案例 | 垃圾焚烧机械炉排产品的开发及应用
摘要：垃圾焚烧炉排是城市生活垃圾处理的核心设备，对焚烧效果起着决定作用。为实现西格斯技术路线的炉排产品大型化，通过分析和总结产品开发及应用的全过程，可以得知机械炉排系统的产品研究和设计环节最为关键，是提高产品性能、降低造价的关键环节。重视产品设计、研制、安装调试以及产品使用的问题及解决方案，能够为新产品的开发提供改进方向和有益经验，符合质量控制PDCA理念。垃圾焚烧机械炉排炉技术装备大型化完全能够实现国产化，达到国际水平。
用于城市生活垃圾焚烧处理的炉型有多种。建城〔2000〕120号规定“垃圾焚烧目前宜采用以炉排炉为基础的成熟技术，审慎采用其他炉型的焚烧炉”，因此机械炉排是目前国内垃圾发电广泛应用的一种炉型。对于以马丁式炉排为典型的逆推式炉排及以瑞士冯诺技术为典型的顺推式炉排，由于每列炉排的运动靠一支液压缸驱动，其可动炉排片的速度相同，因而机械结构简单，液压缸和运动部件数量较少。SITY2000逆推式炉排和绿动力多驱动逆推式炉排，主要结构型式以列为模块，其结构也较为简单，因此对其实现大型化的难度较低，单台规模可以达到1000t级以上。而西格斯技术路线的炉排具有独立的运行翻转炉排片，其结构要比单纯的逆推式或顺推式炉排复杂很多，实现大型化所面对的困难更多、难度更大。本文以应用于W垃圾发电站工程的西格斯技术路线的炉排为例，解析产品开发及应用的过程。
1.产品开发任务输入
1.1设计开发任务内容
整套机械炉排系统包含3部分内容，即炉排（组合系统+炉排片）、焚烧炉钢结构支撑、液压系统。炉排组合系统指炉排中除去炉排片和液压系统后剩余的钢结构及机械运动机构部分。炉排安装在焚烧炉钢结构支撑上。图1为炉排系统示意图。
整套炉排结构包括给料炉排和焚烧炉排。其中，焚烧炉排分为第一单元、标准单元和末段单元。每套炉排包括第一单元1台、标准单元3台、末段单元1台。炉排系统的技术参数及指标如表1所示。
1.2设计开发任务流程
炉排系统的开发及应用是一个复杂的组织过程，涵盖设计、研制、安装调试等多个环节，如图2所示。
其中，系统方案设计、工程设计及评审是解决炉排系统的旧有问题、常见问题，是提高系统性能、减少制造及安装返工、节约设备造价最重要的途径，涉及产品工艺制作标准、材料选型、功能性计算、安全性计算等各方面。
因炉排设备属大型机械设备，涵盖炉排组合、支撑钢结构、液压系统三大主要系统，主要系统的制造属不同厂商，因而产品出厂之前需进行分部件、系统的预组装；设计开发方为保证产品质量进行缺陷控制，通常需要对产品研制过程进行监督，重点对炉排组合系统的研制进行监督。国内制造的液压系统已完全适用，与国际水平相当。安装调试环节重点需要对工程实施的各方进行施工、调试交底，对设计方案进行修正。炉排系统调试的成功是整个垃圾发电站正常运行的必要条件。
2.设计开发
为达到设计要求，需制订给料炉排（器）、焚烧炉排、给料漏斗、水冷溜槽、炉排漏灰斗、吊装工具、焚烧炉钢结构支撑系统、液压系统等设备的设计方案。因垃圾发电站系统中除了有炉排系统外，还有余热利用系统、烟气净化系统、公共系统等，炉排系统与相关系统具有较多的交叉接口，为避免出现炉排系统的设计及安装问题，通常需要与接口单位确认。而为了使得炉排系统的产品适用性强，解决大型化热膨胀等问题，就需要对相关设备进行设计创新。
2.1给料炉排（器）设计创新
为解决给料器走偏、卡住和脱落等问题，确定对如下内容进行设计创新：
a)改变给料器支撑轨和支撑轮型式。一台小车的一侧是V形支撑轨和V形支撑轮，另一侧是平面支撑轨和支撑轮，通过V形支撑轨和支撑轮的定位，进一步确保移动架行走的定位准确，防止出现走偏、卡塞的现象。
b)每个移动架均新设计有压轨轮和特殊的压轨轨道，防止移动架推送垃圾时出现尾部翘起、头部啃咬接料平台的现象，避免移动架卡住等故障发生。
