朱文娟，曹 衛(wèi)，查文煒

（鹽城工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051）

1 引言

隨著我國城市數(shù)量的增加、規(guī)模的擴(kuò)大和人口的增多，垃圾的產(chǎn)量和增長率也逐年增加，龐大的城市垃圾已對城市及城市周圍的生態(tài)環(huán)境構(gòu)成日趨嚴(yán)重的威脅。利用水泥窯協(xié)同處置城市生活垃圾是近年來水泥行業(yè)提出的一條新的廢棄物處理方法。垃圾熱解后生成的灰渣進(jìn)入預(yù)分解爐作為水泥原料煅燒水泥熟料，由于灰渣主要成分與煤灰類似，主要有SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O等成分，都是水泥原料所需要的成分，且灰渣的慘入量少，約為10%，容易滿足不影響熟料整體強(qiáng)度的安全慘入量條件，因而無須另外進(jìn)行調(diào)整水泥配料工藝，這些都為水泥生產(chǎn)線協(xié)同處置生活垃圾提供了理論基礎(chǔ)。目前一些大型水泥生產(chǎn)企業(yè)，如北京新北水水泥有限責(zé)任公司、海螺集團(tuán)、拉法基瑞安水泥有限公司等紛紛開展水泥窯協(xié)同處置城市生活垃圾、污泥、工業(yè)危險廢棄物等的實踐[1]。

2 工作原理

經(jīng)過前期處理(分揀、破碎、烘干)的生活垃圾進(jìn)入熱解通道，在缺氧條件進(jìn)行高溫?zé)峤?，生成?fù)合燃?xì)饧疤紶钗?，碳狀物進(jìn)入灰渣返熱通道，在“三次風(fēng)”中燃燒，變?yōu)槔以?，再進(jìn)入預(yù)分解爐，灰渣返熱通道中的高溫?zé)煔庖策M(jìn)入預(yù)分解爐，加熱從上一級旋風(fēng)預(yù)熱器進(jìn)入預(yù)分解爐的物料，替代原水泥煅燒工藝中的“三次風(fēng)”，且比原三次風(fēng)的溫度高，因而水泥生料粉的預(yù)分解效果更好，不會對原水泥煅燒工藝產(chǎn)生負(fù)面影響。熱物料和煙氣都從預(yù)分解爐上排氣口進(jìn)入預(yù)熱器，氣固分離，固體粉料在水泥回轉(zhuǎn)窯窯尾部分繼續(xù)煅燒生成熟料[2]。

3 設(shè)計內(nèi)容

3.1 熱解窯筒體結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計

圖1 筒體結(jié)構(gòu)示意

雙筒回轉(zhuǎn)熱解窯結(jié)構(gòu)包含外筒體、內(nèi)筒體、支架，支架剛性聯(lián)接外筒體與內(nèi)筒體(如圖1)。筒體在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中要保持同心，因此支架的剛性聯(lián)接要保證內(nèi)外筒體的同軸度。外筒體內(nèi)置外筒導(dǎo)料裝置，內(nèi)筒體內(nèi)置內(nèi)筒體倒料裝置，內(nèi)筒體內(nèi)部稱為垃圾熱解通道，內(nèi)筒體與外筒體之間稱為灰渣返熱通道(如圖2)。雙筒結(jié)構(gòu)的設(shè)計是為了利用高溫?zé)彷d體快速加熱垃圾實現(xiàn)850℃以上的高溫?zé)峤猓瑥母旧媳苊舛河⑸?。相比之下外熱式熱解爐換熱效率低得多，不能夠避免二惡英的產(chǎn)生[2]。

圖2 筒體內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3.2 筒體尺寸設(shè)計

已知熱解窯的筒體直徑d=500mm，內(nèi)筒與外筒內(nèi)壁的距離350mm，外筒的壁厚200mm。總直徑：D=500+350×2+200×2=1600mm。

根據(jù)經(jīng)驗公式L總≈8d，結(jié)合實際需要取L總=4240mm，根據(jù)實驗室工作要求，筒體有效長度L=3000mm。

3.3 鋼板厚度計算

圖3 鋼板厚度

筒體鋼板厚度是由窯的規(guī)格和鋼板材質(zhì)而定[3](如圖3)，按照經(jīng)驗公式：d=(0.006～0.008)D；初步確定筒體鋼板厚度：d1=(0.006～0.008)×1600=9.6～12.8mm；選取外筒鋼板厚度為12mm，d2=(0.006～0.008)×500=3～4mm。因為內(nèi)筒的直徑較小，為了增加窯筒體剛性，減少徑向變形，可適當(dāng)增加內(nèi)筒的鋼板厚度，選取內(nèi)同鋼板厚度d2=8mm。

由于輪帶處筒體徑向變形和環(huán)向彎曲應(yīng)力最大，故該處筒體鋼板的厚度可適當(dāng)增厚，選取d1′=16mm。

3.4 筒體支點(diǎn)確定

支點(diǎn)數(shù)確定是一個比較復(fù)雜的問題。為保證筒體直線性，使用上希望少一些，制造上支點(diǎn)數(shù)少，制造件數(shù)也會少，但又使單個支承裝置的結(jié)構(gòu)龐大，給制造帶來困難，材料消耗上，支點(diǎn)數(shù)少，支承裝置的個數(shù)也少，但單個支承裝置和筒體的重量都要增加。隨著制造、安裝技術(shù)的發(fā)展，回轉(zhuǎn)窯筒體有減少支點(diǎn)數(shù)，適當(dāng)增加跨距的趨勢。

由于φ500的雙筒回轉(zhuǎn)熱解窯屬于小窯，可選擇兩點(diǎn)支撐，設(shè)計尺寸為：窯頭段L1=900mm，中間段L2=2840mm，窯尾L3=500mm。

3.5 大齒圈的位置

筒體受熱伸長，為減少兩端累計伸長量，一般擋輪設(shè)在筒體的中間擋(擋數(shù)為奇數(shù)時)或中點(diǎn)后一擋(擋數(shù)為偶數(shù)時)。大齒圈置于窯中部靠近擋輪處，其距離近似等于筒體直徑，這樣放置可使傳動系統(tǒng)遠(yuǎn)離兩端，減少熱和粉塵的影響，筒體上的扭矩小，并容易保證齒輪嚙合平穩(wěn)和全寬接觸。有時因其他原因，也可靈活確定擋輪及大齒圈位置。根據(jù)生產(chǎn)實踐經(jīng)驗選擇把大齒圈放在進(jìn)料口處。

3.5 筒體內(nèi)保溫材料的設(shè)計

內(nèi)保溫材料的作用，包括以下幾方面：

(1)保護(hù)筒體。

熱解窯中溫度達(dá)到950℃以上，因此必須在筒體內(nèi)鑲砌耐火材料來保護(hù)筒體，使其不受損傷，保持正常生產(chǎn)，這是主要作用。

(2)減少筒體散熱損失。

由于筒體溫度比周圍空氣溫度高，因此它要向外界散熱，一般筒體表面散熱損失約占總熱耗15%～16%。

(3)起蓄熱作用。

常見的耐火材料有粘土磚、高鋁磚、鎂磚、碳化硅、散狀耐火材料等。

澆注料是散狀耐火材料的一種，即是在粒度已調(diào)整好的耐火集料中，加入適當(dāng)?shù)慕Y(jié)合劑事先混合，用水或特定的液體進(jìn)行混凝后，能澆注成型的耐火材料。其特點(diǎn)是使用簡單，熱穩(wěn)定性好[4]。

本設(shè)計采用澆注料作為內(nèi)保溫材料，厚度為180mm。

3.6 揚(yáng)料板的設(shè)計

回轉(zhuǎn)烘干機(jī)內(nèi)揚(yáng)料裝置有多種型式：

(1)槽型：適用于粘性小的物料。

(2)直板型：適用于粘性大的物料，揚(yáng)料版為角鋼、槽鋼，高度約為烘干機(jī)直徑的1/8～1/12。缺點(diǎn)是揚(yáng)塵較大。適用于干燥塊狀物料，如粘土等。

(3)扇形式：適用于密度大的大塊狀物料，如石灰石、頁巖等,筒體出口氣體速度為1.5～3m/s。烘干機(jī)的出口氣體溫度為8～150℃。

(4)雙筒式：適合物料不宜直接與高溫接觸的物料。

(5)蜂窩式：物料填充效率高。物料與氣體接觸面積也大。

(6)復(fù)合式揚(yáng)料板：60°、90°、120°彎曲的揚(yáng)料板沿著筒體交替排列，環(huán)與環(huán)之間的揚(yáng)料板形均勻的料瀑式錯開安裝，有利于形成。

本設(shè)計選用直板型(如圖4)，因為生活垃圾是屬于粘性比較大的物料。揚(yáng)料板的尺寸為長200mm、寬100mm、厚10mm，沿筒體圓周分布揚(yáng)料板排數(shù)z=10塊，沿筒體徑向分布每排z′＝15塊。

3.7 填充率設(shè)計

回轉(zhuǎn)爐內(nèi)物料應(yīng)有較大填充率，且不產(chǎn)生相互干擾，按球磨機(jī)研磨體填充理論，y=0.42，y為填充系數(shù)，本設(shè)計取y=0.4。

4 結(jié)語

圖4 直板型揚(yáng)料板

要使雙筒回轉(zhuǎn)熱解窯能夠高效的運(yùn)轉(zhuǎn)并協(xié)同水泥生產(chǎn)線處理城市生活垃圾，設(shè)計是其第一保證，其次是制造加工。筒體的設(shè)計是回轉(zhuǎn)熱解窯設(shè)備長期安全運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵之一，只有全方面考慮才能使回轉(zhuǎn)熱解窯連續(xù)而高效的運(yùn)轉(zhuǎn)。

[1]顏碧蘭,汪瀾,魏麗穎.我國水泥窯協(xié)同處理廢物技術(shù)規(guī)范研究進(jìn)展[J].總工論壇,2012(1):182-184.

[2]倪文龍,黃道春,查文煒.雙筒回轉(zhuǎn)窯熱解垃圾工藝:中國,201220265252.3[P].2012-05-29.

[3]周沛.水泥煅燒工藝與設(shè)備(下冊)[M].武漢:武漢工業(yè)大學(xué)出版社,1995.

[4]許林發(fā).建筑材料機(jī)械設(shè)計[M].武漢:武漢工業(yè)大學(xué)出版社,1996.