水泥窑协同处置垃圾混合上料系统故障分析

引言

广西扶绥海螺水泥厂生活垃圾协同处置项目,位于广西扶绥海螺水泥厂熟料生产线回转窑北侧,项目采用德国进口的成套固废混合上料系统。系统先将脱水后的市政污泥和预分选破碎的生活垃圾通过螺旋输送机输送至卧式强力混合机,然后再通过高压柱塞输送泵经过管道高压泵送进水泥回转窑。成套混合上料系统符合水泥窑协同处置固体废物环境保护技术规范:实现自动上料,并配置可调节投加速率的计量装置实现定量投料:管道输送保持良好的密闭性能,防止固体废物地漏和溢出。

成套固废上料系统在初始安装及空载试运转过程中都比较顺利,但在后期带料投产过程中电气、液压、机械等部件或多或少都出现过故障,造成过停机停产。由于此项目为进口成套固废上料系统第一次在国内实地应用,没有相关经验参照,只能逐步排查故障,确定故障原因。

下面详细叙述成套固废上料系统(图1)配置、工艺流程及遇到的故障现象和故障排除的过程,以便为国内同类工艺项目提供参考。

1系统配置及工艺流程

成套固废上料系统设置一套5m3市政脱水污泥缓存仓和一套5m3生活垃圾缓存仓。市政脱水污泥通过人工抓斗进入单轴电动螺旋输送机,生活垃圾也是通过人工抓斗进入单轴电动螺旋输送机,两单轴电动螺旋输送机将各自物料绞送至二次双轴预混合电动螺旋输送机,二次双轴预混合电动螺旋输送机将市政污泥和生活垃圾预混合后绞入卧式强力混合机。市政污泥为含水膏状物料,流动性较好,而生活垃圾等固体物料容易压缩,但流动性较差。卧式强力混合机将生活垃圾和市政脱水污泥充分搅动混合,目的是让生活垃圾在管道中通过污泥润滑具备流动性,降低物料流动阻力。

卧式强力混合机中的混合物料通过出料口落至液压输送泵的泵斗里,输送泵斗侧面配置的液压推料机将混合物料推压至输送泵料腔。液压输送泵金属冠状活塞将吸入的物料经过管道进行泵送,输送泵出口的闸阀既可切断大体积物料,也可阻止输送泵金属冠状活塞回退过程中管道返料。物料进入回转窑进行高温处理后,达到减量化、资源化、无害化效果。

2泵送堵管故障涉及的电液压问题分析和解决

投料生产过程中,开始泵送初期阶段,通过管道进入水泥窑窑尾的物料较为顺畅。但经过一段时间加负荷运行后发现,输送泵液压驱动压力逐渐升高,液压系统驱动压力由初期的8MPa升至14MPa,高峰期会达到23MPa,偶尔触及26.5MPa过高压临界值,从而导致液压输送泵故障保护停机。输送泵故障停机后,上游设备根据联锁条件全部停机,导致上料系统停产。

如图2所示,液压输送泵主要由主液压单元、输送泵单元及电气控制柜单元配置组成。主液压单元通过ABB/110kw/400V工频电机连接Rexroth串联泵对输送泵单元的金属冠状活塞及相关切割阀板进行液压传动。涉及上述故障现象的相关高压泵液压源为一组A11Vo130LRDs开式油泵,出厂时根据外部输送管道承压及输送泵工况设计,将A11Vo130LRDs开式油泵压力切断阀整定为26.5MPa,控制单元过高压预警整定为25MPa,控制单元故障停机值整定为26.5MPa。

图2 液压输送泵

液压输送泵驱动液压压力超过26.5MPa,控制单元判定泵送堵管故障,触发保护性故障停机。当故障发生后,未贸然切割管道进行检查。在确认输送管道承压及液压系统负荷能保证在安全范围的前提下,越过电气保护手动低速启动输送泵,虽然液压压力较高,但是偶尔又能在低于26.5MPa整定压力值内将物料推送出去。经过反复试验,再查验市政污泥和生活垃圾混合后的样品,发现预选后的生活垃圾,虽然和含水污泥经过混合后有一定的流动性,但是混合物的成分并不规律。当管道中某部位混合物的污泥比例较大,生活垃圾比例较小时,阻力小,流动性好:当管道中某部位混合物的生活垃圾比例较大,污泥比例较小时,阻力大,流动性差,就会导致瞬间液压压力值过高的现象。

依据现场项目现状,无法对外部运送过来的污泥和生活垃圾物料提出过多苛刻的要求,只能在设备上进行技改和调整。考虑到混合物料只是在管道某个部位和某个瞬间出现生活垃圾比例过大现象,如果避免在此情况下继续强行泵送就不会导致堵管故障。再分析此前越过电气保护手动试验的过程,发现有两种工艺上的改动能够产生较好的效果:

(1)管道压力一旦过大后,继续高速泵送,会导致生活垃圾快速压缩,压力持续上升,如果降低速度输送,有利于生活垃圾里混合更多的含水污泥,提高流动性,从而避免管道压力继续上升:

(2)管道压力一旦过大后,输送泵金属冠状活塞停止并回退后再继续向前泵送,回退的过程会使管道中的生活垃圾出现松动和位移,从而混入部分含水污泥,提高流动性,继续向前泵送时,压力即可恢复正常值。

经过多番研讨后,根据上述两点在电液控制上进行了技改和测试:

