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日本垃圾焚燒爐排爐發(fā)展歷史及各家爐排技術(shù)特點導(dǎo)讀:我國垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)起步晚,發(fā)展快,采用爐排爐、流化床等不同的技術(shù),目前垃圾焚燒爐排爐化,趨勢明顯。結(jié)合日本垃圾焚燒爐排爐的發(fā)展歷史,概述了爐排爐的設(shè)計要點,闡述了各家爐排的技術(shù)特點及研發(fā)歷程。明確了垃圾焚燒爐排技術(shù)的研究方向:爐排的大型化研發(fā)、高熱值爐排的研發(fā)以及爐排的穩(wěn)定運行改進。為我國垃圾焚燒爐排爐的技術(shù)研發(fā)及引進提供參考和啟示。1前百根據(jù)《2016城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計年鑒》顯示,截止2016年年底,投入運行的生活垃圾焚燒發(fā)電廠有250座,總處理能力為23.7萬t/d,總裝機約為4880MW。其中采用爐排爐的焚燒發(fā)電廠有168座,合計處理能力達到16.4萬t/d,裝機達到3040MW;其余主要為采用流化床的焚燒發(fā)電廠,總計有82座,合計處理能力為7.3萬t/d,裝機達到1840MW??梢?,無論從焚燒發(fā)電廠的數(shù)量、總處理能力及裝機容量看,爐排爐都已占據(jù)了2/3的市場份額。根據(jù)中國環(huán)境保護產(chǎn)業(yè)協(xié)會統(tǒng)計數(shù)據(jù),對近兩年新投運的垃圾焚燒設(shè)施不完全統(tǒng)計,爐排爐是焚燒爐的主流工藝,統(tǒng)計了49個項目,其中僅3家焚燒廠使用流化床工藝,其余均采用爐排爐工藝,占比93.88%。垃圾焚燒爐排爐化,趨勢明顯。而作為擁有最先進生活垃圾焚燒技術(shù)的日本,垃圾焚燒爐排爐技術(shù)的實際運用已擁有了超過50年的歷史,本文探究了比較有代表性的幾家企業(yè)的不同技術(shù),通過對不同企業(yè)的研發(fā)歷程,以及現(xiàn)行機種的特長研究,結(jié)合日本整個垃圾焚燒行業(yè)的發(fā)展歷史,包括垃圾熱值的變化、排放標準的提高、垃圾發(fā)電系統(tǒng)熱回收高效化等對爐排研發(fā)的影響情況。明確了我國在爐排爐技術(shù)的研發(fā)方向。希望對我們國內(nèi)的相關(guān)研發(fā)有學(xué)習(xí)和借鑒的價值。2日本垃圾焚燒技術(shù)的變遷日本垃圾焚燒技術(shù)概況日本的垃圾處理技術(shù),從填埋到野外焚燒,再到有記載的工業(yè)化焚燒廠,最早可追溯到1897年的敦賀市10t/d批次爐項目。焚燒爐技術(shù)大致經(jīng)歷了批次爐、機械化批次爐、準連續(xù)爐和全連續(xù)爐,4個階段。而全連續(xù)爐排爐即是現(xiàn)在泛用度最高的,我們通常所講的爐排爐技術(shù)。自敦賀項目建成,日本政府對國民衛(wèi)生情況的關(guān)注也到了一個新高度,1900年隨著日本“污物掃除法”的頒布,批次爐的發(fā)展大受鼓舞。當時批次爐的運行情況多為白天8h工作制。然而由于批次爐的工作條件和環(huán)境較差,采用自然通風(fēng),加之使用人工攪拌的方式,導(dǎo)致不完全燃燒,冒黑煙的情況時有發(fā)生,鄰避問題初露端倪。而且在水分多的季節(jié),爐渣較之原生垃圾的減量化效果不甚明顯。