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【摘要】生活垃圾已经成为全球治理污染物的重要课题，是影响自然环境保护的主要因素之一。焚烧法作为城市垃圾常用的处理方法，通过垃圾站机械炉排焚烧技术，可达到充分燃烧垃圾的目的，增强垃圾燃烧的热效率，有效降低污染气体排放。本文首先分析了炉排系统设计的主要参数，对生活垃圾机械炉排系统内部构造进行研究，确保炉排系统的稳定性和垃圾处理的无公害。
【关键词】生活垃圾;机械炉排;试验装置
【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.
16.124
随着我国经济的快速发展，人民生活水平质量的不断提高，城市化进程速度的加快，城市生活垃圾已经成为阻碍城市发展的因素之一。大量的生活垃圾堆砌在城市郊区，不仅侵占大量土地，还极容易造成土壤、地下水等环境的污染。如何合理地处理城市所生产的垃圾，实现无公害、无污染的绿色处理，成为政府亟需解决的问题。垃圾焚烧作为我国垃圾处理的成熟技术，具有垃圾填埋、垃圾堆肥所无法替代的优势，是政府对于生活垃圾首选的处理方式。鉴于此，本文对炉排系统进行设计，旨在提高垃圾处理效率。
1、炉排系统主要参数设计
1.1炉排机械负荷参数设计
炉排机械负荷就是炉排的燃烧速率，是指在指定的热灼减率条件下，每小时每平方米的炉排面积能够燃烧的垃圾重量，即单位炉排面积、单位时间内燃烧的垃圾量kg/（m2·h）。炉排机械负荷是垃圾焚烧中具有代表性的指标，数值高代表炉排的垃圾焚烧能力较强，反之，数值低代表炉排的垃圾焚烧能力较弱。但在实际垃圾处理的过程中，焚烧的热效率并不能单纯依靠面积来衡量，而且还与炉排系统的形状、结构等相关参数有着密切联系。由于各国生活垃圾的处理方式不同，垃圾中的水分含量也不相同，对于水分较大的垃圾通常机械负荷较低，对于水分较小的垃圾通常机械负荷较高。按照我国生活垃圾的特点，水分含量较高，垃圾热值较低，机械负荷通常位于150-300kg/（m2·h）之间。根据国内外热效率较高的垃圾焚烧炉型作为参考，本研究炉排机械负荷设计210kg/（m2·h）。
1.2燃烧室热负荷设计
燃烧室热负荷是衡量单位时间内、单位容积所承受热量的指标，即表示燃烧火焰在燃烧室内的燃烧程度，包括一次燃烧室和二次燃烧室。如果燃烧室的容积太小，室内的温度就会急剧上升，造成炉温过热，造成垃圾无法完全燃烧;如果燃烧室的容积过大，炉内的火焰无法充分燃烧，就会造成炉渣热灼减率过高。综合考虑，本研究中热负荷设计为420kj/（m2·h），燃烧热负荷设计为1.2×105kcal/（m3·h）。
1.3垃圾停留时间
垃圾的停留时间有两层含义，其一是焚烧的停留时间，是指垃圾进入焚烧炉中由固态垃圾到残渣排出的过程;其二是废气的停留时间，是垃圾在焚烧中产生的烟气从焚烧炉中逸出的过程，通常烟气在二次燃烧室中的过程应该大于2秒。由于不同垃圾的组成不同，在焚烧炉中停留的过程也不一样。本研究设计垃圾干燥的过程为30分，炉排停留时间为1.5小时。
1.4垃圾设计热值
垃圾焚烧与垃圾的性质有密切关系，由于不同地区人们的生活习惯、风俗民情等因素的影响，垃圾的燃烧热量也不相同。生活垃圾分为高热量垃圾和低热量垃圾，垃圾的热值就是单位质量垃圾燃烧后，所释放出来的热量就是垃圾的燃烧热量。生活垃圾通常由碳、氢、氧、硫、水等物质组成，根据垃圾的组成，本研究设计垃圾热量为6700kj/kg。
