大噸位垃圾焚燒爐風(fēng)冷爐排片及爐排模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

嚴(yán)江萍

摘要：機(jī)械爐排爐是世界上比較常用的爐排式生活垃圾焚燒爐爐型，爐排片及其冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是焚燒爐的關(guān)鍵技術(shù)。近年來，隨著垃圾處理需求的增加，單臺(tái)焚燒爐的處理能力在不斷增加，因此其爐排寬度也不斷增加，如何在滿足穩(wěn)定高效燃燒的前提下控制爐排運(yùn)動(dòng)成為了實(shí)際運(yùn)行中所面臨的難點(diǎn)之一。因此，本文就大噸位垃圾焚燒爐風(fēng)冷爐排片及爐排模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：垃圾焚燒爐；風(fēng)冷爐排片；模塊化爐排

近年來，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和城鎮(zhèn)居民生活水平的日益提高，我國(guó)生活垃圾產(chǎn)生量的迅速膨脹和有限的土地資源之間的矛盾凸顯。對(duì)于垃圾的處理來說，填埋是固廢的最終處置方式，其處理的成本相對(duì)較低。機(jī)械爐排爐是世界上比較常用的爐排式生活垃圾焚燒爐爐型，爐排片及其冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是焚燒爐的關(guān)鍵技術(shù)?；诖耍疚难芯苛瞬捎蔑L(fēng)冷爐排和模塊化爐排控制技術(shù)的可行性。

1 高效風(fēng)冷爐排片研究

1.1 物理模型及邊界條件

針對(duì)風(fēng)冷爐排片的使用效果，本研究主要采用了計(jì)算流體力學(xué)方法進(jìn)行探討。風(fēng)冷爐排需要合理的散熱面積，所以其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)至關(guān)重要結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)不合理會(huì)造成爐排片的燒損。

模擬假設(shè)和邊界條件如下：不考慮飛灰的影響；假設(shè)風(fēng)冷入口處速度均勻分布；氣固兩相均不可壓縮；固液兩相分別遵循各自的控制方程；進(jìn)出口都采用流量邊界條件，爐排片外界溫度（即焚燒爐內(nèi)部溫度）設(shè)置為1000℃，風(fēng)冷溫度為200℃。

1.2 模擬結(jié)果

通過模擬分析得到以下結(jié)果，爐排片拉鉤端溫度較高，順向刮片的方向依次降低，這是由于冷卻風(fēng)出口位于刮片的部位所致。爐排片上部主要溫度位于279℃-412℃（552k-685k）之間，下部主要溫度位于200℃-279℃（473k-552k）之間，即冷卻風(fēng)對(duì)爐排片上部主要部分降溫幅度可達(dá)588℃以上，對(duì)爐排片下部主要部分降溫幅度可達(dá)721℃以上，降溫效果非常明顯。

2 模塊化爐排應(yīng)用研究

常見的爐排運(yùn)行機(jī)構(gòu)，主要是由主軸、軸承、彈性連接、固定點(diǎn)和液壓缸等結(jié)構(gòu)組成。主軸的運(yùn)行狀態(tài)將直接決定移動(dòng)爐排的運(yùn)行效果，所以下面將基于主軸的工作能力來展開模塊化爐排的設(shè)計(jì)研究。

2.1 主軸推力分析

主軸在驅(qū)動(dòng)爐排架時(shí)，主要受到液壓系統(tǒng)輸出的推力和爐排架運(yùn)行阻力兩個(gè)力的作用，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)焚燒爐單機(jī)處理能力達(dá)到約500噸/天以上時(shí)，常見的整軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)已經(jīng)無法滿足要求，增加液壓缸參數(shù)經(jīng)濟(jì)性較差。但如果焚燒爐單機(jī)處理能力達(dá)到800噸/天，主軸驅(qū)動(dòng)軸如果同樣采用雙軸驅(qū)動(dòng)，單根軸的熱膨脹量按照同樣的計(jì)算方法，膨脹值會(huì)突增到16.85mm，超出相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。由于主軸膨脹量過大，主軸曲柄位置將發(fā)生偏移，經(jīng)過連桿機(jī)構(gòu)對(duì)活動(dòng)架將不作用在同一直線上，會(huì)對(duì)活動(dòng)架的驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定性起到破壞作用，所以在單機(jī)處理能力達(dá)到800噸/天的焚燒爐選擇的主軸驅(qū)動(dòng)方式應(yīng)采用多段模塊化驅(qū)動(dòng)，即用多軸的方法，控制主軸的長(zhǎng)度，將熱膨脹的影響控制在最小范圍內(nèi)。

