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案例 | 垃圾焚燒機械爐排產品的開發及應用

更新時間:2020-09-14 10:34 來源:能源與節能 作者: 吳浩 喬克非等 閱讀:552 網友評論0

摘要:垃圾焚燒爐排是城市生活垃圾處理的核心設備,對焚燒效果起著決定作用。為實現西格斯技術路線的爐排產品大型化,通過分析和總結產品開發及應用的全過程,可以得知機械爐排系統的產品研究和設計環節最為關鍵,是提高產品性能、降低造價的關鍵環節。重視產品設計、研制、安裝調試以及產品使用的問題及解決方案,能夠為新產品的開發提供改進方向和有益經驗,符合質量控制PDCA理念。垃圾焚燒機械爐排爐技術裝備大型化完全能夠實現國產化,達到國際水平。

用于城市生活垃圾焚燒處理的爐型有多種。建城〔2000〕120號規定“垃圾焚燒目前宜采用以爐排爐為基礎的成熟技術,審慎采用其他爐型的焚燒爐”,因此機械爐排是目前國內垃圾發電廣泛應用的一種爐型。對于以馬丁式爐排為典型的逆推式爐排及以瑞士馮諾技術為典型的順推式爐排,由于每列爐排的運動靠一支液壓缸驅動,其可動爐排片的速度相同,因而機械結構簡單,液壓缸和運動部件數量較少。SITY2000逆推式爐排和綠動力多驅動逆推式爐排,主要結構型式以列為模塊,其結構也較為簡單,因此對其實現大型化的難度較低,單臺規??梢赃_到1000t級以上。而西格斯技術路線的爐排具有獨立的運行翻轉爐排片,其結構要比單純的逆推式或順推式爐排復雜很多,實現大型化所面對的困難更多、難度更大。本文以應用于W垃圾發電站工程的西格斯技術路線的爐排為例,解析產品開發及應用的過程。

1.產品開發任務輸入

1.1設計開發任務內容

整套機械爐排系統包含3部分內容,即爐排(組合系統+爐排片)、焚燒爐鋼結構支撐、液壓系統。爐排組合系統指爐排中除去爐排片和液壓系統后剩余的鋼結構及機械運動機構部分。爐排安裝在焚燒爐鋼結構支撐上。圖1為爐排系統示意圖。

整套爐排結構包括給料爐排和焚燒爐排。其中,焚燒爐排分為第一單元、標準單元和末段單元。每套爐排包括第一單元1臺、標準單元3臺、末段單元1臺。爐排系統的技術參數及指標如表1所示。

1.2設計開發任務流程

爐排系統的開發及應用是一個復雜的組織過程,涵蓋設計、研制、安裝調試等多個環節,如圖2所示。

其中,系統方案設計、工程設計及評審是解決爐排系統的舊有問題、常見問題,是提高系統性能、減少制造及安裝返工、節約設備造價最重要的途徑,涉及產品工藝制作標準、材料選型、功能性計算、安全性計算等各方面。

因爐排設備屬大型機械設備,涵蓋爐排組合、支撐鋼結構、液壓系統三大主要系統,主要系統的制造屬不同廠商,因而產品出廠之前需進行分部件、系統的預組裝;設計開發方為保證產品質量進行缺陷控制,通常需要對產品研制過程進行監督,重點對爐排組合系統的研制進行監督。國內制造的液壓系統已完全適用,與國際水平相當。安裝調試環節重點需要對工程實施的各方進行施工、調試交底,對設計方案進行修正。爐排系統調試的成功是整個垃圾發電站正常運行的必要條件。

2.設計開發

為達到設計要求,需制訂給料爐排(器)、焚燒爐排、給料漏斗、水冷溜槽、爐排漏灰斗、吊裝工具、焚燒爐鋼結構支撐系統、液壓系統等設備的設計方案。因垃圾發電站系統中除了有爐排系統外,還有余熱利用系統、煙氣凈化系統、公共系統等,爐排系統與相關系統具有較多的交叉接口,為避免出現爐排系統的設計及安裝問題,通常需要與接口單位確認。而為了使得爐排系統的產品適用性強,解決大型化熱膨脹等問題,就需要對相關設備進行設計創新。