2、生活垃圾机械炉排系统的设计
机械炉排结构的设计能够有效促使垃圾在炉排中自由混合，充分搅动均匀，达到边燃烧边混合的垃圾焚烧效果。根据垃圾焚烧的工作原理，按照机械炉排内部设计的结构及运行方向的不同，燃烧的效果也各不相同，因此，设计出有效的生活垃圾焚烧炉排系统尤为重要。机械炉排系统主要组成部分包括：炉排片结构、炉排运动系统以及驱动系统、一次风风室设计等内容。
2.1爐排片构造的设计
炉排片通常由铸铁制作而成，是焚烧炉排系统最底层的结构单元，由于其形状和结构设计的不同，对炉排系统的焚烧性能有着较大影响。本研究中将炉排片划分为两类：分别是前凸式炉排片和后凹式炉排片。炉排片出风口设计在上部位置前段的凸台位置，出风口与下部的位置相连通，能够促使气体相互流通，增加垃圾与氧气的接触面积。在炉排片下部末端设计出弧形卡槽，可以促使横梁与炉排片相互咬合，使其牢固为一体。在炉排片的左右两侧设置螺丝洞孔，用来保证相邻的炉排片之间紧固牢靠，促使相邻的炉排片之间可以形成紧密的连接状态，以防止燃烧残留物进入到风室。
前凸式炉排片与后凹式炉排片依次相互排列，由炉排片底端的固定咬合连接点形成统一的炉排板，在炉排左右两端用中心支柱支撑固定，将活动炉底端的活动拉杆安置在驱动系统之中，如果拉杆前移，活动炉按照既定的排列位置纵向横移。这样的设计方式，能够将凸式与凹式之间的垃圾交替布置，减少了垃圾无序的排列，将垃圾打散和铺设均匀，避免垃圾在炉排片中形成块状、团状等结构，有利于垃圾的充分燃烧。
2.2炉排驱动系统的设计
机械炉必须在机械运动中增强驱动力，提供炉排反复的机械运动。它是机械炉排系统中的动力组成部件，通过液压油缸增加动力性能，在通过滑动的摇杆部件，促使炉排系统周而复始实现运动。本设计中炉排系统驱动装置通过横梁与炉排相连接，横梁底层连接板与拉杆相连接，依次将炉排片的不同部位形成统一的整体，根据驱动设备中拉杆的反复运动，实现炉排的反复运动。
2.3整体结构设计
炉排系统的整体结构是用来支撑系统内各部件之间的连接，促使整个系统可以在正确的位置保持稳定的运转。
整个系统中5作为主要结构，在保证提供外部支撑点的同时，系统还设置了支撑点1，能够使整体结构在具有倾斜角的前提下，也能够牢固固定在水泥基础之上。支撑点2用于保障驱动油缸的稳定。支撑点3用于保障滚筒设备的稳定，该设备在驱动设备中位于拉杆底部，一个驱动设备有两个滚筒设备作为配套，并且两个滚筒设备的设计与地面之间成一定夹角，拉杆在滚筒中形成滚动导轨，在驱动力的作用下，拉杆沿着滚筒力的方向作为反复运动。支撑点4可支撑与驱动轴的连接。支撑点6是整个系统的固定横梁，该部位可保证炉排片底部的固定牢靠，从拉杆之中穿过，形成统一的排板整体。支撑点8是保证排片相互之间没有空隙，是炉排系统下部的压紧设备。液压系统提供动力把炉排之间密切相接，防止两块炉排之间由于间距过宽而造成垃圾泄露。 2.4 一次风风室设计
