城市生活垃圾機械爐排試驗裝置設計

【摘要】生活垃圾已經成為全球治理污染物的重要課題，是影響自然環境保護的主要因素之一。焚燒法作為城市垃圾常用的處理方法，通過垃圾站機械爐排焚燒技術，可達到充分燃燒垃圾的目的，增強垃圾燃燒的熱效率，有效降低污染氣體排放。本文首先分析了爐排系統設計的主要參數，對生活垃圾機械爐排系統內部構造進行研究，確保爐排系統的穩定性和垃圾處理的無公害。

【關鍵詞】生活垃圾;機械爐排;試驗裝置

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.

16.124

隨著我國經濟的快速發展，人民生活水平質量的不斷提高，城市化進程速度的加快，城市生活垃圾已經成為阻礙城市發展的因素之一。大量的生活垃圾堆砌在城市郊區，不僅侵占大量土地，還極容易造成土壤、地下水等環境的污染。如何合理地處理城市所生產的垃圾，實現無公害、無污染的綠色處理，成為政府亟需解決的問題。垃圾焚燒作為我國垃圾處理的成熟技術，具有垃圾填埋、垃圾堆肥所無法替代的優勢，是政府對于生活垃圾首選的處理方式。鑒于此，本文對爐排系統進行設計，旨在提高垃圾處理效率。

1、爐排系統主要參數設計

1.1爐排機械負荷參數設計

爐排機械負荷就是爐排的燃燒速率，是指在指定的熱灼減率條件下，每小時每平方米的爐排面積能夠燃燒的垃圾重量，即單位爐排面積、單位時間內燃燒的垃圾量kg/（m2·h）。爐排機械負荷是垃圾焚燒中具有代表性的指標，數值高代表爐排的垃圾焚燒能力較強，反之，數值低代表爐排的垃圾焚燒能力較弱。但在實際垃圾處理的過程中，焚燒的熱效率并不能單純依靠面積來衡量，而且還與爐排系統的形狀、結構等相關參數有著密切聯系。由于各國生活垃圾的處理方式不同，垃圾中的水分含量也不相同，對于水分較大的垃圾通常機械負荷較低，對于水分較小的垃圾通常機械負荷較高。按照我國生活垃圾的特點，水分含量較高，垃圾熱值較低，機械負荷通常位于150-300kg/（m2·h）之間。根據國內外熱效率較高的垃圾焚燒爐型作為參考，本研究爐排機械負荷設計210kg/（m2·h）。

1.2燃燒室熱負荷設計

燃燒室熱負荷是衡量單位時間內、單位容積所承受熱量的指標，即表示燃燒火焰在燃燒室內的燃燒程度，包括一次燃燒室和二次燃燒室。如果燃燒室的容積太小，室內的溫度就會急劇上升，造成爐溫過熱，造成垃圾無法完全燃燒;如果燃燒室的容積過大，爐內的火焰無法充分燃燒，就會造成爐渣熱灼減率過高。綜合考慮，本研究中熱負荷設計為420kj/（m2·h），燃燒熱負荷設計為1.2×105kcal/（m3·h）。

1.3垃圾停留時間

垃圾的停留時間有兩層含義，其一是焚燒的停留時間，是指垃圾進入焚燒爐中由固態垃圾到殘渣排出的過程;其二是廢氣的停留時間，是垃圾在焚燒中產生的煙氣從焚燒爐中逸出的過程，通常煙氣在二次燃燒室中的過程應該大于2秒。由于不同垃圾的組成不同，在焚燒爐中停留的過程也不一樣。本研究設計垃圾干燥的過程為30分，爐排停留時間為1.5小時。

1.4垃圾設計熱值

垃圾焚燒與垃圾的性質有密切關系，由于不同地區人們的生活習慣、風俗民情等因素的影響，垃圾的燃燒熱量也不相同。生活垃圾分為高熱量垃圾和低熱量垃圾，垃圾的熱值就是單位質量垃圾燃燒后，所釋放出來的熱量就是垃圾的燃燒熱量。生活垃圾通常由碳、氫、氧、硫、水等物質組成，根據垃圾的組成，本研究設計垃圾熱量為6700kj/kg。

2、生活垃圾機械爐排系統的設計

機械爐排結構的設計能夠有效促使垃圾在爐排中自由混合，充分攪動均勻，達到邊燃燒邊混合的垃圾焚燒效果。根據垃圾焚燒的工作原理，按照機械爐排內部設計的結構及運行方向的不同，燃燒的效果也各不相同，因此，設計出有效的生活垃圾焚燒爐排系統尤為重要。機械爐排系統主要組成部分包括：爐排片結構、爐排運動系統以及驅動系統、一次風風室設計等內容。