2.1給料爐排(器)設計創新

為解決給料器走偏、卡住和脫落等問題,確定對如下內容進行設計創新:

a)改變給料器支撐軌和支撐輪型式。一臺小車的一側是V形支撐軌和V形支撐輪,另一側是平面支撐軌和支撐輪,通過V形支撐軌和支撐輪的定位,進一步確保移動架行走的定位準確,防止出現走偏、卡塞的現象。

b)每個移動架均新設計有壓軌輪和特殊的壓軌軌道,防止移動架推送垃圾時出現尾部翹起、頭部啃咬接料平臺的現象,避免移動架卡住等故障發生。

c)改進下部給料爐排片的刮板,增強固定該刮板的支撐,克服運行中因該刮板容易脫落而導致的卡死移動架或者爐排片脫落問題。

2.2焚燒爐排設計創新

為改善焚燒爐排底部輥輪潤滑效果,解決支撐桿斷裂、釋放焚燒爐排膨脹應力等問題,確定對如下內容進行設計創新:

a)輥輪潤滑方面。焚燒爐排底部一般需要通入一次風以便助燃,溫度達到180°C以上,底部運動件油脂在通往加油點的較長油管中固化,造成油管堵塞加不進油的問題。為解決該問題,設計了一種無需加油且可自潤滑軸承的輥輪,通過改進設計,可以減少爐排維護及維修的工作量,減少運動件的故障點。

b)翻動驅動軸中部支撐方面。原翻動爐排驅動軸的中部支撐結構由用于驅動軸旋轉中心定心的連桿和位于驅動軸中間段下部的支撐輥輪共同組成。由于爐排結構尺寸大、受驅動軸自重撓度的影響以及爐排自身結構的特點,用這種方式尋找定心的基準在實際制造及現場維修時難以找到,容易造成定心不準的問題。這種問題會造成定心連桿容易發生斷裂,而連桿斷裂后,驅動軸中部的支撐就缺少了水平方向的約束,造成驅動軸的撓度增大,縮短該驅動大軸的壽命。連桿斷裂后還容易造成爐排內部運動構件的卡塞,進而造成停爐事故。通過設計雙托輥組,以及通過該雙托輥組與驅動軸中間段的圓弧面自定心,代替原連桿定心結構,便于在制造及維修期間進行調整,結構可靠。

c)爐排系統熱應力釋放方面。為適應大的爐排熱應力,通過在爐排單元的下部增加一種滑動裝置,釋放爐排內部受熱產生的熱應力,解決因焚燒爐排規格的擴大而引起的鋼結構尺寸方面的約束問題,并且可降低爐排自身的熱應力水平,減少啟停爐對爐排自身使用壽命方面的不利影響。

在設計開發中,針對進口零部件,選擇以國內成熟的標通件代替,例如油缸搖臂、平移驅動大軸以及翻動驅動大軸連接用的脹套采用國家標準產品等。通過國內制造供貨并嚴格規范產品質量標準,大幅降低爐排系統的造價。

2.3焚燒爐鋼結構支撐系統設計創新

原焚燒爐組合系統和焚燒爐鋼結構支撐系統為一體,爐排鋼結構支撐系統不僅承受爐排組合系統的載重以及垂直于垃圾運動方向的“橫向”膨脹力,還承受焚燒爐余熱鍋爐的載重,隨著焚燒爐的擴大,橫向膨脹力將成為影響爐排大型化安全的關鍵因素。國內已有通過膨脹補償方式解決熱膨脹問題的方案,該方案是將原爐排和焚燒爐部分的支撐與鍋爐的鋼結構支撐分離,爐排在熱態狀態下可以獨立于鍋爐鋼結構進行有限膨脹。鋼結構支撐的這種變化,解決了大型爐排受熱應力限制的鋼結構技術瓶頸,但同時使鋼結構設計發生了很大變化,因而在制造和安裝方面的技術要求更多、更高、更復雜。

2.4液壓系統設計創新

液壓系統性能的提高,可以通過優化設計來實現,具體包括:

a)將爐排閥站的電源獨立開,直接在爐排閥站電控柜中設立一個獨立的電源,避免供電電源的線路損失對爐排閥站造成影響。

b)簡化泵站的電控柜。將泵站現有的保護控制功能改為由DCS(集散控制)系統進行控制,便于設備的檢查、維護和人員的操作。

c)增強蓄能器系統的能力,減少液壓油路壓力的波動。

d)去掉蓄能器系統斷電后自動卸荷功能,使得液壓缸能在非正常斷電后有足夠的時間全部回退至初始位置。

e)為優化焚燒系統的動力源以便于控制,爐排液壓系統還分出兩條油路為其他設備提供動力,例如給料口擋板裝置和用于輸送爐渣至渣坑的除渣設備等。

2.5研制及監造創新

爐排研制過程中,單條線設備的研制周期通常為3耀6個月,國內的設計、研發制造能夠大大縮短工藝周期。限制爐排系統制作周期的關鍵環節在于爐排運動件的大軸、鑄造爐排片的鑄造工藝等。大軸通常需要經過鍛造、熱處理、機加工等多個環節,500t級爐排的大軸長度達到10m,一般的機加工、熱處理工具很難滿足制造需求。制造廠的制造能力非常關鍵。由于爐排片是鑄造件、運動件和易損件,為保障爐排片的質量評估,整套爐排片通常有成百上千片,每片進行無損缺陷的檢查將大大增加制造成本。通過制訂工裝、抽檢標準,能夠大幅提高效率。爐排片通常為鎳鉻合金,檢測中最為重要的指標是硬度和晶相結構。鑄造工藝和爐排片的材料是決定爐排片壽命的關鍵因素。

