任超峰，江俊杰，劉二利，方朝軍，賈祎蔓，宋菲菲

（1.綠能（杭州）企業(yè)管理有限公司，杭州 310005；2.溫嶺綠能新能源有限公司，浙江 臺州 317503）

0 引言

2018 年城市生活垃圾清運量達到2.28 億t，隨著城市化發(fā)展，垃圾產(chǎn)量日益增長，預計2025年垃圾年清運量達到4.4 億t，2035 年達到5.5 億t?！袄鴩恰币殉蔀楦鞒鞘忻媾R的共同難題，嚴重影響環(huán)境衛(wèi)生和居民正常生產(chǎn)、生活。

我國生活垃圾無害化處理、處置辦法以衛(wèi)生填埋、堆肥和焚燒為主。其中填埋處理存在土地占用面積大、二次污染、爆炸崩塌等諸多問題，人口密度大的地區(qū)特別是東部經(jīng)濟發(fā)達省份，填埋處理方式已經(jīng)遇到瓶頸；尤其是隨著人口增加以及經(jīng)濟規(guī)模擴張，土地資源日益緊缺，居民的“鄰避效應”也將日益增強，選址成為垃圾填埋處理難以逾越的門檻。堆肥對垃圾中重金屬含量控制有較高要求，且最終產(chǎn)品單一且不穩(wěn)定，受到市場銷路的極大制約。2018 年我國垃圾無害化處理2.26 億t，其中：填埋1.17 億t，占比51.8%；焚燒1.02 億t，占比45.1%[1]。2012—2018 年的垃圾填埋量和垃圾焚燒量變化趨勢見圖1。由圖1可知，中國的垃圾填埋清運量逐年遞增，但是自2016 年起呈現(xiàn)下降趨勢，焚燒量則一直呈現(xiàn)遞增趨勢。隨著焚燒量的逐年增加，垃圾焚燒事業(yè)蓬勃發(fā)展，垃圾焚燒廠的數(shù)量也逐年增加，圖2 為2012—2018 年中國垃圾焚燒廠的增長趨勢[2]。

圖1 2012—2018 年垃圾填埋量和垃圾焚燒量變化趨勢

圖2 2012—2018 年中國垃圾焚燒廠數(shù)量的增長趨勢

1 循環(huán)流化床鍋爐焚燒技術的發(fā)展

作為垃圾焚燒兩大主流技術之一的循環(huán)流化床垃圾焚燒技術是20 世紀60 年代初發(fā)展起來的一種新型垃圾焚燒技術。在過去幾十年的發(fā)展過程中，流化床垃圾焚燒技術逐漸在日本、北美、歐洲等一些發(fā)達國家得到應用。

我國的循環(huán)流化床垃圾焚燒技術起步于20世紀80 年代[3]。其中浙江大學、中科院工程熱物理所、清華大學陸續(xù)開發(fā)并推廣應用了流化床垃圾焚燒技術，就目前國內(nèi)焚燒爐的使用情況來看，循環(huán)流化床的市場占有率約為20%，這是由于在生活垃圾焚燒初期時建廠者熱衷于將國產(chǎn)鍋爐技術應用于垃圾焚燒，并且該技術的建設成本較低[4]。之后流化床垃圾焚燒技術經(jīng)歷了實驗室技術示范（摻煤比6:4）、產(chǎn)業(yè)化示范（摻煤比7:3或8:2）、完善提高（摻煤比9:1）、成熟推廣（摻煤比95:5 甚至100:0）四個階段[5]。蒸汽參數(shù)從中溫中壓（3.82 MPa、450℃，為目前流化床普遍使用的參數(shù)）到次高溫次高壓（5.2 MPa、485 ℃，如高密項目和淄博項目），目前國內(nèi)尚無高溫高壓（9.8 MPa，550 ℃）流化床垃圾焚燒爐[6]。

2 循環(huán)流化床鍋爐焚燒技術的困境

盡管我國生活垃圾焚燒發(fā)電技術正在快速發(fā)展且已積累了較豐富的經(jīng)驗，但是現(xiàn)有的垃圾組分復雜，成分不穩(wěn)定，灰分大，熱值低，造成了垃圾給料不均勻、爐前進料熱值波動大和焚燒爐運行不穩(wěn)定等問題，給尾部煙氣污染物排放控制帶來了很大壓力，循環(huán)流化床焚燒鍋爐面臨的問題更加突出[7]。

