綠色動力垃圾分類處理終端技術支撐

張衛 劉林

【摘要】本文介紹了綠色動力自主研發的多驅動逆推式大型焚燒爐，它采用模塊化、三維化和CFD設計，形成250～1000噸處理規模的垃圾焚燒爐系列化產品;并研發出國內首創的垃圾焚燒二噁英在線預警和智能控制技術，能通過對垃圾進料、垃圾焚燒、余熱鍋爐低溫區、煙氣處理等垃圾焚燒全過程的有關參數檢測、大數據分析和智能判斷，實現垃圾焚燒二噁英在線預警和智能控制。

目前，生活垃圾焚燒發電已經成為我國和國外經濟較發達國家生活垃圾無害化、減量化和資源化處理的主流方式。隨著我國垃圾分類政策的不斷推進，越來越多的城鎮將實行垃圾分類。在這些分類后的垃圾中，可燃垃圾和餐廚垃圾處理沼渣都將送到垃圾焚燒廠協同處理。

垃圾焚燒爐是生活垃圾焚燒發電廠的核心和關鍵設備，其性能對垃圾焚燒廠的整體焚燒效果、運行可靠性、穩定性和環保性能影響極大。在垃圾焚燒行業競爭日益激烈，垃圾分類、國家環保要求不斷提高等新形勢下，垃圾焚燒行業從高速發展進入到高質量發展階段，尤其是，垃圾分類后，進廠垃圾量相對減少和垃圾熱值上升，這些都對垃圾焚燒爐等核心設備提出了新的要求。因此，垃圾焚燒爐日趨大型化、高效化和智能化，以滿足垃圾焚燒企業高質量、長周期和安全環保運行的要求。

“多驅動逆推式爐排爐垃圾焚燒技術”，是在目前國際上應用廣泛的逆推式機械爐排爐技術基礎上，針對中國城市垃圾成分復雜、熱值低、水份大和灰份多等特點，自主創新研發的核心技術，已形成單套300～1000噸系列爐排產品。它采用國際先進的標準化、模塊化、三維化和計算流體動力學CFD設計方法，可根據垃圾成分和燃燒情況，分別調整爐排預熱干燥段、燃燒段和燃燼段的爐排速度和一次風量，單套最大日處理規模可達1000噸，并自主研發出國內首創的多驅動逆推式爐排二噁英在線預警和智能控制技術，是特別適合處理中國城市生活垃圾和有效控制垃圾二噁英排放的核心技術。該技術已獲得國家70多項發明專利授權，并獲得2019年中國環保產業協會環境科技進步二等獎。

綠色動力多驅動逆推式機械爐排爐主要包含以下部件：進料斗、料槽、給料裝置、爐排架、下風室、排灰裝置、落渣井、出渣機、液壓和氣動動力系統、ACC自動燃燒控制系統等。

一、大型多驅動逆推機械爐排特點

爐排的驅動結構采用頭部驅動和尾部驅動多種驅動方式。其中，頭部驅動裝置主要用于驅動預熱干燥段和燃燒段爐排，尾部驅動裝置主要用于驅動部分燃燒段和燃燼段爐排。爐排尾部出渣采用速度可調的滾筒方式，可調節爐排料層厚度。這樣，通過采用分段驅動的多驅動方式和燃燒空氣調整，既可以根據垃圾含水率和熱值，調整干燥段、燃燒段和燃燼段爐排速度，保證垃圾充分和潔凈燃燒，又能根據處理規模的變化調整爐排的列數和寬度，實現垃圾焚燒爐的標準化和模塊化設計。單套焚燒爐最大日處理規模可以達到1000噸。

爐排片采用高鉻合金鋼鑄件，分為長短爐排片尺寸和結構設計。動爐排片頭部為雙角突起，有利于對垃圾攪拌混合;靜爐排片頭部為單角突起，有利于垃圾翻滾落下。同時優化爐排片種類，形成標準化、系列化零部件，以便于維護和更換。

獨特的爐排片錯動自清潔功能、爐排片尾部掛鉤和驅動梁結構設計。爐排片尾部采用彎鉤型設計，爐排片頭部靠在前面爐排片上，爐排片尾部則卡在爐片擱梁上。在爐排運動時，動爐排片和靜爐排片之間有相互10～15mm的錯動，可以把卡在進風口的雜物清潔，防止進風口堵塞。

二、運用三維設計和計算流體動力學CFD優化垃圾焚燒爐設計

與華中科技大學煤燃燒國家重點實驗室合作，采用先進的標準化、模塊化和三維設計，將500～1000噸處理能力的焚燒爐設計為由不同數量的標準模塊組成的三維立體模型，模擬大型焚燒爐的安裝和運行情況，以驗證零部件的設計是否正確和存在干涉問題，根據模擬裝配結果，及時對相關零部件進行修改優化，有利于采用數控技術制造焚燒爐機械零部件。

