一、背景
目前機(jī)械爐排爐仍然是國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的垃圾焚燒處理技術(shù),為了穩(wěn)定焚燒爐燃燒,焚燒爐必須滿足850℃ 2s的環(huán)保要求,焚燒爐內(nèi)燃燒區(qū)維持在950℃-1050℃,焚燒爐爐膛示意見圖1。垃圾通過料斗被給料器推入爐排(爐排分為干燥區(qū)、燃燒區(qū)、燃燼區(qū))進(jìn)行焚燒,由于爐排之間的交錯(cuò)運(yùn)動(dòng),將垃圾向下方推動(dòng),直至燃燼排出爐膛。
垃圾在爐排上直接燃燒,爐排片一直處于高溫工作狀態(tài),平均溫度達(dá)到350℃-450℃,最高溫度達(dá)到450℃-550℃,局部溫度會(huì)更高,尤其是在燃燒高熱值垃圾或超負(fù)荷運(yùn)行時(shí)爐膛容積熱負(fù)荷過高的情況,勢必導(dǎo)致爐排鑄件處易燒損的高溫區(qū)域,從保護(hù)爐排角度必須配置冷卻系統(tǒng),以保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)營。常規(guī)爐排底部布置一次風(fēng),既提供燃燒氧氣,又能直接冷卻爐排鑄件。隨著高熱值垃圾及多源固廢的摻燒,現(xiàn)有一次風(fēng)無法有效降低爐排片工作溫度,亟需引入強(qiáng)制冷卻技術(shù),降低爐排片工作溫度,從而保障焚燒爐長期穩(wěn)定運(yùn)營。
傳熱學(xué)在各個(gè)領(lǐng)域都有應(yīng)用,基本包含了強(qiáng)化傳熱、削弱傳熱和溫度控制三個(gè)典型內(nèi)容,并且理論研究已經(jīng)相當(dāng)成熟,典型冷卻系統(tǒng)節(jié)能減排技術(shù)路線如圖2所示:
在冷卻側(cè)通過風(fēng)冷或液冷直接控制溫度,在內(nèi)循環(huán)或外循環(huán)實(shí)現(xiàn)能量回收是目前最常見的技術(shù)應(yīng)用方式。
(一)高導(dǎo)熱材料或熱管技術(shù)強(qiáng)化傳熱
常見金屬材料及熱管的導(dǎo)熱系數(shù)如圖3所示,采用鋁等高導(dǎo)熱金屬材料或熱管能顯著增強(qiáng)傳熱。
圖3 金屬及熱管的導(dǎo)熱系數(shù)對比
(二)強(qiáng)制水冷技術(shù)強(qiáng)化換熱
對流換熱是最常見的強(qiáng)制冷卻方式,它是依靠流體質(zhì)點(diǎn)的移動(dòng)進(jìn)行熱量傳遞的,與流體的流動(dòng)情況密切相關(guān)。如圖4所示,強(qiáng)制水冷對流由于其對流換熱系數(shù)較大、經(jīng)濟(jì)性好,成為應(yīng)用最廣泛的技術(shù)。
四、強(qiáng)制爐排冷卻技術(shù)及應(yīng)用
(一)強(qiáng)制風(fēng)冷爐排技術(shù)
強(qiáng)制風(fēng)冷依靠風(fēng)管引入常溫高壓冷卻空氣,通過噴管高速吹掃爐排片高溫區(qū)域,局部溫度平均降低30℃~50℃,從而避免爐排片局部高溫?zé)龘p。上海環(huán)境院的風(fēng)冷爐排系統(tǒng)如圖5所示,常溫空氣經(jīng)過高壓風(fēng)機(jī)吹掃爐排片后與一次風(fēng)混合進(jìn)入焚燒爐參與燃燒,該設(shè)計(jì)不僅結(jié)構(gòu)簡單,而且便于控制調(diào)節(jié),靈活可靠。
圖5 上海環(huán)境院強(qiáng)制風(fēng)冷系統(tǒng)圖
(二)強(qiáng)制風(fēng)冷爐排技術(shù)應(yīng)用
歐洲、日本焚燒技術(shù)廠家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制風(fēng)冷爐排技術(shù)應(yīng)用,其中以日本荏原、西格斯等焚燒技術(shù)廠家為代表。上海環(huán)境在漳州二期項(xiàng)目、松江二期、浙江金華、奉賢二期等項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)制風(fēng)冷技術(shù)的應(yīng)用。
