垃圾焚燒爐設備選型及機械設計分析

王建剛，張曉陽

（天華化工機械及自動化研究設計院有限公司，甘肅蘭州 730070）

0 引言

隨著時代的進步和發展，城市也變得越來越擁擠，城市垃圾的數量不斷增加，為了防止這些垃圾對生態環境帶來不必要的影響，如何更好地處理這些垃圾成為當前的重要研究課題。隨著城市垃圾數量的增加與堆積，垃圾處理工作的開展已經迫在眉睫，采用焚燒爐集中焚燒處理能夠產生非常好的處理效果。為了使不同類型的垃圾焚燒效果達到最優，需要選擇不同類型的焚燒爐，并加強對相關機械設計內容的研究。

1 垃圾焚燒爐及其各子系統

當前階段所使用的垃圾焚燒發電系統的組成非常復雜，包括垃圾接收、貯存系統、熱能利用系統、灰渣收運系統以及煙氣處理系統。在這些子系統的協同作用下，能夠實現對垃圾的焚燒和發電，在整個垃圾焚燒發電系統中，這些子系統發揮著不可替代的作用：①垃圾的接收和貯存系統是生活垃圾的放入口和貯存處；②煙氣處理系統對垃圾焚燒過程中產生的煙氣進行處理，防止空氣污染；③熱能利用系統利用垃圾焚燒產生的熱能制造蒸汽發電，燃燒發電也是垃圾焚燒處理的主要利用方式；④灰渣收運系統處理垃圾焚燒過后的殘余物。在整個焚燒發電系統中，每個子系統都有其功效和作用，只有每個系統都處于最佳的運行狀態，才能夠保障垃圾處理的工作質量和效率。由于子系統的類型非常多，不同型號的焚燒爐其運作效率不盡相同，需要結合垃圾的種類和具體情況，對焚燒爐設備型號進行合理選擇，并在此基礎上開展合理的機械設計工作。

2 垃圾焚燒爐的設備選型

2.1 垃圾焚燒爐機械結構和運行機理

垃圾焚燒處理法在我國已經有了較長的使用時間，隨著實踐工作的開展，垃圾焚燒處理系統也經過了不斷的優化和完善，技術體系已經趨于成熟。在垃圾焚燒處理系統運行的過程中，焚燒處理的核心設備就是焚燒爐。不同類型垃圾的熱值一般不同，如果在沒有進行垃圾分類的基礎上直接燃燒，為了實現垃圾的充分燃燒，必須要重視燃燒過程中焚燒爐的參數變化，其中最重要的參數就是停留時間和燃燒溫度，如果控制不當就會導致焚燒過程產生有害物質。

當前階段常見的焚燒爐主要有三種類型，分別是機械爐排焚燒爐、流化床焚燒爐和旋轉窯焚燒爐，在實踐中可以結合垃圾的種類來選擇合理的焚燒爐類型（表1）：①機械爐排焚燒爐的運作原理是將垃圾置于層狀爐排上進行燃燒，經過干燥、燃燒、燃盡等程序完成整個焚燒工作；②流化床焚燒爐主要由進料口、破碎機、分選機、石英砂、流化床等部分組成，石英砂是爐內的主要熱載體，在燃燒過程中將石英砂升溫至600 ℃，之后將破碎后的垃圾投入爐內，此時石英砂與干燥的垃圾接觸后就會快速燃燒；③旋轉窯焚燒爐中，垃圾從上部投料進入旋轉窯內，通過旋轉和翻轉使垃圾逐漸移動，經歷干燥、燃燒和燃盡等流程。

表1 主要垃圾焚燒爐設備特性比較

2.2 常用垃圾焚燒爐選型

（1）機械爐排焚燒爐。該型號的焚燒爐有著非常長的發展時間和應用時間，在整個焚燒爐市場中有著較高的市場份額，其技術體系相對成熟，可靠性比較高。機械爐排焚燒爐采用層狀的燃燒方式，在垃圾燃燒方面有著較強的適應性，也能達到充分燃燒的目的，能對熱值低、含水量高的垃圾進行燃燒處理，采用該燃燒處理方式，一次可以處理的垃圾數量非?？捎^，因為這些處理優勢的存在，使得機械爐排焚燒爐有著非常大的市場份額。但是該種燃燒處理方式在使用中仍然存在缺陷，其系統結構的復雜程度較高，在長時間的運作過程中可能會出現爐排卡住等問題，對焚燒爐的繼續運行造成巨大影響，因此機械爐排焚燒爐必須要進行定期的停爐檢查養護。