大正時代末期到昭和初期(約19世紀20年代末,30年代初),批次爐的研發(fā)到達全盛時期,機械化批次爐應(yīng)運而生。所謂的機械化批次爐便是在垃圾上料、燃燒攪拌、爐渣出渣、風(fēng)機供風(fēng)等設(shè)備的機械化改進,同時也有了簡單的水洗、濾網(wǎng)過濾等尾氣控制設(shè)施。1938年建設(shè)的大阪市木津川第3工廠使用了卷揚機上料方式,便是現(xiàn)今的垃圾池和抓斗結(jié)合上料的原形。而在此前1918年建立的大阪市木津川第2工廠則是風(fēng)機在垃圾焚燒送風(fēng)模式的首次應(yīng)用。為了增加處理量及降低建設(shè)費用,機械批次爐大型化也逐漸提上議程,采取單燃燒室并排布置,統(tǒng)籌上料及出渣的的方式,成為燃燒系統(tǒng)的主流形式。而運行時間上仍相對保守,依然以8h工作制為主。19世紀60年代初,隨著垃圾量不斷增加,技術(shù)的不斷進步,歐美已有24h連續(xù)運行的業(yè)績,日本的連續(xù)爐相關(guān)研發(fā)及引進也迎來了契機。而所謂的準連續(xù)爐與全連續(xù)爐最明顯的區(qū)別方法在于運行時間的差別,全連續(xù)爐為24h運行,而準連續(xù)爐為16h運行。出于提高性能,增強成本競爭力,快速商業(yè)化等原因。多家廠家都進行了技術(shù)引進,其技術(shù)出處如下表所示。表日本主要引進爐排爐技術(shù)關(guān)系國家技術(shù)所有方引進方形式埔士VonKnLlH社Vonroll式德國DBAK社%K.W式丹麥EWVJ社VfJund式德國MartinM社Martin式喘士ABBEjKTlcrh5桂宙+E式主流爐排的形式隨著爐排爐技術(shù)的發(fā)展及普及,爐排的配置也逐漸形成了由干燥段爐排根據(jù)垃圾的不同特性干燥,再到燃燒段燃燒,最后為了達到減量化需求,設(shè)置使爐渣充分燃盡的燃燼段的三段式布置方式。這種三段式的配置已成為爐排布置的常用模式。為了應(yīng)對垃圾成分的季節(jié)性波動,仍能保證穩(wěn)定連續(xù)地運行,各家的爐排形式也大相徑庭。另外,隨著垃圾熱值的提升,爐排傾斜角度的變化,甚至爐排水平布置的方式也屢見不鮮。同時爐膛整個高度的盡可能降低,以期降低土建成本,也成為了爐排設(shè)計需要考量的方面。其次,為了更好的對應(yīng)干燥、燃燒、燃燼三段的功能及不同風(fēng)量的需求,在每段爐排下采用數(shù)量不一的灰斗兼風(fēng)室的布置方式也成為主流。主要的爐排形式有順推列動式、順推行動式、逆推式、滾筒回轉(zhuǎn)式等,將在下文進行詳述。此外,也有組合的方式,甚至有為了使垃圾充分燃盡,在爐排后設(shè)置回轉(zhuǎn)窯的嘗試。不過,為了運行與維護的便利,同一焚燒線,還是以單一的爐排形式為宜。3爐排技術(shù)類型H社的爐排技術(shù)1960年,H社與丸紅、VonRoll一起,成立了三方合資公司,正式進軍垃圾焚燒發(fā)電行業(yè),依托VonRoll在歐洲積累的豐富的技術(shù)經(jīng)驗,于1965年建成了日本最早的發(fā)電上網(wǎng)項目,西淀清掃工廠。處理能力市場份額世界第一(2008?2010)。H社現(xiàn)行爐排技術(shù)主要分為L型爐排和R型爐排。所謂的L型爐排為順推列動往復(fù)式爐排,帶剪切刀裝置;而R型爐排為順推行動往復(fù)式爐排。.1L型爐排L型爐排結(jié)構(gòu)如圖1所示,剪切刀通常設(shè)置在燃燒段。三段爐排間,設(shè)置有1.2m以上的落差墻,依靠垃圾跌落時的沖擊力,起到翻動的效果。