針對多驅動逆推型垃圾爐排爐的實際結構及尺寸，采用計算流體動力學CFD設計成400多萬個網格的數學模型，建立了垃圾爐排表面氣體成分求解模型、氣相燃燒爐室的控制方程、滲濾液回噴反應模型和NOx生成模型，對典型的生活垃圾高（低位熱值7800kJ/kg）、低（低位熱值6700kJ/kg）熱值垃圾在焚燒不同前爐拱深度，基于不同一、二次風配比、不同運行負荷、有無滲濾液回噴的條件，對爐內流動、溫度、氣體組分濃度分布、污染物生成等進行了計算機模擬研究，并為爐膛結構、一二次風比列、煙氣溫度、停留時間、煙氣排放指標等垃圾焚燒核心參數設計提供依據，確保焚燒爐煙氣溫度850℃以上停留時間不少于2.5秒，爐渣熱灼減率低于3%。

三、燃燒自動控制技術

多驅動逆推爐排燃燒自動控制系統ACC采用獨特的優化設計，具有包括鍋爐主蒸汽流量控制、爐內煙氣溫度和停留時間控制、垃圾處理量控制、垃圾料層厚控制、垃圾燃燒位置控制、熱灼減量最小化控制、煙氣氧氣濃度和爐膛壓力控制、爐排燃燼區控制、燃燒火焰熱成像數據分析和燃燒控制等功能。

四、二噁英在線預警和智能控制技術

二噁英無色、無味、有毒，由微量的多種復合成分、多氯聯苯化合物組成。目前，國際上還不能實現垃圾焚燒二噁英在線監測，只能取樣送檢，具有時間長、費用高、操作復雜和滯后性等缺點。在國內，垃圾焚燒的二噁英控制主要還是通過人工和憑經驗進行操作，主觀性較強。而垃圾成分復雜多變，容易造成二噁英超標，給企業造成嚴重的經濟處罰損失和環保不良影響。

國內首創、自主研發的綠色動力垃圾焚燒二噁英在線預警和控制技術，已獲得國家發明專利授權（ZL201910368145X）。它主要通過對垃圾焚燒二噁英產生和消除等影響因素和過程進行分析和歸類，應用大數據分析和專家智能庫系統，把全廠DCS通訊采集垃圾焚燒進料、燃燒、余熱利用和煙氣處理全過程的實時和操作數據作為系統的數據源，通過檢測和分析進爐垃圾成分、蒸發量、煙氣量、爐膛溫度、煙氣停留時間、鍋爐出口一氧化碳、氧含量、HCl含量、活性炭噴射情況、布袋除塵器清灰控制等影響二噁英排放的重要參數和權重因子，與煙氣達標排放的大數據參考值進行比較和大數據分析后，產生煙氣二噁英排放趨勢的預測數據源，同時考慮煙氣在低溫段合成區停留時間等相關聯的二次生成系數、吹灰過程、煙氣擾動等因素，全系統過程加權綜合，分析計算出二噁英的產生機會值和趨勢。然后，通過多種實際檢測值和模型理論計算值進行修正后，得到二噁英在線監測分布區域和相對值，并通過此值發出燃燒自動控制ACC、煙風系統、尾氣處理系統控制調節的指令，保證二噁英排放符合國家環保標準。

五、結論

綠色動力項目組采用先進的標準化、模塊化和三維化設計方法，設計大型多驅動逆推式爐排爐，并通過CFD流體動力學模擬各種燃燒工況，優化垃圾焚燒爐爐膛設計，完成了300～1000噸垃圾焚燒爐系列產品技術研發和設計。同時，還針對垃圾焚燒全過程中影響二噁英產生的因素，通過建立數學模型、運行參數大數據分析和智能控制系統，實現垃圾焚燒二噁英在線預警和控制，降低了垃圾焚燒廠二噁英超標的風險，有利于垃圾焚燒廠安全環保運行。

參考文獻

[1]華中科技大學煤燃燒國家重點實驗室.綠色動力逆推型垃圾爐排爐燃燒數值模擬報告[R].2017年10月。

[2]白良成.生活垃圾焚燒處理工程技術[M].北京：中國建筑工業出版社，2013.

作者簡介：

張衛（1967—），湖南長沙人，綠色動力環保集團有限公司總工兼技術研發總經理，住房和城鄉建設部中國城市環境衛生協會垃圾焚燒專家委員會委員，研究方向：垃圾焚燒技術。

劉林（1983—），廣東深圳人，綠色動力環保集團股份有限公司投資副總監兼投資管理中心總經理，研究方向：市政工程。