c)改进下部给料炉排片的刮板，增强固定该刮板的支撑，克服运行中因该刮板容易脱落而导致的卡死移动架或者炉排片脱落问题。
2.2焚烧炉排设计创新
为改善焚烧炉排底部辊轮润滑效果，解决支撑杆断裂、释放焚烧炉排膨胀应力等问题，确定对如下内容进行设计创新：
a)辊轮润滑方面。焚烧炉排底部一般需要通入一次风以便助燃，温度达到180°C以上，底部运动件油脂在通往加油点的较长油管中固化，造成油管堵塞加不进油的问题。为解决该问题，设计了一种无需加油且可自润滑轴承的辊轮，通过改进设计，可以减少炉排维护及维修的工作量，减少运动件的故障点。
b)翻动驱动轴中部支撑方面。原翻动炉排驱动轴的中部支撑结构由用于驱动轴旋转中心定心的连杆和位于驱动轴中间段下部的支撑辊轮共同组成。由于炉排结构尺寸大、受驱动轴自重挠度的影响以及炉排自身结构的特点，用这种方式寻找定心的基准在实际制造及现场维修时难以找到，容易造成定心不准的问题。这种问题会造成定心连杆容易发生断裂，而连杆断裂后，驱动轴中部的支撑就缺少了水平方向的约束，造成驱动轴的挠度增大，缩短该驱动大轴的寿命。连杆断裂后还容易造成炉排内部运动构件的卡塞，进而造成停炉事故。通过设计双托辊组，以及通过该双托辊组与驱动轴中间段的圆弧面自定心，代替原连杆定心结构，便于在制造及维修期间进行调整，结构可靠。
c)炉排系统热应力释放方面。为适应大的炉排热应力，通过在炉排单元的下部增加一种滑动装置，释放炉排内部受热产生的热应力，解决因焚烧炉排规格的扩大而引起的钢结构尺寸方面的约束问题，并且可降低炉排自身的热应力水平，减少启停炉对炉排自身使用寿命方面的不利影响。
在设计开发中，针对进口零部件，选择以国内成熟的标通件代替，例如油缸摇臂、平移驱动大轴以及翻动驱动大轴连接用的胀套采用国家标准产品等。通过国内制造供货并严格规范产品质量标准，大幅降低炉排系统的造价。
2.3焚烧炉钢结构支撑系统设计创新
原焚烧炉组合系统和焚烧炉钢结构支撑系统为一体，炉排钢结构支撑系统不仅承受炉排组合系统的载重以及垂直于垃圾运动方向的“横向”膨胀力，还承受焚烧炉余热锅炉的载重，随着焚烧炉的扩大，横向膨胀力将成为影响炉排大型化安全的关键因素。国内已有通过膨胀补偿方式解决热膨胀问题的方案，该方案是将原炉排和焚烧炉部分的支撑与锅炉的钢结构支撑分离，炉排在热态状态下可以独立于锅炉钢结构进行有限膨胀。钢结构支撑的这种变化，解决了大型炉排受热应力限制的钢结构技术瓶颈，但同时使钢结构设计发生了很大变化，因而在制造和安装方面的技术要求更多、更高、更复杂。
2.4液压系统设计创新
液压系统性能的提高，可以通过优化设计来实现，具体包括：
a)将炉排阀站的电源独立开，直接在炉排阀站电控柜中设立一个独立的电源，避免供电电源的线路损失对炉排阀站造成影响。
b)简化泵站的电控柜。将泵站现有的保护控制功能改为由DCS（集散控制）系统进行控制，便于设备的检查、维护和人员的操作。
c)增强蓄能器系统的能力，减少液压油路压力的波动。
d)去掉蓄能器系统断电后自动卸荷功能，使得液压缸能在非正常断电后有足够的时间全部回退至初始位置。
e)为优化焚烧系统的动力源以便于控制，炉排液压系统还分出两条油路为其他设备提供动力，例如给料口挡板装置和用于输送炉渣至渣坑的除渣设备等。
2.5研制及监造创新
炉排研制过程中，单条线设备的研制周期通常为3耀6个月，国内的设计、研发制造能够大大缩短工艺周期。限制炉排系统制作周期的关键环节在于炉排运动件的大轴、铸造炉排片的铸造工艺等。大轴通常需要经过锻造、热处理、机加工等多个环节，500t级炉排的大轴长度达到10m，一般的机加工、热处理工具很难满足制造需求。制造厂的制造能力非常关键。由于炉排片是铸造件、运动件和易损件，为保障炉排片的质量评估，整套炉排片通常有成百上千片，每片进行无损缺陷的检查将大大增加制造成本。通过制订工装、抽检标准，能够大幅提高效率。炉排片通常为镍铬合金，检测中最为重要的指标是硬度和晶相结构。铸造工艺和炉排片的材料是决定炉排片寿命的关键因素。
