生活垃圾焚燒處理控制技術

陳國華

（湖南華博科技開發有限公司，長沙 410015）

1 前言

人們在生產和生活活動中所產生的“廢棄”物統稱為垃圾，垃圾形態是不同的，有固態、液態、氣態，有的具放射（性）物質、電磁（場）污染等（包含它們的混合體）。

目前國內外生活垃圾處理主要有三種方法：衛生填埋、堆肥（生化處理）、焚燒。其中，遵循“無害化、減量化、資源化”三原則的焚燒法最符合我國的垃圾處理產業政策。但由于處理工藝與控制技術尚不過關，人們擔心在治理垃圾污染的同時又會產生更具威脅性的二次污染，因而對生活垃圾焚燒處理方式存有疑惑或抵觸。

本文介紹了一種用于城鎮生活垃圾焚燒的新型智能處理控制技術。該垃圾焚燒控制新技術還可用于醫用垃圾的焚燒處理[1]。

2 垃圾熱解氣化焚燒工藝簡介

生活垃圾焚燒工藝有多種形式[2]，本文所述為熱解氣化焚燒工藝，其基本的工藝結構框圖如圖1所示。

熱解氣化焚燒工藝分為三部分：垃圾預處理，焚燒處理和煙、氣、液處理。

垃圾預處理方式很多，包括：家庭用戶的垃圾分類回收；集中垃圾處理場的自動、半自動分選（采用風、重力、磁、振動、旋轉等）；水選[3]。

圖1 生活垃圾焚燒工藝框圖

焚燒處理采用熱解氣化焚燒爐和改進型的熱解氣化焚燒爐（把二次焚燒爐與熱解氣化焚燒爐合為一個爐），國內已有應用，如諸暨浬浦垃圾無害化處理工程、諸暨市店口固廢處理工程、山東齊河鴻景固費處理工程等。

煙、氣、液處理是焚燒工藝無害化處理重要的組成部分。

近幾年國內新建生活垃圾焚燒爐形設計中大都采用了“3T”原則，即：Temperature，保持高的燃燒溫度；Time，保持燃燒氣體充分的滯留時間（＞2s）；Turbulence，吹入二次燃燒用空氣，使燃燒氣體充分混合，實現完全燃燒，抑制“二英”類物質生成。通過改善焚燒爐的燃燒狀態，使其不產生有害物質。為真正實現“3T”原則，對焚燒過程進行有效控制，將是系統成敗的關鍵技術之一。

熱解氣化焚燒過程大致分為：熱解氣化、炭化、冷卻三個階段。垃圾在干燥（回轉窯預熱爐由熱解爐煙氣干燥，使其水分揮發）后，進入熱解氣化爐中進行熱解氣化，熱解氣化后的殘留物進入炭化燃燒段燃燒；燃燒段產生的殘渣經過燃燼燃燒后進入冷卻段，由爐體底部出渣口排出。

熱解氣化分兩個階段，第一階段是指在熱解焚燒爐內將垃圾（有機物）在缺氧條件下利用熱能（垃圾本身或噴油）使垃圾（有機物）的化合鍵斷裂，轉化為小分子量的可燃氣，在此階段，垃圾分解成一氧化碳、氣態烴類等可燃性氣體，形成混合煙氣，導入二次焚燒爐；對熱解焚燒爐燃燒過程的控制，要求熱解焚燒爐膛溫度維持在一個穩定的和較高的溫度范圍（溫度控制在450℃～650℃），與傳統的直燃式焚燒爐相比，顆粒物排放減少。第二階段是可燃料氣體進入二次焚燒爐燃燒，在二次焚燒爐燃燒時要有一定的氧供應量，確保充分燃燒，爐內溫度要控制在1100℃～1200℃之間，充分燃燒，不產生二次有害氣體污染，有效抑制二英等有毒物質的產生。

系統通過檢測熱解焚燒爐和二次焚燒爐溫度以及氧（或一氧化碳）含量，煙道負壓，經智能控制器輸出，控制鼓風、配風和引風機，保持熱解焚燒爐和二次焚燒爐在設定的溫度下穩定燃燒和在燃燒爐內充分的滯留時間（＞2s）。

