双筒回转热解窑筒体设计

朱文娟，曹 卫，查文炜

（盐城工学院机械工程学院，江苏 盐城 224051）

1 引言

随着我国城市数量的增加、规模的扩大和人口的增多，垃圾的产量和增长率也逐年增加，庞大的城市垃圾已对城市及城市周围的生态环境构成日趋严重的威胁。利用水泥窑协同处置城市生活垃圾是近年来水泥行业提出的一条新的废弃物处理方法。垃圾热解后生成的灰渣进入预分解炉作为水泥原料煅烧水泥熟料，由于灰渣主要成分与煤灰类似，主要有SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O等成分，都是水泥原料所需要的成分，且灰渣的惨入量少，约为10%，容易满足不影响熟料整体强度的安全惨入量条件，因而无须另外进行调整水泥配料工艺，这些都为水泥生产线协同处置生活垃圾提供了理论基础。目前一些大型水泥生产企业，如北京新北水水泥有限责任公司、海螺集团、拉法基瑞安水泥有限公司等纷纷开展水泥窑协同处置城市生活垃圾、污泥、工业危险废弃物等的实践[1]。

2 工作原理

经过前期处理(分拣、破碎、烘干)的生活垃圾进入热解通道，在缺氧条件进行高温热解，生成复合燃气及碳状物，碳状物进入灰渣返热通道，在“三次风”中燃烧，变为垃圾灰渣，再进入预分解炉，灰渣返热通道中的高温烟气也进入预分解炉，加热从上一级旋风预热器进入预分解炉的物料，替代原水泥煅烧工艺中的“三次风”，且比原三次风的温度高，因而水泥生料粉的预分解效果更好，不会对原水泥煅烧工艺产生负面影响。热物料和烟气都从预分解炉上排气口进入预热器，气固分离，固体粉料在水泥回转窑窑尾部分继续煅烧生成熟料[2]。

3 设计内容

3.1 热解窑筒体结构方案的设计

图1 筒体结构示意

双筒回转热解窑结构包含外筒体、内筒体、支架，支架刚性联接外筒体与内筒体(如图1)。筒体在运转过程中要保持同心，因此支架的刚性联接要保证内外筒体的同轴度。外筒体内置外筒导料装置，内筒体内置内筒体倒料装置，内筒体内部称为垃圾热解通道，内筒体与外筒体之间称为灰渣返热通道(如图2)。双筒结构的设计是为了利用高温热载体快速加热垃圾实现850℃以上的高温热解，从根本上避免二恶英生成。相比之下外热式热解炉换热效率低得多，不能够避免二恶英的产生[2]。

图2 筒体内部结构

3.2 筒体尺寸设计

已知热解窑的筒体直径d=500mm，内筒与外筒内壁的距离350mm，外筒的壁厚200mm。总直径：D=500+350×2+200×2=1600mm。

根据经验公式L总≈8d，结合实际需要取L总=4240mm，根据实验室工作要求，筒体有效长度L=3000mm。

3.3 钢板厚度计算

图3 钢板厚度

筒体钢板厚度是由窑的规格和钢板材质而定[3](如图3)，按照经验公式：d=(0.006～0.008)D；初步确定筒体钢板厚度：d1=(0.006～0.008)×1600=9.6～12.8mm；选取外筒钢板厚度为12mm，d2=(0.006～0.008)×500=3～4mm。因为内筒的直径较小，为了增加窑筒体刚性，减少径向变形，可适当增加内筒的钢板厚度，选取内同钢板厚度d2=8mm。

由于轮带处筒体径向变形和环向弯曲应力最大，故该处筒体钢板的厚度可适当增厚，选取d1′=16mm。

3.4 筒体支点确定

支点数确定是一个比较复杂的问题。为保证筒体直线性，使用上希望少一些，制造上支点数少，制造件数也会少，但又使单个支承装置的结构庞大，给制造带来困难，材料消耗上，支点数少，支承装置的个数也少，但单个支承装置和筒体的重量都要增加。随着制造、安装技术的发展，回转窑筒体有减少支点数，适当增加跨距的趋势。

