生活垃圾机械炉排运动试验研究

朱新才，李 鹏，冯 威，林顺洪，丁又青

(1.重庆理工大学，重庆 400054;2.重庆科技学院，重庆 401331)

往复式机械炉排焚烧炉是世界上比较常用的炉排式生活垃圾焚烧炉炉型，其炉排的往复运动能将燃料层翻搅，使空气与垃圾燃料充分接触，达到较好的燃烧效果。机械炉排作为核心部件，负责炉内垃圾输运，同时提高垃圾与空气的混合和扰动度。对炉排上垃圾的搅动可直接影响垃圾在焚烧炉中的燃烧效果，并且直接导致燃烧是否产生污染气体。因此，研究生活垃圾在机械炉排上的运动规律，分析适合垃圾焚烧的炉排结构参数，使之能够高效搅动垃圾并使之燃烧完全，是实现机械炉排优化设计和改进的有效方法。

1 冷态试验装置

机械炉排一般主要包括框架、活动炉排和固定炉排3个机械部分。各个炉排片之间保持紧密贴合，连接成排，并相互交迭，保证垃圾不会泄露。炉排片分别固定在活动炉排框架上，并紧压在移动炉排框架上，固定炉排和活动炉排交替布置。最后由压紧炉排使整个炉排系统紧扣。固定炉排固定在整个炉排框架上，整个炉排框架则按照一定角度使炉排倾斜。此外，往复式炉排可分为顺推式和逆推式。其中顺推式是指炉排片推动垃圾的方向与垃圾焚烧过程移动的方向相同，逆推式则相反。

因此，根据炉排的结构特点和工作原理，设计了研究垃圾运动规律的机械炉排冷态试验装置。整个冷态炉排试验系统由支撑框架、圆弧轨道、炉排系统、液压系统、电控系统组成，并同时兼具逆推式与顺推式炉排的功能。图1为顺推式模式的冷态试验装置。通过调整炉排支撑框架2个端点O1、O2在支撑圆弧轨道中的位置，实现逆推与顺推炉排系统的切换。

图1 顺推式模式的冷态试验装置

2 试验方法

试验采用示踪粒子方法研究炉排倾角和炉排行程对垃圾运动的影响。通过示踪粒子在XOY面(俯视图)和ZOY面(主视图)的移动轨迹来分析垃圾的运动规律。其中XOY面表示横向位移和纵向位移，ZOY面表示深度位移和纵向位移。试验中的垃圾模拟生活垃圾，含量如表1所示。

试验中，垃圾从输料口进入冷态炉排试验装置中，通过活动炉排片的往复运动，对垃圾进行挤压和推动，同时垃圾在自身重力作用下从炉床上由高位向低位运动，从而实现垃圾的翻滚和搅动，并最终到达出料口。

表1 试验垃圾含量百分比

3 逆推式炉排试验

3.1 逆推式炉排垃圾输送量

炉排倾角是炉排倾斜面与水平面夹角，即是相同炉排头部(活动炉排头部或者固定炉排头部)的连线与水平面的夹角。炉排行程则是活动炉排在2块固定炉排之间可移动的最大位移。炉排倾角的提高和炉排行程的减小都将使垃圾输送量增大，如图2所示。倾角的增加使垃圾在炉排上沿垃圾流动方向的倾斜度增加，从而增加了垃圾向前的重力分量，则垃圾的运动速度加大，垃圾平均输送量提高。行程的减小使垃圾在固定炉排和活动炉排之间的移动距离减小，因而减小了垃圾在炉排上的停留时间，增大了垃圾输送量。

图2 逆推式炉排的垃圾输送量的变化

当炉排倾角较小时，炉排行程对垃圾输送量的影响较小。但是随着倾角增大，影响逐渐增大。当炉排倾角为35°时，炉排行程为300 mm的垃圾输送量比500 mm增加了127%。但值得注意的是，炉排倾角和行程都不宜太大或太小。倾角太大和行程太小容易造成垃圾在垃圾层较高时大于垃圾的自然倾斜角，垃圾一进入炉膛，马上会自动地在炉排上沿着炉排面从上滚滑到下面。这样就不能达到垃圾在炉排上滚动燃烧的目的，也就无法把垃圾燃透。倾角太小和行程太大则容易使垃圾在炉排上的停留时间过长，垃圾高度增大，流通截面增大，降低垃圾输送效率，还会出现垃圾沉积现象，低层的垃圾不易排出。对于不同的焚烧炉，垃圾输送量必须根据炉内垃圾的燃烧特性而制定。

