机械毕业设计-含油污泥热解炉机电系统设计

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含油污泥热解炉机电系统设计

摘要：本文主要阐述了含油污泥热解油炉的机电系统的设计内容和设计过程。通过分析含油污泥的成分，得出含油污泥热解处理具有较好的油气回收和残渣再生利用价值，可实现污泥“零排放”。设计的热解油炉采用Y系列隔爆电机作为驱动元件，采用两级硬齿面直齿圆柱减速器减速和齿轮传动，通过变频器和PLC控制程序使热解油炉的转速控制在1r/min左右和0.3r/min左右。热解油炉的加热装置为燃气燃烧器。为保证热解炉在冷车起动预热过程中反应筒受热均匀，减少热变形，采取控制同一时间内工作的燃烧器的数量、位置及时间的方式进行程序控制并完成相应的PLC程序设计。热解炉热态停车采用低速盘车降温直至冷态的停车控制方式，同时此设计还完成了热态盘车程序的设计。电气控制系统采用PLC作为主控机、温度巡检仪作系统参数检测的控制方案。在热解炉的主要部位设有温度传感器和压力传感器。

关键词：含油污泥，热解油炉，燃烧器，可编程逻辑控制器，传感器

1.引言：

油田炼化集输处理过程产生的罐底泥、浮渣、废白土和落地原油等含油污泥的石油类物质含量高（干重含油量一般在10％以上，多数可达20％～30％），同时还含有较高的其它高分子有机物等有毒有害物质，若不进行有效的妥善处置，必将对环境造成危害和影响。

近年，随着国家环保法规标准的要求不断提高，环保执法力度不断加大，含油污泥的污染控制与资源化利用，已成为困扰石油行业的难题。在国家方面，新修订的《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》对含油污泥等危险固体废物污染环境防治提出了更加严格的要求，污泥的资源化利用已被列为国家建设节约型社会的重要工作内容。在企业方面，按照新的法规、标准，许多企业对含油污泥的处理处置很难达到要求；一些企业含油污泥堆存填埋数量巨大，遗留环境污染隐患突出，同时根据新的《排污收费标准及计算方法》，含油污泥按危险废物1000 元/吨收费，企业排污成本负担加重。随着天然资源的短缺和固体废物排量的激增，许多国家把固体废物作为“资源”积极开展综合利用，固体废物已逐渐成为可开发的“再生资源”，污泥资源化利用也将是其今后最终处置的主要方式。国内外含油污泥等固体废物的资源化利用处理技术主要有热解、溶剂萃取、热化学洗油等，固体废物热解处理是一项很有发展的技术，其优点和可操作性已受到许多研究者的关注。热解法处理含油污泥在国外已有工业化示范装置，但国内仍处于实验研究阶段。

2.设计思路说明：

本设计主要目的是设计出能满足使用要求的含油污泥热解炉。设计主要分为机械设计和电气设计两大部分。本设计机械系统部分主要完成：电机的选择；传动比分配；减速机的选择；传动齿轮的设计及强度校核；热解炉密封装置设计等。电气设计部分主要完成：包括燃烧室内燃烧器布置、温度传感器及压力传感器的选用和布置、热解炉起动过程燃烧器的点火方式设计及PLC控制程序设计、热解炉连续运转工作时，燃烧器的调温控制及停止控制的PLC程序设计；变频器的选用及控制等。

3.热解炉工作原理：

物料在热解炉内煅烧的过程是由冷端（窑头）喂入，热解炉内物料仅占热解炉容积的一小部分，物料在炉内运动过程比较复杂，当热解炉回转时，被炉筒壁上的抄板带起，带到一定高度即物料层面与水平面形成的角度等于物料的自然休止角时，物料在重力作用下，沿着料层滑落下来。因为炉体有一定的斜度(1%～3%)，物料落下来时不会落在原来的位置，而是向前移动了一定的距离。因此使物料连续向热端（窑尾）移动。

4.含油污泥处理方法：

污泥的主要成分是水、有机物及挥发性物质、污泥。本设计采用利用热解炉加热热解的方法将它们分离。分离原理为：利用水，挥发性物质气化后冷凝温度的不同进行组分分离。如水在超过100ºC时将转化成气态，挥发性物质在400ºC～600ºC时将从液态变成气态，利用上述热解方法可将它们分离。此过程中最重要的任务是达到含油污泥的“零排放”要求。同时可将热解后冷凝的轻质油回收利用。