3 控制技術難點

垃圾焚燒過程易因多種因素造成焚燒工況不穩定，如垃圾成分變化大，水分含量高，熱值不穩定等，此時會出現燃盡率低，二次污染物多，燃燒爐受熱面腐蝕，結渣、結塊堵爐，甚至熄火停爐等問題。

由于垃圾焚燒過程是一個強耦合的多輸入、多輸出非線性系統，其動態特性隨工況的變化而大幅度變化，且不同情況下動態特性差異較大，存在慣性、滯后、非線性、時變、工作環境和干擾的不確定性，因而很難獲得精確的數學模型。目前，對垃圾焚燒的控制基本上仍然以采用經典的PID控制為主，但單一的PID控制器在實際的應用過程中效果很不理想，無法達到預期要求，其原因是由于垃圾熱值和含水量變化劇烈，常規的PID無法實現控制要求；而采用基于人工經驗的模糊控制方法，由于控制規則在調試完成后，就固定不變了，因此對工況變化情況下的跟蹤能力有限，而且從模糊控制器的實際運行情況也發現，對于在熱值和工況變化較大的情況下，單一模糊控制很難將二燃室的爐膛溫度控制在希望的溫度范圍內。就目前情況來看，我國絕大多數垃圾燃燒處理企業的的控制方法仍不得不采用手動方式。

4 控制技術的創新點

對于上述生活垃圾處理工藝，控制熱解焚燒爐、二次焚燒爐膛溫度和保持燃燒氣體在二次燃燒室內充分的滯留時間是關鍵。

如圖2所示，該控制系統由“智能控制器”與被控對象（熱解焚燒爐、二次焚燒爐、引風機）組成的復合閉環系統組成。

圖2 綜合智能控制算法結構圖

“智能控制器”是由專家控制器和兩個智能控制器共同組成知識共享和并行控制結構的復合控制器，其中專家控制器和智能控制器1主要是實現對鼓風機的控制，智能控制器2主要實現對引風機和配風機的控制。控制器通過對熱解氣化爐和燃燒爐的鼓風、配風、引風風量的優化控制，從而保證燃燒爐的溫度以及熱解氣化爐垃圾的熱解氣化。

“智能控制器”中專家控制器的功能是對復合控制系統進行協調。在線實時檢測被控系統的性能（并加以記憶），針對對象性能的變化，經過推理，判斷系統的性能指標是否滿足要求，從而進行控制器切換（協調）。

“智能控制器”中的智能控制器采用BP神經網絡控制結構，考慮到控制對象的時滯、時變及非線性特點，該智能控制器通過構造神經網絡輸入、輸出數據對來逼近對象的時滯特性；利用近期的數據，通過每一個控制周期在線訓練神經網絡的權系數來克服對象的時變性；利用神經網絡的非線性映射能力來逼近對象的非線性特性；在此基礎上，通過設定值與反饋值的偏差再一次調整神經網絡的權系數實現在線反饋學習，使智能控制器具有自學習和自適應能力。

該系統的特點是在整個氣化熱解和燃燒過程中通過“智能控制”，使燃燒爐保持穩定的燃燒溫度。

該系統還具有完備的安全保護功能，設有突然停電、漏電、過流保護；異常燃燒（回火、失火）時的報警處理；緊急事故應急處置等，可確保系統的正常運轉，防止事故發生。

5 垃圾焚燒處理技術的應用前景

隨著我國經濟總量的高速發展，垃圾堆積量也在急劇增長，現已高達60億噸，已占用可耕地面積高達5億平方米，僅此一項，直接經濟損失就達80億元人民幣。據統計，目前我國大中小城市日產垃圾近1噸，而且，每年還在以2%～5%的速度增長。數量巨大的人口消費和日益擴展的城市規模，已使我國成為世界上垃圾包袱最重的國家之一，各種難以及時處理的工業垃圾、城市生活垃圾和醫療垃圾已對人們的生存環境構成巨大的威脅。

勿用置疑，垃圾焚燒處理技術具有廣闊的應用前景，會帶來具大的社會與經濟效益。

[1]張紹坤.醫療廢物集中焚燒處置技術的研究與應用[J].中國環保產業，2011（10）.

[2]中國環境保護產業協會城市生活垃圾處理委員會.我國城市生活垃圾處理行業2011年發展綜述[J].中國環保產業，2012（10）.

[3]王麗.生活垃圾水選分類處理和回收利用方法：中國，200810105679[P].