新型垃圾焚燒用投料斗的開發(fā)及應(yīng)用

張建東 喬月平

（青島荏原環(huán)境設(shè)備有限公司，山東 青島 266031）

0 引言

焚燒處理作為城鎮(zhèn)生活垃圾資源化、無害化和減量化的主要措施，已經(jīng)在我國進行了廣泛的推廣和應(yīng)用。隨著垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)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(zhì)的排放量，按照《生活垃圾焚燒廠運行監(jiān)管標準》（CJJ/T 212—2015）的要求，起爐后爐內(nèi)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(fā)新型垃圾投料斗，以滿足環(huán)保監(jiān)管部門的要求。

1 新型投料斗研發(fā)的背景和目的

在生活垃圾焚燒處理技術(shù)中，爐排爐焚燒技術(shù)已成為主流。據(jù)統(tǒng)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(shè)備臺數(shù)占比超過86%。在機械爐排爐焚燒系統(tǒng)中，給料系統(tǒng)是重要的子系統(tǒng)之一，給料系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，影響整個項目的連續(xù)穩(wěn)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(tǒng)的核心設(shè)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(jié)構(gòu)最大的問題是無法滿足爐內(nèi)溫度達到850 ℃才能投料的監(jiān)管要求。通常的起爐方式都是采用垃圾密封，即爐內(nèi)開始升溫前，需要將垃圾事先投入料斗內(nèi)，積存在推料器上方進行密封。如果使用閘門密封，當(dāng)爐內(nèi)溫度達到850 ℃后，閘門開啟時閘門會進入閘門殼內(nèi)，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(dǎo)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(dāng)爐內(nèi)溫度達到850 ℃開啟閘門時，由于爐內(nèi)維持負壓，會使大量的冷空氣從垃圾池內(nèi)進入爐膛，因此爐內(nèi)溫度會瞬間下降100 ℃～200 ℃，這樣在投垃圾前，就無法保證爐內(nèi)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(jīng)常超溫，容易影響殼體的使用壽命。

1.2 開發(fā)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(xiàn)850 ℃投料，以及溜槽殼體超溫的問題，研究人員計劃開發(fā)一種可以在閘門開啟的瞬間實現(xiàn)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(nèi)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(xiàn)垃圾密封，又不會使爐內(nèi)溫度降低[5]。

2 新型垃圾投料斗的開發(fā)過程

2.1 閘門支座的強度校核

新型垃圾投料斗開發(fā)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(fā)過程中，將實現(xiàn)密封（料位在喉口部）時的垃圾重量作為依據(jù)，對閘門油缸支座的強度進行了模擬計算，強度安全系數(shù)大于2，結(jié)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(nèi)的熱分析

由于閘門關(guān)閉時油缸桿要進入料斗內(nèi)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(qū)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(nèi)的溫度計算示意圖

3 新型垃圾投料斗的現(xiàn)場實驗和結(jié)論

3.1 現(xiàn)場安裝與冷卻用風(fēng)機的追加

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

3.2 實驗器材的準備與測點的布置

隨風(fēng)機一起發(fā)往現(xiàn)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(qū)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(shù)據(jù)記錄及分析

在進行現(xiàn)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(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)，此外還利用熱成像儀進行區(qū)域溫度分布成像。紅外測溫槍測量的數(shù)據(jù)，見表1。

表1 某項目現(xiàn)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(fēng)機與未開啟冷卻風(fēng)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(xiàn)場1 號爐開啟冷卻風(fēng)機與不開冷卻風(fēng)機料斗閘門溫度對比曲線

圖6 某項目現(xiàn)場1 號爐開啟冷卻風(fēng)機與不開冷卻風(fēng)機時油缸連接塊溫度對比曲線

3.4 實驗結(jié)論

通過對實驗數(shù)據(jù)的分析可知，焚燒爐出口溫度升至750 ℃的過程中，開啟冷卻風(fēng)機可以使油缸連接塊溫度最大降低60 ℃左右，開啟冷卻風(fēng)機可以使料斗閘門爐外側(cè)溫度最大降低40 ℃左右。由此可見冷卻風(fēng)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(fēng)機的情況下，油缸桿連接塊的溫度雖然達到150 ℃，卻沒有出現(xiàn)漏油等異常現(xiàn)象。通過上述實驗證明原設(shè)計基本實現(xiàn)了預(yù)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(tài)。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(xiàn)問題的可能性較小。圖7、圖8 為在某垃圾焚燒發(fā)電項目現(xiàn)場起爐階段進行驗證時，使用熱成像儀拍攝的區(qū)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(xiàn)在油缸桿兒所在的保護套內(nèi)，但油缸并未出現(xiàn)漏油等損壞現(xiàn)象，設(shè)備正常完成了預(yù)期功能。圖8 為殼體最高溫度達到107 ℃，未出現(xiàn)熱變形等異?，F(xiàn)象。

圖7 用熱成像儀測量油缸桿保護套內(nèi)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(lǐng)及在項目上的應(yīng)用

該實驗總結(jié)出新型垃圾投料斗的操作要領(lǐng)如下。起爐時料斗閘門關(guān)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(jù)爐寬與抓斗容積適當(dāng)調(diào)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(xiàn)密封。應(yīng)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(shè)備不會出現(xiàn)問題[6-7]。

根據(jù)上述實驗結(jié)果總結(jié)的起爐操作要領(lǐng)，目前已應(yīng)用在另外2 個項目現(xiàn)場中，雖然開啟冷卻風(fēng)機后油缸桿的溫度有明顯下降，但是不開啟冷卻風(fēng)機油缸也沒有出現(xiàn)問題。為降低成本，在另外2 個現(xiàn)場中沒有使用冷卻風(fēng)機，油缸沒有出現(xiàn)漏油，再次證明了新開發(fā)的垃圾料斗可以實現(xiàn)其預(yù)期的功能。

5 結(jié)語

新型垃圾投料斗的研發(fā)和在實際工程中的應(yīng)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(huán)保監(jiān)管部門的最新要求。新型垃圾料斗的成功開發(fā)，加深了相關(guān)工作人員垃圾焚燒設(shè)備性能的認識，增強了研究人員解決工程難題，攻克技術(shù)壁壘的信心。隨著國內(nèi)垃圾分類政策的實施，該項技術(shù)為深入研究機械爐排式垃圾焚燒技術(shù)，對焚燒設(shè)備進行改造升級，提升運營單位的產(chǎn)能，增加經(jīng)濟效益和社會效益奠定了堅實的基礎(chǔ)。