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生活垃圾焚烧炉的选型与设计的研究 2020-03-07


  摘要:目前,我国生活垃圾主要的处理方式便是焚烧处理。对此,本文分析了垃圾焚烧炉的主要构成部分,并着重介绍了机械炉排焚烧炉、流化床焚烧炉、旋转窑焚烧炉的机理与选型,以机械炉排焚烧炉为例,对其机械设计进行重点分析。

  关键词:生活垃圾;焚烧炉;选型;设计

  引言:随着人们生活水平的不断提升,生活垃圾的规模日渐庞大,如何有效处理生活垃圾已经成为一个重要课题。目前,生活垃圾主要用焚烧炉进行焚烧处理,为了提高垃圾处理效率,需要对焚烧炉进行科学选型与设计。本文将针对设备选型与机械设计的相关内容进行分析,力求为我国垃圾焚烧提供一些帮助。

  1.垃圾焚烧炉简介

  在垃圾焚烧系统中主要包括垃圾接收系统、储存系统、烟气处理系统、热能利用系统与飞灰收运系统,在各个子系统共同运行的情况下才能够完成对生活垃圾的有效处理。在设备运行中,各系统各司其职,如若任意一个系统发生了故障或者效率降低,则势必会影响到整个垃圾焚烧系统的正常运行与效率提升。在该系统中,垃圾接收与储存系统是垃圾进入与存储的地点;烟气处理系统主要负责处理焚烧中产生的烟气;热能利用系统负责将燃烧的能量转化为热能;飞灰收运系统负责对垃圾燃烧后的灰渣进行处理。对于不同类型的焚烧炉来说功效不一,因此在使用前需要慎重的选择与设计。

  2.垃圾焚烧炉的运行机理与选型

  对于不同垃圾来说,成分、热值等方面存在差异,焚烧炉作为垃圾处理的主要设备,在选择与设计时应充分考虑到焚烧时间、温度等,使垃圾得到充分燃烧,避免出现二恶英。目前,较为常用的焚烧炉有以下几种。

  2.1机械炉排焚烧炉

  此类焚烧炉主要由炉排、进料斗、炉膛、配风机构、炉排传机构等构成。垃圾从进料口进入后,在炉排上燃烧,再经过冷却、干燥处理后,将灰渣排出炉外,设备通过机械运动方式使料层不断松动,使空气从炉底部进入,与垃圾充分接触,达到最佳燃烧效果。按照机械运动方式不同,可将焚烧炉划分为以下类型,即滚动炉排、脉冲抛动炉排、往复推动炉排等,目前使用频率较多的是滚动与往复推动炉排。

  在设备选型上,从当前焚烧炉应用现状来看,机械炉排焚烧炉得到了广泛应用,市场份额大于80%,究其原因,该类型焚烧炉的应用时间较长,在技术与体系上较为成熟完善,具有较强的可靠性,使用起来方便快捷。同时,该类型焚烧炉以层状燃烧,对垃圾的适应度较高,充分符合焚烧炉的相关要求,能够将热值较低、水分较高的垃圾充分处理。但是,在选型时也要注意此类焚烧炉在使用中存在的不足。该设备内部结构较为复杂,液压作动机构较多,经过长期运行后很可能出现炉排卡顿问题,从而影响了设备的使用效率。对此,需要相关人员定期进行维护与保养,以此延长其使用寿命[1]。

  2.2流化床焚烧炉

  此类焚烧炉包括分选机、进料口、流化床、破碎机等部分,炉内利用石英砂为热载体,垃圾在流化床中进行焚烧,在焚烧之前通过喷油方式对石英砂进行加热,使其温度超过600℃,这时利用破碎机对垃圾进行粉碎处理,使其粒度在5cm以内,然后将其投入到炉中,当石英砂与垃圾充分混合后,开始快速燃烧。

  在设备选型上,这种焚烧炉在市场中的应用频率较低,因为该设备的垃圾处理量较少,且对垃圾的要求较高。在使用该设备之前,需要将垃圾送入破碎机中进行粉碎处理,由于破碎机械系统的复杂度较高,进而阻碍了该设备的广泛应用。另外,在垃圾处理中,对设备的磨损度较高,在运行时消耗的能源较大,当处理热值较低的垃圾时需要加入大量煤炭辅助处理,由于处理工序复杂、难度大,使流化床焚烧炉的应用范围较为狭窄,市场份额自然较低。

  2.3旋转窑焚烧炉

  此类设备主要构成围进料口、冷却水管、钢制旋转筒、排渣装置等,在圆筒的内部放置耐火涂料,筒体以轴线方向微微倾斜。在垃圾处理过程中,垃圾从上方进料口进入,筒体缓慢的旋转,使垃圾在筒中不断翻滚后移,逐渐燃烧、冷却、干燥后,从排渣装置中将渣灰排出。在设备选型上,此种焚烧炉主要适用于工业固体垃圾焚烧,由于该设备的处理工序与环节具有一定的特殊性,在燃烧时容易失控,对热值较低的垃圾进行处理时燃烧难度较大[2]。

  3.生活垃圾焚烧炉的机械设计

  本文以上文中介绍的机械炉排炉为例,对该设备的设计进行分析。该设备主要包括进料斗、炉膛、炉排、液压连杆机构等部分,只有各个分支机构能够科学的设计,才可确保整个炉体顺畅运行,本文将对该设备中主要的结构设计进行分析。