2.1爐排片構造的設計

爐排片通常由鑄鐵制作而成，是焚燒爐排系統最底層的結構單元，由于其形狀和結構設計的不同，對爐排系統的焚燒性能有著較大影響。本研究中將爐排片劃分為兩類：分別是前凸式爐排片和后凹式爐排片。爐排片出風口設計在上部位置前段的凸臺位置，出風口與下部的位置相連通，能夠促使氣體相互流通，增加垃圾與氧氣的接觸面積。在爐排片下部末端設計出弧形卡槽，可以促使橫梁與爐排片相互咬合，使其牢固為一體。在爐排片的左右兩側設置螺絲洞孔，用來保證相鄰的爐排片之間緊固牢靠，促使相鄰的爐排片之間可以形成緊密的連接狀態，以防止燃燒殘留物進入到風室。

前凸式爐排片與后凹式爐排片依次相互排列，由爐排片底端的固定咬合連接點形成統一的爐排板，在爐排左右兩端用中心支柱支撐固定，將活動爐底端的活動拉桿安置在驅動系統之中，如果拉桿前移，活動爐按照既定的排列位置縱向橫移。這樣的設計方式，能夠將凸式與凹式之間的垃圾交替布置，減少了垃圾無序的排列，將垃圾打散和鋪設均勻，避免垃圾在爐排片中形成塊狀、團狀等結構，有利于垃圾的充分燃燒。

2.2爐排驅動系統的設計

機械爐必須在機械運動中增強驅動力，提供爐排反復的機械運動。它是機械爐排系統中的動力組成部件，通過液壓油缸增加動力性能，在通過滑動的搖桿部件，促使爐排系統周而復始實現運動。本設計中爐排系統驅動裝置通過橫梁與爐排相連接，橫梁底層連接板與拉桿相連接，依次將爐排片的不同部位形成統一的整體，根據驅動設備中拉桿的反復運動，實現爐排的反復運動。

2.3整體結構設計

爐排系統的整體結構是用來支撐系統內各部件之間的連接，促使整個系統可以在正確的位置保持穩定的運轉。

整個系統中5作為主要結構，在保證提供外部支撐點的同時，系統還設置了支撐點1，能夠使整體結構在具有傾斜角的前提下，也能夠牢固固定在水泥基礎之上。支撐點2用于保障驅動油缸的穩定。支撐點3用于保障滾筒設備的穩定，該設備在驅動設備中位于拉桿底部，一個驅動設備有兩個滾筒設備作為配套，并且兩個滾筒設備的設計與地面之間成一定夾角，拉桿在滾筒中形成滾動導軌，在驅動力的作用下，拉桿沿著滾筒力的方向作為反復運動。支撐點4可支撐與驅動軸的連接。支撐點6是整個系統的固定橫梁，該部位可保證爐排片底部的固定牢靠，從拉桿之中穿過，形成統一的排板整體。支撐點8是保證排片相互之間沒有空隙，是爐排系統下部的壓緊設備。液壓系統提供動力把爐排之間密切相接，防止兩塊爐排之間由于間距過寬而造成垃圾泄露。

2.4 一次風風室設計

在循環反復的爐排上，垃圾進入到系統通過強烈的翻滾和攪拌，促使垃圾能夠有效分散布局，增強垃圾的松散分布，一旦與充足的氧氣相接觸，垃圾就會劇烈的燃燒。但因爐排片長期在高溫之中運動，如果沒有良好的通風冷卻系統，就會縮短爐排的使用壽命，所以在一次風風室的設計顯得尤為重要。一次風在垃圾焚燒中的作用不言而喻，如果一次風的風量不足，就會造成垃圾的燃燒不充分，熱效率大幅度下降;如果一次風的風量過大，就會造成爐內火焰過大，而且還會造成有毒有害氣體的大量排放。因此，爐排系統內的進氣量，是保證垃圾焚燒效率、減少環境污染的重要因素。在最優化的環境中，本設計風室均為上大下小的喇叭口形狀，便于增強排風的效果，減少垃圾烘干的時間。

結語：

本文從生活垃圾焚燒爐排系統研究入手，根據我國城市生活垃圾的特點，設計出每日處理350噸生活垃圾的機械爐排系統，并對系統中機械負荷等參數內容進行設定，確保系統的安全平穩運行。本次爐排的設計符合我國垃圾焚燒的規定要求，通過系統內垃圾的攪拌、平鋪、翻滾等程序，使爐排內部垃圾有序運動，垃圾充分燃燒，對于我國生活垃圾焚燒、降低環境污染具有重要指導作用。

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作者簡介：

劉天任（1998-），男，河北省任丘市人，本科，主要研究方向為材料成型及控制工程。

通訊作者：王飛（1989-），男，江蘇鹽城人，本科，實驗師，研究方向為機械設計制造及其自動化。

基金項目：

高等教育司產學合作協同育人項目（201802354011）創客空間課程拓展項目