水冷系統(tǒng)依靠硬管或軟管送入冷卻水,通過間接或者直接方式帶走爐排片熱量,實(shí)現(xiàn)爐排片穩(wěn)定工作在250℃以下,同時(shí)保障焚燒爐實(shí)現(xiàn)低過量空氣燃燒,從而提高燃燒效率。
水冷爐排系統(tǒng)熱量可以用于加熱一次風(fēng),后經(jīng)過一次風(fēng)預(yù)熱器進(jìn)入焚燒爐內(nèi)燃燒,實(shí)現(xiàn)循環(huán)熱能利用,從而降低熱損失,詳見附圖6。
圖6 強(qiáng)制水冷加熱一次風(fēng)
水冷爐排系統(tǒng)熱量也可以進(jìn)入鍋爐循環(huán)水系統(tǒng)用于驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)組詳見附圖7,從而實(shí)現(xiàn)熱量循環(huán)利用??傮w而言,水冷系統(tǒng)能夠帶走熱負(fù)荷2-3%,降低系統(tǒng)熱損失,增加焚燒廠發(fā)電量。
圖7 強(qiáng)制水冷加熱汽水系統(tǒng)
(四)強(qiáng)制水冷爐排片應(yīng)用
歐、美、日本焚燒技術(shù)廠家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了水冷爐排片、水冷系統(tǒng)補(bǔ)償及回?zé)嵫h(huán)利用,形成完善的解決方案,以德國馬丁、丹麥偉倫、日立造船、田熊、JFE等焚燒技術(shù)廠家為代表,另外瑞士雅克博斯福特、赫拉環(huán)境采用全焊接水冷腔結(jié)構(gòu),日本荏原、日本岸田采用間接水冷結(jié)構(gòu)。
上海環(huán)境院自主開發(fā)的強(qiáng)制水冷爐排片,已經(jīng)完成了產(chǎn)品研發(fā),2022年將開展實(shí)爐驗(yàn)證,為水冷爐排改造和新建工程業(yè)務(wù)開展奠定基礎(chǔ)。
五、強(qiáng)制冷卻爐排應(yīng)用的市場前景
歐、美、日韓在一般工業(yè)廢棄物、高熱值廢棄物、RDF均采用水冷爐排,隨著節(jié)能減排理念、垃圾特性變化和技術(shù)發(fā)展需求,強(qiáng)制爐排冷卻技術(shù)在國內(nèi)已從技術(shù)研發(fā)儲備向工程應(yīng)用過渡,垃圾分類帶來的垃圾熱值提升以及協(xié)同其他高熱值城市固廢,強(qiáng)制爐排冷卻技術(shù)在國內(nèi)處于發(fā)展窗口期,市場需求將逐步釋放。
通過對強(qiáng)制冷卻技術(shù)的推廣應(yīng)用,配合其他焚燒設(shè)備和工藝系統(tǒng)的改進(jìn),提高發(fā)電效率,可以使垃圾焚燒爐適應(yīng)性強(qiáng)、運(yùn)行可靠,同時(shí)推廣高熱值生活垃圾、工業(yè)垃圾、醫(yī)療垃圾、生物質(zhì)垃圾甚至危險(xiǎn)廢棄物垃圾的焚燒處理行業(yè)中的應(yīng)用成為可能。
垃圾焚燒廠入爐垃圾熱值≤2000kcal/kg,仍建議使用常規(guī)風(fēng)冷爐排;熱值超過2000 kcal/kg 低于2400kcal/kg,甚至達(dá)到2800 kcal/kg,建議采用強(qiáng)制風(fēng)冷爐排技術(shù);熱值超過2800 kcal/kg,風(fēng)冷爐排使用面臨較大考驗(yàn),會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)超溫、損害,建議采用水冷爐排技術(shù);水冷爐排廣泛應(yīng)用于一般工業(yè)廢棄物、高熱值廢棄物、RDF等固廢處理物,將有助于拓展?fàn)t排爐應(yīng)用范圍,替代風(fēng)冷將是必然選擇。
強(qiáng)制冷卻技術(shù)目前是技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用示范的窗口期,也是雙碳目標(biāo)下提高能效和降本增效的有效技術(shù)手段。近期內(nèi)強(qiáng)制風(fēng)冷爐排技術(shù)通過升級改造更容易實(shí)現(xiàn),遠(yuǎn)期水冷爐排技術(shù)還需要根據(jù)熱值變化在一線城市逐步推廣應(yīng)用。
來源 | 上海環(huán)境衛(wèi)生工程設(shè)計(jì)院