  3.1进料斗设计

  在该焚烧炉中进料斗的储存量应在0.5—1h范围内,在尺寸设计上应在抓斗全部张开的基础上,增加1.0m进行计算;在倾斜角的设计上,侧壁倾角应超过45°,内壁保持光滑整洁;采用普通碳钢作为挡板门、进料口的主材料即可,在厚度上应超过12mm;进料斗可通过超声波、红外线、微波等料位检测器对料位的实际情况进行检测。

  3.2炉膛的设计

  对于垃圾焚烧炉来说,炉膛的设计主要包括体积、高度、单台规模、喷射装置等方面。炉膛体积是指从炉膛的上方到高温烟气降温截面间的全部体积。在设计中,应以垃圾处理能力、炉内热负荷为依据,炉膛的体积大,垃圾处理能力自然也随之增加。在热负荷燃烧是指单位体积、时间内的热容量,是衡量炉膛体积的重要标准,通常设置为33.50×104KJ/m3h—83.73×104KJ/m3h;在高度设计上,应确保烟气自然流速状态下,烟气的温度能够达到850℃,烟气在炉内的停留时间超过2s;为了提高高温烟气流动的稳定性,在炉膛设计中还应设置可以更改截面的喉部;对于单台焚烧炉来说,处理规模应超过400t/d,并重视炉膛冷却的问题;在炉体的前方设计观察孔与喷射装置,观察孔的作用是对炉内的运行情况进行观察和分析,而喷射装置是在必要的情况下,将各类添加剂喷入其中,如尿素等,使NOX的排放量被大大削减。

  3.3炉排的设计

  在垃圾焚烧炉中,炉排是该设备的重要部分,设计的科学性将对系统的运行效率产生直接影响。

  (1)炉排长度与面积

  炉排的长度、面积设计并非随意设计,而是与设备的机械负荷、处理规模、垃圾含水量等具有较大关联。对于垃圾数量庞大、机械负荷过大的情况,应适当的延长设备长度,设备面积也自然随之延长;对于垃圾中含水量较大的情况,也应适当的增加设备长度与面积,使垃圾能够得到充分的燃烧。

  (2)炉排片的装配

  炉排是由多个炉排片组合而成,将各个炉排片按照横向排放后,用螺栓进行固定后形成炉排组,从类型上可分为固定组与运动组。在装配时,将两种类型的组合交替放置,一同固定在钢结构框架中,由此形成一个完整的炉排。值得注意的是,在炉排片的安装中还要注重角度的大小,炉排整体朝下与水平面间成24°倾角。在炉排使用过程中,由于受到使用期限长、操作不规范等多种因素影响,很可能导致设备发生损坏,为了降低维修难度,应确保炉排片的尺寸固定不变,且保障加工精度,这样才可以寻找标准件进行替换[3]。

  (3)上风孔设计

  为了提高生活垃圾的燃烧效率,可以在炉排片的上方设置风孔,使空气从上方进入,从炉排的后方排出,使垃圾与空气充分接触,起到帮助燃烧的作用。同时,风口的设计还有利于垃圾燃烧后的铸件冷却,减少对炉排片的损害。在上风孔的设计上最好采用迷宫式,使铸件得到最佳冷却效果,确保其温度被控制在400℃以内。

  (4)炉排材质的选择

  对于机械炉排炉来说,在炉排的材质、加工质量上的要求较为严格。要求选择Cr、Ni、Mo等合金元素作为铸铁件,此类铸件具有较强的耐磨、抗腐蚀、耐热性能,能够使铸件的使用寿命更长。炉排间应的接触面应保持光滑,且二者间的间隙应控制到最低,避免灰渣进入,为后期清理带来诸多不便。对此,在设计过程中应利用数控机床对炉排的表面与侧面进行细致的打磨处理,避免在使用过程中发生磨损。大量实践证明,科学选择炉排材质、保障加工精度能够使设备的使用寿命得到显着延长,达到80 000h。

  3.4液压连杆机构的设计

  在焚烧炉设备运行时,其中大多数机构都在进行着翻转、往复运动,这将需要一套强有力的液压系统来完成这一操作。本文设计的焚烧炉中,液压系统主要包括炉排液压缸、给料器、主油泵、连杆机构、料层调节液压缸等,在液压系统的驱动下完成给料器、推料器、炉排、挡板等机械动作,该系统中的各项参数如下所示:炉排液压缸的数量为8个,行程为420mm,连杆速度为0.008m/s,压力为180bar;给料器液压缸的数量为8个,行程为1500mm,连杆速度为0.025m/s,压力为100bar。

  结论:综上所述,生活垃圾焚烧与我国城市化建设息息相关,而焚烧炉作为垃圾焚烧处理的重要设备,应对其进行合理的选型与设计,使垃圾得到完全燃烧,保障焚烧炉的安全使用。另外,还应使能量能够充分转化,起到发电作用,为我国节能减排事业贡献更大的力量。

  参考文献:

  [1]顾恬, 曹汉鼎, 胡兴胜. 城市生活垃圾焚烧炉结构对燃烧的影响及结构选型的研究[J]. 动力工程学报, 2016, 23(1):2185-2195.

  [2]林武, 康锋, 周志勇. 垃圾焚烧发电厂炉排炉选型和设计研究[J]. 中国环保产业, 2016(8):25-30.

  [3]张莉莉. 城市生活垃圾发电焚烧设备的选型[J]. 天津科技, 2015, 36(3):22-24.


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