垃圾給料裝置是流化床焚燒鍋爐的關鍵設備之一，是影響焚燒鍋爐能否穩(wěn)定運行的重要環(huán)節(jié)。我國流化床焚燒鍋爐自開發(fā)應用以來，爐前給料方式經(jīng)歷了凸輪推桿、三聯(lián)式液壓活塞推桿、一級鏈板給料、雙級鏈板給料、兩級螺旋給料的發(fā)展過程，其中還應用了單輥撥料機給料。目前流化床焚燒爐以兩級螺旋給料為主，占80%以上的份額。然而上述垃圾給料方式均未能較好地解決垃圾的均勻給料和密封問題，并且設備故障率高，維護工作量大，對垃圾焚燒的運行影響較大[8-10]。

2.1 給料不均

國內(nèi)垃圾成分比較復雜，含水率較高，并且含有大量的塊狀不可燃燒物以及布條、鐵絲纏繞成團。垃圾的復雜性使常規(guī)的給料方式無法松散或打斷成團的垃圾塊，致使垃圾成團進入鍋爐，使爐膛穩(wěn)定工況被破壞，爐膛突然正壓燃燒，CO含量波動幅度瞬間增大。

2.2 給料密封性差

國內(nèi)流化床焚燒的給料方式較為多樣化，其中普遍使用的是兩級螺旋給料技術。該技術可以較好地解決煙氣反竄現(xiàn)象，但是螺旋進料的過程中，垃圾的密實度會隨著進料距離的增加而增加，使得進入焚燒爐中的垃圾產(chǎn)生板結現(xiàn)象而不能充分燃燒，產(chǎn)生大量富含CO 的濃煙，不僅導致CO 排放指標超標，同時也提高了尾部煙氣處理的成本。

2.3 行車工操作壓力大

行車工卸料往往將抓斗垂直立于投料口上段，放料時將整個抓斗的垃圾完全放下，垃圾覆蓋整個料槽，導致垃圾搭橋或成團進入爐膛，對焚燒不利。因此，在投料過程中，行車工必須保證細致的操作，且給料控制需24 h 人工監(jiān)控并控制垃圾流量，工作人員精力高度集中，操作壓力較大。

3 爐前給料改造措施

為確保垃圾連續(xù)、均勻進入爐膛，且爐膛負壓保持平穩(wěn)，同時減少行車工的操作壓力，開發(fā)了一種自動給料設備，并對溫嶺某垃圾焚燒廠進行改造。首先對溫嶺市垃圾熱值進行檢測，本次檢測了溫嶺東部新區(qū)垃圾、入廠生活垃圾、入廠工業(yè)垃圾、入爐混合垃圾的熱值（混合垃圾為生活垃圾與工業(yè)垃圾混合，工業(yè)垃圾質(zhì)量占比約30%～40%），檢測結果見表1。

表1 溫嶺市垃圾組分及熱值分析

由表1 可知，溫嶺市垃圾成分比較復雜，熱值相對較高，主要原因在于溫嶺為小商品生產(chǎn)基地，主要生產(chǎn)的商品為服裝、皮鞋等。其中工業(yè)垃圾的含量約占35%以上，熱值達到13 070 kJ/kg。大量未破碎的工業(yè)垃圾給垃圾焚燒帶來了嚴重影響，本文抽取附近廠家提供的工業(yè)垃圾樣本進行分析，主要成分見表2。

表2 溫嶺市工業(yè)垃圾的成分分析

由表2 可知，溫嶺市工業(yè)垃圾中皮革和紡織物的含量較高，這兩種材料均不利于破碎，給鍋爐焚燒穩(wěn)定性和污染物排放等指標帶來負面的影響。通過對該廠爐前給料系統(tǒng)進行改造，在原有兩級給料的基礎上實現(xiàn)四級給料，從而達到均勻給料、穩(wěn)定運行的目的，如圖3 所示。改造內(nèi)容如下：

垃圾由行車抓取投放至預給料倉，預給料鉸刀將垃圾輸送至上級鉸刀，上級鉸刀將垃圾輸送至爐前破碎機，垃圾經(jīng)破碎后進入下級鉸刀，垃圾最終由下級鉸刀輸送至焚燒爐進行焚燒。經(jīng)過長期工況運行總結發(fā)現(xiàn)，鍋爐操作人員只需觀察上級鉸刀及爐前破碎機內(nèi)料位，控制預給料鉸刀及上級鉸刀啟停即可，爐前破碎機及下級鉸刀無需進行人工干預，在垃圾質(zhì)量良好情況下，工況不易發(fā)生重大變化，各風量參數(shù)基本無需進行重大操作變更。

