陳建強(qiáng)，賀巧利，賈葉芬

（內(nèi)蒙古化工職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程系，呼和浩特 010010）

垃圾是人類日常生活和生產(chǎn)中產(chǎn)生的固體廢棄物，由于排出量大、成分復(fù)雜多樣、具有污染性，需要進(jìn)行無(wú)害化處理?，F(xiàn)今國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用的垃圾處理方法是衛(wèi)生填埋、高溫焚燒。國(guó)外工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，特別是日本和歐美，普遍致力于推進(jìn)垃圾焚燒技術(shù)的應(yīng)用，國(guó)外焚燒技術(shù)的應(yīng)用比我國(guó)焚燒工藝和設(shè)備相對(duì)成熟、先進(jìn)。我國(guó)城市垃圾處理起步較晚，但近幾年全國(guó)各地根據(jù)城市實(shí)際情況，從對(duì)策和規(guī)劃著手，積極對(duì)城市垃圾處理技術(shù)進(jìn)行探索。杭州、常州、天津、綿陽(yáng)、北京、武漢等城市在學(xué)習(xí)國(guó)外城市垃圾處理技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，自主研發(fā)的垃圾機(jī)械化堆肥處理生產(chǎn)線、建設(shè)垃圾焚燒廠，也為其他城市應(yīng)用焚燒技術(shù)提供了經(jīng)驗(yàn)[1]。

目前，焚燒垃圾普遍采用循環(huán)流化床鍋爐，循環(huán)流化床鍋爐也是近年來(lái)在國(guó)際上發(fā)展起來(lái)的新一代高效、低污染的清潔型鍋爐。循環(huán)流化床鍋爐因其沒(méi)有獨(dú)立的脫硫系統(tǒng)，并且通過(guò)爐內(nèi)投燒石灰石的方式進(jìn)行爐內(nèi)脫硫然后利用高壓硫化風(fēng)機(jī)使SO2與石灰石發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，最終達(dá)到脫硫目的而成為區(qū)別于一般的煤粉爐最大的優(yōu)點(diǎn)[2]。

由于垃圾焚燒鍋爐燃燒效率高、爐膛體積小，床內(nèi)傳熱系數(shù)高，負(fù)荷調(diào)節(jié)性能好，灰渣可綜合利用，而且可以燃燒低揮發(fā)性的劣質(zhì)燃料，通過(guò)可燃廢物中加入石灰石脫硫，大大地降低煙氣中CO、SOx、NOx含量有利于環(huán)保，因此垃圾焚燒鍋爐在我國(guó)的應(yīng)用發(fā)展具有綜合的社會(huì)效益。

隨著計(jì)算機(jī)分布式控制系統(tǒng)（DCS）被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制，采用分布式控制垃圾焚燒鍋及其附屬系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)垃圾焚燒鍋爐的監(jiān)視、控制和連鎖保護(hù)功能，將垃圾焚燒鍋爐的爐膛溫度根據(jù)不同參數(shù)變化維持在某一給定范圍內(nèi)，以便能夠?qū)崿F(xiàn)高效脫硫和防止結(jié)焦。

DCS 系統(tǒng)將所有目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行精確化設(shè)定，所有設(shè)定均可實(shí)時(shí)在線修改，對(duì)垃圾焚燒鍋爐的爐膛溫度、給料量、汽壓等被控對(duì)象動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行描述，保證垃圾焚燒鍋爐經(jīng)濟(jì)燃燒。

本文以呼和浩特嘉盛新能源股份有限公司“2×21.5 t/h”循環(huán)流化床垃圾焚燒爐環(huán)保綜合利用技改項(xiàng)目為基礎(chǔ)，針對(duì)循環(huán)流化床鍋爐的結(jié)構(gòu)及恒功率運(yùn)行工況等展開(kāi)研究，特別對(duì)影響循環(huán)流化床鍋爐床溫和給料量的參數(shù)為重點(diǎn)研究對(duì)象，通過(guò)數(shù)據(jù)分析從而得出有效控制循環(huán)流化床鍋爐床溫的技術(shù)措施。

1 項(xiàng)目概況

呼和浩特嘉盛新能源股份有限公司位于呼和浩特市土默特左旗畢克齊鎮(zhèn)，廠內(nèi)2 條生產(chