张建东 乔月平

（青岛荏原环境设备有限公司，山东 青岛 266031）

0 引言

焚烧处理作为城镇生活垃圾资源化、无害化和减量化的主要措施，已经在我国进行了广泛的推广和应用。随着垃圾焚烧发电技术的日臻成熟，对垃圾焚烧的工艺要求也进一步提高。为了有效地降低二噁英等有害物质的排放量，按照《生活垃圾焚烧厂运行监管标准》（CJJ/T 212—2015）的要求，起炉后炉内温度达到850 ℃以上，才能投入垃圾。由于原来带有扇形闸门的垃圾投料斗仅适用于垃圾密封的起炉方式，因此需要开发新型垃圾投料斗，以满足环保监管部门的要求。

1 新型投料斗研发的背景和目的

在生活垃圾焚烧处理技术中，炉排炉焚烧技术已成为主流。据统计，截至2020 年1 月，全国已投运垃圾焚烧厂492 座。其中采用机械炉排炉的设备台数占比超过86%。在机械炉排炉焚烧系统中，给料系统是重要的子系统之一，给料系统的可靠性和稳定性，影响整个项目的连续稳定运行[1，4]。

1.1 原有垃圾投料斗在使用中存在的问题

垃圾抓斗、垃圾投料斗和推料器是整个给料系统的核心设备，该文重点介绍了垃圾投料斗。原有的垃圾投料斗采用的是扇形闸门，如图1 所示。这种结构最大的问题是无法满足炉内温度达到850 ℃才能投料的监管要求。通常的起炉方式都是采用垃圾密封，即炉内开始升温前，需要将垃圾事先投入料斗内，积存在推料器上方进行密封。如果使用闸门密封，当炉内温度达到850 ℃后，闸门开启时闸门会进入闸门壳内，如果在闸门上方撒上垃圾，则垃圾会随着闸门进入壳体的缝隙，极易将闸门卡死，导致闸门无法开启，进而无法投料。如果闸门上方不撒垃圾的话，当炉内温度达到850 ℃开启闸门时，由于炉内维持负压，会使大量的冷空气从垃圾池内进入炉膛，因此炉内温度会瞬间下降100 ℃～200 ℃，这样在投垃圾前，就无法保证炉内温度达到850 ℃[2-3]。

图1 原有垃圾投料斗示意图

此外，原有的垃圾投料斗的水冷夹套高度只有1.8 m，采用闸门密封的方式起炉时，上部溜槽的壳体温度经常超温，容易影响壳体的使用寿命。

1.2 开发的新型垃圾投料的功能

为了解决原有垃圾投料斗在使用中存在的无法实现850 ℃投料，以及溜槽壳体超温的问题，研究人员计划开发一种可以在闸门开启的瞬间实现垃圾密封的油缸直推式闸门，同时将水冷夹套的高度提高到2.3 m，如图2 所示。

图2 新型垃圾投料斗示意图

这种带有油缸直推式闸门的新型投料斗，可以在炉内温度达到850 ℃并且没有开启闸门时，先在闸门上撒上适量的垃圾，闸门开启的瞬间，垃圾落入推料器上，这样既可以实现垃圾密封，又不会使炉内温度降低[5]。

2 新型垃圾投料斗的开发过程

2.1 闸门支座的强度校核

新型垃圾投料斗开发的过程中，由于要考虑垃圾的载荷加在闸门上的情况，因此对于油缸支座的强度要求较高。在开发过程中，将实现密封（料位在喉口部）时的垃圾重量作为依据，对闸门油缸支座的强度进行了模拟计算，强度安全系数大于2，结果合格。如图3 所示。

图3 闸门支座强度校核示意图

2.2 油缸保护罩内的热分析

由于闸门关闭时油缸杆要进入料斗内直至炉温升至850 ℃，这会使油缸杆温度超过使用要求，因此需要追加玻璃纤维罩，并对该区域的温度进行模拟计算，如图4 所示。这是新型垃圾投料斗的另一个重要问题。加入玻璃纤维罩后油缸杆温度就可以小于150 ℃。

图4 油缸保护套内的温度计算示意图

3 新型垃圾投料斗的现场实验和结论

3.1 现场安装与冷却用风机的追加

在研发阶段前期进行的温度场模拟计算中，发现油缸杆所在区域的温度较高，超出了油缸使用的环境温度。因此，在设备热态调试前，发往该现场4 台（每个油缸1台）小型高压风机，来对油缸进行冷却。并且在现场准备了型钢及螺栓螺母等材料，用来固定风机。同时为了更好地冷却油缸杆，现场专门制造了专用喷嘴并固定在风机出口处。

