水泥窯協同處置垃圾混合上料系統故障分析

鄭榮華

（上海埃井工業技術有限公司，上海 200000）

0 引言

廣西扶綏海螺水泥廠生活垃圾協同處置項目，位于廣西扶綏海螺水泥廠熟料生產線回轉窯北側，項目采用德國進口的成套固廢混合上料系統。系統先將脫水后的市政污泥和預分選破碎的生活垃圾通過螺旋輸送機輸送至臥式強力混合機，然后再通過高壓柱塞輸送泵經過管道高壓泵送進水泥回轉窯。成套混合上料系統符合水泥窯協同處置固體廢物環境保護技術規范：實現自動上料，并配置可調節投加速率的計量裝置實現定量投料；管道輸送保持良好的密閉性能，防止固體廢物地漏和溢出。

成套固廢上料系統在初始安裝及空載試運轉過程中都比較順利，但在后期帶料投產過程中電氣、液壓、機械等部件或多或少都出現過故障，造成過停機停產。由于此項目為進口成套固廢上料系統第一次在國內實地應用，沒有相關經驗參照，只能逐步排查故障，確定故障原因。

下面詳細敘述成套固廢上料系統（圖1）配置、工藝流程及遇到的故障現象和故障排除的過程，以便為國內同類工藝項目提供參考。

1 系統配置及工藝流程

成套固廢上料系統設置一套5 m市政脫水污泥緩存倉和一套5 m生活垃圾緩存倉。市政脫水污泥通過人工抓斗進入單軸電動螺旋輸送機，生活垃圾也是通過人工抓斗進入單軸電動螺旋輸送機，兩單軸電動螺旋輸送機將各自物料絞送至二次雙軸預混合電動螺旋輸送機，二次雙軸預混合電動螺旋輸送機將市政污泥和生活垃圾預混合后絞入臥式強力混合機。市政污泥為含水膏狀物料，流動性較好，而生活垃圾等固體物料容易壓縮，但流動性較差。臥式強力混合機將生活垃圾和市政脫水污泥充分攪動混合，目的是讓生活垃圾在管道中通過污泥潤滑具備流動性，降低物料流動阻力。

臥式強力混合機中的混合物料通過出料口落至液壓輸送泵的泵斗里，輸送泵斗側面配置的液壓推料機將混合物料推壓至輸送泵料腔。液壓輸送泵金屬冠狀活塞將吸入的物料經過管道進行泵送，輸送泵出口的閘閥既可切斷大體積物料，也可阻止輸送泵金屬冠狀活塞回退過程中管道返料。物料進入回轉窯進行高溫處理后，達到減量化、資源化、無害化效果。

2 泵送堵管故障涉及的電液壓問題分析和解決

投料生產過程中，開始泵送初期階段，通過管道進入水泥窯窯尾的物料較為順暢。但經過一段時間加負荷運行后發現，輸送泵液壓驅動壓力逐漸升高，液壓系統驅動壓力由初期的8 MPa升至14 MPa，高峰期會達到23 MPa，偶爾觸及26.5 MPa過高壓臨界值，從而導致液壓輸送泵故障保護停機。輸送泵故障停機后，上游設備根據聯鎖條件全部停機，導致上料系統停產。

如圖2所示，液壓輸送泵主要由主液壓單元、輸送泵單元及電氣控制柜單元配置組成。主液壓單元通過ABB/110 kW/400 V工頻電機連接Rexroth串聯泵對輸送泵單元的金屬冠狀活塞及相關切割閥板進行液壓傳動。涉及上述故障現象的相關高壓泵液壓源為一組A11VO130LRDS開式油泵，出廠時根據外部輸送管道承壓及輸送泵工況設計，將A11VO130LRDS開式油泵壓力切斷閥整定為26.5 MPa，控制單元過高壓預警整定為25 MPa，控制單元故障停機值整定為26.5 MPa。