5.机械部分设计：

热解炉的驱动系统由YB系列电动机，一个两级硬齿面圆柱齿轮减速机，一个三级硬齿面圆柱齿轮减速机，齿轮齿圈传动机构组成。通过计算热解炉各部分的重量后，利用材料力学和理论力学中学过的知识绘制出热解炉的受力图，转矩图，计算出驱动热解炉所需的驱动扭矩。根据驱动扭矩，计算出直接驱动热解炉所需的功率。选取热解炉驱动系统部件，跟据减速机计算公式：计算出两个减速机的额定功率，选择出合适的电动机，减速器型号。计算出热解炉直接驱动的实际功率后，利用所学的机械原理和机械设计知识，设计出齿轮传动装置的模数，齿数，分度圆直径，并对其进行强度校核。

6.电气控制系统计算机控制方案:

控制系统采用控制计算机+可编程逻辑控制器（PLC）+多回路巡检测量控制仪，通过通讯接口及模拟量输入、输出模块，与热解炉各部各类传感器及执行机构组成测控系统，检测与控制系统所有运行条件与参数，在线监测并自动记录与控制，设定与控制操作在计算机上进行；采用变频控制器通过控制计算机及可编程逻辑控制器，控制各传动系统运行速度。实现在保证含油污泥热解过程参数满足条件的前提下，完成入、出物料及热解气各部物料流系统平衡。

6.1含油污泥热解炉温度控制系统：

燃烧室内部温度通过热电偶检测将采集的数据传送给智能多回路巡检测控制仪，通过通讯接口与控制计算机进行数据交互，经PID控制算法完成输出控制参数的计算，并将控制数据通过下位机PLC送入模拟量输出控制模块，分别控制各燃烧器的控制器。

控制方式以间接控制回转热解炉内部温度为主，以控制燃烧室燃烧温度为辅。完成热解炉的整体加热控制。

7.结论：

通过对含油污泥热解炉的机电系统设计，得出如下结论：

1. 采用热解工艺处理含油污泥既可实现污泥“零排放”，又可回收油气资源，便于残渣的再生利用，具有显著的直接经济效益和社会效益。

2. 在本设计中减速装置采用两级硬齿面直齿圆柱齿轮减速器。选择此种减速方式并不是因为减速比过大不能采用一级直齿圆柱齿轮减速器，而是因为考虑到热解炉的密封装置与地基之间的距离不足以安装满足要求的一级直齿圆柱齿轮减速器。同样，设计的热解炉也可采用斜齿轮减速器或蜗轮蜗杆减速器，但考虑到热解炉的生产成本问题，而且采用两级硬齿面直齿圆柱齿轮本减速器可以满足热解炉的减速需要，所以本设计最终决定使用两级硬齿面直齿圆柱齿轮减速器。

3.完成传动系统的选型，配套，设计出能满足热解炉传动需要的电机、减速器、齿轮、齿圈。通过强度校核计算，确保传动系统内的各个部件都能满足使用要求。

4.采用变频调速方法的主要目的是摸索出满足热解炉正常工作的合理工艺参数。采用变频调速的优点是变频器驱动可使整机性能有较大提高，如效率高、功率因数好、节能效果显著；可无级调速、行走平滑稳定；可靠性高，能在恶劣环境下使用，变频器自身保护功能齐全，如过流、过载、过压等都能及时报警及停止，提高了安全性能。同时，变频器具有限流作用，软起动可以减少起动时对电网的冲击，有利于车间内其它设备正常运行。

5.比较已设计出的三种燃烧器点火方式的优缺点，最终确定了燃烧器的点火方案。利用PLC可编程控制器编写的程序实现了燃烧器按一定的顺序启动。然后，利用热电偶，温度巡检仪和PLC控制器设计出了反应室温度控制程序。最后，为保证回转窑能正常工作和便于检修，在回转窑的关键部位安装了压力传感器。

参考文献：

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[4] 海利普变频器手册

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[8] 三菱PLC 编程手册

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