基于固體廢棄物處理的單筒回轉熱解窯筒體部分設計

陳輝，曹衛，查文煒

（鹽城工學院 機械工程學院，江蘇 鹽城 224051）

0 引 言

近年來，國民經濟有了長足發展，人民的生活水平和消費水平不斷提高，但隨之而來的是數據不斷攀升的固體廢棄物。一種相對于傳統的固體廢棄物處理方式的垃圾熱解法具有環境友好性、高回收率、高效益性等優點，目前已成為處理固體廢棄物的一個主要手段，其處理設備為熱解窯［1］。本文主要設計基于熱解法的單筒回轉熱解窯的筒體部分，筒體是單筒回轉熱解窯的最關鍵部件，垃圾的全部熱解過程在其中進行，因此要求能承受熱負荷；就外觀上而言，單筒回轉熱解窯中體形最大、質量最重的零件也是筒體，故筒體應有足夠的強度和剛度；就結構而言，筒體是熱解設備的主體，其它各零部件的尺寸大小需要根據筒體規格來確定。

1 回轉窯的熱解原理及筒體結構

1）熱解原理。經過前期處理的固體廢棄物由螺旋輸送機送入回轉熱解窯的熱解通道，電熱元件產生熱量，通過熱傳導和輻射使垃圾很快升至950 ℃以上，在缺氧條件下，垃圾被熱解為復合燃氣及碳狀物。熱解后的碳狀產物在筒體內的導料裝置引導下移動到筒體尾端排出，燃氣被收集［2］。

2）筒體結構。筒體是回轉熱解窯的關鍵部分，外形是由不同厚度鋼板事先卷成多節的圓筒制成，對齊后再焊接起來。本文研究設計的是實驗裝置，因此筒體的直徑比較小，為節約制造成本，提高筒體質量，直接使用材質為ZG4Cr25Ni20 整體鑄造件。物料在筒體中進行化學反應和熱交換，同時利用筒體內部的刮料裝置進行物料的混合和輸送。因為筒體工作溫度達到950 ℃，因此在筒體外圍鋪設保溫磚和石棉保溫層以減少熱量的耗散。筒體結構簡圖如圖1 所示。

圖1 筒體結構簡圖

2 回轉熱解窯筒體設計［3-4］

2.1 填充率設計

回轉熱解窯內物料應有較大填充率，且不產生相互干擾，按球磨機研磨體填充理論，y=0.42，y 為填充系數，本設計取y=0.4。

2.2 料渣比的計算

工藝要求：熱解溫度保持在850 ℃以上，取950 ℃。垃圾入窯溫度為20 ℃，灰渣經加熱后溫度為1 050 ℃。

水的比熱容為c水＝4.2kJ/（kg·℃），垃圾的比熱容為c0=1.58 kJ/（kg·℃），灰渣的比熱容為c1=1.84 kJ/（kg·℃），經過前期處理的城市生活垃圾中含水量5%。

假設料渣剛剛混合時還沒有進行熱解，只進行熱的傳遞，則由混合前后的熱量相等得：

其中：m0為喂入物料的質量，kg；m1為灰渣的質量，kg。

代入數據計算得m0∶m1=1∶4.6，因為熱解溫度是850 ℃以上，可以適當提高灰渣的比例，所以，取m0∶m1=1∶5。

2.3 喂料量的計算

回轉熱解窯內的物料數量按筒體填充率不大于40%來計算。

內筒里物料的體積V物=V1×40%=0.085×40%=0.033m3。

垃圾在壓縮后密度為0.85×103kg/m3；渣的密度為0.7×103kg/m3。料渣比為1∶5，所以平均密度為ρ平均=（ρ垃圾×1+ρ灰渣×5）÷（1+5）=（0.85×1+0.7×5）÷6=0.725×103kg/m3。

筒體內的物料質量m物料=V物×ρ平均=0.033×0.73×103=24.09 kg。

有效長度2.6 m，以停留5min 算，則2.6÷5=0.52 m/min。

各個機構體制不同，管理權限不一，各自法律條款也不一致，經常出現同一問題不同的處罰基準，一項問題常需要多方去協調解決。“全國海事一家人，水上監管一盤棋，行政執法一面旗”的理念在庫區管理上得以傳承，“合海工作室”的成立也一定程度上加強了三省海事部門之間的合作，但依然沒能從根本上解決管理體制帶來的不利影響。

