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垃圾焚烧炉用炉排片研究及应用

  通过对炉排型焚烧炉用炉排片产品的研究,阐述炉排片工作条件、结构特征、材质特征及其工作原理,从而提出炉排片结构设计、材料应用技术要求。

  随着国内城镇化的快速发展,能够节约土地资源、将垃圾处理无害化、减量化和资源化的垃圾处理方式-垃圾焚烧处理应用越来越广。炉排型焚烧炉形式多样,其应用占全世界垃圾焚烧市场总量的80%以上。炉排型焚烧炉具有垃圾预处理要求不高、垃圾热值适应范围广、连续稳定运行时间长、运行及维护简便等优点。

  炉排片是炉排型焚烧炉核心部件,属于易损耗部件,炉排片稳定性对焚烧炉的连续稳定性运行起着决定性作用。通过合理的炉排片结构设计和材料应用,设计适合国内垃圾热性的炉排片产品,减少炉排片卡滞、异常磨损、烧损等问题,提高炉排型焚烧炉运行稳定性、可靠性。

  1炉排片工作特征

  机械炉排炉是以机械式的炉排片构成炉床,可动炉排片与固定炉排片之间的相对运动,使垃圾不断翻动、搅拌并推向前进。往复焚烧炉用炉排片设计需要炉排片有规则的往复运动,从而保证垃圾进入炉内与热空气接触、升温、干燥、着火、燃烬,往复炉排片工作示意如图1所示。

垃圾焚烧炉用炉排片研究及应用
图1往复炉排片示意图

  炉排往复运动不仅使垃圾均匀移动,也是对垃圾的一种搅动,使垃圾与已燃垃圾混合,致使往复炉排片垃圾具有下部着火的因素,炉排运动能有效地搅动垃圾。炉排与垃圾的相对运动,可以使燃烧的垃圾松动,增加垃圾的透气性,改善燃烧条件。

  为了保证焚烧炉的连续稳定燃烧,炉温维持在950~1050℃,对炉排提出高温抗氧化性要求;垃圾由于分类不完善,进炉垃圾比重较大,炉排片机械负荷较大,对炉排片提出机械磨损需求;垃圾由于成分复杂,通常含有CI、S等元素,燃烧后形成酸性气体,对炉排片金属材质形成腐蚀性影响。

  因此,炉排片工作环境具有如下特性:干燥段垃圾载荷较大,主要承受机械磨损,燃烧段属于环境温度高,主要承受高温磨损,燃烬段不可燃物较多,固体颗粒物容易夹杂到炉排片之间缝隙中,主要承受偏磨等非正常磨损;另外,垃圾焚烧后形成气氛包含高温腐蚀性气体,对炉排片形成腐蚀作用;炉排片磨损后,缝隙变大、漏渣增加,对垃圾热灼减率带来负面影响;炉排片翘起及烧损,如果频率太高,需要停炉检修处理,势必影响焚烧厂运营。

  2炉排片设计要求

  为了保证焚烧炉的稳定运行,在炉排片设计中,既保证炉排片材质具备高温耐热性、耐腐蚀性、耐磨性,在结构上改善燃烧空气设计要求,减少漏渣率,尽可能避免偏磨及烧损,需要在结构和材质方面进行设计。

  2.1结构设计

  (1)炉排通风率。炉排通风率等于炉排面上通风孔总面积与整个炉排面积之比。炉排片是高温工作部件,工作条件相当恶劣。尤其是往复炉排片长期工作在高温下,虽然炉排片与燃烧层间隔着一层“灰渣垫”,可遮蔽部分热量,但炉排片表面温度仍可达600~700℃以上,为保证炉排片安全可靠的工作,必须采取有效的空气冷却;往复焚烧炉用炉排片保证垃圾是在炉排片上均匀移动燃烧,空气从炉排片下的风室,自下而上地穿过炉排片及垃圾层,为垃圾燃烧提供充足的氧气。

  因此,炉排片上应布有均匀的通风通道,这就是所谓的通风率要求,在炉排片设计时,必须考虑如何控制和减少漏渣,提高可燃物质的利用率。通常情况下往复炉排片在干燥段通风通道宽度控制在4mm以内,燃烧区域内通风道宽度控制在3mm以内,燃烬段区域内通风宽度稍小,这样既能够有效地控制漏渣,同时能够大幅提高燃烧利用率。

  很多相关资料中都认为往复炉排片的通风率应在3%~6%。当然通风率越大,通风通道截面越大,空气穿孔速度越小,流阻越小。受制于漏渣及炉排片强度等因素的影响,通风率达到2%~4%,属于高压损炉排,实际使用效果很好。总的来说,炉排片的进风需要综合考虑通风率、漏渣率、燃烧效率等重要因素。

  (2)炉排冷却度。炉排冷却度等于炉排片肋板总面积与炉排总面积之比。炉排片主要依靠空气对流对炉排片进行冷却,从而降低炉排片温度。常见的炉排片外形图如图2所示。

垃圾焚烧炉用炉排片研究及应用
图2炉排片外形图

  炉排片肋板设计既是结构强度的考虑,同时也是强制冷却的考量。按照目前经验值,在满足炉排片本身强度设计前提下,冷却度一般设计大于2。另外,低位热值超过8260kJ/kg,考虑采用水冷炉排,进一步增强强制冷却效果。

  (3)炉排片固定形式。炉排片安装形式多样,通常采用尾部固定形式。部分厂家在炉排片底部或者两侧设计螺栓或者拉钩进行固定,防止炉排片翘起。可动炉排片与可动炉排片,固定炉排片与固定炉排片的连接形式多样,常见炉排片之间采用有间隙装配、紧固装配两种,紧固装配能一定程度上防止炉排片翘起及偏磨,但是检修拆卸不便,间隙装配拆卸检修方便,容易异物卡滞,间隙变大,出现偏磨,导致炉排片提前更换。炉排片固定形式要保证炉排片往复运动不易卡滞,翘起,又要预留一定检修维护便利性。

  (4)辅助设计工具。炉排片通常服役时间长,一般设计寿命大于5年,新型炉排片的开发设计,如果采用实炉验证方式,不仅周期太长,而且对工程应用带来不确定性,不利于产品的开发设计。

  因此,在工程应用前,需要采用辅助设计软件进行分析,常见的有计算机辅助工程CAE(Computer Aided Engineering)软件如ANSYS进行热应力分析,优化炉排片的结构强度设计;通过计算流体动力学CFD(computational fluid dynam-ics)如FLUENT进行流体分析,优化炉排片的通风率,冷却度等参数。

  通过CFD类软件如FLUENT进行炉排片侧面或者炉排片本身的通风率模拟计算,实现炉排片压损和流速优化计算,为炉排片的热应力分析提供对流换热边界条件,同时也为垃圾层厚的理论计算提供设计依据。

  通过CAE类软件如ANSYS进行炉排片结构分析,在结构强度和传热方面进行仿真计算,通过耦合传热和结构应力分析,避免炉排片局部出现大范围热应力集中,从而为炉排片结构优化提供设计依据。通过辅助设计软件应用,优化炉排片结构形式,减少产品设计周期,提高炉排片的结构稳定性、可靠性,降低产品开发设计成本。

  2.2材质应用

  (1)材质要求。炉排片主要工作在高温、腐蚀性气氛中,往复运动中需要保持一定结构强度下,垃圾与炉排片之间,可动炉排片与固定炉排片之间相互磨损,因此对炉排片材质提出了如下要求:

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