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(wú)害化和減量化的主要措施，已經(jīng)在我國(guó)進(jìn)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(duì)垃圾焚燒的工藝要求也進(jìn)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(yùn)行監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)》（CJJ/T 212—2015）的要求，起爐后爐內(nèi)溫度達(dá)到850 ℃以上，才能投入垃圾。由于原來(lái)帶有扇形閘門(mén)的垃圾投料斗僅適用于垃圾密封的起爐方式，因此需要開(kāi)發(fā)新型垃圾投料斗，以滿足環(huán)保監(jiān)管部門(mén)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(jì)，截至2020 年1 月，全國(guó)已投運(yùn)垃圾焚燒廠492 座。其中采用機(jī)械爐排爐的設(shè)備臺(tái)數(shù)占比超過(guò)86%。在機(jī)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(gè)項(xiàng)目的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行[1，4]。

1.1 原有垃圾投料斗在使用中存在的問(wèn)題

垃圾抓斗、垃圾投料斗和推料器是整個(gè)給料系統(tǒng)的核心設(shè)備，該文重點(diǎn)介紹了垃圾投料斗。原有的垃圾投料斗采用的是扇形閘門(mén)，如圖1 所示。這種結(jié)構(gòu)最大的問(wèn)題是無(wú)法滿足爐內(nèi)溫度達(dá)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(kāi)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(jìn)行密封。如果使用閘門(mén)密封，當(dāng)爐內(nèi)溫度達(dá)到850 ℃后，閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)閘門(mén)會(huì)進(jìn)入閘門(mén)殼內(nèi)，如果在閘門(mén)上方撒上垃圾，則垃圾會(huì)隨著閘門(mén)進(jìn)入殼體的縫隙，極易將閘門(mén)卡死，導(dǎo)致閘門(mén)無(wú)法開(kāi)啟，進(jìn)而無(wú)法投料。如果閘門(mén)上方不撒垃圾的話，當(dāng)爐內(nèi)溫度達(dá)到850 ℃開(kāi)啟閘門(mén)時(shí)，由于爐內(nèi)維持負(fù)壓，會(huì)使大量的冷空氣從垃圾池內(nèi)進(jìn)入爐膛，因此爐內(nèi)溫度會(huì)瞬間下降100 ℃～200 ℃，這樣在投垃圾前，就無(wú)法保證爐內(nèi)溫度達(dá)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(mén)密封的方式起爐時(shí)，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(kāi)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(wú)法實(shí)現(xiàn)850 ℃投料，以及溜槽殼體超溫的問(wèn)題，研究人員計(jì)劃開(kāi)發(fā)一種可以在閘門(mén)開(kāi)啟的瞬間實(shí)現(xiàn)垃圾密封的油缸直推式閘門(mén)，同時(shí)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(mén)的新型投料斗，可以在爐內(nèi)溫度達(dá)到850 ℃并且沒(méi)有開(kāi)啟閘門(mén)時(shí)，先在閘門(mén)上撒上適量的垃圾，閘門(mén)開(kāi)啟的瞬間，垃圾落入推料器上，這樣既可以實(shí)現(xiàn)垃圾密封，又不會(huì)使?fàn)t內(nèi)溫度降低[5]。

2 新型垃圾投料斗的開(kāi)發(fā)過(guò)程

2.1 閘門(mén)支座的強(qiáng)度校核

新型垃圾投料斗開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，由于要考慮垃圾的載荷加在閘門(mén)上的情況，因此對(duì)于油缸支座的強(qiáng)度要求較高。在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，將實(shí)現(xiàn)密封（料位在喉口部）時(shí)的垃圾重量作為依據(jù)，對(duì)閘門(mén)油缸支座的強(qiáng)度進(jìn)行了模擬計(jì)算，強(qiáng)度安全系數(shù)大于2，結(jié)果合格。如圖3 所示。

圖3 閘門(mén)支座強(qiáng)度校核示意圖

2.2 油缸保護(hù)罩內(nèi)的熱分析

由于閘門(mén)關(guān)閉時(shí)油缸桿要進(jìn)入料斗內(nèi)直至爐溫升至850 ℃，這會(huì)使油缸桿溫度超過(guò)使用要求，因此需要追加玻璃纖維罩，并對(duì)該區(qū)域的溫度進(jìn)行模擬計(jì)算，如圖4 所示。這是新型垃圾投料斗的另一個(gè)重要問(wèn)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(hù)套內(nèi)的溫度計(jì)算示意圖

3 新型垃圾投料斗的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和結(jié)論

3.1 現(xiàn)場(chǎng)安裝與冷卻用風(fēng)機(jī)的追加

在研發(fā)階段前期進(jìn)行的溫度場(chǎng)模擬計(jì)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(chǎng)4 臺(tái)（每個(gè)油缸1臺(tái)）小型高壓風(fēng)機(jī)，來(lái)對(duì)油缸進(jìn)行冷卻。并且在現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備了型鋼及螺栓螺母等材料，用來(lái)固定風(fēng)機(jī)。同時(shí)為了更好地冷卻油缸桿，現(xiàn)場(chǎng)專門(mén)制造了專用噴嘴并固定在風(fēng)機(jī)出口處。

3.2 實(shí)驗(yàn)器材的準(zhǔn)備與測(cè)點(diǎn)的布置

隨風(fēng)機(jī)一起發(fā)往現(xiàn)場(chǎng)的還有 4 套接線用動(dòng)力電纜及控制裝置、1 臺(tái)無(wú)紙記錄儀（連接熱電偶溫度計(jì)，可以多通道實(shí)時(shí)記錄各測(cè)點(diǎn)溫度）、1 把紅外測(cè)溫槍和 1 臺(tái)熱成像儀（可以將高溫區(qū)域各點(diǎn)溫度分布成像）。