圖1H社L型爐排結(jié)構(gòu)圖活動梁在運動過程中,沿水平方向向上10°,做往復(fù)式運動。剪切刀裝置的運作方式,詳見圖2。圖2剪切刀裝置運作方式L型爐排的優(yōu)點在于,剪切刀的設(shè)置,對垃圾的破碎效果更為突出,更有利于含水率高的低熱值垃圾焚燒。但在燃燒高熱值垃圾時,由于垃圾層厚的降低,爐排表面溫度的提升,會造成剪切刀裝置的燒損,因此在燃燒高熱值垃圾時,也存在不設(shè)置剪切刀的情況。由于受到爐排熱膨脹結(jié)構(gòu)的限制,單段爐排模塊最大長度為5.6m,最大寬度為4m。單模塊3段爐排的最大處理能力為300t/d。日立最大的L型爐排為寬度方向上,左右分體的雙模塊結(jié)構(gòu),最大處理能力為600t/d。此后,H社技術(shù)轉(zhuǎn)

讓給上??岛?,經(jīng)過康恒團隊對爐排驅(qū)動及熱膨脹結(jié)構(gòu)的改良,現(xiàn)L型爐排的最大規(guī)模為寬度方向上,三模塊排列,最大處理能力為900t/d。.2R型爐排隨著生活水平的不斷提高,垃圾中的紙、塑料、鋁罐等的比重逐步增加,垃圾的含水率逐漸降低,垃圾熱值也有了大幅的提升,為了防止熔融塑料及鋁,從爐排間隙滴落,造成灰斗的起火及堵塞等情況的發(fā)生。H社和VonRoll開始了R型爐排的相關(guān)研發(fā)。液壓紅活動爐排梁固定爐排液壓紅活動爐排梁固定爐排圖3H社R型爐排結(jié)構(gòu)圖R型爐排的結(jié)構(gòu)如圖3所示,由于面向熱值更高的垃圾,落差墻的高度降低到1m,爐排梁垂直垃圾輸送方向布置,分為活動梁和固定梁,兩者交錯布置。為了減小爐排間隙,防止熔渣的滴落,寬度方向上使用彈簧拘束方式;為了防止爐排塊的燒損,爐排塊底部的導(dǎo)流筋板做了特殊的設(shè)計,以起到一次風(fēng)強制風(fēng)冷的目的。單模塊爐排長度2m,寬度為1.8?2.6m的多重組合方式。設(shè)計三段最大處理規(guī)??蛇_1000t/d。R型爐排,較之L型爐排,更適合于高熱值垃圾的燃燒,但對于垃圾含水率的適應(yīng)性與攪拌效果方面,選用L型爐排會更好。K社的爐排技術(shù)K社的爐排技術(shù),由最早與德國DBA社,協(xié)同研發(fā)的滾筒爐排,到后來的翻轉(zhuǎn)爐排(類似于H社L型爐排的剪切刀構(gòu)造),到之后的SUN型爐排,及階梯往復(fù)式爐排,歷程詳見圖4。

圖4K社爐排的變遷其中SUN型爐排為K社現(xiàn)行的主流機種,具體結(jié)構(gòu)詳見圖5。圖5SUN型爐排結(jié)構(gòu)圖單模塊最大寬度為4m,現(xiàn)有最大規(guī)模為1000t/d。SUN型爐排的運行方式,不同于傳統(tǒng)的順推列動式往復(fù)爐排的直線運動,其運動軌跡為以爐排下的前部驅(qū)動軸及后部支撐座為支點的弧線運動。驅(qū)動部分的磨耗有所減少。M社的爐排技術(shù)M社的爐排技術(shù)大致經(jīng)歷了4個階段,從1960年代的TGR型鏈條爐,到60年代末的2TF型(2段式鏈條爐+往復(fù)式爐排),再到70年代初的準連續(xù)爐排F型,最后便是70年代通過與德國馬丁公司技術(shù)轉(zhuǎn)讓而來的MATIN爐排。MATIN爐排MATIN爐排是典型的逆推行動式往復(fù)爐排,垃圾在輸送過程中,通過爐排的逆推效果,使垃圾在爐排表面有更好的攪拌效果,原理詳見圖6。

