大噸位垃圾焚燒爐風冷爐排片及爐排模塊化結構設計研究

嚴江萍

摘要：機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，爐排片及其冷卻結構設計是焚燒爐的關鍵技術。近年來，隨著垃圾處理需求的增加，單臺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，如何在滿足穩定高效燃燒的前提下控制爐排運動成為了實際運行中所面臨的難點之一。因此，本文就大噸位垃圾焚燒爐風冷爐排片及爐排模塊化結構設計進行了研究。

關鍵詞：垃圾焚燒爐；風冷爐排片；模塊化爐排

近年來，隨著國民經濟的高速發展和城鎮居民生活水平的日益提高，我國生活垃圾產生量的迅速膨脹和有限的土地資源之間的矛盾凸顯。對于垃圾的處理來說，填埋是固廢的最終處置方式，其處理的成本相對較低。機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，爐排片及其冷卻結構設計是焚燒爐的關鍵技術。基于此，本文研究了采用風冷爐排和模塊化爐排控制技術的可行性。

1 高效風冷爐排片研究

1.1 物理模型及邊界條件

針對風冷爐排片的使用效果，本研究主要采用了計算流體力學方法進行探討。風冷爐排需要合理的散熱面積，所以其結構設計至關重要結構，結構不合理會造成爐排片的燒損。

模擬假設和邊界條件如下：不考慮飛灰的影響；假設風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；進出口都采用流量邊界條件，爐排片外界溫度（即焚燒爐內部溫度）設置為1000℃，風冷溫度為200℃。

1.2 模擬結果

通過模擬分析得到以下結果，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，即冷卻風對爐排片上部主要部分降溫幅度可達588℃以上，對爐排片下部主要部分降溫幅度可達721℃以上，降溫效果非常明顯。

2 模塊化爐排應用研究

常見的爐排運行機構，主要是由主軸、軸承、彈性連接、固定點和液壓缸等結構組成。主軸的運行狀態將直接決定移動爐排的運行效果，所以下面將基于主軸的工作能力來展開模塊化爐排的設計研究。

2.1 主軸推力分析

主軸在驅動爐排架時，主要受到液壓系統輸出的推力和爐排架運行阻力兩個力的作用，研究發現，當焚燒爐單機處理能力達到約500噸/天以上時，常見的整軸驅動機構已經無法滿足要求，增加液壓缸參數經濟性較差。但如果焚燒爐單機處理能力達到800噸/天，主軸驅動軸如果同樣采用雙軸驅動，單根軸的熱膨脹量按照同樣的計算方法，膨脹值會突增到16.85mm，超出相關標準要求。由于主軸膨脹量過大，主軸曲柄位置將發生偏移，經過連桿機構對活動架將不作用在同一直線上，會對活動架的驅動穩定性起到破壞作用，所以在單機處理能力達到800噸/天的焚燒爐選擇的主軸驅動方式應采用多段模塊化驅動，即用多軸的方法，控制主軸的長度，將熱膨脹的影響控制在最小范圍內。

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有限元分析軟件對爐排所屬主傳動軸進行軸用應力分析，旨在校核主傳動軸在不同的工況下的強度是否滿足使用要求。由于主傳動軸的長度、截面、施力點在不同噸位的情況下各有不同，特撿取單機處理量300噸/天、600噸/天、800噸/天三個比較典型的焚燒爐的使用工況進行有限元分析。

300噸/天的焚燒爐為單軸整體驅動，主傳動軸主體結構為外徑245、內徑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，主傳動軸的強度能夠滿足使用要求。

600噸/天的焚燒爐為分區驅動，所以本次分析時僅針對單側的主軸進行分析。主傳動軸主體結構為外徑245、內徑205的無縫鋼管，一端承受16000N.m的扭矩，另一端無主動力矩，中間耳板各承受5000N.m的反向扭矩。變形比例1.4×10-6，主傳動軸的強度能夠滿足使用要求。

800噸/天的主傳動軸采用多段軸模塊化分區驅動控制，所以本次分析只撿取其中一段進行分析。主傳動軸主體結構為外徑194、內徑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，主傳動軸的強度能夠滿足使用要求。

通過對3個典型結構的的主傳動軸進行分析后可知：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，維修更換；多段軸模塊化結構的變形比例明顯低于前兩種，安全系數更高，適合大噸位垃圾焚燒爐使用。

2.3 模塊化應用結果分析

第一種情況：兩臺容量相同的焚燒爐，均采用整體爐排控制。爐中左側和右側煙氣溫度波動平穩，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：一臺采用整體控制，另一臺采用分區控制。采用整體控制的焚燒爐燃燒溫度波動較大，而采用分區驅動控制的則稍平緩。

第三種情況：一臺采用整體控制，另一臺采用模塊化分區控制，采用整體控制的焚燒爐燃燒溫度波動偏大，而采用分區驅動控制的則稍平緩。這說明，對于大噸位垃圾焚燒爐宜采用模塊化分區爐排控制。

3 結語

本文通過應用計算流體力學、有限元等手段研究了采用風冷爐排和模塊化爐排控制技術的必要性和可行性。采用風冷爐排，冷卻效果明顯；針對模塊化爐排設計，研究表明當爐寬尺寸達到一定限度的時候，為了保證焚燒爐的燃燒穩定，驅動方式應采用分段分區控制，而大噸位的爐排更應該采用模塊化分段分區驅動控制，保證其燃燒的穩定性。

參考文獻

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（作者單位：江蘇天楹環保能源成套設備有限公司）