在循环反复的炉排上，垃圾进入到系统通过强烈的翻滚和搅拌，促使垃圾能够有效分散布局，增强垃圾的松散分布，一旦与充足的氧气相接触，垃圾就会剧烈的燃烧。但因炉排片长期在高温之中运动，如果没有良好的通风冷却系统，就会缩短炉排的使用寿命，所以在一次风风室的设计显得尤为重要。一次风在垃圾焚烧中的作用不言而喻，如果一次风的风量不足，就会造成垃圾的燃烧不充分，热效率大幅度下降;如果一次风的风量过大，就会造成炉内火焰过大，而且还会造成有毒有害气体的大量排放。因此，炉排系统内的进气量，是保证垃圾焚烧效率、减少环境污染的重要因素。在最优化的环境中，本设计风室均为上大下小的喇叭口形状，便于增强排风的效果，减少垃圾烘干的时间。
结语：
本文从生活垃圾焚烧炉排系统研究入手，根据我国城市生活垃圾的特点，设计出每日处理350吨生活垃圾的机械炉排系统，并对系统中机械负荷等参数内容进行设定，确保系统的安全平稳运行。本次炉排的设计符合我国垃圾焚烧的规定要求，通过系统内垃圾的搅拌、平铺、翻滚等程序，使炉排内部垃圾有序运动，垃圾充分燃烧，对于我国生活垃圾焚烧、降低环境污染具有重要指导作用。
参考文献：
[1]吴浩，乔克非，刘晰，等.垃圾焚烧机械炉排产品的开发及应用[J].能源与节能，2020（03）：89-92.
[2]赵绪平，李志波，李宣.机械炉排式生活垃圾焚烧炉技术研究[J].中國资源综合利用，2017（09）：135-137.
[3]赵绪平，张伟，霍光，王中原.超大型生活垃圾机械焚烧炉的开发研究[J].中国环保产业，2018（07）：67-70.
[4]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（08）：25-30.
[5]胡立峰.我国生活垃圾焚烧机械炉排技术的应用现状[J].建筑工程技术与设计，2015（03）：78-81.
作者简介：
刘天任（1998-），男，河北省任丘市人，本科，主要研究方向为材料成型及控制工程。
通讯作者：王飞（1989-），男，江苏盐城人，本科，实验师，研究方向为机械设计制造及其自动化。
基金项目：
高等教育司产学合作协同育人项目（201802354011）创客空间课程拓展项目
【关键词】生活垃圾;机械炉排;试验装置
【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.
16.124
随着我国经济的快速发展，人民生活水平质量的不断提高，城市化进程速度的加快，城市生活垃圾已经成为阻碍城市发展的因素之一。大量的生活垃圾堆砌在城市郊区，不仅侵占大量土地，还极容易造成土壤、地下水等环境的污染。如何合理地处理城市所生产的垃圾，实现无公害、无污染的绿色处理，成为政府亟需解决的问题。垃圾焚烧作为我国垃圾处理的成熟技术，具有垃圾填埋、垃圾堆肥所无法替代的优势，是政府对于生活垃圾首选的处理方式。鉴于此，本文对炉排系统进行设计，旨在提高垃圾处理效率。
1、炉排系统主要参数设计
1.1炉排机械负荷参数设计
炉排机械负荷就是炉排的燃烧速率，是指在指定的热灼减率条件下，每小时每平方米的炉排面积能够燃烧的垃圾重量，即单位炉排面积、单位时间内燃烧的垃圾量kg/（m2·h）。炉排机械负荷是垃圾焚烧中具有代表性的指标，数值高代表炉排的垃圾焚烧能力较强，反之，数值低代表炉排的垃圾焚烧能力较弱。但在实际垃圾处理的过程中，焚烧的热效率并不能单纯依靠面积来衡量，而且还与炉排系统的形状、结构等相关参数有着密切联系。由于各国生活垃圾的处理方式不同，垃圾中的水分含量也不相同，对于水分较大的垃圾通常机械负荷较低，对于水分较小的垃圾通常机械负荷较高。按照我国生活垃圾的特点，水分含量较高，垃圾热值较低，机械负荷通常位于150-300kg/（m2·h）之间。根据国内外热效率较高的垃圾焚烧炉型作为参考，本研究炉排机械负荷设计210kg/（m2·h）。