2.2 主軸有限元受力分析

基于上文的分析，下面將通過Solidworks Simulation有限元分析軟件對(duì)爐排所屬主傳動(dòng)軸進(jìn)行軸用應(yīng)力分析，旨在校核主傳動(dòng)軸在不同的工況下的強(qiáng)度是否滿足使用要求。由于主傳動(dòng)軸的長(zhǎng)度、截面、施力點(diǎn)在不同噸位的情況下各有不同，特?fù)烊螜C(jī)處理量300噸/天、600噸/天、800噸/天三個(gè)比較典型的焚燒爐的使用工況進(jìn)行有限元分析。

300噸/天的焚燒爐為單軸整體驅(qū)動(dòng)，主傳動(dòng)軸主體結(jié)構(gòu)為外徑245、內(nèi)徑205的無縫鋼管，兩端承受16000N.m的扭矩，中間耳板各承受3500N.m的反向扭矩。變形比例5.4×10-6，主傳動(dòng)軸的強(qiáng)度能夠滿足使用要求。

600噸/天的焚燒爐為分區(qū)驅(qū)動(dòng)，所以本次分析時(shí)僅針對(duì)單側(cè)的主軸進(jìn)行分析。主傳動(dòng)軸主體結(jié)構(gòu)為外徑245、內(nèi)徑205的無縫鋼管，一端承受16000N.m的扭矩，另一端無主動(dòng)力矩，中間耳板各承受5000N.m的反向扭矩。變形比例1.4×10-6，主傳動(dòng)軸的強(qiáng)度能夠滿足使用要求。

800噸/天的主傳動(dòng)軸采用多段軸模塊化分區(qū)驅(qū)動(dòng)控制，所以本次分析只撿取其中一段進(jìn)行分析。主傳動(dòng)軸主體結(jié)構(gòu)為外徑194、內(nèi)徑150的無縫鋼管，兩端耳板承受16000N.m的扭矩，中間耳板各承受14000N.m的反向扭矩。變形比例8.2×10-9，主傳動(dòng)軸的強(qiáng)度能夠滿足使用要求。

通過對(duì)3個(gè)典型結(jié)構(gòu)的的主傳動(dòng)軸進(jìn)行分析后可知：兩端軸承支撐位受力明顯，軸承的靜載荷802KN可以滿足使用要求，但存在疲勞極限的磨損可能，需要定期保養(yǎng)，維修更換；多段軸模塊化結(jié)構(gòu)的變形比例明顯低于前兩種，安全系數(shù)更高，適合大噸位垃圾焚燒爐使用。

2.3 模塊化應(yīng)用結(jié)果分析

第一種情況：兩臺(tái)容量相同的焚燒爐，均采用整體爐排控制。爐中左側(cè)和右側(cè)煙氣溫度波動(dòng)平穩(wěn)，排煙溫度850～1150℃。這說明小容量鍋爐可采用整體控制爐排。

第二種情況：一臺(tái)采用整體控制，另一臺(tái)采用分區(qū)控制。采用整體控制的焚燒爐燃燒溫度波動(dòng)較大，而采用分區(qū)驅(qū)動(dòng)控制的則稍平緩。

第三種情況：一臺(tái)采用整體控制，另一臺(tái)采用模塊化分區(qū)控制，采用整體控制的焚燒爐燃燒溫度波動(dòng)偏大，而采用分區(qū)驅(qū)動(dòng)控制的則稍平緩。這說明，對(duì)于大噸位垃圾焚燒爐宜采用模塊化分區(qū)爐排控制。

3 結(jié)語

本文通過應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)、有限元等手段研究了采用風(fēng)冷爐排和模塊化爐排控制技術(shù)的必要性和可行性。采用風(fēng)冷爐排，冷卻效果明顯；針對(duì)模塊化爐排設(shè)計(jì)，研究表明當(dāng)爐寬尺寸達(dá)到一定限度的時(shí)候，為了保證焚燒爐的燃燒穩(wěn)定，驅(qū)動(dòng)方式應(yīng)采用分段分區(qū)控制，而大噸位的爐排更應(yīng)該采用模塊化分段分區(qū)驅(qū)動(dòng)控制，保證其燃燒的穩(wěn)定性。

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（作者單位：江蘇天楹環(huán)保能源成套設(shè)備有限公司）