（2）流化床焚燒爐。該類型的焚燒爐一次處理的垃圾量較小，對待處理垃圾的要求較高，使用過程中有較大的限制性，市場接受程度較低。使用流化床焚燒之前，需要對垃圾進行充分的破碎處理，所使用的分選破碎機械系統的復雜程度較高，因此對焚燒爐也有著較高的應用要求。為了充分燃燒部分熱值較低的垃圾，在處理的過程中還需要加煤，因此其整個操作過程非常復雜、低效。

（3）旋轉窯焚燒爐。該種型號的焚燒爐更多是應用在對工業固體垃圾的處理上，采用的是翻滾的燃燒形式。由于旋轉窯焚燒爐燃燒過程的特殊性，整個燃燒工程的控制難度大大增加，如果所處理的垃圾熱值較低，會給燃燒工作帶來困難。

3 垃圾焚燒爐的機械設計研究

流化床焚燒爐和旋轉窯焚燒爐的應用范圍較小，市場上多數采用機械爐排焚燒爐焚燒垃圾（圖1）。以機械爐排焚燒爐為例，分析其機械組成結構，在保證機械結構設計合理、運作協同的基礎上，實現焚燒爐的安全穩定使用。

圖1 小型生活垃圾焚燒爐

3.1 焚燒爐液壓連桿機構

機械爐排焚燒爐運行過程涉及到大量的往復和翻轉運轉，由液壓系統實現動作，在液壓桿機構的驅動下，能夠使爐排等機構作出相應的機械動作，保障垃圾充分燃燒。

3.2 爐排的機械設計要求

爐排直接影響焚燒爐的工作穩定性，在對爐排選型時，對其制作材料有非常高的要求，為保障爐排的耐腐蝕性和耐熱性，必須要選用合金材料。加工爐排時需要打磨表面，保證爐排有足夠的粗糙度，避免爐排間隙漏灰的問題。此外，對于爐排裝配、配件更換和風孔設計都有非常高的要求。

3.3 垃圾爐膛的設計要求

爐膛內的體積是指爐排上方至高溫煙氣開始降溫截面之間的全部體積。爐膛內的高度要保證爐膛內的最高煙氣溫度可以達到850 ℃，同時維持一定的煙氣流速，使煙氣的停留時間≥2 s。進料斗的設計要保證斗內垃圾存儲量≥0.5～1 h 的處理量，其尺寸大小要參照抓斗全開時的尺寸進行設計，通常情況下可以在此基礎上直徑再增加1 m。通過對整個焚燒爐機械結構的合理設計，不僅能夠大幅提升焚燒爐的運行質量和效率，還能夠保障整個焚燒工作的安全性。

3.4 焚燒爐機械設計尺寸

首先確定爐膛尺寸，包括爐底寬度、長度和焚燒爐的內部高度等，合理選擇爐底熱強度，計算焚燒率等參數。如爐底熱強度P=150～200 kg/（m2·h）。由爐底內部面積計算。其中，B是爐排兩側爐墻的間距；L 是爐排的有效長度；G 是爐子的焚燒量。在求出爐底面積之后，再依據爐底長寬比來確定爐底的長度與寬度。

4 結束語

隨著現代化城市建設和生態環境保護工作的開展，垃圾處理問題是當前階段的社會關注重點，對垃圾處理的要求就是充分焚燒，防止其焚燒過程對自然環境造成二次污染。隨著科學技術的發展，垃圾焚燒技術也得到了進一步的優化與創新，城市垃圾在得到有效處理的同時，已經實現可再生能量的轉化，將燃燒過程的熱能轉化為清潔的電能，實現焚燒發電。因此在未來垃圾焚燒處理工作開展的過程中，在做好設備選型工作的基礎上，還要給予機械設計工作足夠的重視，推動垃圾焚燒處理事業的穩定發展。