垃圾焚燒爐設(shè)備選型及機(jī)械設(shè)計(jì)分析

王建剛，張曉陽(yáng)

（天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅蘭州 730070）

0 引言

隨著時(shí)代的進(jìn)步和發(fā)展，城市也變得越來(lái)越擁擠，城市垃圾的數(shù)量不斷增加，為了防止這些垃圾對(duì)生態(tài)環(huán)境帶來(lái)不必要的影響，如何更好地處理這些垃圾成為當(dāng)前的重要研究課題。隨著城市垃圾數(shù)量的增加與堆積，垃圾處理工作的開(kāi)展已經(jīng)迫在眉睫，采用焚燒爐集中焚燒處理能夠產(chǎn)生非常好的處理效果。為了使不同類型的垃圾焚燒效果達(dá)到最優(yōu)，需要選擇不同類型的焚燒爐，并加強(qiáng)對(duì)相關(guān)機(jī)械設(shè)計(jì)內(nèi)容的研究。

1 垃圾焚燒爐及其各子系統(tǒng)

當(dāng)前階段所使用的垃圾焚燒發(fā)電系統(tǒng)的組成非常復(fù)雜，包括垃圾接收、貯存系統(tǒng)、熱能利用系統(tǒng)、灰渣收運(yùn)系統(tǒng)以及煙氣處理系統(tǒng)。在這些子系統(tǒng)的協(xié)同作用下，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)垃圾的焚燒和發(fā)電，在整個(gè)垃圾焚燒發(fā)電系統(tǒng)中，這些子系統(tǒng)發(fā)揮著不可替代的作用：①垃圾的接收和貯存系統(tǒng)是生活垃圾的放入口和貯存處；②煙氣處理系統(tǒng)對(duì)垃圾焚燒過(guò)程中產(chǎn)生的煙氣進(jìn)行處理，防止空氣污染；③熱能利用系統(tǒng)利用垃圾焚燒產(chǎn)生的熱能制造蒸汽發(fā)電，燃燒發(fā)電也是垃圾焚燒處理的主要利用方式；④灰渣收運(yùn)系統(tǒng)處理垃圾焚燒過(guò)后的殘余物。在整個(gè)焚燒發(fā)電系統(tǒng)中，每個(gè)子系統(tǒng)都有其功效和作用，只有每個(gè)系統(tǒng)都處于最佳的運(yùn)行狀態(tài)，才能夠保障垃圾處理的工作質(zhì)量和效率。由于子系統(tǒng)的類型非常多，不同型號(hào)的焚燒爐其運(yùn)作效率不盡相同，需要結(jié)合垃圾的種類和具體情況，對(duì)焚燒爐設(shè)備型號(hào)進(jìn)行合理選擇，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)展合理的機(jī)械設(shè)計(jì)工作。

2 垃圾焚燒爐的設(shè)備選型

2.1 垃圾焚燒爐機(jī)械結(jié)構(gòu)和運(yùn)行機(jī)理

垃圾焚燒處理法在我國(guó)已經(jīng)有了較長(zhǎng)的使用時(shí)間，隨著實(shí)踐工作的開(kāi)展，垃圾焚燒處理系統(tǒng)也經(jīng)過(guò)了不斷的優(yōu)化和完善，技術(shù)體系已經(jīng)趨于成熟。在垃圾焚燒處理系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中，焚燒處理的核心設(shè)備就是焚燒爐。不同類型垃圾的熱值一般不同，如果在沒(méi)有進(jìn)行垃圾分類的基礎(chǔ)上直接燃燒，為了實(shí)現(xiàn)垃圾的充分燃燒，必須要重視燃燒過(guò)程中焚燒爐的參數(shù)變化，其中最重要的參數(shù)就是停留時(shí)間和燃燒溫度，如果控制不當(dāng)就會(huì)導(dǎo)致焚燒過(guò)程產(chǎn)生有害物質(zhì)。

當(dāng)前階段常見(jiàn)的焚燒爐主要有三種類型，分別是機(jī)械爐排焚燒爐、流化床焚燒爐和旋轉(zhuǎn)窯焚燒爐，在實(shí)踐中可以結(jié)合垃圾的種類來(lái)選擇合理的焚燒爐類型（表1）：①機(jī)械爐排焚燒爐的運(yùn)作原理是將垃圾置于層狀爐排上進(jìn)行燃燒，經(jīng)過(guò)干燥、燃燒、燃盡等程序完成整個(gè)焚燒工作；②流化床焚燒爐主要由進(jìn)料口、破碎機(jī)、分選機(jī)、石英砂、流化床等部分組成，石英砂是爐內(nèi)的主要熱載體，在燃燒過(guò)程中將石英砂升溫至600 ℃，之后將破碎后的垃圾投入爐內(nèi)，此時(shí)石英砂與干燥的垃圾接觸后就會(huì)快速燃燒；③旋轉(zhuǎn)窯焚燒爐中，垃圾從上部投料進(jìn)入旋轉(zhuǎn)窯內(nèi)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn)使垃圾逐漸移動(dòng)，經(jīng)歷干燥、燃燒和燃盡等流程。