圖3 四級給料設計圖

3.1 增設預給料倉

本次改造在投料平臺上增設預給料倉，并布置雙螺旋鉸刀。行車工只需將垃圾投入預給料倉，無需進一步監(jiān)視料斗內(nèi)情況，預給料倉內(nèi)的垃圾由預給料鉸刀打散后輸送到上級給料倉，利用計算機視覺技術監(jiān)視上級給料倉和破碎機，控制預給料鉸刀和上級鉸刀的啟停。相較于時刻觀察料倉料位的情況，本次改造解放了行車工的勞動力。預給料倉設置前應充分考慮平臺荷載，并根據(jù)平臺荷載設定預給料倉的容積。預給料倉結構如圖4 所示，設計如下：

（1）預給料倉為鋼板結構，上口寬下口窄，由螺栓固定在給料平臺上。

（2）預給料鉸刀為無軸雙螺旋結構，設置在預給料倉底部，將底部垃圾均勻向前方輸送至上級給料鉸刀。

（3）預給料倉的容積由垃圾焚燒量確定，一般為20～30 min 的垃圾焚燒量。

（4）預給料倉口寬度應滿足抓斗要求，收料斗入口尺寸應按不小于垃圾抓斗最大張角的尺寸確定。

（5）料斗應設置合理傾角結構，避免拱料，其傾角應大于55°。

（6）料斗與垃圾觸滑面要求采用16Mn 類材質(zhì)的耐磨鋼材，以延長料斗的使用壽命，減輕維護工作量。

（7）預給料倉設置在上級給料平臺上，平臺由梁支撐。

圖4 預給料倉結構

3.2 爐前破碎

流化床鍋爐的流化態(tài)是利用流動流體的作用將固體顆粒群懸浮起來，從而使固體顆粒具有某些流體表現(xiàn)特征。當流體通過床層的速度逐漸提高到某值時，顆粒表現(xiàn)出和液體相似的擬流體狀態(tài)。因此流化床鍋爐的焚燒對垃圾的入爐粒徑有一定的要求，一般要求在100 mm 以下[4]。該廠爐前破碎機的設計處理能力為20 t/h，設計90%垃圾破碎粒徑不大于100 mm，以確保入爐垃圾尺寸更加均勻。爐前破碎機的結構如圖5 所示。

爐前破碎機的設置一方面有利于將成團的垃圾進一步打散，使入爐垃圾更加均勻，另一方面可以進一步切割垃圾團中的布料和粒徑較大的垃圾，確保垃圾粒徑符合入爐要求，使流化床鍋爐具有良好的流化態(tài)[11-13]。

圖5 爐前破碎機俯視圖

3.3 自動控制給料

設備主要使用計算機視覺技術，基于深度數(shù)據(jù)來實現(xiàn)實時的三維重建，結合高斯混合模型背景建模技術，形成實時的垃圾三維體積，并最終以該體積的量控制鉸刀是否進料[14-15]。

根據(jù)現(xiàn)場給料口的位置，架設視覺傳感器，利用智能視覺算法實時測算進料口內(nèi)當前垃圾的體積，并根據(jù)實際需要（由技術人員確定高度或體積限值），統(tǒng)計經(jīng)驗數(shù)據(jù)來判斷并發(fā)出相應信號，該信號可接入產(chǎn)線的原有控制系統(tǒng)，進而實現(xiàn)智能化的均勻進料。經(jīng)過該方案的改造，進料的控制將完全由計算機智能來實現(xiàn)，大幅減少了人工干預。上級給料倉料位視頻監(jiān)控如圖6 所示，高清視頻監(jiān)控視覺傳感器如圖7 所示。

圖6 上級給料倉料位視頻監(jiān)控

采用實時三維重建算法，對流水線生產(chǎn)過程上料口的垃圾進行三維重建，并與已建立好的背景模型融合形成包絡體，測算體積。將該體積參數(shù)與原有經(jīng)驗數(shù)據(jù)結合，形成一套模糊控制系統(tǒng)，最終輸出上一輪鉸刀控制信號，控制其進料與否。自動控制系統(tǒng)設置垃圾方量測量頻率不低于1 次/s，測量誤差不大于5%，鉸刀控制信號更新頻率為1 次/s。自動控制流程如圖8 所示。