1.2燃烧室热负荷设计
燃烧室热负荷是衡量单位时间内、单位容积所承受热量的指标，即表示燃烧火焰在燃烧室内的燃烧程度，包括一次燃烧室和二次燃烧室。如果燃烧室的容积太小，室内的温度就会急剧上升，造成炉温过热，造成垃圾无法完全燃烧;如果燃烧室的容积过大，炉内的火焰无法充分燃烧，就会造成炉渣热灼减率过高。综合考虑，本研究中热负荷设计为420kj/（m2·h），燃烧热负荷设计为1.2×105kcal/（m3·h）。
1.3垃圾停留时间
垃圾的停留时间有两层含义，其一是焚烧的停留时间，是指垃圾进入焚烧炉中由固态垃圾到残渣排出的过程;其二是废气的停留时间，是垃圾在焚烧中产生的烟气从焚烧炉中逸出的过程，通常烟气在二次燃烧室中的过程应该大于2秒。由于不同垃圾的组成不同，在焚烧炉中停留的过程也不一样。本研究设计垃圾干燥的过程为30分，炉排停留时间为1.5小时。
1.4垃圾设计热值
垃圾焚烧与垃圾的性质有密切关系，由于不同地区人们的生活习惯、风俗民情等因素的影响，垃圾的燃烧热量也不相同。生活垃圾分为高热量垃圾和低热量垃圾，垃圾的热值就是单位质量垃圾燃烧后，所释放出来的热量就是垃圾的燃烧热量。生活垃圾通常由碳、氢、氧、硫、水等物质组成，根据垃圾的组成，本研究设计垃圾热量为6700kj/kg。
2、生活垃圾机械炉排系统的设计
机械炉排结构的设计能够有效促使垃圾在炉排中自由混合，充分搅动均匀，达到边燃烧边混合的垃圾焚烧效果。根据垃圾焚烧的工作原理，按照机械炉排内部设计的结构及运行方向的不同，燃烧的效果也各不相同，因此，设计出有效的生活垃圾焚烧炉排系统尤为重要。机械炉排系统主要组成部分包括：炉排片结构、炉排运动系统以及驱动系统、一次风风室设计等内容。
2.1爐排片构造的设计
炉排片通常由铸铁制作而成，是焚烧炉排系统最底层的结构单元，由于其形状和结构设计的不同，对炉排系统的焚烧性能有着较大影响。本研究中将炉排片划分为两类：分别是前凸式炉排片和后凹式炉排片。炉排片出风口设计在上部位置前段的凸台位置，出风口与下部的位置相连通，能够促使气体相互流通，增加垃圾与氧气的接触面积。在炉排片下部末端设计出弧形卡槽，可以促使横梁与炉排片相互咬合，使其牢固为一体。在炉排片的左右两侧设置螺丝洞孔，用来保证相邻的炉排片之间紧固牢靠，促使相邻的炉排片之间可以形成紧密的连接状态，以防止燃烧残留物进入到风室。
前凸式炉排片与后凹式炉排片依次相互排列，由炉排片底端的固定咬合连接点形成统一的炉排板，在炉排左右两端用中心支柱支撑固定，将活动炉底端的活动拉杆安置在驱动系统之中，如果拉杆前移，活动炉按照既定的排列位置纵向横移。这样的设计方式，能够将凸式与凹式之间的垃圾交替布置，减少了垃圾无序的排列，将垃圾打散和铺设均匀，避免垃圾在炉排片中形成块状、团状等结构，有利于垃圾的充分燃烧。
2.2炉排驱动系统的设计
机械炉必须在机械运动中增强驱动力，提供炉排反复的机械运动。它是机械炉排系统中的动力组成部件，通过液压油缸增加动力性能，在通过滑动的摇杆部件，促使炉排系统周而复始实现运动。本设计中炉排系统驱动装置通过横梁与炉排相连接，横梁底层连接板与拉杆相连接，依次将炉排片的不同部位形成统一的整体，根据驱动设备中拉杆的反复运动，实现炉排的反复运动。
