生活垃圾機(jī)械爐排運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)研究

朱新才，李 鵬，馮 威，林順洪，丁又青

(1.重慶理工大學(xué)，重慶 400054;2.重慶科技學(xué)院，重慶 401331)

往復(fù)式機(jī)械爐排焚燒爐是世界上比較常用的爐排式生活垃圾焚燒爐爐型，其爐排的往復(fù)運(yùn)動(dòng)能將燃料層翻攪，使空氣與垃圾燃料充分接觸，達(dá)到較好的燃燒效果。機(jī)械爐排作為核心部件，負(fù)責(zé)爐內(nèi)垃圾輸運(yùn)，同時(shí)提高垃圾與空氣的混合和擾動(dòng)度。對(duì)爐排上垃圾的攪動(dòng)可直接影響垃圾在焚燒爐中的燃燒效果，并且直接導(dǎo)致燃燒是否產(chǎn)生污染氣體。因此，研究生活垃圾在機(jī)械爐排上的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，分析適合垃圾焚燒的爐排結(jié)構(gòu)參數(shù)，使之能夠高效攪動(dòng)垃圾并使之燃燒完全，是實(shí)現(xiàn)機(jī)械爐排優(yōu)化設(shè)計(jì)和改進(jìn)的有效方法。

1 冷態(tài)試驗(yàn)裝置

機(jī)械爐排一般主要包括框架、活動(dòng)爐排和固定爐排3個(gè)機(jī)械部分。各個(gè)爐排片之間保持緊密貼合，連接成排，并相互交迭，保證垃圾不會(huì)泄露。爐排片分別固定在活動(dòng)爐排框架上，并緊壓在移動(dòng)爐排框架上，固定爐排和活動(dòng)爐排交替布置。最后由壓緊爐排使整個(gè)爐排系統(tǒng)緊扣。固定爐排固定在整個(gè)爐排框架上，整個(gè)爐排框架則按照一定角度使?fàn)t排傾斜。此外，往復(fù)式爐排可分為順推式和逆推式。其中順推式是指爐排片推動(dòng)垃圾的方向與垃圾焚燒過程移動(dòng)的方向相同，逆推式則相反。

因此，根據(jù)爐排的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理，設(shè)計(jì)了研究垃圾運(yùn)動(dòng)規(guī)律的機(jī)械爐排冷態(tài)試驗(yàn)裝置。整個(gè)冷態(tài)爐排試驗(yàn)系統(tǒng)由支撐框架、圓弧軌道、爐排系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)組成，并同時(shí)兼具逆推式與順推式爐排的功能。圖1為順推式模式的冷態(tài)試驗(yàn)裝置。通過調(diào)整爐排支撐框架2個(gè)端點(diǎn)O1、O2在支撐圓弧軌道中的位置，實(shí)現(xiàn)逆推與順推爐排系統(tǒng)的切換。

圖1 順推式模式的冷態(tài)試驗(yàn)裝置

2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用示蹤粒子方法研究爐排傾角和爐排行程對(duì)垃圾運(yùn)動(dòng)的影響。通過示蹤粒子在XOY面(俯視圖)和ZOY面(主視圖)的移動(dòng)軌跡來分析垃圾的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。其中XOY面表示橫向位移和縱向位移，ZOY面表示深度位移和縱向位移。試驗(yàn)中的垃圾模擬生活垃圾，含量如表1所示。

試驗(yàn)中，垃圾從輸料口進(jìn)入冷態(tài)爐排試驗(yàn)裝置中，通過活動(dòng)爐排片的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，對(duì)垃圾進(jìn)行擠壓和推動(dòng)，同時(shí)垃圾在自身重力作用下從爐床上由高位向低位運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)垃圾的翻滾和攪動(dòng)，并最終到達(dá)出料口。

表1 試驗(yàn)垃圾含量百分比

3 逆推式爐排試驗(yàn)

3.1 逆推式爐排垃圾輸送量

爐排傾角是爐排傾斜面與水平面夾角，即是相同爐排頭部(活動(dòng)爐排頭部或者固定爐排頭部)的連線與水平面的夾角。爐排行程則是活動(dòng)爐排在2塊固定爐排之間可移動(dòng)的最大位移。爐排傾角的提高和爐排行程的減小都將使垃圾輸送量增大，如圖2所示。傾角的增加使垃圾在爐排上沿垃圾流動(dòng)方向的傾斜度增加，從而增加了垃圾向前的重力分量，則垃圾的運(yùn)動(dòng)速度加大，垃圾平均輸送量提高。行程的減小使垃圾在固定爐排和活動(dòng)爐排之間的移動(dòng)距離減小，因而減小了垃圾在爐排上的停留時(shí)間，增大了垃圾輸送量。

圖2 逆推式爐排的垃圾輸送量的變化

當(dāng)爐排傾角較小時(shí)，爐排行程對(duì)垃圾輸送量的影響較小。但是隨著傾角增大，影響逐漸增大。當(dāng)爐排傾角為35°時(shí)，爐排行程為300 mm的垃圾輸送量比500 mm增加了127%。但值得注意的是，爐排傾角和行程都不宜太大或太小。傾角太大和行程太小容易造成垃圾在垃圾層較高時(shí)大于垃圾的自然傾斜角，垃圾一進(jìn)入爐膛，馬上會(huì)自動(dòng)地在爐排上沿著爐排面從上滾滑到下面。這樣就不能達(dá)到垃圾在爐排上滾動(dòng)燃燒的目的，也就無法把垃圾燃透。傾角太小和行程太大則容易使垃圾在爐排上的停留時(shí)間過長(zhǎng)，垃圾高度增大，流通截面增大，降低垃圾輸送效率，還會(huì)出現(xiàn)垃圾沉積現(xiàn)象，低層的垃圾不易排出。對(duì)于不同的焚燒爐，垃圾輸送量必須根據(jù)爐內(nèi)垃圾的燃燒特性而制定。

