大吨位垃圾焚烧炉风冷炉排片及炉排模块化结构设计研究

严江萍

摘要：机械炉排炉是世界上比较常用的炉排式生活垃圾焚烧炉炉型，炉排片及其冷却结构设计是焚烧炉的关键技术。近年来，随着垃圾处理需求的增加，单台焚烧炉的处理能力在不断增加，因此其炉排宽度也不断增加，如何在满足稳定高效燃烧的前提下控制炉排运动成为了实际运行中所面临的难点之一。因此，本文就大吨位垃圾焚烧炉风冷炉排片及炉排模块化结构设计进行了研究。

关键词：垃圾焚烧炉；风冷炉排片；模块化炉排

近年来，随着国民经济的高速发展和城镇居民生活水平的日益提高，我国生活垃圾产生量的迅速膨胀和有限的土地资源之间的矛盾凸显。对于垃圾的处理来说，填埋是固废的最终处置方式，其处理的成本相对较低。机械炉排炉是世界上比较常用的炉排式生活垃圾焚烧炉炉型，炉排片及其冷却结构设计是焚烧炉的关键技术。基于此，本文研究了采用风冷炉排和模块化炉排控制技术的可行性。

1 高效风冷炉排片研究

1.1 物理模型及边界条件

针对风冷炉排片的使用效果，本研究主要采用了计算流体力学方法进行探讨。风冷炉排需要合理的散热面积，所以其结构设计至关重要结构，结构不合理会造成炉排片的烧损。

模拟假设和边界条件如下：不考虑飞灰的影响；假设风冷入口处速度均匀分布；气固两相均不可压缩；固液两相分别遵循各自的控制方程；进出口都采用流量边界条件，炉排片外界温度（即焚烧炉内部温度）设置为1000℃，风冷温度为200℃。

1.2 模拟结果

通过模拟分析得到以下结果，炉排片拉钩端温度较高，顺向刮片的方向依次降低，这是由于冷却风出口位于刮片的部位所致。炉排片上部主要温度位于279℃-412℃（552k-685k）之间，下部主要温度位于200℃-279℃（473k-552k）之间，即冷却风对炉排片上部主要部分降温幅度可达588℃以上，对炉排片下部主要部分降溫幅度可达721℃以上，降温效果非常明显。

2 模块化炉排应用研究

常见的炉排运行机构，主要是由主轴、轴承、弹性连接、固定点和液压缸等结构组成。主轴的运行状态将直接决定移动炉排的运行效果，所以下面将基于主轴的工作能力来展开模块化炉排的设计研究。

2.1 主轴推力分析

主轴在驱动炉排架时，主要受到液压系统输出的推力和炉排架运行阻力两个力的作用，研究发现，当焚烧炉单机处理能力达到约500吨/天以上时，常见的整轴驱动机构已经无法满足要求，增加液压缸参数经济性较差。但如果焚烧炉单机处理能力达到800吨/天，主轴驱动轴如果同样采用双轴驱动，单根轴的热膨胀量按照同样的计算方法，膨胀值会突增到16.85mm，超出相关标准要求。由于主轴膨胀量过大，主轴曲柄位置将发生偏移，经过连杆机构对活动架将不作用在同一直线上，会对活动架的驱动稳定性起到破坏作用，所以在单机处理能力达到800吨/天的焚烧炉选择的主轴驱动方式应采用多段模块化驱动，即用多轴的方法，控制主轴的长度，将热膨胀的影响控制在最小范围内。

2.2 主轴有限元受力分析

基于上文的分析，下面将通过Solidworks Simulation有限元分析软件对炉排所属主传动轴进行轴用应力分析，旨在校核主传动轴在不同的工况下的强度是否满足使用要求。由于主传动轴的长度、截面、施力点在不同吨位的情况下各有不同，特捡取单机处理量300吨/天、600吨/天、800吨/天三个比较典型的焚烧炉的使用工况进行有限元分析。

300吨/天的焚烧炉为单轴整体驱动，主传动轴主体结构为外径245、内径205的无缝钢管，两端承受16000N.m的扭矩，中间耳板各承受3500N.m的反向扭矩。变形比例5.4×10-6，主传动轴的强度能够满足使用要求。

600吨/天的焚烧炉为分区驱动，所以本次分析时仅针对单侧的主轴进行分析。主传动轴主体结构为外径245、内径205的无缝钢管，一端承受16000N.m的扭矩，另一端无主动力矩，中间耳板各承受5000N.m的反向扭矩。变形比例1.4×10-6，主传动轴的强度能够满足使用要求。

800吨/天的主传动轴采用多段轴模块化分区驱动控制，所以本次分析只捡取其中一段进行分析。主传动轴主体结构为外径194、内径150的无缝钢管，两端耳板承受16000N.m的扭矩，中间耳板各承受14000N.m的反向扭矩。变形比例8.2×10-9，主传动轴的强度能够满足使用要求。

通过对3个典型结构的的主传动轴进行分析后可知：两端轴承支撑位受力明显，轴承的静载荷802KN可以满足使用要求，但存在疲劳极限的磨损可能，需要定期保养，维修更换；多段轴模块化结构的变形比例明显低于前两种，安全系数更高，适合大吨位垃圾焚烧炉使用。

2.3 模块化应用结果分析

第一种情况：两台容量相同的焚烧炉，均采用整体炉排控制。炉中左侧和右侧烟气温度波动平稳，排烟温度850～1150℃。这说明小容量锅炉可采用整体控制炉排。

第二种情况：一台采用整体控制，另一台采用分区控制。采用整体控制的焚烧炉燃烧温度波动较大，而采用分区驱动控制的则稍平缓。

第三种情况：一台采用整体控制，另一台采用模块化分区控制，采用整体控制的焚烧炉燃烧温度波动偏大，而采用分区驱动控制的则稍平缓。这说明，对于大吨位垃圾焚烧炉宜采用模块化分区炉排控制。

3 结语

本文通过应用计算流体力学、有限元等手段研究了采用风冷炉排和模块化炉排控制技术的必要性和可行性。采用风冷炉排，冷却效果明显；针对模块化炉排设计，研究表明当炉宽尺寸达到一定限度的时候，为了保证焚烧炉的燃烧稳定，驱动方式应采用分段分区控制，而大吨位的炉排更应该采用模块化分段分区驱动控制，保证其燃烧的稳定性。

参考文献

[1] 林武，康锋，周志勇. 垃圾焚烧发电厂炉排炉选型和设计研究[J]. 中国环保产业，2016（8）：25-30.

[2] 熊小康，江历英，曾招群，等. 试谈垃圾焚烧炉排炉在设计、监造、安装过程中的注意事项[J]. 能源研究与管理，2016（2）：37-38.

[3] 黄旌. 炉排式垃圾焚烧炉运行中的两个问题分析及措施[J]. 科技创新导报，2017（9）：82-83.

（作者单位：江苏天楹环保能源成套设备有限公司）