3.2 逆推式炉排垃圾混合率

炉排倾角和行程在影响垃圾输送量的同时，还影响炉排上垃圾的混合和扰动度。逆推式炉排在炉排倾角为25°左右时，与更大和更小倾角时相比，垃圾综合混合效果较好。一方面是因为较大或较小的炉排倾角对垃圾自身重力的利用不够，在高位的垃圾滚落太远或太近，未进入2块活动炉排运动产生在固定炉排上的低位无垃圾空间。另一方面，炉排的往复运动在不同倾角下会影响产生垃圾层的高度。倾角太小，垃圾层则较高，底部垃圾搅拌效果差;倾角太大，垃圾层则较低，整个垃圾层无法有效翻滚。

逆推式炉排在倾角相同的情况下，不同炉排行程对垃圾运动的影响如图3和图4所示。示踪粒子的运动轨迹说明:较大行程的炉排对垃圾的打散和疏松效果较好。在横向位移方面，随着往复运动使垃圾从第1块炉排片向最后一块炉排片移动，不同的炉排行程对横向错位的影响较小。这是因为炉排的锯齿状头部才是影响横向的最重要因素。在深度位移方面，较大行程的炉排明显优于较小的。在较大炉排行程中，垃圾层被强烈地连续翻转和搅动，使垃圾层反复松散和重新排列。行程增大后，每一次活动炉排前进或者后退，都会使连续2块炉排上的垃圾出现更大的垃圾层错层，固定炉排供垃圾跌落的空间更大，所以翻转幅度更大。例如500 mm炉排行程的垃圾深度方向平均位移是300 mm炉排行程的1倍多。如果炉排行程小，垃圾运动较平稳，则容易形成垃圾层流，并出现垃圾结块。

4 顺推式炉排试验

4.1 顺推式炉排垃圾输送量

与逆推式炉排在垃圾输送上相比，顺推式炉排倾角的提高使垃圾输送量增大，但是炉排行程的减小却使输送量减小，如图5所示。由于顺推式炉排的活动炉排推动作用与逆推炉排相反，前进主要为了推动，后退则主要为了翻滚，这使得在顺推炉排倾角较小时，行程减小，垃圾向前推动越频繁，垃圾在炉排上的平均停留时间减小，这就造成垃圾输送量增大。

同一个炉排行程下，顺推式炉排500 mm行程的输送量是逆推式的2倍多，但300 mm行程的输送量却比逆推式小了一半。由此可知，大行程的顺推式炉排和小行程的逆推式炉排更适合高效输送垃圾。

图5 顺推式炉排的垃圾输送量的变化

4.2 逆推式炉排垃圾混合率

由于顺推式炉排的炉排倾角不易过大，垃圾在炉排上远小于垃圾的自然倾斜角，因此垃圾的运动依靠炉排的推动。图6和图7是不同炉排行程的顺推式炉排在相同炉排倾角下的部分示踪粒子运动轨迹。顺推式炉排纵向最大距离是3 000 mm，也就是说顺推式炉排在行程为500 mm时，示踪粒子全部排出炉排，这说明其输送垃圾的速度快，同样验证了大行程顺推式炉排适合垃圾输送。但在焚烧炉内，垃圾更需要扰动、翻滚，才能使垃圾充分且高效地燃烧。垃圾在小行程顺推式炉排的横向和深度方向的综合滚动效果较佳，与大行程的逆推式炉排相比，垃圾的输送量更大。

焚烧炉内的炉排一般分为干燥段、燃烧段和燃烬段。燃烧段上的垃圾需要翻滚混合度高，燃烧完全，停留时间充分，因此大行程的逆推式炉排比较适应。而小行程的顺推式炉排扰动好，输送快，可作为干燥段和燃烬段，缩短垃圾干燥和排出的时间。

5 结论

1)逆推式炉排倾角增大或炉排行程减小都将使垃圾输送量增大;顺推式炉排倾角和炉排行程增大使垃圾输送量增大。

2)小行程顺推式炉排和大行程的逆推式炉排的垃圾综合混合效果较佳。

3)大行程逆推式炉排适应焚烧炉的燃烧段，可以减少污染气体的产生;小行程顺推式炉排适合干燥段和燃烬段，能提高焚烧炉的燃烧效率。

4)根据适应不同垃圾条件的焚烧炉特点，需要确定垃圾在最佳运动状态下的炉排行程和炉排倾角的组合，让垃圾在炉排上有适当的平均停留时间和混合率等，最终达到理想的燃烧效果。

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