摘要:隨著國(guó)內(nèi)城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展,能夠節(jié)約土地資源、將垃圾處理無(wú)害化、減量化和資源化的垃圾處理方式 -垃圾焚燒處理應(yīng)用越來(lái)越廣。爐排型焚燒爐形式多樣,其應(yīng)用占全世界垃圾焚燒市場(chǎng)總量的 80% 以上。爐排型焚燒爐具有垃圾預(yù)處理要求不高、垃圾熱值適應(yīng)范圍廣、連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、運(yùn)行及維護(hù)簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。爐排片是爐排型焚燒爐核心部件,屬于易損耗部件,爐排片穩(wěn)定性對(duì)焚燒爐的連續(xù)穩(wěn)定性運(yùn)行起著決定性作用。通過(guò)合理的爐排片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料應(yīng)用,設(shè)計(jì)適合國(guó)內(nèi)垃圾熱性的爐排片產(chǎn)品,減少爐排片卡滯、異常磨損、燒損等問(wèn)題,提高爐排型焚燒爐運(yùn)行穩(wěn)定性、可靠性。
關(guān)鍵詞:垃圾焚燒爐;用爐排片;改進(jìn)設(shè)計(jì);應(yīng)用
1導(dǎo)言
垃圾焚燒中機(jī)械爐排爐應(yīng)用規(guī)模占全世界垃圾焚燒市場(chǎng)總量的 80% 以上。上海環(huán)境集團(tuán)自 2011 年技術(shù)引進(jìn)日本荏原HPCC 爐排技術(shù),應(yīng)用該技術(shù)的垃圾處理規(guī)模已經(jīng)達(dá)到了 1.25萬(wàn) t/d。隨著國(guó)內(nèi)城市生活垃圾熱值的逐步提高,垃圾焚燒爐的運(yùn)行溫度也逐步增加,爐排片作為爐排爐的核心部件,其熱負(fù)荷增加必然對(duì)焚燒爐連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)影響。通過(guò)對(duì)集團(tuán)內(nèi)垃圾焚燒廠爐排片使用情況的持續(xù)跟蹤,對(duì)爐排片磨損情況進(jìn)行測(cè)試、記錄、分析和研究,優(yōu)化設(shè)計(jì)爐排片,提高其使用壽命。
2爐排片工作特征
機(jī)械爐排爐是以機(jī)械式的爐排片構(gòu)成爐床,可動(dòng)爐排片與固定爐排片之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng),使垃圾不斷翻動(dòng)、攪拌并推向前進(jìn)。往復(fù)焚燒爐用爐排片設(shè)計(jì)需要爐排片有規(guī)則的往復(fù)運(yùn)動(dòng),從而保證垃圾進(jìn)入爐內(nèi)與熱空氣接觸、升溫、干燥、著火、燃燼。
爐排往復(fù)運(yùn)動(dòng)不僅使垃圾均勻移動(dòng),也是對(duì)垃圾的一種攪動(dòng),使垃圾與已燃垃圾混合,致使往復(fù)爐排片垃圾具有下部著火的因素,爐排運(yùn)動(dòng)能有效地?cái)噭?dòng)垃圾。爐排與垃圾的相對(duì)運(yùn)動(dòng),可以使燃燒的垃圾松動(dòng),增加垃圾的透氣性,改善燃燒條件。為了保證焚燒爐的連續(xù)穩(wěn)定燃燒,爐溫維持在950 ~ 1050℃,對(duì)爐排提出高溫抗氧化性要求;垃圾由于分類不完善,進(jìn)爐垃圾比重較大,爐排片機(jī)械負(fù)荷較大,對(duì)爐排片提出機(jī)械磨損需求;垃圾由于成分復(fù)雜,通常含有 CI、S 等元素,燃燒后形成酸性氣體,對(duì)爐排片金屬材質(zhì)形成腐蝕性影響。因此,爐排片工作環(huán)境具有如下特性:干燥段垃圾載荷較大,主要承受機(jī)械磨損,燃燒段屬于環(huán)境溫度高,主要承受高溫磨損,燃燼段不可燃物較多,固體顆粒物容易夾雜到爐排片之間縫隙中,主要承受偏磨等非正常磨損;另外,垃圾焚燒后形成氣氛包含高溫腐蝕性氣體,對(duì)爐排片形成腐蝕作用;爐排片磨損后,縫隙變大、漏渣增加,對(duì)垃圾熱灼減率帶來(lái)負(fù)面影響;爐排片翹起及燒損,如果頻率太高,需要停爐檢修處理,勢(shì)必影響焚燒廠運(yùn)營(yíng)。
3爐排片設(shè)計(jì)要求
(1)爐排通風(fēng)率。爐排通風(fēng)率等于爐排面上通風(fēng)孔總面積與整個(gè)爐排面積之比。爐排片是高溫工作部件,工作條件相當(dāng)惡劣。尤其是往復(fù)爐排片長(zhǎng)期工作在高溫下,雖然爐排片與燃燒層間隔著一層“灰渣墊”,可遮蔽部分熱量,但爐排片表面溫度仍可達(dá) 600 ~ 700℃以上,為保證爐排片安全可靠的工作,必須采取有效的空氣冷卻;往復(fù)焚燒爐用爐排片保證垃圾是在爐排片上均勻移動(dòng)燃燒,空氣從爐排片下的風(fēng)室,自下而上地穿過(guò)爐排片及垃圾層,為垃圾燃燒提供充足的氧氣。因此,爐排片上應(yīng)布有均勻的通風(fēng)通道,這就是所謂的通風(fēng)率要求,在爐排片設(shè)計(jì)時(shí),必須考慮如何控制和減少漏渣,提高可燃物質(zhì)的利用率。通常情況下往復(fù)爐排片在干燥段通風(fēng)通道寬度控制在 4mm 以內(nèi),燃燒區(qū)域內(nèi)通風(fēng)道寬度控制在 3mm 以內(nèi),燃燼段區(qū)域內(nèi)通風(fēng)寬度稍小,這樣既能夠有效地控制漏渣,同時(shí)能夠大幅提高燃燒利用率。很多相關(guān)資料中都認(rèn)為往復(fù)爐排片的通風(fēng)率應(yīng)在3% ~ 6%。