危險(xiǎn)廢棄物新型熱解爐的優(yōu)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用

劉志軍，陶瑛，任鞠萍，胡建軍

1 引言

目前，世界發(fā)達(dá)國(guó)家開始采用較先進(jìn)的垃圾焚燒技術(shù)——垃圾熱解氣化焚燒爐技術(shù)。熱解氣化焚燒爐的爐型很多，其中很多爐型都使用了灰渣熔融技術(shù)，即將垃圾在高溫下焚燒和熔融為一體，得到可燃?xì)怏w和易燃物，同時(shí)回收其熱量，減少燃料的使用。目前熱解氣化爐的種類很多，有的裂解爐爐體直接采用了水泥立窯的設(shè)計(jì)，沒有根據(jù)物料的特性和應(yīng)用進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，物料的適應(yīng)性差，設(shè)備容易損耗，效率低，灰渣采用水淬冷，熔渣含水量大，不便后續(xù)處理。有的裂解爐參考化工設(shè)備，需要停爐裝填物料，物料間通風(fēng)條件不好，反應(yīng)慢，爐內(nèi)裂解反應(yīng)不均衡，物料裂解焚燒完畢后，需要停爐通風(fēng)冷卻，整個(gè)反應(yīng)過程時(shí)間長(zhǎng)，效率低，工作條件惡劣。針對(duì)熱解氣化爐存在的以上問題，我們?cè)谀澄ｋU(xiǎn)廢棄物處理項(xiàng)目中對(duì)熱解爐進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

2 熱解爐結(jié)構(gòu)

2.1 工作原理

熱解爐包括上部爐體、中部爐體和下部爐體。上部爐體設(shè)置有物料入口，中部爐體內(nèi)安裝有旋轉(zhuǎn)爐排，下部爐體設(shè)置有打散爐排和冷卻裝置。物料通過入口進(jìn)入熱解爐的爐體內(nèi)，在爐體內(nèi)堆積，通過下部物料燃燒層產(chǎn)生的熱量由上而下對(duì)其進(jìn)行干燥、裂解、燃燒，通過爐排的轉(zhuǎn)動(dòng)，將物料向下輸送，打散爐排將下部燃盡層結(jié)塊的灰渣打散，經(jīng)由冷卻裝置冷卻后，由回轉(zhuǎn)下料器運(yùn)至熱解爐外。熱解爐的整體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 熱解爐整體效果圖

2.2 入料方式

熱解爐的物料輸送采用無軸螺旋輸送機(jī)給料，物料通過伸入到爐中的管道進(jìn)入爐體。無軸螺旋輸送機(jī)比較適合片狀、塊狀物料的輸送，不容易堵料，其通過物料自身的擠壓能夠形成對(duì)煙氣的自密封，不需要推桿、二道閘板閥等容易出現(xiàn)堵塞故障的設(shè)備，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單有效。爐體頂部還留置了漆渣和廢液入口，可以根據(jù)物料的熱值等特性，調(diào)節(jié)物料配比，減少輔助燃料的使用。

2.3 旋轉(zhuǎn)爐排

2.3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

爐體內(nèi)的物料如果堆積太高，物料之間的間隙小，通風(fēng)不好，則不利于熱解化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行；物料如果太薄，物料之間的氣體容易發(fā)生“短路”，則會(huì)造成熱解反應(yīng)不均衡，局部溫度過高。因此，在中部爐體設(shè)置有5個(gè)旋轉(zhuǎn)爐排，爐排中間的排齒交錯(cuò)排列，爐排軸通過連軸器單獨(dú)與減速電機(jī)連接。如圖2所示，5個(gè)爐排呈中間高兩邊低的拱形排列布置，這種方式能夠在中部爐體下部與下部爐體間形成空腔，物料在排齒的支撐下與空氣充分接觸，熱解反應(yīng)順暢。通過設(shè)置在爐體頂部的料位檢測(cè)設(shè)備，可以準(zhǔn)確測(cè)量爐體中的物料高度，通過設(shè)定的程序分別控制5臺(tái)減速電機(jī)的轉(zhuǎn)速?gòu)亩刂莆锪细叨?，?shí)現(xiàn)物料在爐體內(nèi)的充分燃燒。

圖2 旋轉(zhuǎn)爐排結(jié)構(gòu)圖

旋轉(zhuǎn)爐排的排齒采用耐熱鋼制造，軸中間設(shè)有冷氣風(fēng)通道。通過鼓入冷風(fēng)，降低排齒的溫度，提高了排齒的使用壽命。空氣冷卻方式與原先的水冷方式相比，解決了水冷卻容易發(fā)生泄漏、破壞熱解反應(yīng)進(jìn)行、泄漏的污水處理困難等問題。

