新型垃圾焚燒用投料斗的開發及應用

張建東 喬月平

（青島荏原環境設備有限公司，山東 青島 266031）

0 引言

焚燒處理作為城鎮生活垃圾資源化、無害化和減量化的主要措施，已經在我國進行了廣泛的推廣和應用。隨著垃圾焚燒發電技術的日臻成熟，對垃圾焚燒的工藝要求也進一步提高。為了有效地降低二噁英等有害物質的排放量，按照《生活垃圾焚燒廠運行監管標準》（CJJ/T 212—2015）的要求，起爐后爐內溫度達到850 ℃以上，才能投入垃圾。由于原來帶有扇形閘門的垃圾投料斗僅適用于垃圾密封的起爐方式，因此需要開發新型垃圾投料斗，以滿足環保監管部門的要求。

1 新型投料斗研發的背景和目的

在生活垃圾焚燒處理技術中，爐排爐焚燒技術已成為主流。據統計，截至2020 年1 月，全國已投運垃圾焚燒廠492 座。其中采用機械爐排爐的設備臺數占比超過86%。在機械爐排爐焚燒系統中，給料系統是重要的子系統之一，給料系統的可靠性和穩定性，影響整個項目的連續穩定運行[1，4]。

1.1 原有垃圾投料斗在使用中存在的問題

垃圾抓斗、垃圾投料斗和推料器是整個給料系統的核心設備，該文重點介紹了垃圾投料斗。原有的垃圾投料斗采用的是扇形閘門，如圖1 所示。這種結構最大的問題是無法滿足爐內溫度達到850 ℃才能投料的監管要求。通常的起爐方式都是采用垃圾密封，即爐內開始升溫前，需要將垃圾事先投入料斗內，積存在推料器上方進行密封。如果使用閘門密封，當爐內溫度達到850 ℃后，閘門開啟時閘門會進入閘門殼內，如果在閘門上方撒上垃圾，則垃圾會隨著閘門進入殼體的縫隙，極易將閘門卡死，導致閘門無法開啟，進而無法投料。如果閘門上方不撒垃圾的話，當爐內溫度達到850 ℃開啟閘門時，由于爐內維持負壓，會使大量的冷空氣從垃圾池內進入爐膛，因此爐內溫度會瞬間下降100 ℃～200 ℃，這樣在投垃圾前，就無法保證爐內溫度達到850 ℃[2-3]。

圖1 原有垃圾投料斗示意圖

此外，原有的垃圾投料斗的水冷夾套高度只有1.8 m，采用閘門密封的方式起爐時，上部溜槽的殼體溫度經常超溫，容易影響殼體的使用壽命。

1.2 開發的新型垃圾投料的功能

為了解決原有垃圾投料斗在使用中存在的無法實現850 ℃投料，以及溜槽殼體超溫的問題，研究人員計劃開發一種可以在閘門開啟的瞬間實現垃圾密封的油缸直推式閘門，同時將水冷夾套的高度提高到2.3 m，如圖2 所示。

圖2 新型垃圾投料斗示意圖

這種帶有油缸直推式閘門的新型投料斗，可以在爐內溫度達到850 ℃并且沒有開啟閘門時，先在閘門上撒上適量的垃圾，閘門開啟的瞬間，垃圾落入推料器上，這樣既可以實現垃圾密封，又不會使爐內溫度降低[5]。

2 新型垃圾投料斗的開發過程

2.1 閘門支座的強度校核

新型垃圾投料斗開發的過程中，由于要考慮垃圾的載荷加在閘門上的情況，因此對于油缸支座的強度要求較高。在開發過程中，將實現密封（料位在喉口部）時的垃圾重量作為依據，對閘門油缸支座的強度進行了模擬計算，強度安全系數大于2，結果合格。如圖3 所示。

圖3 閘門支座強度校核示意圖

2.2 油缸保護罩內的熱分析

由于閘門關閉時油缸桿要進入料斗內直至爐溫升至850 ℃，這會使油缸桿溫度超過使用要求，因此需要追加玻璃纖維罩，并對該區域的溫度進行模擬計算，如圖4 所示。這是新型垃圾投料斗的另一個重要問題。加入玻璃纖維罩后油缸桿溫度就可以小于150 ℃。

圖4 油缸保護套內的溫度計算示意圖

3 新型垃圾投料斗的現場實驗和結論

3.1 現場安裝與冷卻用風機的追加

在研發階段前期進行的溫度場模擬計算中，發現油缸桿所在區域的溫度較高，超出了油缸使用的環境溫度。因此，在設備熱態調試前，發往該現場4 臺（每個油缸1臺）小型高壓風機，來對油缸進行冷卻。并且在現場準備了型鋼及螺栓螺母等材料，用來固定風機。同時為了更好地冷卻油缸桿，現場專門制造了專用噴嘴并固定在風機出口處。

