生活垃圾機械爐排運動試驗研究

朱新才，李 鵬，馮 威，林順洪，丁又青

(1.重慶理工大學，重慶 400054;2.重慶科技學院，重慶 401331)

往復式機械爐排焚燒爐是世界上比較常用的爐排式生活垃圾焚燒爐爐型，其爐排的往復運動能將燃料層翻攪，使空氣與垃圾燃料充分接觸，達到較好的燃燒效果。機械爐排作為核心部件，負責爐內(nèi)垃圾輸運，同時提高垃圾與空氣的混合和擾動度。對爐排上垃圾的攪動可直接影響垃圾在焚燒爐中的燃燒效果，并且直接導致燃燒是否產(chǎn)生污染氣體。因此，研究生活垃圾在機械爐排上的運動規(guī)律，分析適合垃圾焚燒的爐排結構參數(shù)，使之能夠高效攪動垃圾并使之燃燒完全，是實現(xiàn)機械爐排優(yōu)化設計和改進的有效方法。

1 冷態(tài)試驗裝置

機械爐排一般主要包括框架、活動爐排和固定爐排3個機械部分。各個爐排片之間保持緊密貼合，連接成排，并相互交迭，保證垃圾不會泄露。爐排片分別固定在活動爐排框架上，并緊壓在移動爐排框架上，固定爐排和活動爐排交替布置。最后由壓緊爐排使整個爐排系統(tǒng)緊扣。固定爐排固定在整個爐排框架上，整個爐排框架則按照一定角度使爐排傾斜。此外，往復式爐排可分為順推式和逆推式。其中順推式是指爐排片推動垃圾的方向與垃圾焚燒過程移動的方向相同，逆推式則相反。

因此，根據(jù)爐排的結構特點和工作原理，設計了研究垃圾運動規(guī)律的機械爐排冷態(tài)試驗裝置。整個冷態(tài)爐排試驗系統(tǒng)由支撐框架、圓弧軌道、爐排系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)組成，并同時兼具逆推式與順推式爐排的功能。圖1為順推式模式的冷態(tài)試驗裝置。通過調整爐排支撐框架2個端點O1、O2在支撐圓弧軌道中的位置，實現(xiàn)逆推與順推爐排系統(tǒng)的切換。

圖1 順推式模式的冷態(tài)試驗裝置

2 試驗方法

試驗采用示蹤粒子方法研究爐排傾角和爐排行程對垃圾運動的影響。通過示蹤粒子在XOY面(俯視圖)和ZOY面(主視圖)的移動軌跡來分析垃圾的運動規(guī)律。其中XOY面表示橫向位移和縱向位移，ZOY面表示深度位移和縱向位移。試驗中的垃圾模擬生活垃圾，含量如表1所示。

試驗中，垃圾從輸料口進入冷態(tài)爐排試驗裝置中，通過活動爐排片的往復運動，對垃圾進行擠壓和推動，同時垃圾在自身重力作用下從爐床上由高位向低位運動，從而實現(xiàn)垃圾的翻滾和攪動，并最終到達出料口。

表1 試驗垃圾含量百分比

3 逆推式爐排試驗

3.1 逆推式爐排垃圾輸送量

爐排傾角是爐排傾斜面與水平面夾角，即是相同爐排頭部(活動爐排頭部或者固定爐排頭部)的連線與水平面的夾角。爐排行程則是活動爐排在2塊固定爐排之間可移動的最大位移。爐排傾角的提高和爐排行程的減小都將使垃圾輸送量增大，如圖2所示。傾角的增加使垃圾在爐排上沿垃圾流動方向的傾斜度增加，從而增加了垃圾向前的重力分量，則垃圾的運動速度加大，垃圾平均輸送量提高。行程的減小使垃圾在固定爐排和活動爐排之間的移動距離減小，因而減小了垃圾在爐排上的停留時間，增大了垃圾輸送量。

圖2 逆推式爐排的垃圾輸送量的變化

當爐排傾角較小時，爐排行程對垃圾輸送量的影響較小。但是隨著傾角增大，影響逐漸增大。當爐排傾角為35°時，爐排行程為300 mm的垃圾輸送量比500 mm增加了127%。但值得注意的是，爐排傾角和行程都不宜太大或太小。傾角太大和行程太小容易造成垃圾在垃圾層較高時大于垃圾的自然傾斜角，垃圾一進入爐膛，馬上會自動地在爐排上沿著爐排面從上滾滑到下面。這樣就不能達到垃圾在爐排上滾動燃燒的目的，也就無法把垃圾燃透。傾角太小和行程太大則容易使垃圾在爐排上的停留時間過長，垃圾高度增大，流通截面增大，降低垃圾輸送效率，還會出現(xiàn)垃圾沉積現(xiàn)象，低層的垃圾不易排出。對于不同的焚燒爐，垃圾輸送量必須根據(jù)爐內(nèi)垃圾的燃燒特性而制定。