圖7 高清視頻監(jiān)控視覺傳感器

圖8 自動控制流程

4 爐前給料改造的效果分析

4.1 運行穩(wěn)定性分析

針對溫嶺某廠給料系統(tǒng)改造完成后的運行情況，分別抽取了改造前后鍋爐運行連續(xù)3 個月的數(shù)據(jù)進行對比分析，運行數(shù)據(jù)見表3。

表3 改造前后鍋爐穩(wěn)定性運行數(shù)據(jù)

由表3 可知，鍋爐平均蒸發(fā)量上升3.1 t/h，廠用電率下降1.8%，垃圾焚燒量增加3.3 t/h，CO 排放濃度降低20 mg/m3。四級給料系統(tǒng)使垃圾經(jīng)歷四次均質(zhì)化，同時設置在第三層的破碎機對垃圾進行進一步破碎，確保垃圾均勻、平穩(wěn)地進入鍋爐，減少垃圾對鍋爐的擾動。鍋爐燃燒穩(wěn)定，引風機電耗下降，蒸發(fā)量增加，發(fā)電量也隨之增加。

鍋爐爐膛焚燒穩(wěn)定性直接反映為CO 排放波動和負壓波動，該焚燒廠爐前給料改造前后某一時間段的CO 排放濃度瞬時值波動曲線如圖9 所示，負壓瞬時值波動曲線如圖10 所示。

圖9 爐前給料改造前后CO 排放濃度瞬時值波動曲線

由圖9 可知：改造前爐膛CO 排放濃度波動較大，峰值較高；改造后運行趨于平穩(wěn)，排放指標更加穩(wěn)定，改造效果明顯。

圖10 爐前給料改造前后負壓瞬時值波動曲線

由圖10 可知：改造前負壓波動在50～-400 Pa 之間，偶爾出現(xiàn)正值；改造后負壓波動幅度更小，基本在-200～-400 Pa 之間，且未出現(xiàn)正值。

使用計算機視覺技術可以更好地監(jiān)視料位，自動控制預給料鉸刀運行，減少了人工判斷的誤差和延時。

4.2 鍋爐密封性分析

目前流化床給料方式多為兩級給料，分為上下兩層鉸刀螺旋進料。螺旋進料過程中，垃圾的密實度會隨著進料距離的增加而增加，因此距離越大，密封性越不好。兩級給料行時，車工操作中應嚴格控制料封，即控制料層的厚度，防止鍋爐煙氣沖破料封導致煙氣反竄。因此在鍋爐給料密封不好的情況下，爐膛是呈現(xiàn)正壓運行的，且正壓值較大。

四級給料相當于增加了一層給料，減少了各層之間的距離，增加了垃圾的密實性。同時給料均勻，防止大塊垃圾掉入爐膛干擾流化狀態(tài)，避免出現(xiàn)正壓，實現(xiàn)料封。

4.3 減輕人工操作壓力

在設備條件相同的情況下，兩級給料時，行車工必須操作抓斗置于投料口后上方，分數(shù)次間斷投料，每次投放少量垃圾，使垃圾平鋪在螺旋輸送機上，以確保運行穩(wěn)定性，該操作對行車工的技術要求非常高。

為驗證自動控制系統(tǒng)的連續(xù)運行能力，抽取一個月內(nèi)溫嶺某電廠兩臺鍋爐運行時間和焚燒量參數(shù)如表4 所示，兩臺鍋爐為同時建造，設計參數(shù)相同，1 號鍋爐為自動控制系統(tǒng)改造爐，2 號鍋爐為非自動控制焚燒爐。

表4 自動給料運行能力

由表4 可知，自動控制系統(tǒng)的運行時間和垃圾處理量基本達到了人工控制的98.6%?！白詣涌刂葡到y(tǒng)+四級給料”具有良好的運行穩(wěn)定性，能根據(jù)上級給料倉的料位高低判斷進料速度，無需運行人員時刻監(jiān)視料位變化情況，同時減少了抓斗抓料、落料頻率，降低了人工成本。

5 結語

自動給料方式適用于給料不均、鍋爐運行不穩(wěn)定的流化床鍋爐，其主要優(yōu)勢如下：

（1）與人工給料相比，四級給料系統(tǒng)能將垃圾均勻拋灑到鍋爐的爐膛內(nèi)，使垃圾在爐膛內(nèi)迅速擴散，實現(xiàn)充分燃燒，降低CO 排放濃度，提高鍋爐熱效率。

（2）自動控制系統(tǒng)的投運降低了行車工的工作強度，使行車工操作更方便，且無需時刻注意給料倉料位變化，同時可以實現(xiàn)較好的料封。