北極星固廢網訊:導讀：我國垃圾焚燒發電技術起步晚，發展快，採用爐排爐、流化床等不同的技術，目前垃圾焚燒爐排爐化，趨勢明顯。結合日本垃圾焚燒爐排爐的發展歷史，概述了爐排爐的設計要點，闡述了各家爐排的技術特點及研發歷程。明確了垃圾焚燒爐排技術的研究方向:爐排的大型化研發、高熱值爐排的研發以及爐排的穩定運行改進。為我國垃圾焚燒爐排爐的技術研發及引進提供參考和啟示。
1前言
根據《2016城鄉建設統計年鑑》顯示，截止2016年年底，投入運行的生活垃圾焚燒發電廠有250座，總處理能力為23.7萬t/d，總裝機約為4880MW。其中採用爐排爐的焚燒發電廠有168座，合計處理能力達到16.4萬t/d，裝機達到3040MW;其餘主要為採用流化床的焚燒發電廠，總計有82座，合計處理能力為7.3萬t/d，裝機達到1840MW。
可見，無論從焚燒發電廠的數量、總處理能力及裝機容量看，爐排爐都已佔據了2/3的市場份額。根據中國環境保護產業協會統計數據，對近兩年新投運的垃圾焚燒設施不完全統計，爐排爐是焚燒爐的主流工藝，統計了49個項目，其中僅3家焚燒廠使用流化床工藝，其餘均採用爐排爐工藝，佔比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的日本，垃圾焚燒爐排爐技術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的不同技術，通過對不同企業的研發歷程，以及現行機種的特長研究，結合日本整個垃圾焚燒行業的發展歷史，包括垃圾熱值的變化、排放標準的提高、垃圾發電系統熱回收高效化等對爐排研發的影響情況。
明確了我國在爐排爐技術的研發方向。希望對我們國內的相關研發有學習和借鑑的價值。
2 日本垃圾焚燒技術的變遷
2.1 日本垃圾焚燒技術概況
日本的垃圾處理技術，從填埋到野外焚燒，再到有記載的工業化焚燒廠，最早可追溯到1897年的敦賀市10t/d批次爐項目。焚燒爐技術大致經歷了批次爐、機械化批次爐、準連續爐和全連續爐，4個階段。而全連續爐排爐即是現在泛用度最高的，我們通常所講的爐排爐技術。
自敦賀項目建成，日本政府對國民衛生情況的關注也到了一個新高度，1900年隨著日本「汙物掃除法」的頒布，批次爐的發展大受鼓舞。當時批次爐的運行情況多為白天8h工作制。
然而由於批次爐的工作條件和環境較差，採用自然通風，加之使用人工攪拌的方式，導致不完全燃燒，冒黑煙的情況時有發生，鄰避問題初露端倪。
而且在水分多的季節，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)，批次爐的研發到達全盛時期，機械化批次爐應運而生。
所謂的機械化批次爐便是在垃圾上料、燃燒攪拌、爐渣出渣、風機供風等設備的機械化改進，同時也有了簡單的水洗、濾網過濾等尾氣控制設施。
1938年建設的大阪市木津川第3工廠使用了卷揚機上料方式，便是現今的垃圾池和抓斗結合上料的原形。而在此前1918年建立的大阪市木津川第2工廠則是風機在垃圾焚燒送風模式的首次應用。
為了增加處理量及降低建設費用，機械批次爐大型化也逐漸提上議程，採取單燃燒室並排布置，統籌上料及出渣的的方式，成為燃燒系統的主流形式。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，技術的不斷進步，歐美已有24h連續運行的業績，日本的連續爐相關研發及引進也迎來了契機。而所謂的準連續爐與全連續爐最明顯的區別方法在於運行時間的差別，全連續爐為24h運行，而準連續爐為16h運行。出於提高性能，增強成本競爭力，快速商業化等原因。多家廠家都進行了技術引進，其技術出處如下表所示。
表 日本主要引進爐排爐技術關係
2.2主流爐排的形式
隨著爐排爐技術的發展及普及，爐排的配置也逐漸形成了由乾燥段爐排根據垃圾的不同特性乾燥，再到燃燒段燃燒，最後為了達到減量化需求，設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。
為了應對垃圾成分的季節性波動，仍能保證穩定連續地運行，各家的爐排形式也大相逕庭。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儘可能降低，以期降低土建成本，也成為了爐排設計需要考量的方面。
其次，為了更好的對應乾燥、燃燒、燃燼三段的功能及不同風量的需求，在每段爐排下採用數量不一的灰鬥兼風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、滾筒迴轉式等，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，在爐排後設置迴轉窯的嘗試。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 爐排技術類型
3.1 H社的爐排技術
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電行業，依託VonRoll在歐洲積累的豐富的技術經驗，於1965年建成了日本最早的發電上網項目，西澱清掃工廠。處理能力市場份額世界第一(2008～2010)。H社現行爐排技術主要分為L型爐排和R型爐排。所謂的L型爐排為順推列動往復式爐排，帶剪切刀裝置;而R型爐排為順推行動往復式爐排。
3.1.1 L型爐排
L型爐排結構如圖1所示，剪切刀通常設置在燃燒段。三段爐排間，設置有1.2m以上的落差牆，依靠垃圾跌落時的衝擊力，起到翻動的效果。
圖 1 H社L型爐排結構圖
活動梁在運動過程中，沿水平方向向上10°，做往復式運動。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型爐排的優點在於，剪切刀的設置，對垃圾的破碎效果更為突出，更有利於含水率高的低熱值垃圾焚燒。但在燃燒高熱值垃圾時，由於垃圾層厚的降低，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，也存在不設置剪切刀的情況。