3.2 逆推式爐排垃圾混合率

爐排傾角和行程在影響垃圾輸送量的同時，還影響爐排上垃圾的混合和擾動度。逆推式爐排在爐排傾角為25°左右時，與更大和更小傾角時相比，垃圾綜合混合效果較好。一方面是因為較大或較小的爐排傾角對垃圾自身重力的利用不夠，在高位的垃圾滾落太遠或太近，未進入2塊活動爐排運動產(chǎn)生在固定爐排上的低位無垃圾空間。另一方面，爐排的往復運動在不同傾角下會影響產(chǎn)生垃圾層的高度。傾角太小，垃圾層則較高，底部垃圾攪拌效果差;傾角太大，垃圾層則較低，整個垃圾層無法有效翻滾。

逆推式爐排在傾角相同的情況下，不同爐排行程對垃圾運動的影響如圖3和圖4所示。示蹤粒子的運動軌跡說明:較大行程的爐排對垃圾的打散和疏松效果較好。在橫向位移方面，隨著往復運動使垃圾從第1塊爐排片向最后一塊爐排片移動，不同的爐排行程對橫向錯位的影響較小。這是因為爐排的鋸齒狀頭部才是影響橫向的最重要因素。在深度位移方面，較大行程的爐排明顯優(yōu)于較小的。在較大爐排行程中，垃圾層被強烈地連續(xù)翻轉和攪動，使垃圾層反復松散和重新排列。行程增大后，每一次活動爐排前進或者后退，都會使連續(xù)2塊爐排上的垃圾出現(xiàn)更大的垃圾層錯層，固定爐排供垃圾跌落的空間更大，所以翻轉幅度更大。例如500 mm爐排行程的垃圾深度方向平均位移是300 mm爐排行程的1倍多。如果爐排行程小，垃圾運動較平穩(wěn)，則容易形成垃圾層流，并出現(xiàn)垃圾結塊。

4 順推式爐排試驗

4.1 順推式爐排垃圾輸送量

與逆推式爐排在垃圾輸送上相比，順推式爐排傾角的提高使垃圾輸送量增大，但是爐排行程的減小卻使輸送量減小，如圖5所示。由于順推式爐排的活動爐排推動作用與逆推爐排相反，前進主要為了推動，后退則主要為了翻滾，這使得在順推爐排傾角較小時，行程減小，垃圾向前推動越頻繁，垃圾在爐排上的平均停留時間減小，這就造成垃圾輸送量增大。

同一個爐排行程下，順推式爐排500 mm行程的輸送量是逆推式的2倍多，但300 mm行程的輸送量卻比逆推式小了一半。由此可知，大行程的順推式爐排和小行程的逆推式爐排更適合高效輸送垃圾。

圖5 順推式爐排的垃圾輸送量的變化

4.2 逆推式爐排垃圾混合率

由于順推式爐排的爐排傾角不易過大，垃圾在爐排上遠小于垃圾的自然傾斜角，因此垃圾的運動依靠爐排的推動。圖6和圖7是不同爐排行程的順推式爐排在相同爐排傾角下的部分示蹤粒子運動軌跡。順推式爐排縱向最大距離是3 000 mm，也就是說順推式爐排在行程為500 mm時，示蹤粒子全部排出爐排，這說明其輸送垃圾的速度快，同樣驗證了大行程順推式爐排適合垃圾輸送。但在焚燒爐內(nèi)，垃圾更需要擾動、翻滾，才能使垃圾充分且高效地燃燒。垃圾在小行程順推式爐排的橫向和深度方向的綜合滾動效果較佳，與大行程的逆推式爐排相比，垃圾的輸送量更大。

焚燒爐內(nèi)的爐排一般分為干燥段、燃燒段和燃燼段。燃燒段上的垃圾需要翻滾混合度高，燃燒完全，停留時間充分，因此大行程的逆推式爐排比較適應。而小行程的順推式爐排擾動好，輸送快，可作為干燥段和燃燼段，縮短垃圾干燥和排出的時間。

5 結論

1)逆推式爐排傾角增大或爐排行程減小都將使垃圾輸送量增大;順推式爐排傾角和爐排行程增大使垃圾輸送量增大。

2)小行程順推式爐排和大行程的逆推式爐排的垃圾綜合混合效果較佳。

3)大行程逆推式爐排適應焚燒爐的燃燒段，可以減少污染氣體的產(chǎn)生;小行程順推式爐排適合干燥段和燃燼段，能提高焚燒爐的燃燒效率。

4)根據(jù)適應不同垃圾條件的焚燒爐特點，需要確定垃圾在最佳運動狀態(tài)下的爐排行程和爐排傾角的組合，讓垃圾在爐排上有適當?shù)钠骄Ａ魰r間和混合率等，最終達到理想的燃燒效果。

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