由于φ500的双筒回转热解窑属于小窑，可选择两点支撑，设计尺寸为：窑头段L1=900mm，中间段L2=2840mm，窑尾L3=500mm。

3.5 大齿圈的位置

筒体受热伸长，为减少两端累计伸长量，一般挡轮设在筒体的中间挡(挡数为奇数时)或中点后一挡(挡数为偶数时)。大齿圈置于窑中部靠近挡轮处，其距离近似等于筒体直径，这样放置可使传动系统远离两端，减少热和粉尘的影响，筒体上的扭矩小，并容易保证齿轮啮合平稳和全宽接触。有时因其他原因，也可灵活确定挡轮及大齿圈位置。根据生产实践经验选择把大齿圈放在进料口处。

3.5 筒体内保温材料的设计

内保温材料的作用，包括以下几方面：

(1)保护筒体。

热解窑中温度达到950℃以上，因此必须在筒体内镶砌耐火材料来保护筒体，使其不受损伤，保持正常生产，这是主要作用。

(2)减少筒体散热损失。

由于筒体温度比周围空气温度高，因此它要向外界散热，一般筒体表面散热损失约占总热耗15%～16%。

(3)起蓄热作用。

常见的耐火材料有粘土砖、高铝砖、镁砖、碳化硅、散状耐火材料等。

浇注料是散状耐火材料的一种，即是在粒度已调整好的耐火集料中，加入适当的结合剂事先混合，用水或特定的液体进行混凝后，能浇注成型的耐火材料。其特点是使用简单，热稳定性好[4]。

本设计采用浇注料作为内保温材料，厚度为180mm。

3.6 扬料板的设计

回转烘干机内扬料装置有多种型式：

(1)槽型：适用于粘性小的物料。

(2)直板型：适用于粘性大的物料，扬料版为角钢、槽钢，高度约为烘干机直径的1/8～1/12。缺点是扬尘较大。适用于干燥块状物料，如粘土等。

(3)扇形式：适用于密度大的大块状物料，如石灰石、页岩等,筒体出口气体速度为1.5～3m/s。烘干机的出口气体温度为8～150℃。

(4)双筒式：适合物料不宜直接与高温接触的物料。

(5)蜂窝式：物料填充效率高。物料与气体接触面积也大。

(6)复合式扬料板：60°、90°、120°弯曲的扬料板沿着筒体交替排列，环与环之间的扬料板形均匀的料瀑式错开安装，有利于形成。

本设计选用直板型(如图4)，因为生活垃圾是属于粘性比较大的物料。扬料板的尺寸为长200mm、宽100mm、厚10mm，沿筒体圆周分布扬料板排数z=10块，沿筒体径向分布每排z′＝15块。

3.7 填充率设计

回转炉内物料应有较大填充率，且不产生相互干扰，按球磨机研磨体填充理论，y=0.42，y为填充系数，本设计取y=0.4。

4 结语

图4 直板型扬料板

要使双筒回转热解窑能够高效的运转并协同水泥生产线处理城市生活垃圾，设计是其第一保证，其次是制造加工。筒体的设计是回转热解窑设备长期安全运转的关键之一，只有全方面考虑才能使回转热解窑连续而高效的运转。

[1]颜碧兰,汪澜,魏丽颖.我国水泥窑协同处理废物技术规范研究进展[J].总工论坛,2012(1):182-184.

[2]倪文龙,黄道春,查文炜.双筒回转窑热解垃圾工艺:中国,201220265252.3[P].2012-05-29.

[3]周沛.水泥煅烧工艺与设备(下册)[M].武汉:武汉工业大学出版社,1995.

[4]许林发.建筑材料机械设计[M].武汉:武汉工业大学出版社,1996.