一、背景

目前機械爐排爐仍然是國內應用最廣泛的垃圾焚燒處理技術，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)）進行焚燒，由于爐排之間的交錯運動，將垃圾向下方推動，直至燃燼排出爐膛。

圖1  焚燒爐和爐排

垃圾在爐排上直接燃燒，爐排片一直處于高溫工作狀態(tài)，平均溫度達到350℃-450℃，最高溫度達到450℃-550℃，局部溫度會更高，尤其是在燃燒高熱值垃圾或超負荷運行時爐膛容積熱負荷過高的情況，勢必導致爐排鑄件處易燒損的高溫區(qū)域，從保護爐排角度必須配置冷卻系統(tǒng)，以保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運營。常規(guī)爐排底部布置一次風，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)有一次風無法有效降低爐排片工作溫度，亟需引入強制冷卻技術，降低爐排片工作溫度，從而保障焚燒爐長期穩(wěn)定運營。

二、冷卻技術路線

傳熱學在各個領域都有應用，基本包含了強化傳熱、削弱傳熱和溫度控制三個典型內容，并且理論研究已經(jīng)相當成熟，典型冷卻系統(tǒng)節(jié)能減排技術路線如圖2所示：

圖2  冷卻系數(shù)技術路線

在冷卻側通過風冷或液冷直接控制溫度，在內循環(huán)或外循環(huán)實現(xiàn)能量回收是目前最常見的技術應用方式。

三、傳熱方式

（一）高導熱材料或熱管技術強化傳熱

常見金屬材料及熱管的導熱系數(shù)如圖3所示，采用鋁等高導熱金屬材料或熱管能顯著增強傳熱。

圖3  金屬及熱管的導熱系數(shù)對比

（二）強制水冷技術強化換熱

對流換熱是最常見的強制冷卻方式，它是依靠流體質點的移動進行熱量傳遞的，與流體的流動情況密切相關。如圖4所示，強制水冷對流由于其對流換熱系數(shù)較大、經(jīng)濟性好，成為應用最廣泛的技術。

圖4  對流換熱系數(shù)對比

四、強制爐排冷卻技術及應用

（一）強制風冷爐排技術

強制風冷依靠風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燒損。上海環(huán)境院的風冷爐排系統(tǒng)如圖5所示，常溫空氣經(jīng)過高壓風機吹掃爐排片后與一次風混合進入焚燒爐參與燃燒，該設計不僅結構簡單，而且便于控制調節(jié)，靈活可靠。

圖5 上海環(huán)境院強制風冷系統(tǒng)圖

（二）強制風冷爐排技術應用

歐洲、日本焚燒技術廠家已經(jīng)實現(xiàn)強制風冷爐排技術應用，其中以日本荏原、西格斯等焚燒技術廠家為代表。上海環(huán)境在漳州二期項目、松江二期、浙江金華、奉賢二期等項目實現(xiàn)了強制風冷技術的應用。

（三）強制水冷系統(tǒng)

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，實現(xiàn)爐排片穩(wěn)定工作在250℃以下，同時保障焚燒爐實現(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，后經(jīng)過一次風預熱器進入焚燒爐內燃燒，實現(xiàn)循環(huán)熱能利用，從而降低熱損失，詳見附圖6。

圖6  強制水冷加熱一次風

水冷爐排系統(tǒng)熱量也可以進入鍋爐循環(huán)水系統(tǒng)用于驅動汽輪機組詳見附圖7，從而實現(xiàn)熱量循環(huán)利用?？傮w而言，水冷系統(tǒng)能夠帶走熱負荷2-3%，降低系統(tǒng)熱損失，增加焚燒廠發(fā)電量。

圖7  強制水冷加熱汽水系統(tǒng)

（四）強制水冷爐排片應用

歐、美、日本焚燒技術廠家已經(jīng)實現(xiàn)了水冷爐排片、水冷系統(tǒng)補償及回熱循環(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構，日本荏原、日本岸田采用間接水冷結構。

上海環(huán)境院自主開發(fā)的強制水冷爐排片，已經(jīng)完成了產(chǎn)品研發(fā)，2022年將開展實爐驗證，為水冷爐排改造和新建工程業(yè)務開展奠定基礎。

五、強制冷卻爐排應用的市場前景

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發(fā)展需求，強制爐排冷卻技術在國內已從技術研發(fā)儲備向工程應用過渡，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，強制爐排冷卻技術在國內處于發(fā)展窗口期，市場需求將逐步釋放。

通過對強制冷卻技術的推廣應用，配合其他焚燒設備和工藝系統(tǒng)的改進，提高發(fā)電效率，可以使垃圾焚燒爐適應性強、運行可靠，同時推廣高熱值生活垃圾、工業(yè)垃圾、醫(yī)療垃圾、生物質垃圾甚至危險廢棄物垃圾的焚燒處理行業(yè)中的應用成為可能。

垃圾焚燒廠入爐垃圾熱值≤2000kcal/kg，仍建議使用常規(guī)風冷爐排；熱值超過2000 kcal/kg 低于2400kcal/kg，甚至達到2800 kcal/kg，建議采用強制風冷爐排技術；熱值超過2800 kcal/kg，風冷爐排使用面臨較大考驗，會經(jīng)常出現(xiàn)超溫、損害，建議采用水冷爐排技術；水冷爐排廣泛應用于一般工業(yè)廢棄物、高熱值廢棄物、RDF等固廢處理物，將有助于拓展爐排爐應用范圍，替代風冷將是必然選擇。

六、結論

強制冷卻技術目前是技術研發(fā)和應用示范的窗口期，也是雙碳目標下提高能效和降本增效的有效技術手段。近期內強制風冷爐排技術通過升級改造更容易實現(xiàn)，遠期水冷爐排技術還需要根據(jù)熱值變化在一線城市逐步推廣應用。