筒體轉速1～5 r/min，實際轉速取3 r/min，則0.52÷3=0.173 m/r。圓整設計得桶內螺距0.2 m。

筒內的流量Q物料=m物料÷（5÷60）=289.08 kg/h，圓整取為300 kg/h。

因為料渣比為1∶5，所以喂料量Q=Q物料÷6=50 kg/h。

2.4 筒體載荷計算

根據材料力學，作用于筒體上的載荷分兩大類：一類是沿筒體軸線方向的載荷叫作分布載荷q，kN/m；另一類是分布長度較短，可看成作用于某一截面的載荷叫作集中載荷，kN。

1）筒體自重qs。

內徑D′壁厚δ（單位均為m）的鋼圓筒每米自重為qs=7.85π（D′+2δ）δ×9.8，kN/m。

筒體單位長度自重qs=7.85π×（0.224+0.010×2）×0.010×9.8=0.589 kN/m。

筒體端部法蘭、大鏈輪連接部、支撐輪連接部、敲打裝置連接部處和內部螺旋輸送刮板的重量，可單獨按集中載荷計算。但在估計時，為方便計算，也可采取將qs加大25%～35%。

則qs′=1.25qs=1.25×0.589=0.736 kN/m。

2）物料重量qm

上面已計算得內筒中物料的總質量為m1=24.09 kg，重量為G1′=m1g=24.09×9.8=236.08 N。

雖然垃圾經過熱解變成灰渣后質量會因生成了燃氣而減少，但是因為料渣比為1∶5，內筒物料中灰渣的含量占絕大部分，所以可以假設筒體內灰渣質量m=24.09 kg。

根據qm=mg/L總，帶入數據得qm=24.09×9.8÷3.6=65.58 N/m。

3）鏈輪和支撐輪重量。

鏈輪和支撐輪重量作為集中載荷。鏈輪由分度圓直徑、鏈寬和鏈距3 個參數確定，其誤差對筒體計算結果影響不大，可以得到大鏈輪重量GL=3.7×9.8=36.26 N。

對支撐輪，使用CATIA 軟件進行建模，并利用其中的分析功能得出其體積V=0.003 m3，利用Gg=ρ×V×9.8=7 820×0.003×9.8=229.91 N。

2.5 筒體支點確定

支點數確定是一個比較復雜的問題。在使用上，由材料力學超靜定相關知識可知，支點數目大于2 個時，將是超靜定結構，為保證每個支點都能連接上，對于筒體的直線性要求很高。反之，為保證筒體直線性，希望支點少一些；在材料消耗上，減少支點數目，雖然支承裝置的個數會減少，但同時，單個支承裝置和筒體的耗材卻都要增加；在制造上，如果支點數少，零件數量也就隨之減少，但這又會使單個支承裝置因為受力過大，而為了保證剛度要求，卻又導致結構龐大，這會給制造和運輸帶來極大的困難。由于制造以及安裝技術的進步，回轉窯筒體發展的趨勢是減少支點數，適當增加跨距。

一般常用回轉窯跨距的統計數據如表1 所示。

表1 回轉窯各檔跨距的長徑比Li/D

由于本設計為φ224 的單筒回轉熱解窯屬于小窯，可選擇兩點支撐，運用類比法和統計數據，得設計尺寸為：窯頭段L1=393 mm；中間段L2=3012 mm；窯尾L3=222 mm。

2.6 大鏈輪的位置

筒體受熱伸長，為減少筒體受熱伸長對大鏈輪鏈條嚙合的影響，大鏈輪要置于前托輥的左邊，其距筒體左邊的距離近似等于筒體直徑的2 倍，這樣放置可以在降低傳動系統受熱源影響的前提下，盡可能降低了筒體上的扭矩，并保證支撐輪和托輥嚙合平穩和全寬接觸。有時因其它原因，也可靈活確定大鏈輪和支撐輪的位置。

大鏈輪的位置距離筒體的最左端393 mm 處，具體尺寸可根據實際情況略作調整。

3 結 論

要使單筒回轉熱解窯能夠高效地運轉并協同水泥生產線處理固體廢棄物，設計是其第一保證，其次是制造加工，回轉部分的設計是回轉熱解窯設備長期安全運轉的關鍵之一，只有全方面考慮才能使回轉熱解窯連續而高效地運轉。

［1］ 顏碧蘭，汪瀾，魏麗穎.我國水泥窯協同處理廢物技術規范研究進展［J］.總工論壇，2012（1）：182-184.

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

［3］ 周沛.水泥煅燒工藝與設備：下冊［M］.武漢：武漢工業大學出版社，1995.

［4］ 許林發.建筑材料機械設計［M］.武漢：武漢工業大學出版社,1996.

（編輯立 明）