液壓輸送泵驅動液壓壓力超過26.5 MPa，控制單元判定泵送堵管故障，觸發保護性故障停機。當故障發生后，未貿然切割管道進行檢查。在確認輸送管道承壓及液壓系統負荷能保證在安全范圍的前提下，越過電氣保護手動低速啟動輸送泵，雖然液壓壓力較高，但是偶爾又能在低于26.5 MPa整定壓力值內將物料推送出去。經過反復試驗，再查驗市政污泥和生活垃圾混合后的樣品，發現預選后的生活垃圾，雖然和含水污泥經過混合后有一定的流動性，但是混合物的成分并不規律。當管道中某部位混合物的污泥比例較大，生活垃圾比例較小時，阻力小，流動性好；當管道中某部位混合物的生活垃圾比例較大，污泥比例較小時，阻力大，流動性差，就會導致瞬間液壓壓力值過高的現象。

依據現場項目現狀，無法對外部運送過來的污泥和生活垃圾物料提出過多苛刻的要求，只能在設備上進行技改和調整?？紤]到混合物料只是在管道某個部位和某個瞬間出現生活垃圾比例過大現象，如果避免在此情況下繼續強行泵送就不會導致堵管故障。再分析此前越過電氣保護手動試驗的過程，發現有兩種工藝上的改動能夠產生較好的效果：

（1）管道壓力一旦過大后，繼續高速泵送，會導致生活垃圾快速壓縮，壓力持續上升，如果降低速度輸送，有利于生活垃圾里混合更多的含水污泥，提高流動性，從而避免管道壓力繼續上升；

（2）管道壓力一旦過大后，輸送泵金屬冠狀活塞停止并回退后再繼續向前泵送，回退的過程會使管道中的生活垃圾出現松動和位移，從而混入部分含水污泥，提高流動性，繼續向前泵送時，壓力即可恢復正常值。

經過多番研討后，根據上述兩點在電液控制上進行了技改和測試：

（1）增加輸送液壓預警壓力和輸送速度之間聯鎖調節功能。

如圖3所示，在預警壓力25 MPa以內，供電控制單元設定泵送速度不受干預。當實際液壓壓力超過預警壓力25 MPa時，輸送泵速自動降低，根據壓力在25～26 MPa之間變化的速率和數值，反向自動調節輸送泵的速度和調速的靈敏度：壓力超過25 MPa且快速上升時，輸送泵的速度自動且快速下降；壓力在25～26 MPa回落時，輸送泵的速度自動往原設定速度恢復；直到壓力回落到25 MPa以下后，輸送泵的速度便恢復到原設定速度。強力混合機腔體維修蓋門，發現混合機腔體內部生活

（2）上述調節過程中，會出現壓力持續上升到26 MPa，導致輸送泵速度自動降到0的情況，于是便有了上述第（2）條增加自動回退功能。

如圖4所示，當液壓壓力達到26 MPa時，驅動金屬冠狀活塞的輸送泵油缸便自動回退至位置傳感器2處，然后再重新向前輸送。如果重新向前輸送能運行至位置傳感器1處，則表明管道壓力已經恢復正常。若在運行至位置傳感器1處的過程中，壓力依然會達到26 MPa，則再次回退。如此往復自疏通三次，依然無法使管道恢復正常壓力，再確定進行管道堵塞故障保護停機。

經過上述兩項電液控制的技改，輸送泵泵送過程中管道壓力偶爾躥升的現象得到改善，即使壓力突然躥升，增加的電液控制功能也能在過壓故障停機前進行有預見性的自動調整。

3 臥式強力混合機故障涉及的機電問題分析和解決

在后續的生產過程中，出現臥式強力混合機電流劇烈上升，長時間不回落，導致熱繼過流跳閘現象。此現象屬于比較嚴重的機電故障，必須進行分析和解決，才能保證成套上料系統安全運行。