3.2 逆推式爐排垃圾混合率

爐排傾角和行程在影響垃圾輸送量的同時(shí)，還影響爐排上垃圾的混合和擾動(dòng)度。逆推式爐排在爐排傾角為25°左右時(shí)，與更大和更小傾角時(shí)相比，垃圾綜合混合效果較好。一方面是因?yàn)檩^大或較小的爐排傾角對(duì)垃圾自身重力的利用不夠，在高位的垃圾滾落太遠(yuǎn)或太近，未進(jìn)入2塊活動(dòng)爐排運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生在固定爐排上的低位無垃圾空間。另一方面，爐排的往復(fù)運(yùn)動(dòng)在不同傾角下會(huì)影響產(chǎn)生垃圾層的高度。傾角太小，垃圾層則較高，底部垃圾攪拌效果差;傾角太大，垃圾層則較低，整個(gè)垃圾層無法有效翻滾。

逆推式爐排在傾角相同的情況下，不同爐排行程對(duì)垃圾運(yùn)動(dòng)的影響如圖3和圖4所示。示蹤粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡說明:較大行程的爐排對(duì)垃圾的打散和疏松效果較好。在橫向位移方面，隨著往復(fù)運(yùn)動(dòng)使垃圾從第1塊爐排片向最后一塊爐排片移動(dòng)，不同的爐排行程對(duì)橫向錯(cuò)位的影響較小。這是因?yàn)闋t排的鋸齒狀頭部才是影響橫向的最重要因素。在深度位移方面，較大行程的爐排明顯優(yōu)于較小的。在較大爐排行程中，垃圾層被強(qiáng)烈地連續(xù)翻轉(zhuǎn)和攪動(dòng)，使垃圾層反復(fù)松散和重新排列。行程增大后，每一次活動(dòng)爐排前進(jìn)或者后退，都會(huì)使連續(xù)2塊爐排上的垃圾出現(xiàn)更大的垃圾層錯(cuò)層，固定爐排供垃圾跌落的空間更大，所以翻轉(zhuǎn)幅度更大。例如500 mm爐排行程的垃圾深度方向平均位移是300 mm爐排行程的1倍多。如果爐排行程小，垃圾運(yùn)動(dòng)較平穩(wěn)，則容易形成垃圾層流，并出現(xiàn)垃圾結(jié)塊。

4 順推式爐排試驗(yàn)

4.1 順推式爐排垃圾輸送量

與逆推式爐排在垃圾輸送上相比，順推式爐排傾角的提高使垃圾輸送量增大，但是爐排行程的減小卻使輸送量減小，如圖5所示。由于順推式爐排的活動(dòng)爐排推動(dòng)作用與逆推爐排相反，前進(jìn)主要為了推動(dòng)，后退則主要為了翻滾，這使得在順推爐排傾角較小時(shí)，行程減小，垃圾向前推動(dòng)越頻繁，垃圾在爐排上的平均停留時(shí)間減小，這就造成垃圾輸送量增大。

同一個(gè)爐排行程下，順推式爐排500 mm行程的輸送量是逆推式的2倍多，但300 mm行程的輸送量卻比逆推式小了一半。由此可知，大行程的順推式爐排和小行程的逆推式爐排更適合高效輸送垃圾。

圖5 順推式爐排的垃圾輸送量的變化

4.2 逆推式爐排垃圾混合率

由于順推式爐排的爐排傾角不易過大，垃圾在爐排上遠(yuǎn)小于垃圾的自然傾斜角，因此垃圾的運(yùn)動(dòng)依靠爐排的推動(dòng)。圖6和圖7是不同爐排行程的順推式爐排在相同爐排傾角下的部分示蹤粒子運(yùn)動(dòng)軌跡。順推式爐排縱向最大距離是3 000 mm，也就是說順推式爐排在行程為500 mm時(shí)，示蹤粒子全部排出爐排，這說明其輸送垃圾的速度快，同樣驗(yàn)證了大行程順推式爐排適合垃圾輸送。但在焚燒爐內(nèi)，垃圾更需要擾動(dòng)、翻滾，才能使垃圾充分且高效地燃燒。垃圾在小行程順推式爐排的橫向和深度方向的綜合滾動(dòng)效果較佳，與大行程的逆推式爐排相比，垃圾的輸送量更大。

焚燒爐內(nèi)的爐排一般分為干燥段、燃燒段和燃燼段。燃燒段上的垃圾需要翻滾混合度高，燃燒完全，停留時(shí)間充分，因此大行程的逆推式爐排比較適應(yīng)。而小行程的順推式爐排擾動(dòng)好，輸送快，可作為干燥段和燃燼段，縮短垃圾干燥和排出的時(shí)間。

5 結(jié)論

1)逆推式爐排傾角增大或爐排行程減小都將使垃圾輸送量增大;順推式爐排傾角和爐排行程增大使垃圾輸送量增大。

2)小行程順推式爐排和大行程的逆推式爐排的垃圾綜合混合效果較佳。

3)大行程逆推式爐排適應(yīng)焚燒爐的燃燒段，可以減少污染氣體的產(chǎn)生;小行程順推式爐排適合干燥段和燃燼段，能提高焚燒爐的燃燒效率。

4)根據(jù)適應(yīng)不同垃圾條件的焚燒爐特點(diǎn)，需要確定垃圾在最佳運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的爐排行程和爐排傾角的組合，讓垃圾在爐排上有適當(dāng)?shù)钠骄Ａ魰r(shí)間和混合率等，最終達(dá)到理想的燃燒效果。

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