2.3.2 物料在裂解層停留時(shí)間的計(jì)算

式中：

Q——裂解爐處理能力，取Q=50t/d

γ——物料容積密度，取γ=0.8t/m3

S——爐排所處截面積，取S=5.5m2

H——裂解層高度，取H=2m

經(jīng)過計(jì)算，T=254min＞45～60min，滿足裂解所需的時(shí)間。

2.3.3 爐排功率計(jì)算

式中：

Px——料倉(cāng)在水平方向上物料的壓力，Pa

Py——料倉(cāng)在垂直方向上物料的壓力，Pa

RH——水力半徑，料倉(cāng)截面積/料倉(cāng)周長(zhǎng)

μ——物料與倉(cāng)壁之間的摩擦系數(shù)

k——側(cè)壓系數(shù)0.33

δ′——物料內(nèi)摩擦角，°

g——重力加速度

考慮到在進(jìn)行裝卸料時(shí)，料倉(cāng)物料為動(dòng)態(tài)，物料壓力會(huì)顯著增加，有明顯脈沖現(xiàn)象，壁面受到?jīng)_擊和反復(fù)載荷的作用，形成動(dòng)載荷，圓形鋼筋混凝土料倉(cāng)和矩形鋼質(zhì)深料倉(cāng)動(dòng)力系數(shù)按以下公式計(jì)算：

式中：

h——料倉(cāng)垂直壁的高度，m

Bmin——料倉(cāng)卸料口的最小尺寸，m

經(jīng)過計(jì)算：

Py=38 165Pa

單個(gè)爐排的受壓面積S=0.4m2

力臂a=0.325m

扭矩M=Py×S×a=5 200N·m

設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速n=4r/min

電機(jī)設(shè)計(jì)功率P=M×n/9 550=2.2kW

2.4 下部爐體打散爐排及冷卻裝置

在下部爐體中設(shè)置有3個(gè)打散爐排，爐排轉(zhuǎn)軸通過傳動(dòng)鏈聯(lián)接，3個(gè)爐排通過1臺(tái)減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)。在下部爐體兩邊布置有空氣噴管，通過風(fēng)機(jī)鼓入自然風(fēng)對(duì)燃盡的灰渣進(jìn)行冷卻。冷空氣與灰渣進(jìn)行熱量交換，加熱后的空氣與熱解后剩余的炭渣進(jìn)行燃燒，釋放熱量。產(chǎn)生的高溫?zé)煔庋刂鵂t體上行，在中部爐排處將物料加熱至500～750℃，危險(xiǎn)廢棄物開始熱解。打散爐排能夠打散大料塊，防止灰渣板結(jié)，加快熱交換，縮短灰渣冷卻時(shí)間。

風(fēng)冷式冷卻裝置（圖3）主要包括環(huán)形管道及冷卻風(fēng)機(jī)，環(huán)形管道安裝在下部爐體外側(cè)，內(nèi)側(cè)均布有若干連通下部爐體內(nèi)部的送風(fēng)管道，冷卻風(fēng)通過第一送風(fēng)管道吹入下部爐體內(nèi)，對(duì)灰渣進(jìn)行實(shí)時(shí)冷卻。這種冷卻方式相對(duì)于傳統(tǒng)的水冷方式，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒后灰渣的及時(shí)冷卻，不需要停爐，可以保證生產(chǎn)的連續(xù)進(jìn)行，節(jié)約水資源，冷卻后的灰渣不含水、體積小，有利于后續(xù)的填埋處置。

圖3 風(fēng)冷式冷卻裝置

在熱解爐爐體下部出口設(shè)置有回轉(zhuǎn)下料器，密封性好，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速能夠有效控制爐體下部燃燒層的高度，與下部設(shè)置的料位探測(cè)儀形成聯(lián)動(dòng)。

3 耐火材料的選用

為了防止或者減少物料在熱解過程中在爐壁結(jié)焦粘接，在耐火材料施工中采用了新的施工工藝：在澆注料表面再敷設(shè)一層8mm的陶瓷貼片（圖4），陶瓷片表面光潔度高，摩擦系數(shù)小，能夠助流，減少物料結(jié)焦粘接。

圖4 耐火材料表面敷設(shè)的陶瓷貼片

4 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)熱解爐入料口、旋轉(zhuǎn)爐排、打散爐排、風(fēng)冷式冷卻裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了熱解爐的連續(xù)運(yùn)行，只需要根據(jù)物料的熱值、燃燒特性和水分調(diào)節(jié)爐排的轉(zhuǎn)速，控制物料高度，根據(jù)出口煙氣的溫度調(diào)節(jié)下部冷卻風(fēng)量。新型熱解爐自動(dòng)化程度高，爐體中物料與熱的煙氣形成一個(gè)逆流熱交換過程，提高了熱量回收效率，同時(shí)灰渣中含水量低，方便后續(xù)填埋處理?！?/p>