3.2 實驗器材的準備與測點的布置

隨風機一起發往現場的還有 4 套接線用動力電纜及控制裝置、1 臺無紙記錄儀（連接熱電偶溫度計，可以多通道實時記錄各測點溫度）、1 把紅外測溫槍和 1 臺熱成像儀（可以將高溫區域各點溫度分布成像）。

連接至無紙記錄儀的熱電偶溫度計（φ2，L=200 mm）共計10 只，分別測量在起爐時，焚燒爐出口溫度（T0）上升至850 ℃的過程中，編號（T1～T10）的溫度。

3.3 數據記錄及分析

在進行現場實驗時，為了準確測量焚燒爐從0～850 ℃的升溫過程中，各測點的溫度數據，分別采用了紅外測溫槍（每間隔50 ℃測量一次各點溫度）和熱電偶連接的無紙記錄儀2 種方式記錄數據，此外還利用熱成像儀進行區域溫度分布成像。紅外測溫槍測量的數據，見表1。

表1 某項目現場 1 號爐垃圾料斗閘門油缸冷卻實驗溫度記錄表/℃

如上文所述，除了采用紅外測溫槍外，還利用無紙記錄儀實時記錄了上述10 個測點的溫度，下面分別就開啟冷卻風機與未開啟冷卻風機時，料斗閘門和油缸連接桿的溫度分別繪制了對比曲線。如圖5 和圖6 所示。

圖5 某項目現場1 號爐開啟冷卻風機與不開冷卻風機料斗閘門溫度對比曲線

圖6 某項目現場1 號爐開啟冷卻風機與不開冷卻風機時油缸連接塊溫度對比曲線

3.4 實驗結論

通過對實驗數據的分析可知，焚燒爐出口溫度升至750 ℃的過程中，開啟冷卻風機可以使油缸連接塊溫度最大降低60 ℃左右，開啟冷卻風機可以使料斗閘門爐外側溫度最大降低40 ℃左右。由此可見冷卻風機在降低油缸桿溫度方面確實起到了一定的作用。同時，由于燃燒器出力的原因，焚燒爐出口溫度僅上升到750 ℃左右。在沒有開啟風機的情況下，油缸桿連接塊的溫度雖然達到150 ℃，卻沒有出現漏油等異常現象。通過上述實驗證明原設計基本實現了預期的功能。該實驗雖然未能驗證焚燒爐出口850℃時，料斗閘門開啟時油缸的狀態。但是，從起爐時料斗閘門溫度變化的曲線可以得出，在低于600 ℃（即開啟點火燃燒器）時，料斗閘門溫度上升較快，在達到600 ℃開啟輔助燃燒器后，料斗閘門油缸的溫度上升較慢。因此，推斷在焚燒爐出口達到850 ℃時，該直推式閘門油缸出現問題的可能性較小。圖7、圖8 為在某垃圾焚燒發電項目現場起爐階段進行驗證時，使用熱成像儀拍攝的區域溫度場照片。圖7 所示為未采用冷卻措施式時，最高溫度200℃出現在油缸桿兒所在的保護套內，但油缸并未出現漏油等損壞現象，設備正常完成了預期功能。圖8 為殼體最高溫度達到107 ℃，未出現熱變形等異常現象。

圖7 用熱成像儀測量油缸桿保護套內部溫度

圖8 用熱成像儀測量料斗殼體溫度

4 新型垃圾投料斗操作要領及在項目上的應用

該實驗總結出新型垃圾投料斗的操作要領如下。起爐時料斗閘門關閉，焚燒爐出口溫度每升高100 ℃用紅外測溫槍測量1 次料斗閘門油缸桿（或連接塊）的溫度，爐出口溫度達到850 ℃時，事先在密封閘門上撒上2 爪（可根據爐寬與抓斗容積適當調整）垃圾，閘門完全開啟的瞬間投入第3 爪垃圾，垃圾料位達到喉口部可實現密封。應用這種操作方式可以使新型垃圾料斗順利完成投料工作，并且設備不會出現問題[6-7]。

根據上述實驗結果總結的起爐操作要領，目前已應用在另外2 個項目現場中，雖然開啟冷卻風機后油缸桿的溫度有明顯下降，但是不開啟冷卻風機油缸也沒有出現問題。為降低成本，在另外2 個現場中沒有使用冷卻風機，油缸沒有出現漏油，再次證明了新開發的垃圾料斗可以實現其預期的功能。

5 結語

新型垃圾投料斗的研發和在實際工程中的應用，成功地解決了垃圾投料斗在爐膛溫度850 ℃以上投料的難題，滿足了環保監管部門的最新要求。新型垃圾料斗的成功開發，加深了相關工作人員垃圾焚燒設備性能的認識，增強了研究人員解決工程難題，攻克技術壁壘的信心。隨著國內垃圾分類政策的實施，該項技術為深入研究機械爐排式垃圾焚燒技術，對焚燒設備進行改造升級，提升運營單位的產能，增加經濟效益和社會效益奠定了堅實的基礎。