表1 主要垃圾焚燒爐設(shè)備特性比較

2.2 常用垃圾焚燒爐選型

（1）機(jī)械爐排焚燒爐。該型號(hào)的焚燒爐有著非常長(zhǎng)的發(fā)展時(shí)間和應(yīng)用時(shí)間，在整個(gè)焚燒爐市場(chǎng)中有著較高的市場(chǎng)份額，其技術(shù)體系相對(duì)成熟，可靠性比較高。機(jī)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(qiáng)的適應(yīng)性，也能達(dá)到充分燃燒的目的，能對(duì)熱值低、含水量高的垃圾進(jìn)行燃燒處理，采用該燃燒處理方式，一次可以處理的垃圾數(shù)量非常可觀，因?yàn)檫@些處理優(yōu)勢(shì)的存在，使得機(jī)械爐排焚燒爐有著非常大的市場(chǎng)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(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度較高，在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)作過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)爐排卡住等問(wèn)題，對(duì)焚燒爐的繼續(xù)運(yùn)行造成巨大影響，因此機(jī)械爐排焚燒爐必須要進(jìn)行定期的停爐檢查養(yǎng)護(hù)。

（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(duì)待處理垃圾的要求較高，使用過(guò)程中有較大的限制性，市場(chǎng)接受程度較低。使用流化床焚燒之前，需要對(duì)垃圾進(jìn)行充分的破碎處理，所使用的分選破碎機(jī)械系統(tǒng)的復(fù)雜程度較高，因此對(duì)焚燒爐也有著較高的應(yīng)用要求。為了充分燃燒部分熱值較低的垃圾，在處理的過(guò)程中還需要加煤，因此其整個(gè)操作過(guò)程非常復(fù)雜、低效。

（3）旋轉(zhuǎn)窯焚燒爐。該種型號(hào)的焚燒爐更多是應(yīng)用在對(duì)工業(yè)固體垃圾的處理上，采用的是翻滾的燃燒形式。由于旋轉(zhuǎn)窯焚燒爐燃燒過(guò)程的特殊性，整個(gè)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(huì)給燃燒工作帶來(lái)困難。

3 垃圾焚燒爐的機(jī)械設(shè)計(jì)研究

流化床焚燒爐和旋轉(zhuǎn)窯焚燒爐的應(yīng)用范圍較小，市場(chǎng)上多數(shù)采用機(jī)械爐排焚燒爐焚燒垃圾（圖1）。以機(jī)械爐排焚燒爐為例，分析其機(jī)械組成結(jié)構(gòu)，在保證機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、運(yùn)作協(xié)同的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)焚燒爐的安全穩(wěn)定使用。

圖1 小型生活垃圾焚燒爐

3.1 焚燒爐液壓連桿機(jī)構(gòu)

機(jī)械爐排焚燒爐運(yùn)行過(guò)程涉及到大量的往復(fù)和翻轉(zhuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)，由液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)作，在液壓桿機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下，能夠使?fàn)t排等機(jī)構(gòu)作出相應(yīng)的機(jī)械動(dòng)作，保障垃圾充分燃燒。

3.2 爐排的機(jī)械設(shè)計(jì)要求

爐排直接影響焚燒爐的工作穩(wěn)定性，在對(duì)爐排選型時(shí)，對(duì)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(shí)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(wèn)題。此外，對(duì)于爐排裝配、配件更換和風(fēng)孔設(shè)計(jì)都有非常高的要求。

3.3 垃圾爐膛的設(shè)計(jì)要求

爐膛內(nèi)的體積是指爐排上方至高溫?zé)煔忾_(kāi)始降溫截面之間的全部體積。爐膛內(nèi)的高度要保證爐膛內(nèi)的最高煙氣溫度可以達(dá)到850 ℃，同時(shí)維持一定的煙氣流速，使煙氣的停留時(shí)間≥2 s。進(jìn)料斗的設(shè)計(jì)要保證斗內(nèi)垃圾存儲(chǔ)量≥0.5～1 h 的處理量，其尺寸大小要參照抓斗全開(kāi)時(shí)的尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，通常情況下可以在此基礎(chǔ)上直徑再增加1 m。通過(guò)對(duì)整個(gè)焚燒爐機(jī)械結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，不僅能夠大幅提升焚燒爐的運(yùn)行質(zhì)量和效率，還能夠保障整個(gè)焚燒工作的安全性。

3.4 焚燒爐機(jī)械設(shè)計(jì)尺寸

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

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著現(xiàn)代化城市建設(shè)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作的開(kāi)展，垃圾處理問(wèn)題是當(dāng)前階段的社會(huì)關(guān)注重點(diǎn)，對(duì)垃圾處理的要求就是充分焚燒，防止其焚燒過(guò)程對(duì)自然環(huán)境造成二次污染。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，垃圾焚燒技術(shù)也得到了進(jìn)一步的優(yōu)化與創(chuàng)新，城市垃圾在得到有效處理的同時(shí)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)可再生能量的轉(zhuǎn)化，將燃燒過(guò)程的熱能轉(zhuǎn)化為清潔的電能，實(shí)現(xiàn)焚燒發(fā)電。因此在未來(lái)垃圾焚燒處理工作開(kāi)展的過(guò)程中，在做好設(shè)備選型工作的基礎(chǔ)上，還要給予機(jī)械設(shè)計(jì)工作足夠的重視，推動(dòng)垃圾焚燒處理事業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展。