基于固體廢棄物處理的單筒回轉(zhuǎn)熱解窯筒體部分設(shè)計

陳輝，曹衛(wèi)，查文煒

（鹽城工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051）

0 引 言

近年來，國民經(jīng)濟(jì)有了長足發(fā)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(shù)據(jù)不斷攀升的固體廢棄物。一種相對于傳統(tǒng)的固體廢棄物處理方式的垃圾熱解法具有環(huán)境友好性、高回收率、高效益性等優(yōu)點，目前已成為處理固體廢棄物的一個主要手段，其處理設(shè)備為熱解窯［1］。本文主要設(shè)計基于熱解法的單筒回轉(zhuǎn)熱解窯的筒體部分，筒體是單筒回轉(zhuǎn)熱解窯的最關(guān)鍵部件，垃圾的全部熱解過程在其中進(jìn)行，因此要求能承受熱負(fù)荷；就外觀上而言，單筒回轉(zhuǎn)熱解窯中體形最大、質(zhì)量最重的零件也是筒體，故筒體應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和剛度；就結(jié)構(gòu)而言，筒體是熱解設(shè)備的主體，其它各零部件的尺寸大小需要根據(jù)筒體規(guī)格來確定。

1 回轉(zhuǎn)窯的熱解原理及筒體結(jié)構(gòu)

1）熱解原理。經(jīng)過前期處理的固體廢棄物由螺旋輸送機(jī)送入回轉(zhuǎn)熱解窯的熱解通道，電熱元件產(chǎn)生熱量，通過熱傳導(dǎo)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(fù)合燃?xì)饧疤紶钗?。熱解后的碳狀產(chǎn)物在筒體內(nèi)的導(dǎo)料裝置引導(dǎo)下移動到筒體尾端排出，燃?xì)獗皇占?］。

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

圖1 筒體結(jié)構(gòu)簡圖

2 回轉(zhuǎn)熱解窯筒體設(shè)計［3-4］

2.1 填充率設(shè)計

回轉(zhuǎn)熱解窯內(nèi)物料應(yīng)有較大填充率，且不產(chǎn)生相互干擾，按球磨機(jī)研磨體填充理論，y=0.42，y 為填充系數(shù)，本設(shè)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(jīng)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(jīng)過前期處理的城市生活垃圾中含水量5%。

假設(shè)料渣剛剛混合時還沒有進(jìn)行熱解，只進(jìn)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(zhì)量，kg；m1為灰渣的質(zhì)量，kg。

代入數(shù)據(jù)計算得m0∶m1=1∶4.6，因為熱解溫度是850 ℃以上，可以適當(dāng)提高灰渣的比例，所以，取m0∶m1=1∶5。

2.3 喂料量的計算

回轉(zhuǎn)熱解窯內(nèi)的物料數(shù)量按筒體填充率不大于40%來計算。

內(nèi)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(nèi)的物料質(zhì)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(jī)構(gòu)體制不同，管理權(quán)限不一，各自法律條款也不一致，經(jīng)常出現(xiàn)同一問題不同的處罰基準(zhǔn)，一項問題常需要多方去協(xié)調(diào)解決?！叭珖Ｊ乱患胰耍媳O(jiān)管一盤棋，行政執(zhí)法一面旗”的理念在庫區(qū)管理上得以傳承，“合海工作室”的成立也一定程度上加強(qiáng)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(zhuǎn)速1～5 r/min，實際轉(zhuǎn)速取3 r/min，則0.52÷3=0.173 m/r。圓整設(shè)計得桶內(nèi)螺距0.2 m。

筒內(nèi)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(jù)材料力學(xué)，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(nèi)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(nèi)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(nèi)筒中物料的總質(zhì)量為m1=24.09 kg，重量為G1′=m1g=24.09×9.8=236.08 N。

雖然垃圾經(jīng)過熱解變成灰渣后質(zhì)量會因生成了燃?xì)舛鴾p少，但是因為料渣比為1∶5，內(nèi)筒物料中灰渣的含量占絕大部分，所以可以假設(shè)筒體內(nèi)灰渣質(zhì)量m=24.09 kg。

根據(jù)qm=mg/L總，帶入數(shù)據(jù)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(shù)確定，其誤差對筒體計算結(jié)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(jìn)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(shù)確定是一個比較復(fù)雜的問題。在使用上，由材料力學(xué)超靜定相關(guān)知識可知，支點數(shù)目大于2 個時，將是超靜定結(jié)構(gòu)，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(shù)目，雖然支承裝置的個數(shù)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(shù)少，零件數(shù)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(dǎo)致結(jié)構(gòu)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(shù)的進(jìn)步，回轉(zhuǎn)窯筒體發(fā)展的趨勢是減少支點數(shù)，適當(dāng)增加跨距。

一般常用回轉(zhuǎn)窯跨距的統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 回轉(zhuǎn)窯各檔跨距的長徑比Li/D

由于本設(shè)計為φ224 的單筒回轉(zhuǎn)熱解窯屬于小窯，可選擇兩點支撐，運用類比法和統(tǒng)計數(shù)據(jù)，得設(shè)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(tǒng)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(wěn)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(jù)實際情況略作調(diào)整。

3 結(jié) 論

要使單筒回轉(zhuǎn)熱解窯能夠高效地運轉(zhuǎn)并協(xié)同水泥生產(chǎn)線處理固體廢棄物，設(shè)計是其第一保證，其次是制造加工，回轉(zhuǎn)部分的設(shè)計是回轉(zhuǎn)熱解窯設(shè)備長期安全運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵之一，只有全方面考慮才能使回轉(zhuǎn)熱解窯連續(xù)而高效地運轉(zhuǎn)。

［1］ 顏碧蘭，汪瀾，魏麗穎.我國水泥窯協(xié)同處理廢物技術(shù)規(guī)范研究進(jìn)展［J］.總工論壇，2012（1）：182-184.

［2］ 倪文龍，黃道春，查文煒.雙筒回轉(zhuǎn)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(shè)備：下冊［M］.武漢：武漢工業(yè)大學(xué)出版社，1995.

［4］ 許林發(fā).建筑材料機(jī)械設(shè)計［M］.武漢：武漢工業(yè)大學(xué)出版社,1996.

（編輯立 明）