3.安装和调试
为使W垃圾发电项目炉排系统的安装调试顺利进行，设计开发方需与垃圾发电项目业主、安装公司、施工监理充分沟通，使其了解机械炉排系统的结构特点、设计安装的意图和注意事项。经过为期半年的安装调试，炉排系统通过了W项目的“72+24”验收，圆满完成了研制和应用任务。
炉排系统安装调试过程中发现的问题主要有以下几个：
a)制作构件尺寸偏差大，例如焚烧单元出厂时的安装尺寸偏差大，部分焚烧炉排单元的立柱间距偏差大，尤其是两台末端单元的尺寸偏差达到了5mm，造成吊装就位后的安装调整困难。
b)由于炉排规格的加大，炉排横梁与给料接料平台的间距偏小，造成移动架与导向炉排片之间的间隙只能调到4mm（保证值≥3mm，图纸设计要求≤7.5mm）。这个偏差加大了维修和调整的工作量和调整的难度，易造成给料炉排的卡阻问题。
c)驱动轴主轴承的固定松动。在冷态运转时，30个驱动轴中有8个驱动轴发生了偏移，引起偏移的原因是主轴承没有与驱动轴固定牢固。因此在调试期间，对60个主轴承全部进行了调整和紧固。
d)胀紧套打滑。在W垃圾发电项目的炉排冷态调试中，发现个别胀紧套打滑的现象，当时采取的措施是将螺栓紧固，使其不再打滑。经过10d以上的冷态运行，没有发现再打滑。但在热态调试过程中，新出现的打滑胀紧套越来越多，严重影响了垃圾的焚烧，不得不停炉对60个胀紧套全部拆卸清洗，通过扭矩扳手和三道安装步骤重新安装。重新安装的胀紧套未再出现打滑问题。
e)给料炉排与焚烧炉排接口处堵料。试运行过程中发现给料炉排堵料的问题，按照液压系统10MPa计，单台移动架前推的推力为12.2t，4台小车的推力为48.8t，推力足够。通过分析发现，W工程垃圾中的渣土量较大，水分含量较高，来自炉膛的辐射热对推料器内的垃圾进行干燥，垃圾受热膨胀，压缩后密度增大，导致给料器不能推动垃圾团前进，出现堵料现象。
原炉膛设计是针对较为干燥的垃圾而言，而湿垃圾较易出现堵料现象，推料过快则可能引起垃圾燃烧不完全，出现生渣现象。为解决这个问题，在炉膛前、后、左、右侧扩口，使得垃圾受热后能够出现一定程度的膨胀。
4.产品应用及评估
通过W垃圾发电项目炉排系统的设计开发、研制及安装调试一系列过程，可以确保垃圾稳定而充分地燃烧，有效抑制垃圾焚烧过程中二口恶英的生成，燃烧时无需添加辅助燃料，再结合烟气净化技术，可确保垃圾焚烧后的烟气排放指标达到国际先进水平。其中，主要技术指标为：炉膛出口烟气温度跃850°C，850°C烟气停留时间跃2s，热灼减率≤3%，使垃圾减量80%、减容90%以上；各种有毒有害物质被高温氧化破坏，并能实现余热利用，完全达到了设计任务的要求。通过对产品设计开发、研制、安装调试的全面评估，可以为公司开发下一代的系列炉排产品提供有益经验，也遵循了产品质量管理PDCA（计划、执行、检查、处理）循环理念。
5.结语
垃圾焚烧炉排系统的研制应用是一个复杂的过程，设计开发阶段是节约产品造价、减少维护量最为重要的环节。技术设计必须提高到制造图设计深度，同时建议采用三维设计，减少设计的失误和差错，提高设计质量，为制造方的工艺划分和工艺编制提供便利，为炉排的制造质量提供设计保障。材料方面尽量采用国内标准件制作，能够减少成本。产品研制过程中需要严格把控产品质量，建议设计方参与产品研制监造，通过对炉排大轴、炉排片等进行重点监督检查，能够有效缩短工期；同时产品安装过程中，要着重考虑各单元、构件之间的接口关系和安装关系。为了便于检修维护，尽可能设计配套的专用工具。严格按照机械炉排系统设计开发及应用流程，严格的设计、制造以及安装调试质量体系管理，可以使炉排系统的技术达到国际水平。
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