3.2 实验器材的准备与测点的布置

随风机一起发往现场的还有 4 套接线用动力电缆及控制装置、1 台无纸记录仪（连接热电偶温度计，可以多通道实时记录各测点温度）、1 把红外测温枪和 1 台热成像仪（可以将高温区域各点温度分布成像）。

连接至无纸记录仪的热电偶温度计（φ2，L=200 mm）共计10 只，分别测量在起炉时，焚烧炉出口温度（T0）上升至850 ℃的过程中，编号（T1～T10）的温度。

3.3 数据记录及分析

在进行现场实验时，为了准确测量焚烧炉从0～850 ℃的升温过程中，各测点的温度数据，分别采用了红外测温枪（每间隔50 ℃测量一次各点温度）和热电偶连接的无纸记录仪2 种方式记录数据，此外还利用热成像仪进行区域温度分布成像。红外测温枪测量的数据，见表1。

表1 某项目现场 1 号炉垃圾料斗闸门油缸冷却实验温度记录表/℃

如上文所述，除了采用红外测温枪外，还利用无纸记录仪实时记录了上述10 个测点的温度，下面分别就开启冷却风机与未开启冷却风机时，料斗闸门和油缸连接杆的温度分别绘制了对比曲线。如图5 和图6 所示。

图5 某项目现场1 号炉开启冷却风机与不开冷却风机料斗闸门温度对比曲线

图6 某项目现场1 号炉开启冷却风机与不开冷却风机时油缸连接块温度对比曲线

3.4 实验结论

通过对实验数据的分析可知，焚烧炉出口温度升至750 ℃的过程中，开启冷却风机可以使油缸连接块温度最大降低60 ℃左右，开启冷却风机可以使料斗闸门炉外侧温度最大降低40 ℃左右。由此可见冷却风机在降低油缸杆温度方面确实起到了一定的作用。同时，由于燃烧器出力的原因，焚烧炉出口温度仅上升到750 ℃左右。在没有开启风机的情况下，油缸杆连接块的温度虽然达到150 ℃，却没有出现漏油等异常现象。通过上述实验证明原设计基本实现了预期的功能。该实验虽然未能验证焚烧炉出口850℃时，料斗闸门开启时油缸的状态。但是，从起炉时料斗闸门温度变化的曲线可以得出，在低于600 ℃（即开启点火燃烧器）时，料斗闸门温度上升较快，在达到600 ℃开启辅助燃烧器后，料斗闸门油缸的温度上升较慢。因此，推断在焚烧炉出口达到850 ℃时，该直推式闸门油缸出现问题的可能性较小。图7、图8 为在某垃圾焚烧发电项目现场起炉阶段进行验证时，使用热成像仪拍摄的区域温度场照片。图7 所示为未采用冷却措施式时，最高温度200℃出现在油缸杆儿所在的保护套内，但油缸并未出现漏油等损坏现象，设备正常完成了预期功能。图8 为壳体最高温度达到107 ℃，未出现热变形等异常现象。

图7 用热成像仪测量油缸杆保护套内部温度

图8 用热成像仪测量料斗壳体温度

4 新型垃圾投料斗操作要领及在项目上的应用

该实验总结出新型垃圾投料斗的操作要领如下。起炉时料斗闸门关闭，焚烧炉出口温度每升高100 ℃用红外测温枪测量1 次料斗闸门油缸杆（或连接块）的温度，炉出口温度达到850 ℃时，事先在密封闸门上撒上2 爪（可根据炉宽与抓斗容积适当调整）垃圾，闸门完全开启的瞬间投入第3 爪垃圾，垃圾料位达到喉口部可实现密封。应用这种操作方式可以使新型垃圾料斗顺利完成投料工作，并且设备不会出现问题[6-7]。

根据上述实验结果总结的起炉操作要领，目前已应用在另外2 个项目现场中，虽然开启冷却风机后油缸杆的温度有明显下降，但是不开启冷却风机油缸也没有出现问题。为降低成本，在另外2 个现场中没有使用冷却风机，油缸没有出现漏油，再次证明了新开发的垃圾料斗可以实现其预期的功能。

5 结语

新型垃圾投料斗的研发和在实际工程中的应用，成功地解决了垃圾投料斗在炉膛温度850 ℃以上投料的难题，满足了环保监管部门的最新要求。新型垃圾料斗的成功开发，加深了相关工作人员垃圾焚烧设备性能的认识，增强了研究人员解决工程难题，攻克技术壁垒的信心。随着国内垃圾分类政策的实施，该项技术为深入研究机械炉排式垃圾焚烧技术，对焚烧设备进行改造升级，提升运营单位的产能，增加经济效益和社会效益奠定了坚实的基础。