1.1 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(xiàng)目。焚燒爐技術(shù)大致經(jīng)歷了批次爐、機(jī)械化批次爐、準(zhǔn)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)在泛用度較的，我們通常所講的爐排爐技術(shù)。
自敦賀項(xiàng)目建成，日本對國民衛(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(dāng)時批次爐的運(yùn)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(jì)20年代末，30年代初)，批次爐的研發(fā)到達(dá)全盛時期，機(jī)械化批次爐應(yīng)運(yùn)而生。
所謂的機(jī)械化批次爐便是在垃圾上料、燃燒攪拌、爐渣出渣、風(fēng)機(jī)供風(fēng)等設(shè)備的機(jī)械化改進(jìn)，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(yáng)機(jī)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(jī)在垃圾焚燒送風(fēng)模式的應(yīng)用。
為了增加處理量及降低建設(shè)費(fèi)用，機(jī)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(yùn)行時間上仍相對保守，依然以8h工作制為主。
19世紀(jì)60年代初，隨著垃圾量不斷增加，技術(shù)的不斷進(jìn)步，歐美已有24h連續(xù)運(yùn)行的業(yè)績，日本的連續(xù)爐相關(guān)研發(fā)及引進(jìn)也迎來了契機(jī)。而所謂的準(zhǔn)連續(xù)爐與全連續(xù)爐最明顯的區(qū)別方法在于運(yùn)行時間的差別，全連續(xù)爐為24h運(yùn)行，而準(zhǔn)連續(xù)爐為16h運(yùn)行。出于提高性能，增強(qiáng)成本競爭力，快速商業(yè)化等原因。多家廠家都進(jìn)行了技術(shù)引進(jìn)，其技術(shù)出處如下表所示。
表 日本主要引進(jìn)爐排爐技術(shù)關(guān)系
1.2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(dá)到減量化需求，設(shè)置使?fàn)t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(yùn)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(jìn)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(yùn)行與維護(hù)的便利，同一焚燒線，還是以單一的爐排形式為宜。
2 爐排技術(shù)類型
2.1 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(jìn)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(yàn)，于1965年建成了日本最早的發(fā)電上網(wǎng)項(xiàng)目，西淀清掃工廠。處理能力市場份額世界前列(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。
2.1.1 L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 1 H社L型爐排結(jié)構(gòu)圖
活動梁在運(yùn)動過程中，沿水平方向向上10°，做往復(fù)式運(yùn)動。剪切刀裝置的運(yùn)作方式，詳見圖2。
圖 2 剪切刀裝置運(yùn)作方式
L型爐排的優(yōu)點(diǎn)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)讓給上海康恒，經(jīng)過康恒團(tuán)隊(duì)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。
2.1.2 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)。
圖 3 H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?fàn)t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(qiáng)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_(dá)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。
2.2 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 4 K社爐排的變遷
其中SUN型爐排為K社現(xiàn)行的主流機(jī)種，具體結(jié)構(gòu)詳見圖5。
圖 5 SUN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(yùn)行方式，不同于傳統(tǒng)的順推列動式往復(fù)爐排的直線運(yùn)動，其運(yùn)動軌跡為以爐排下的前部驅(qū)動軸及后部支撐座為支點(diǎn)的弧線運(yùn)動。驅(qū)動部分的磨耗有所減少。
2.3 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(zhǔn)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。
2.3.1 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(fù)荷率可達(dá)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(dá)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。
2.3.2 F型爐排(圖7)
圖 7 F型爐排結(jié)構(gòu)圖
與面向中、大型化的MATIN爐排向互補(bǔ)，F(xiàn)型爐排為M社在中、小型規(guī)模的現(xiàn)行機(jī)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(xiàng)目。
2.4 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(jī)械化批次爐、準(zhǔn)連續(xù)爐和全連續(xù)爐，四個階段。先后引進(jìn)過美國，以及意大利db社的技術(shù)。爐排傾角也從20世紀(jì)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(jī)械負(fù)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(jī)種，為HPCC21型，采用了獨(dú)有的強(qiáng)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。
圖 8 強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)制風(fēng)冷爐排的的優(yōu)點(diǎn)在于更適合低空氣比燃燒，同時也增強(qiáng)了爐排片的冷卻效果，從而延長了爐排片壽命及爐排維護(hù)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(hù)成本會有上浮。
2.5其他爐排技術(shù)
在過去的半個多世紀(jì)，無論是自主研發(fā)、技術(shù)引進(jìn)，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(xiàn)，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11)，也是獨(dú)樹一幟。放上部分圖片供學(xué)習(xí)、借鑒。
圖 9 S社的爐排結(jié)構(gòu)圖
圖 10 T社的SN型爐排結(jié)構(gòu)圖
圖 11 J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(jìn)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?yàn)?
3.1爐排的大型化研發(fā)
大型機(jī)械爐排爐憑借其單條線垃圾處理能力大的特點(diǎn)，可大大降低項(xiàng)目投資、運(yùn)行、維護(hù)的成本，從而增加經(jīng)濟(jì)效益，大型化勢在必行。
4.2高熱值爐排的研發(fā)
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(qū)化，也對多種垃圾的摻燒，提出了新課題，包括農(nóng)林廢棄物、醫(yī)療廢棄物、工業(yè)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(fā)也將提上日程。
3.3爐排的穩(wěn)定運(yùn)行改進(jìn)
從爐排的結(jié)構(gòu)出發(fā)，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(yùn)行成本，并提高焚燒爐的累計運(yùn)行時間，增加發(fā)電量。此類研究將對垃圾焚燒廠的經(jīng)濟(jì)效益有明顯的提高。
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