王建剛，張曉陽

（天華化工機械及自動化研究設計院有限公司，甘肅蘭州 730070）

0 引言

隨著時代的進步和發(fā)展，城市也變得越來越擁擠，城市垃圾的數(shù)量不斷增加，為了防止這些垃圾對生態(tài)環(huán)境帶來不必要的影響，如何更好地處理這些垃圾成為當前的重要研究課題。隨著城市垃圾數(shù)量的增加與堆積，垃圾處理工作的開展已經(jīng)迫在眉睫，采用焚燒爐集中焚燒處理能夠產(chǎn)生非常好的處理效果。為了使不同類型的垃圾焚燒效果達到最優(yōu)，需要選擇不同類型的焚燒爐，并加強對相關(guān)機械設計內(nèi)容的研究。

1 垃圾焚燒爐及其各子系統(tǒng)

當前階段所使用的垃圾焚燒發(fā)電系統(tǒng)的組成非常復雜，包括垃圾接收、貯存系統(tǒng)、熱能利用系統(tǒng)、灰渣收運系統(tǒng)以及煙氣處理系統(tǒng)。在這些子系統(tǒng)的協(xié)同作用下，能夠?qū)崿F(xiàn)對垃圾的焚燒和發(fā)電，在整個垃圾焚燒發(fā)電系統(tǒng)中，這些子系統(tǒng)發(fā)揮著不可替代的作用：①垃圾的接收和貯存系統(tǒng)是生活垃圾的放入口和貯存處；②煙氣處理系統(tǒng)對垃圾焚燒過程中產(chǎn)生的煙氣進行處理，防止空氣污染；③熱能利用系統(tǒng)利用垃圾焚燒產(chǎn)生的熱能制造蒸汽發(fā)電，燃燒發(fā)電也是垃圾焚燒處理的主要利用方式；④灰渣收運系統(tǒng)處理垃圾焚燒過后的殘余物。在整個焚燒發(fā)電系統(tǒng)中，每個子系統(tǒng)都有其功效和作用，只有每個系統(tǒng)都處于最佳的運行狀態(tài)，才能夠保障垃圾處理的工作質(zhì)量和效率。由于子系統(tǒng)的類型非常多，不同型號的焚燒爐其運作效率不盡相同，需要結(jié)合垃圾的種類和具體情況，對焚燒爐設備型號進行合理選擇，并在此基礎上開展合理的機械設計工作。

2 垃圾焚燒爐的設備選型

2.1 垃圾焚燒爐機械結(jié)構(gòu)和運行機理

垃圾焚燒處理法在我國已經(jīng)有了較長的使用時間，隨著實踐工作的開展，垃圾焚燒處理系統(tǒng)也經(jīng)過了不斷的優(yōu)化和完善，技術(shù)體系已經(jīng)趨于成熟。在垃圾焚燒處理系統(tǒng)運行的過程中，焚燒處理的核心設備就是焚燒爐。不同類型垃圾的熱值一般不同，如果在沒有進行垃圾分類的基礎上直接燃燒，為了實現(xiàn)垃圾的充分燃燒，必須要重視燃燒過程中焚燒爐的參數(shù)變化，其中最重要的參數(shù)就是停留時間和燃燒溫度，如果控制不當就會導致焚燒過程產(chǎn)生有害物質(zhì)。

當前階段常見的焚燒爐主要有三種類型，分別是機械爐排焚燒爐、流化床焚燒爐和旋轉(zhuǎn)窯焚燒爐，在實踐中可以結(jié)合垃圾的種類來選擇合理的焚燒爐類型（表1）：①機械爐排焚燒爐的運作原理是將垃圾置于層狀爐排上進行燃燒，經(jīng)過干燥、燃燒、燃盡等程序完成整個焚燒工作；②流化床焚燒爐主要由進料口、破碎機、分選機、石英砂、流化床等部分組成，石英砂是爐內(nèi)的主要熱載體，在燃燒過程中將石英砂升溫至600 ℃，之后將破碎后的垃圾投入爐內(nèi)，此時石英砂與干燥的垃圾接觸后就會快速燃燒；③旋轉(zhuǎn)窯焚燒爐中，垃圾從上部投料進入旋轉(zhuǎn)窯內(nèi)，通過旋轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn)使垃圾逐漸移動，經(jīng)歷干燥、燃燒和燃盡等流程。

表1 主要垃圾焚燒爐設備特性比較

2.2 常用垃圾焚燒爐選型

（1）機械爐排焚燒爐。該型號的焚燒爐有著非常長的發(fā)展時間和應用時間，在整個焚燒爐市場中有著較高的市場份額，其技術(shù)體系相對成熟，可靠性比較高。機械爐排焚燒爐采用層狀的燃燒方式，在垃圾燃燒方面有著較強的適應性，也能達到充分燃燒的目的，能對熱值低、含水量高的垃圾進行燃燒處理，采用該燃燒處理方式，一次可以處理的垃圾數(shù)量非?？捎^，因為這些處理優(yōu)勢的存在，使得機械爐排焚燒爐有著非常大的市場份額。但是該種燃燒處理方式在使用中仍然存在缺陷，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復雜程度較高，在長時間的運作過程中可能會出現(xiàn)爐排卡住等問題，對焚燒爐的繼續(xù)運行造成巨大影響，因此機械爐排焚燒爐必須要進行定期的停爐檢查養(yǎng)護。

