垃圾焚烧炉设备选型及机械设计分析

王建刚，张晓阳

（天华化工机械及自动化研究设计院有限公司，甘肃兰州 730070）

0 引言

随着时代的进步和发展，城市也变得越来越拥挤，城市垃圾的数量不断增加，为了防止这些垃圾对生态环境带来不必要的影响，如何更好地处理这些垃圾成为当前的重要研究课题。随着城市垃圾数量的增加与堆积，垃圾处理工作的开展已经迫在眉睫，采用焚烧炉集中焚烧处理能够产生非常好的处理效果。为了使不同类型的垃圾焚烧效果达到最优，需要选择不同类型的焚烧炉，并加强对相关机械设计内容的研究。

1 垃圾焚烧炉及其各子系统

当前阶段所使用的垃圾焚烧发电系统的组成非常复杂，包括垃圾接收、贮存系统、热能利用系统、灰渣收运系统以及烟气处理系统。在这些子系统的协同作用下，能够实现对垃圾的焚烧和发电，在整个垃圾焚烧发电系统中，这些子系统发挥着不可替代的作用：①垃圾的接收和贮存系统是生活垃圾的放入口和贮存处；②烟气处理系统对垃圾焚烧过程中产生的烟气进行处理，防止空气污染；③热能利用系统利用垃圾焚烧产生的热能制造蒸汽发电，燃烧发电也是垃圾焚烧处理的主要利用方式；④灰渣收运系统处理垃圾焚烧过后的残余物。在整个焚烧发电系统中，每个子系统都有其功效和作用，只有每个系统都处于最佳的运行状态，才能够保障垃圾处理的工作质量和效率。由于子系统的类型非常多，不同型号的焚烧炉其运作效率不尽相同，需要结合垃圾的种类和具体情况，对焚烧炉设备型号进行合理选择，并在此基础上开展合理的机械设计工作。

2 垃圾焚烧炉的设备选型

2.1 垃圾焚烧炉机械结构和运行机理

垃圾焚烧处理法在我国已经有了较长的使用时间，随着实践工作的开展，垃圾焚烧处理系统也经过了不断的优化和完善，技术体系已经趋于成熟。在垃圾焚烧处理系统运行的过程中，焚烧处理的核心设备就是焚烧炉。不同类型垃圾的热值一般不同，如果在没有进行垃圾分类的基础上直接燃烧，为了实现垃圾的充分燃烧，必须要重视燃烧过程中焚烧炉的参数变化，其中最重要的参数就是停留时间和燃烧温度，如果控制不当就会导致焚烧过程产生有害物质。

当前阶段常见的焚烧炉主要有三种类型，分别是机械炉排焚烧炉、流化床焚烧炉和旋转窑焚烧炉，在实践中可以结合垃圾的种类来选择合理的焚烧炉类型（表1）：①机械炉排焚烧炉的运作原理是将垃圾置于层状炉排上进行燃烧，经过干燥、燃烧、燃尽等程序完成整个焚烧工作；②流化床焚烧炉主要由进料口、破碎机、分选机、石英砂、流化床等部分组成，石英砂是炉内的主要热载体，在燃烧过程中将石英砂升温至600 ℃，之后将破碎后的垃圾投入炉内，此时石英砂与干燥的垃圾接触后就会快速燃烧；③旋转窑焚烧炉中，垃圾从上部投料进入旋转窑内，通过旋转和翻转使垃圾逐渐移动，经历干燥、燃烧和燃尽等流程。

表1 主要垃圾焚烧炉设备特性比较

2.2 常用垃圾焚烧炉选型

（1）机械炉排焚烧炉。该型号的焚烧炉有着非常长的发展时间和应用时间，在整个焚烧炉市场中有着较高的市场份额，其技术体系相对成熟，可靠性比较高。机械炉排焚烧炉采用层状的燃烧方式，在垃圾燃烧方面有着较强的适应性，也能达到充分燃烧的目的，能对热值低、含水量高的垃圾进行燃烧处理，采用该燃烧处理方式，一次可以处理的垃圾数量非常可观，因为这些处理优势的存在，使得机械炉排焚烧炉有着非常大的市场份额。但是该种燃烧处理方式在使用中仍然存在缺陷，其系统结构的复杂程度较高，在长时间的运作过程中可能会出现炉排卡住等问题，对焚烧炉的继续运行造成巨大影响，因此机械炉排焚烧炉必须要进行定期的停炉检查养护。