2.3整体结构设计
炉排系统的整体结构是用来支撑系统内各部件之间的连接，促使整个系统可以在正确的位置保持稳定的运转。
整个系统中5作为主要结构，在保证提供外部支撑点的同时，系统还设置了支撑点1，能够使整体结构在具有倾斜角的前提下，也能够牢固固定在水泥基础之上。支撑点2用于保障驱动油缸的稳定。支撑点3用于保障滚筒设备的稳定，该设备在驱动设备中位于拉杆底部，一个驱动设备有两个滚筒设备作为配套，并且两个滚筒设备的设计与地面之间成一定夹角，拉杆在滚筒中形成滚动导轨，在驱动力的作用下，拉杆沿着滚筒力的方向作为反复运动。支撑点4可支撑与驱动轴的连接。支撑点6是整个系统的固定横梁，该部位可保证炉排片底部的固定牢靠，从拉杆之中穿过，形成统一的排板整体。支撑点8是保证排片相互之间没有空隙，是炉排系统下部的压紧设备。液压系统提供动力把炉排之间密切相接，防止两块炉排之间由于间距过宽而造成垃圾泄露。 2.4 一次风风室设计
在循环反复的炉排上，垃圾进入到系统通过强烈的翻滚和搅拌，促使垃圾能够有效分散布局，增强垃圾的松散分布，一旦与充足的氧气相接触，垃圾就会剧烈的燃烧。但因炉排片长期在高温之中运动，如果没有良好的通风冷却系统，就会缩短炉排的使用寿命，所以在一次风风室的设计显得尤为重要。一次风在垃圾焚烧中的作用不言而喻，如果一次风的风量不足，就会造成垃圾的燃烧不充分，热效率大幅度下降;如果一次风的风量过大，就会造成炉内火焰过大，而且还会造成有毒有害气体的大量排放。因此，炉排系统内的进气量，是保证垃圾焚烧效率、减少环境污染的重要因素。在最优化的环境中，本设计风室均为上大下小的喇叭口形状，便于增强排风的效果，减少垃圾烘干的时间。
结语：
本文从生活垃圾焚烧炉排系统研究入手，根据我国城市生活垃圾的特点，设计出每日处理350吨生活垃圾的机械炉排系统，并对系统中机械负荷等参数内容进行设定，确保系统的安全平稳运行。本次炉排的设计符合我国垃圾焚烧的规定要求，通过系统内垃圾的搅拌、平铺、翻滚等程序，使炉排内部垃圾有序运动，垃圾充分燃烧，对于我国生活垃圾焚烧、降低环境污染具有重要指导作用。
参考文献：
[1]吴浩，乔克非，刘晰，等.垃圾焚烧机械炉排产品的开发及应用[J].能源与节能，2020（03）：89-92.
[2]赵绪平，李志波，李宣.机械炉排式生活垃圾焚烧炉技术研究[J].中國资源综合利用，2017（09）：135-137.
[3]赵绪平，张伟，霍光，王中原.超大型生活垃圾机械焚烧炉的开发研究[J].中国环保产业，2018（07）：67-70.
[4]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（08）：25-30.
[5]胡立峰.我国生活垃圾焚烧机械炉排技术的应用现状[J].建筑工程技术与设计，2015（03）：78-81.
作者简介：
刘天任（1998-），男，河北省任丘市人，本科，主要研究方向为材料成型及控制工程。
通讯作者：王飞（1989-），男，江苏盐城人，本科，实验师，研究方向为机械设计制造及其自动化。
基金项目：
高等教育司产学合作协同育人项目（201802354011）创客空间课程拓展项目