（2）流化床焚燒爐。該類型的焚燒爐一次處理的垃圾量較小，對待處理垃圾的要求較高，使用過程中有較大的限制性，市場接受程度較低。使用流化床焚燒之前，需要對垃圾進行充分的破碎處理，所使用的分選破碎機械系統(tǒng)的復雜程度較高，因此對焚燒爐也有著較高的應用要求。為了充分燃燒部分熱值較低的垃圾，在處理的過程中還需要加煤，因此其整個操作過程非常復雜、低效。

（3）旋轉(zhuǎn)窯焚燒爐。該種型號的焚燒爐更多是應用在對工業(yè)固體垃圾的處理上，采用的是翻滾的燃燒形式。由于旋轉(zhuǎn)窯焚燒爐燃燒過程的特殊性，整個燃燒工程的控制難度大大增加，如果所處理的垃圾熱值較低，會給燃燒工作帶來困難。

3 垃圾焚燒爐的機械設計研究

流化床焚燒爐和旋轉(zhuǎn)窯焚燒爐的應用范圍較小，市場上多數(shù)采用機械爐排焚燒爐焚燒垃圾（圖1）。以機械爐排焚燒爐為例，分析其機械組成結(jié)構(gòu)，在保證機械結(jié)構(gòu)設計合理、運作協(xié)同的基礎上，實現(xiàn)焚燒爐的安全穩(wěn)定使用。

圖1 小型生活垃圾焚燒爐

3.1 焚燒爐液壓連桿機構(gòu)

機械爐排焚燒爐運行過程涉及到大量的往復和翻轉(zhuǎn)運轉(zhuǎn)，由液壓系統(tǒng)實現(xiàn)動作，在液壓桿機構(gòu)的驅(qū)動下，能夠使爐排等機構(gòu)作出相應的機械動作，保障垃圾充分燃燒。

3.2 爐排的機械設計要求

爐排直接影響焚燒爐的工作穩(wěn)定性，在對爐排選型時，對其制作材料有非常高的要求，為保障爐排的耐腐蝕性和耐熱性，必須要選用合金材料。加工爐排時需要打磨表面，保證爐排有足夠的粗糙度，避免爐排間隙漏灰的問題。此外，對于爐排裝配、配件更換和風孔設計都有非常高的要求。

3.3 垃圾爐膛的設計要求

爐膛內(nèi)的體積是指爐排上方至高溫煙氣開始降溫截面之間的全部體積。爐膛內(nèi)的高度要保證爐膛內(nèi)的最高煙氣溫度可以達到850 ℃，同時維持一定的煙氣流速，使煙氣的停留時間≥2 s。進料斗的設計要保證斗內(nèi)垃圾存儲量≥0.5～1 h 的處理量，其尺寸大小要參照抓斗全開時的尺寸進行設計，通常情況下可以在此基礎上直徑再增加1 m。通過對整個焚燒爐機械結(jié)構(gòu)的合理設計，不僅能夠大幅提升焚燒爐的運行質(zhì)量和效率，還能夠保障整個焚燒工作的安全性。

3.4 焚燒爐機械設計尺寸

首先確定爐膛尺寸，包括爐底寬度、長度和焚燒爐的內(nèi)部高度等，合理選擇爐底熱強度，計算焚燒率等參數(shù)。如爐底熱強度P=150～200 kg/（m2·h）。由爐底內(nèi)部面積計算。其中，B是爐排兩側(cè)爐墻的間距；L 是爐排的有效長度；G 是爐子的焚燒量。在求出爐底面積之后，再依據(jù)爐底長寬比來確定爐底的長度與寬度。

4 結(jié)束語

隨著現(xiàn)代化城市建設和生態(tài)環(huán)境保護工作的開展，垃圾處理問題是當前階段的社會關(guān)注重點，對垃圾處理的要求就是充分焚燒，防止其焚燒過程對自然環(huán)境造成二次污染。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，垃圾焚燒技術(shù)也得到了進一步的優(yōu)化與創(chuàng)新，城市垃圾在得到有效處理的同時，已經(jīng)實現(xiàn)可再生能量的轉(zhuǎn)化，將燃燒過程的熱能轉(zhuǎn)化為清潔的電能，實現(xiàn)焚燒發(fā)電。因此在未來垃圾焚燒處理工作開展的過程中，在做好設備選型工作的基礎上，還要給予機械設計工作足夠的重視，推動垃圾焚燒處理事業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展。