日本水冷炉排技术综述

严梦帆，於志华

（上海康恒环境股份有限公司，上海 201703）

前言

随着我国城市化进程的不断加快，垃圾的产生量与日俱增，为了满足垃圾“无害化、减量化、资源化”的处理要求，垃圾焚烧处理方式已成为主流。由于垃圾的种类不同，可分为生活垃圾、高热值生活垃圾、工业垃圾、医疗垃圾、生物质垃圾等。其中机械炉排炉工艺以其垃圾适应性强、运行可靠，可控性高等特点，已逐渐占据生活垃圾焚烧的主导地位。而为了使其在热值较高的高热值生活垃圾、工业垃圾、医疗垃圾及生物质垃圾焚烧中也有用武之地，水冷设计已成为一种趋势。水冷机械炉排炉的优点在于对垃圾热值的适应性更强，使多种垃圾掺烧成为一种可能，从而增加经济效益。

1 水冷炉排冷却水系统

垃圾燃烧时，循环冷却水系统会源源不断提供冷却水，通过热对流及热传导的方式，降低炉排的表面温度。通常会采用整个系统加压化的方式，防止炉排块内部蒸气化，并达到降低用水量的目的。冷却水系统的压力通过在水箱及水路中充入氮气维持。具体工艺如图1。

图1 冷却水系统示意图

2 日本企业的水冷炉排概要

2.1 日立造船的水冷炉排[1]

日立造船的水冷炉排块使用埋管后一体铸造成型，形状见图2，冷却水系统见图3。

图2 日立造船水冷炉排块及水管外形

图3 冷却水系统示意图

该构造的好处在于，若解决了铸造工艺问题，炉排块成品率会相对较高。缺点在于，冷却水管的形式还是略显复杂，铸造时对铸造工艺的选择；浇冒口的布置需进行反复试验；初期水冷管材质的选择也很重要，由于材料热膨胀系数不同，材料选择不当，会加大铸造难度并降低使用效果。但试制成功后，这些问题便都能得到解决。

对于原有的空冷炉排块而言，为了达到低空气比燃烧及高热值垃圾的燃烧，减少过多的空气供给，并对炉排块进行冷却，水冷炉排块效果显著。因此，在相同的工况下，水冷炉排及空冷炉排的效果研究是十分必要的。如图4所示，水冷炉排块的工作温度维持在100℃～120℃的相对低温状态，最高温度为180℃左右，同工况下与使用空冷炉排的温度差约为120℃，据日立造船推断，使用寿命可延长约15年。具体实施案例见表1。另外，日立造船在北海道也有使用该种炉排的项目在运行。

图4 日立造船空冷及水冷炉排块运行表面温度对比

表1 熊本市东部环境工厂项目概要

2.2 川崎重工的水冷炉排

川崎重工的水冷炉排块结构见图5及图6。

图5 水冷管布置

图6 水冷炉排安装后外观图

水冷管在炉排框架上迂回布置，炉排块嵌入式安装在框架上。这种构造的好处在于确保了原来使用空冷炉排的项目存在改造为水冷炉排的可能性，互换方便，且无需重新设计水冷炉排块。水冷管如出现问题，维护较便捷。缺点在于，难确保水冷管与炉排块接触性良好，水冷管的水量较大，但尚不明确是否会出现局部水冷效果较差的情况。

图7为空冷炉排块与水冷炉排块的温度对比图。在同等工况下，空冷炉排的表面温度可达300℃以上，而水冷炉排块的温度可保证在200℃以下，极端最高温度约250℃，在相同的工况下，空冷炉排及水冷炉排的表面温差最高可接近250℃，对延长炉排块寿命有显著效果。具体实施案例见表2。

图7 川崎重工空冷及水冷炉排块运行表面温度对比

表2 岸和田市贝塚清扫中心项目概要

2.3 JFE的水冷炉排[2]

JFE水冷炉排（如图8）有较好的冷却及防炉排块烧损效果。能够应对低空气比及高温燃烧的同时，可提升持续运行时间。其结构采用炉排水腔铸造成型，外接金属软管的方式联通水路。其优点在于较之埋管铸造工艺，工艺要求适应度更广，但对铸件的缺陷控制要求也大幅提高，细微的铸造缺陷都可能造成成品率下降。

如图9所示，水冷炉排表面温度保证在150℃左右，最高约为190℃，在相同工况下，空冷炉排温度峰值点与水冷炉排温度峰值差200℃。具体试验焚烧炉参数见表3。

图8 JFE水冷炉排外形图

图9 JFE空冷及水冷炉排块运行表面温度对比

表3 试验焚烧炉参数概要

2.4 其他企业的水冷炉排

调研发现，日本的各大企业基本都已拥有水冷炉排技术，总体差异度不大。只有荏原的研发思路略有不同。荏原采取的是使用强制空冷炉排，并在高温部添加了间接水冷炉排块的方式（见图10、图11）。间接水冷炉排不直接与垃圾接触，通过热传导方式降低空冷炉排的温度。该工艺设计的优点是，对原有炉排块的改动较小，间接水冷炉排块的位置布置较灵活。缺点是，由于是间接水冷，在冷却水量相同的情况下，冷却效果略低于直接式的水冷炉排块，整体系统多增加一个部件，就增加一个故障点，使用寿命略低于直接水冷式炉排。具体实施案例见表4。其他如住友重机使用的是水冷管通过小零件嵌入式安装在炉排块上的形式，三机工业使用的是板材焊接水冷腔的形式等（见图12、图13、图14）。

图10 强制空冷炉排

图11 间接水冷炉排

表4 川崎市玉禅寺处理中心项目概要

图12 住友重机水冷炉排

图13 田熊水冷炉排

图14 三机工业水冷炉排

循环冷却水约80℃，冷却水系统压力控制在0.4～0.6MPa，进出口水温差控制在40℃内，水冷炉排的表面温度及冷却水量的变化仍在比例范围内，详见图15。

图15 冷却水量与出、入口水温差关系图（JFE水冷炉排实测）

3 结论

水冷炉排的构造方式，有埋管一体铸造成型（日立造船、田熊）；铸造空腔外接软管（JFE）；炉排梁焊接水冷管后，炉排块嵌入式安装（川崎重工）；强制空冷加间接水冷炉排块（荏原）；水冷管通过小零件嵌入式安装在炉排块上（住友重工）；板材焊接水冷腔（三机工业）等6种形式，各有优缺点。冷却水系统，选取整体水温在80℃左右，冷却水系统压力控制0.4～0.6MPa，进、出口水温差控制在40℃内。在水冷炉排设计时，应充分考虑具体的炉排形式及加工工艺优势，选取适合的水冷炉排构造方式，并结合掺烧或高热值垃圾的实际情况，考虑热辐射对炉排表面温度的影响，初步选取炉排表面150℃作为参考，结合热传导及热对流实际换热量，选取水冷管材质及管径进行设计。