通过辅助设计软件应用，优化炉排片结构形式，减少产品设计周期，提高炉排片的结构稳定性、可靠性，降低产品开发设计成本。

　　4 结语

　　综上所述，垃圾焚烧炉用炉排片结构合理，材质耐用对焚烧炉稳定运行起到至关重要的作用。在结构设计上，既要保证安装固定可靠，又要保证合理的通风性能，从而避免夹杂异物、异常翘起、偏移磨损。在材质应用上，区分高温区和低位区，高温区采用高温稳定性、耐腐蚀性、耐磨损、高温氧化性优良的合金金属材质，低温度采取铸铁材质，从而保证炉排系统不仅性价比高，而且性能优异，适合国内垃圾特性的炉排片产品。