(1)增加输送液压预警压力和输送速度之间联锁调节功能。

如图3所示,在预警压力25MPa以内,供电控制单元设定泵送速度不受干预。当实际液压压力超过预警压力25MPa时,输送泵速自动降低,根据压力在25~26MPa之间变化的速率和数值,反向自动调节输送泵的速度和调速的灵敏度:压力超过25MPa且快速上升时,输送泵的速度自动且快速下降:压力在25~26MPa回落时,输送泵的速度自动往原设定速度恢复:直到压力回落到25MPa以下后,输送泵的速度便恢复到原设定速度。强力混合机腔体维修盖门,发现混合机腔体内部生活

图3 控制方式

(2)上述调节过程中,会出现压力持续上升到26MPa,导致输送泵速度自动降到0的情况,于是便有了上述第(2)条增加自动回退功能。

如图4所示,当液压压力达到26MPa时,驱动金属冠状活塞的输送泵油缸便自动回退至位置传感器2处,然后再重新向前输送。如果重新向前输送能运行至位置传感器1处,则表明管道压力已经恢复正常。若在运行至位置传感器1处的过程中,压力依然会达到26MPa,则再次回退。如此往复自疏通三次,依然无法使管道恢复正常压力,再确定进行管道堵塞故障保护停机。

图4 退回位置

经过上述两项电液控制的技改,输送泵泵送过程中管道压力偶尔蹿升的现象得到改善,即使压力突然蹿升,增加的电液控制功能也能在过压故障停机前进行有预见性的自动调整。

3卧式强力混合机故障涉及的机电问题分析和解决

在后续的生产过程中,出现卧式强力混合机电流剧烈上升,长时间不回落,导致热继过流跳闸现象。此现象属于比较严重的机电故障,必须进行分析和解决,才能保证成套上料系统安全运行。

如图5所示,卧式强力混合机由30kw变频电机通过减速机和联轴器带动双轴混合转子(图6)进行混合和剪切工作,工作时物料在容器内湍流混合并持续出料。

图5 卧式强力混合机

图6 混合机转轴

卧式强力混合机跳闸停机后,维修人员检查电机、减速器及联轴器都没发现机械损伤及异常。打开卧式垃圾和污泥混合物过多聚集,呈堵塞状。清空混合物后,转轴的轴颈部有长条垃圾缠绕。初步分析为来自生活垃圾预处理厂的生活垃圾,在分选和破碎过程中,有部分垃圾未能达到标准,单个体积超出预期要求。部分塑料垃圾及布条在分拣后绕成一团,粉碎不够彻底,在运输到水泥厂后,通过螺旋输送机的输送,塑料袋及布条等垃圾分展开来,长度较长,进入混合机后,会缠绕在混合器轴颈部,阻碍了后面垃圾和污泥的输送。物料越聚越多,导致卧式强力混合机扭矩逐渐增大,最终导致过负荷故障保护性停机。

为了对分析进行验证,实际考察了生活垃圾预处理厂,并听取了生活垃圾预处理厂工作人员的介绍。由于当地生活垃圾分类概念还未深入普通百姓家庭,处理厂集中收集的垃圾较为混杂,且预分选和破碎的工作难度极大。根据实际条件,这种情况短期内无法改善,预处理完的垃圾最终仍然有少部分体积过大的物体掺杂在其中(图7)。

结合垃圾预处理厂的实际情况和卧式强力混合机的故障现象,成套固废上料系统内部需要有一定的大体积垃圾自处理、自清洁能力,才能保证整套系统的可靠运行。

图7 现场物料

对卧式强力混合机整体构造进行研究,发现双轴转子不仅有强力混合的功能,还兼有剪切的作用。如何在大体积垃圾缠绕在轴颈部导致电流上升的初期,使物料能够移动到双轴叶片能剪切到的地方,是解决问题的关键。

此问题依然需要通过控制单元和各机械设备的联锁控制、互相配合来实现卧式混合机的剪切功能。

分析过程中,再启动成套上料系统,将生活垃圾单轴电动螺旋输送机变频速率调至运行时的30Hz,市政污泥单轴电动螺旋输送机速率调至运行时的35Hz,严格控制抓斗抓取生活垃圾的单个体积,发现混合器能够正常出料,且扭矩及电流较平稳,没有明显波动。

工作人员人为在料斗里加入少量半米长布条,经过一段时间发现混合器电机电流剧烈上升,长时间不回落。观察卧式强力混合机运行工况,在控制系统中增加以下两种控制方案:

(1)停运生活垃圾单轴电动螺旋输送机,市政污泥单轴螺旋输送机正常进料,若卧式强力混合机经过60s运转后,电机电流回落,表明腔体内部大体积物料已经被双轴叶片剪切,未和市政污泥混合堵塞在混合机内部。

此时,重新开启生活垃圾单轴电动螺旋输送机进行送料。

(2)停运生活垃圾单轴电动螺旋输送机,市政污泥单轴螺旋输送机正常进料,若卧式强力混合机经过60s运转后,电机电流依然没有回落,停运市政污泥单轴电动螺旋输送机,并且控制卧式强力混合机反转60s后再重新正向运转,如电机电流未能回落至正常值,循环重复前述操作三次,仍然无法剪碎混合器内部大体积物体,则表明机器继续运转会有过负荷跳闸风险,在此情况下主动故障保护性停机,以便维护人员提前进行清理。

控制柜单元按上述方案工作一段时间后,打开卧式强力混合机腔体维修盖门,发现混合机内部较干净,几乎没有缠绕。技改后的功能在遇到大体积生活垃圾时,会短时影响产量,但避免了混合器内部堵塞造成的整套上料系统故障停机,也减轻了工作人员的清理维护强度。

4结语

近年来,我国大力倡导垃圾分类、环境保护、节约资源及可持续发展,已使人们认识到了建设绿色美好环境的重要性。我国也在不断提升相关技术水平,通过前期预防性保护、生产生活过程中严格管理、后期规范性处理,环境必将越来越美好。