當(dāng)然通風(fēng)率越大,通風(fēng)通道截面越大,空氣穿孔速度越小,流阻越小。受制于漏渣及爐排片強(qiáng)度等因素的影響,通風(fēng)率達(dá)到 2% ~ 4%,屬于高壓損爐排,實(shí)際使用效果很好。總的來(lái)說(shuō),爐排片的進(jìn)風(fēng)需要綜合考慮通風(fēng)率、漏渣率、燃燒效率等重要因素。(2)爐排冷卻度。爐排冷卻度等于爐排片肋板總面積與爐排總面積之比。爐排片主要依靠空氣對(duì)流對(duì)爐排片進(jìn)行冷卻,從而降低爐排片溫度。爐排片肋板設(shè)計(jì)既是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的考慮,同時(shí)也是強(qiáng)制冷卻的考量。按照目前經(jīng)驗(yàn)值,在滿足爐排片本身強(qiáng)度設(shè)計(jì)前提下,冷卻度一般設(shè)計(jì)大于 2。另外,低位熱值超過(guò) 8260kJ/kg,考慮采用水冷爐排,進(jìn)一步增強(qiáng)強(qiáng)制冷卻效果。(3)爐排片固定形式。爐排片安裝形式多樣,通常采用尾部固定形式。部分廠家在爐排片底部或者兩側(cè)設(shè)計(jì)螺栓或者拉鉤進(jìn)行固定,防止?fàn)t排片翹起。可動(dòng)爐排片與可動(dòng)爐排片,固定爐排片與固定爐排片的連接形式多樣,常見(jiàn)爐排片之間采用有間隙裝配、緊固裝配兩種,緊固裝配能一定程度上防止?fàn)t排片翹起及偏磨,但是檢修拆卸不便,間隙裝配拆卸檢修方便,容易異物卡滯,間隙變大,出現(xiàn)偏磨,導(dǎo)致?tīng)t排片提前更換。爐排片固定形式要保證爐排片往復(fù)運(yùn)動(dòng)不易卡滯,翹起,又要預(yù)留一定檢修維護(hù)便利性。(4)輔助設(shè)計(jì)工具。爐排片通常服役時(shí)間長(zhǎng),一般設(shè)計(jì)壽命大于 5 年,新型爐排片的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì),如果采用實(shí)爐驗(yàn)證方式,不僅周期太長(zhǎng),而且對(duì)工程應(yīng)用帶來(lái)不確定性,不利于產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。因此,在工程應(yīng)用前,需要采用輔助設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行分析,常見(jiàn)的有計(jì)算機(jī)輔助工程 CAE(Computer Aided Engineering)軟件如ANSYS 進(jìn)行熱應(yīng)力分析,優(yōu)化爐排片的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì);通過(guò)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) CFD(computational fluid dynam-ics)如 FLUENT 進(jìn)行流體分析,優(yōu)化爐排片的通風(fēng)率,冷卻度等參數(shù)。通過(guò) CFD 類軟件如 FLUENT 進(jìn)行爐排片側(cè)面或者爐排片本身的通風(fēng)率模擬計(jì)算,實(shí)現(xiàn)爐排片壓損和流速優(yōu)化計(jì)算,為爐排片的熱應(yīng)力分析提供對(duì)流換熱邊界條件,同時(shí)也為垃圾層厚的理論計(jì)算提供設(shè)計(jì)依據(jù)。通過(guò)CAE 類軟件如 ANSYS 進(jìn)行爐排片結(jié)構(gòu)分析,在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和傳熱方面進(jìn)行仿真計(jì)算,通過(guò)耦合傳熱和結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析,避免爐排片局部出現(xiàn)大范圍熱應(yīng)力集中,從而為爐排片結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供設(shè)計(jì)依據(jù)。通過(guò)輔助設(shè)計(jì)軟件應(yīng)用,優(yōu)化爐排片結(jié)構(gòu)形式,減少產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期,提高爐排片的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、可靠性,降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)成本。
4結(jié)語(yǔ)
綜上所述,垃圾焚燒爐用爐排片結(jié)構(gòu)合理,材質(zhì)耐用對(duì)焚燒爐穩(wěn)定運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上,既要保證安裝固定可靠,又要保證合理的通風(fēng)性能,從而避免夾雜異物、異常翹起、偏移磨損。在材質(zhì)應(yīng)用上,區(qū)分高溫區(qū)和低位區(qū),高溫區(qū)采用高溫穩(wěn)定性、耐腐蝕性、耐磨損、高溫氧化性優(yōu)良的合金金屬材質(zhì),低溫度采取鑄鐵材質(zhì),從而保證爐排系統(tǒng)不僅性價(jià)比高,而且性能優(yōu)異,適合國(guó)內(nèi)垃圾特性的爐排片產(chǎn)品。
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