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

3.3 數(shù)據(jù)記錄及分析

在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，為了準(zhǔn)確測(cè)量焚燒爐從0～850 ℃的升溫過(guò)程中，各測(cè)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，分別采用了紅外測(cè)溫槍（每間隔50 ℃測(cè)量一次各點(diǎn)溫度）和熱電偶連接的無(wú)紙記錄儀2 種方式記錄數(shù)據(jù)，此外還利用熱成像儀進(jìn)行區(qū)域溫度分布成像。紅外測(cè)溫槍測(cè)量的數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1。

表1 某項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng) 1 號(hào)爐垃圾料斗閘門(mén)油缸冷卻實(shí)驗(yàn)溫度記錄表/℃

如上文所述，除了采用紅外測(cè)溫槍外，還利用無(wú)紙記錄儀實(shí)時(shí)記錄了上述10 個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度，下面分別就開(kāi)啟冷卻風(fēng)機(jī)與未開(kāi)啟冷卻風(fēng)機(jī)時(shí)，料斗閘門(mén)和油缸連接桿的溫度分別繪制了對(duì)比曲線。如圖5 和圖6 所示。

圖5 某項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)1 號(hào)爐開(kāi)啟冷卻風(fēng)機(jī)與不開(kāi)冷卻風(fēng)機(jī)料斗閘門(mén)溫度對(duì)比曲線

圖6 某項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)1 號(hào)爐開(kāi)啟冷卻風(fēng)機(jī)與不開(kāi)冷卻風(fēng)機(jī)時(shí)油缸連接塊溫度對(duì)比曲線

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析可知，焚燒爐出口溫度升至750 ℃的過(guò)程中，開(kāi)啟冷卻風(fēng)機(jī)可以使油缸連接塊溫度最大降低60 ℃左右，開(kāi)啟冷卻風(fēng)機(jī)可以使料斗閘門(mén)爐外側(cè)溫度最大降低40 ℃左右。由此可見(jiàn)冷卻風(fēng)機(jī)在降低油缸桿溫度方面確實(shí)起到了一定的作用。同時(shí)，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(méi)有開(kāi)啟風(fēng)機(jī)的情況下，油缸桿連接塊的溫度雖然達(dá)到150 ℃，卻沒(méi)有出現(xiàn)漏油等異常現(xiàn)象。通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)證明原設(shè)計(jì)基本實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能。該實(shí)驗(yàn)雖然未能驗(yàn)證焚燒爐出口850℃時(shí)，料斗閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)油缸的狀態(tài)。但是，從起爐時(shí)料斗閘門(mén)溫度變化的曲線可以得出，在低于600 ℃（即開(kāi)啟點(diǎn)火燃燒器）時(shí)，料斗閘門(mén)溫度上升較快，在達(dá)到600 ℃開(kāi)啟輔助燃燒器后，料斗閘門(mén)油缸的溫度上升較慢。因此，推斷在焚燒爐出口達(dá)到850 ℃時(shí)，該直推式閘門(mén)油缸出現(xiàn)問(wèn)題的可能性較小。圖7、圖8 為在某垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)起爐階段進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)，使用熱成像儀拍攝的區(qū)域溫度場(chǎng)照片。圖7 所示為未采用冷卻措施式時(shí)，最高溫度200℃出現(xiàn)在油缸桿兒所在的保護(hù)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(dá)到107 ℃，未出現(xiàn)熱變形等異?，F(xiàn)象。

圖7 用熱成像儀測(cè)量油缸桿保護(hù)套內(nèi)部溫度

圖8 用熱成像儀測(cè)量料斗殼體溫度

4 新型垃圾投料斗操作要領(lǐng)及在項(xiàng)目上的應(yīng)用

該實(shí)驗(yàn)總結(jié)出新型垃圾投料斗的操作要領(lǐng)如下。起爐時(shí)料斗閘門(mén)關(guān)閉，焚燒爐出口溫度每升高100 ℃用紅外測(cè)溫槍測(cè)量1 次料斗閘門(mén)油缸桿（或連接塊）的溫度，爐出口溫度達(dá)到850 ℃時(shí)，事先在密封閘門(mén)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(mén)完全開(kāi)啟的瞬間投入第3 爪垃圾，垃圾料位達(dá)到喉口部可實(shí)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(huì)出現(xiàn)問(wèn)題[6-7]。

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)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(gè)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)中，雖然開(kāi)啟冷卻風(fēng)機(jī)后油缸桿的溫度有明顯下降，但是不開(kāi)啟冷卻風(fēng)機(jī)油缸也沒(méi)有出現(xiàn)問(wèn)題。為降低成本，在另外2 個(gè)現(xiàn)場(chǎng)中沒(méi)有使用冷卻風(fēng)機(jī)，油缸沒(méi)有出現(xiàn)漏油，再次證明了新開(kāi)發(fā)的垃圾料斗可以實(shí)現(xiàn)其預(yù)期的功能。

5 結(jié)語(yǔ)

新型垃圾投料斗的研發(fā)和在實(shí)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(mén)的最新要求。新型垃圾料斗的成功開(kāi)發(fā)，加深了相關(guān)工作人員垃圾焚燒設(shè)備性能的認(rèn)識(shí)，增強(qiáng)了研究人員解決工程難題，攻克技術(shù)壁壘的信心。隨著國(guó)內(nèi)垃圾分類(lèi)政策的實(shí)施，該項(xiàng)技術(shù)為深入研究機(jī)械爐排式垃圾焚燒技術(shù)，對(duì)焚燒設(shè)備進(jìn)行改造升級(jí)，提升運(yùn)營(yíng)單位的產(chǎn)能，增加經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。