如圖5所示，臥式強力混合機由30 kW變頻電機通過減速機和聯軸器帶動雙軸混合轉子（圖6）進行混合和剪切工作，工作時物料在容器內湍流混合并持續出料。

臥式強力混合機跳閘停機后，維修人員檢查電機、減速器及聯軸器都沒發現機械損傷及異常。打開臥式垃圾和污泥混合物過多聚集，呈堵塞狀。清空混合物后，轉軸的軸頸部有長條垃圾纏繞。初步分析為來自生活垃圾預處理廠的生活垃圾，在分選和破碎過程中，有部分垃圾未能達到標準，單個體積超出預期要求。部分塑料垃圾及布條在分揀后繞成一團，粉碎不夠徹底，在運輸到水泥廠后，通過螺旋輸送機的輸送，塑料袋及布條等垃圾分展開來，長度較長，進入混合機后，會纏繞在混合器軸頸部，阻礙了后面垃圾和污泥的輸送。物料越聚越多，導致臥式強力混合機扭矩逐漸增大，最終導致過負荷故障保護性停機。

為了對分析進行驗證，實際考察了生活垃圾預處理廠，并聽取了生活垃圾預處理廠工作人員的介紹。由于當地生活垃圾分類概念還未深入普通百姓家庭，處理廠集中收集的垃圾較為混雜，且預分選和破碎的工作難度極大。根據實際條件，這種情況短期內無法改善，預處理完的垃圾最終仍然有少部分體積過大的物體摻雜在其中（圖7）。

結合垃圾預處理廠的實際情況和臥式強力混合機的故障現象，成套固廢上料系統內部需要有一定的大體積垃圾自處理、自清潔能力，才能保證整套系統的可靠運行。

對臥式強力混合機整體構造進行研究，發現雙軸轉子不僅有強力混合的功能，還兼有剪切的作用。如何在大體積垃圾纏繞在軸頸部導致電流上升的初期，使物料能夠移動到雙軸葉片能剪切到的地方，是解決問題的關鍵。

此問題依然需要通過控制單元和各機械設備的聯鎖控制、互相配合來實現臥式混合機的剪切功能。

分析過程中，再啟動成套上料系統，將生活垃圾單軸電動螺旋輸送機變頻速率調至運行時的30 Hz，市政污泥單軸電動螺旋輸送機速率調至運行時的35 Hz，嚴格控制抓斗抓取生活垃圾的單個體積，發現混合器能夠正常出料，且扭矩及電流較平穩，沒有明顯波動。

工作人員人為在料斗里加入少量半米長布條，經過一段時間發現混合器電機電流劇烈上升，長時間不回落。觀察臥式強力混合機運行工況，在控制系統中增加以下兩種控制方案：

（1）停運生活垃圾單軸電動螺旋輸送機，市政污泥單軸螺旋輸送機正常進料，若臥式強力混合機經過60 s運轉后，電機電流回落，表明腔體內部大體積物料已經被雙軸葉片剪切，未和市政污泥混合堵塞在混合機內部。此時，重新開啟生活垃圾單軸電動螺旋輸送機進行送料。

（2）停運生活垃圾單軸電動螺旋輸送機，市政污泥單軸螺旋輸送機正常進料，若臥式強力混合機經過60 s運轉后，電機電流依然沒有回落，停運市政污泥單軸電動螺旋輸送機，并且控制臥式強力混合機反轉60 s后再重新正向運轉，如電機電流未能回落至正常值，循環重復前述操作三次，仍然無法剪碎混合器內部大體積物體，則表明機器繼續運轉會有過負荷跳閘風險，在此情況下主動故障保護性停機，以便維護人員提前進行清理。

控制柜單元按上述方案工作一段時間后，打開臥式強力混合機腔體維修蓋門，發現混合機內部較干凈，幾乎沒有纏繞。技改后的功能在遇到大體積生活垃圾時，會短時影響產量，但避免了混合器內部堵塞造成的整套上料系統故障停機，也減輕了工作人員的清理維護強度。

4 結語

近年來，我國大力倡導垃圾分類、環境保護、節約資源及可持續發展，已使人們認識到了建設綠色美好環境的重要性。我國也在不斷提升相關技術水平，通過前期預防性保護、生產生活過程中嚴格管理、后期規范性處理，環境必將越來越美好。