（2）流化床焚烧炉。该类型的焚烧炉一次处理的垃圾量较小，对待处理垃圾的要求较高，使用过程中有较大的限制性，市场接受程度较低。使用流化床焚烧之前，需要对垃圾进行充分的破碎处理，所使用的分选破碎机械系统的复杂程度较高，因此对焚烧炉也有着较高的应用要求。为了充分燃烧部分热值较低的垃圾，在处理的过程中还需要加煤，因此其整个操作过程非常复杂、低效。

（3）旋转窑焚烧炉。该种型号的焚烧炉更多是应用在对工业固体垃圾的处理上，采用的是翻滚的燃烧形式。由于旋转窑焚烧炉燃烧过程的特殊性，整个燃烧工程的控制难度大大增加，如果所处理的垃圾热值较低，会给燃烧工作带来困难。

3 垃圾焚烧炉的机械设计研究

流化床焚烧炉和旋转窑焚烧炉的应用范围较小，市场上多数采用机械炉排焚烧炉焚烧垃圾（图1）。以机械炉排焚烧炉为例，分析其机械组成结构，在保证机械结构设计合理、运作协同的基础上，实现焚烧炉的安全稳定使用。

图1 小型生活垃圾焚烧炉

3.1 焚烧炉液压连杆机构

机械炉排焚烧炉运行过程涉及到大量的往复和翻转运转，由液压系统实现动作，在液压杆机构的驱动下，能够使炉排等机构作出相应的机械动作，保障垃圾充分燃烧。

3.2 炉排的机械设计要求

炉排直接影响焚烧炉的工作稳定性，在对炉排选型时，对其制作材料有非常高的要求，为保障炉排的耐腐蚀性和耐热性，必须要选用合金材料。加工炉排时需要打磨表面，保证炉排有足够的粗糙度，避免炉排间隙漏灰的问题。此外，对于炉排装配、配件更换和风孔设计都有非常高的要求。

3.3 垃圾炉膛的设计要求

炉膛内的体积是指炉排上方至高温烟气开始降温截面之间的全部体积。炉膛内的高度要保证炉膛内的最高烟气温度可以达到850 ℃，同时维持一定的烟气流速，使烟气的停留时间≥2 s。进料斗的设计要保证斗内垃圾存储量≥0.5～1 h 的处理量，其尺寸大小要参照抓斗全开时的尺寸进行设计，通常情况下可以在此基础上直径再增加1 m。通过对整个焚烧炉机械结构的合理设计，不仅能够大幅提升焚烧炉的运行质量和效率，还能够保障整个焚烧工作的安全性。

3.4 焚烧炉机械设计尺寸

首先确定炉膛尺寸，包括炉底宽度、长度和焚烧炉的内部高度等，合理选择炉底热强度，计算焚烧率等参数。如炉底热强度P=150～200 kg/（m2·h）。由炉底内部面积计算。其中，B是炉排两侧炉墙的间距；L 是炉排的有效长度；G 是炉子的焚烧量。在求出炉底面积之后，再依据炉底长宽比来确定炉底的长度与宽度。

4 结束语

随着现代化城市建设和生态环境保护工作的开展，垃圾处理问题是当前阶段的社会关注重点，对垃圾处理的要求就是充分焚烧，防止其焚烧过程对自然环境造成二次污染。随着科学技术的发展，垃圾焚烧技术也得到了进一步的优化与创新，城市垃圾在得到有效处理的同时，已经实现可再生能量的转化，将燃烧过程的热能转化为清洁的电能，实现焚烧发电。因此在未来垃圾焚烧处理工作开展的过程中，在做好设备选型工作的基础上，还要给予机械设计工作足够的重视，推动垃圾焚烧处理事业的稳定发展。