由於受到爐排熱膨脹結構的限制，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構，最大處理能力為600t/d。此後，H社技術轉讓給上海康恆，經過康恆團隊對爐排驅動及熱膨脹結構的改良，現L型爐排的最大規模為寬度方向上，三模塊排列，最大處理能力為900t/d。
3.1.2 R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，造成灰鬥的起火及堵塞等情況的發生。H社和VonRoll開始了R型爐排的相關研發。
圖 3 H社R型爐排結構圖
R型爐排的結構如圖3所示，由於面向熱值更高的垃圾，落差牆的高度降低到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，爐排塊底部的導流筋板做了特殊的設計，以起到一次風強制風冷的目的。單模塊爐排長度2m，寬度為1.8～2.6m的多重組合方式。設計三段最大處理規模可達1000t/d。
R型爐排，較之L型爐排，更適合於高熱值垃圾的燃燒，但對於垃圾含水率的適應性與攪拌效果方面，選用L型爐排會更好。
3.2 K社的爐排技術
K社的爐排技術，由最早與德國DBA社，協同研發的滾筒爐排，到後來的翻轉爐排(類似於H社L型爐排的剪切刀構造)，到之後的SUN型爐排，及階梯往復式爐排，歷程詳見圖4。
圖 4 K社爐排的變遷
其中SUN型爐排為K社現行的主流機種，具體結構詳見圖5。
圖 5 SUN型爐排結構圖
單模塊最大寬度為4m，現有最大規模為1000t/d。SUN型爐排的運行方式，不同於傳統的順推列動式往復爐排的直線運動，其運動軌跡為以爐排下的前部驅動軸及後部支撐座為支點的弧線運動。驅動部分的磨耗有所減少。
3.3 M社的爐排技術
M社的爐排技術大致經歷了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+往復式爐排)，再到70年代初的準連續爐排F型，最後便是70年代通過與德國馬丁公司技術轉讓而來的MATIN爐排。
3.3.1 MATIN爐排
MATIN爐排是典型的逆推行動式往復爐排，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，同樣採用多模塊寬度方向上組合的方式，以達到大型化的目的。日本國內最大6模塊排列，寬度12.8m，日本國外最大有8模塊的業績，最大規模1200t/d。
3.3.2 F型爐排(圖7)
圖 7 F型爐排結構圖
與面向中、大型化的MATIN爐排向互補，F型爐排為M社在中、小型規模的現行機種。F型爐排為順推行動往復式，爐排的液壓系統採用與MATIN爐排相同的液壓驅動系統。各段爐排間設置0.9m的落差牆，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，最大的業績為雙模塊排列，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，但由於垃圾輸送方向與爐排驅動方向相反，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型適合相對較小規模的項目。
3.4 E社的爐排技術
E社的爐排技術，經歷了所有從批次爐、機械化批次爐、準連續爐和全連續爐，四個階段。先後引進過美國，以及義大利db社的技術。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°;最後到1994年的水平布置。爐排傾角的設計不斷變緩，也從另一側面體現了垃圾熱值的不斷提升。機械負荷也從最早的180kg/m2·h到現在的300kg/m2·h。
E社爐排的現行機種，為HPCC21型，採用了獨有的強制風冷設計。該爐排為順推行動往復式，具體結構見圖8。
圖 8 強制空冷爐排結構圖
爐排為水平布置，活動與固定爐排梁內部，都有冷卻空氣管，冷卻空氣由爐外風管吹入，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。
強制風冷爐排的的優點在於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。但爐排的供風系統更複雜，前期的投資與維護成本會有上浮。
3.5其他爐排技術
在過去的半個多世紀，無論是自主研發、技術引進，或是產、學、研合作，日本的各大廠家都有著自己艱辛的研發歷程。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的發展作出了貢獻，可說是百花爭豔，由於篇幅所限，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。在爐排爐相關的其他設備上各家也做著孜孜不倦的研發，其中J社的爐膛中拱(圖11)，也是獨樹一幟。放上部分圖片供學習、借鑑。
圖 9 S社的爐排結構圖
圖 10 T社的SN型爐排結構圖
圖 11 J社的二回流焚燒爐
4 結論與展望
日本的大部分廠家都有相對成熟的爐排爐技術。而我國的垃圾焚燒爐排爐技術的發展，與日本的歷程有很多相似之處，也是通過從技術引進到自主研發的方式。結合日本不同廠家的研發歷程，我國垃圾焚燒爐排技術的研究方向為:
4.1爐排的大型化研發
大型機械爐排爐憑藉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、維護的成本，從而增加經濟效益，大型化勢在必行。
4.2高熱值爐排的研發
隨著生活水平的不斷提高，以及垃圾分類的推廣，垃圾熱值得升高也是必然的趨勢。另外，垃圾處理的園區化，也對多種垃圾的摻燒，提出了新課題，包括農林廢棄物、醫療廢棄物、工業廢棄物等高熱值垃圾的摻燒也對爐排的耐高溫性能提出了新的要求，爐排的水冷化研發也將提上日程。
4.3爐排的穩定運行改進
從爐排的結構出發，減少已損件的磨耗及故障率，可有效延長爐排使用壽命和停爐周期，從而降低運行成本，並提高焚燒爐的累計運行時間，增加發電量。此類研究將對垃圾焚燒廠的經濟效益有明顯的提高。
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