圖6逆推垃圾攪拌原理該爐排的燃燒熱負荷率可達350kg/m2-h。爐排的行程420mm。爐排單模塊最小寬度1.5m,最大寬度2.5m,同樣采用多模塊寬度方向上組合的方式,以達到大型化的目的。日本國內(nèi)最大6模塊排列,寬度12.8m,日本國外最大有8模塊的業(yè)績,最大規(guī)模1200t/d。F型爐排(圖7)①移勤火格子②定火格子①移勤火格子②定火格子③驅(qū)勤臺④隼翰⑤架臺圖7F型爐排結(jié)構(gòu)圖與面向中、大型化的MATIN爐排向互補,F(xiàn)型爐排為M社在中、小型規(guī)模的現(xiàn)行機種。F型爐排為順推行動往復(fù)式,爐排的液壓系統(tǒng)采用與MATIN爐排相同的液壓驅(qū)動系統(tǒng)。各段爐排間設(shè)置0.9m的落差墻,爐排傾角已滿足垃圾在爐排上的停留時間為前提,水平布置也可。單模塊爐排寬度最小1.5m,最大3m,最大的業(yè)績?yōu)殡p模塊排列,單條線最大寬度6m°MATIN爐排較之單純的順推的F型爐排而言,對垃圾的攪拌效果更佳,但由于垃圾輸送方向與爐排驅(qū)動方向相反,相同情況下,為控制垃圾在爐排上的停留時間,爐排傾角會更大,造成焚燒爐高度升高的情況。總體而言,MATIN爐排適合大型化,F(xiàn)型適合相對較小規(guī)模的項目。E社的爐排技術(shù)E社的爐排技術(shù),經(jīng)歷了所有從批次爐、機械化批次爐、準連續(xù)爐和全連續(xù)爐,四個階段。先后引進過美國,以及意大利db社的技術(shù)。爐排傾角也從20世紀60年代的兩段式,第一段爐排40°,第二段爐排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。爐排傾角的設(shè)計不斷變緩,也從另一側(cè)面體現(xiàn)了垃圾熱值的不斷提升。機械負荷也從最早的180kg/m2,h到現(xiàn)在的300kg/m2,h。E社爐排的現(xiàn)行機種,為HPCC21型,采用了獨有的強制風(fēng)冷設(shè)計。該爐排為順推行動往復(fù)式,具體結(jié)構(gòu)見圖8。火荒孑(可冷卻空規(guī)管(固定)圖8強制空冷爐排結(jié)構(gòu)圖爐排為水平布置,活動與固定爐排梁內(nèi)部,都有冷卻空氣管,冷卻空氣由爐外風(fēng)管吹入,同時通過活動爐排梁和固定爐排梁,由爐排片下部的噴嘴噴出。強制空冷空氣比例為一次風(fēng)比例的20%?40%,空氣比為1.25?1.4,爐排下部壓力為1.0?2.0kPa。強制風(fēng)冷爐排的的優(yōu)點在于更適合低空氣比燃燒,同時也增強了爐排片的冷卻效果,從而延長了爐排片壽命及爐排維護的周期。但爐排的供風(fēng)系統(tǒng)更復(fù)雜,前期的投資與維護成本會有上浮。其他爐排技術(shù)在過去的半個多世紀,無論是自主研發(fā)、技術(shù)引進,或是產(chǎn)、學(xué)、研合作,日本的各大廠家都有著自己艱辛的研發(fā)歷程。包括T社、J社、S社、K社、I

社、SK社、KT社、SW社等,各自都為垃圾焚燒行業(yè)的發(fā)展作出了貢獻,可說是百花爭艷,由于篇幅所限,難以一一介紹,諸如S社的W+E型爐排(圖9)、T社的SN型爐排等(圖10),也都自成一派。在爐排爐相關(guān)的其他設(shè)備上各家也做著孜孜不倦的研發(fā),其中J社的爐膛中拱(圖H),也是獨樹一幟。放上部分圖片供學(xué)習(xí)、借鑒。圖9S社的爐排結(jié)構(gòu)圖10

圖9S社的爐排結(jié)構(gòu)圖10M圖10T社的SN型爐排結(jié)構(gòu)圖圖11J社的二回流焚燒爐4結(jié)論與展望日本的大部分廠家都有相對成熟的爐排爐技術(shù)。而我國的垃圾焚燒爐排爐技術(shù)的發(fā)展,與日本的歷程有很多相似之處,也是通過從技術(shù)引進到自主研發(fā)的方式。結(jié)合日本不同廠家的研發(fā)歷程,我國垃圾焚燒爐排技術(shù)的研究方向為:爐排的大型化研發(fā)大型機械爐排爐憑借其單條線垃圾處理能力大的特點,可大大降低項目投資、運行、維護的成

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