3.安裝和調試

為使W垃圾發電項目爐排系統的安裝調試順利進行,設計開發方需與垃圾發電項目業主、安裝公司、施工監理充分溝通,使其了解機械爐排系統的結構特點、設計安裝的意圖和注意事項。經過為期半年的安裝調試,爐排系統通過了W項目的“72+24”驗收,圓滿完成了研制和應用任務。

爐排系統安裝調試過程中發現的問題主要有以下幾個:

a)制作構件尺寸偏差大,例如焚燒單元出廠時的安裝尺寸偏差大,部分焚燒爐排單元的立柱間距偏差大,尤其是兩臺末端單元的尺寸偏差達到了5mm,造成吊裝就位后的安裝調整困難。

b)由于爐排規格的加大,爐排橫梁與給料接料平臺的間距偏小,造成移動架與導向爐排片之間的間隙只能調到4mm(保證值≥3mm,圖紙設計要求≤7.5mm)。這個偏差加大了維修和調整的工作量和調整的難度,易造成給料爐排的卡阻問題。

c)驅動軸主軸承的固定松動。在冷態運轉時,30個驅動軸中有8個驅動軸發生了偏移,引起偏移的原因是主軸承沒有與驅動軸固定牢固。因此在調試期間,對60個主軸承全部進行了調整和緊固。

d)脹緊套打滑。在W垃圾發電項目的爐排冷態調試中,發現個別脹緊套打滑的現象,當時采取的措施是將螺栓緊固,使其不再打滑。經過10d以上的冷態運行,沒有發現再打滑。但在熱態調試過程中,新出現的打滑脹緊套越來越多,嚴重影響了垃圾的焚燒,不得不停爐對60個脹緊套全部拆卸清洗,通過扭矩扳手和三道安裝步驟重新安裝。重新安裝的脹緊套未再出現打滑問題。

e)給料爐排與焚燒爐排接口處堵料。試運行過程中發現給料爐排堵料的問題,按照液壓系統10MPa計,單臺移動架前推的推力為12.2t,4臺小車的推力為48.8t,推力足夠。通過分析發現,W工程垃圾中的渣土量較大,水分含量較高,來自爐膛的輻射熱對推料器內的垃圾進行干燥,垃圾受熱膨脹,壓縮后密度增大,導致給料器不能推動垃圾團前進,出現堵料現象。

原爐膛設計是針對較為干燥的垃圾而言,而濕垃圾較易出現堵料現象,推料過快則可能引起垃圾燃燒不完全,出現生渣現象。為解決這個問題,在爐膛前、后、左、右側擴口,使得垃圾受熱后能夠出現一定程度的膨脹。

4.產品應用及評估

通過W垃圾發電項目爐排系統的設計開發、研制及安裝調試一系列過程,可以確保垃圾穩定而充分地燃燒,有效抑制垃圾焚燒過程中二口惡英的生成,燃燒時無需添加輔助燃料,再結合煙氣凈化技術,可確保垃圾焚燒后的煙氣排放指標達到國際先進水平。其中,主要技術指標為:爐膛出口煙氣溫度躍850°C,850°C煙氣停留時間躍2s,熱灼減率≤3%,使垃圾減量80%、減容90%以上;各種有毒有害物質被高溫氧化破壞,并能實現余熱利用,完全達到了設計任務的要求。通過對產品設計開發、研制、安裝調試的全面評估,可以為公司開發下一代的系列爐排產品提供有益經驗,也遵循了產品質量管理PDCA(計劃、執行、檢查、處理)循環理念。

5.結語

垃圾焚燒爐排系統的研制應用是一個復雜的過程,設計開發階段是節約產品造價、減少維護量最為重要的環節。技術設計必須提高到制造圖設計深度,同時建議采用三維設計,減少設計的失誤和差錯,提高設計質量,為制造方的工藝劃分和工藝編制提供便利,為爐排的制造質量提供設計保障。材料方面盡量采用國內標準件制作,能夠減少成本。產品研制過程中需要嚴格把控產品質量,建議設計方參與產品研制監造,通過對爐排大軸、爐排片等進行重點監督檢查,能夠有效縮短工期;同時產品安裝過程中,要著重考慮各單元、構件之間的接口關系和安裝關系。為了便于檢修維護,盡可能設計配套的專用工具。嚴格按照機械爐排系統設計開發及應用流程,嚴格的設計、制造以及安裝調試質量體系管理,可以使爐排系統的技術達到國際水平。

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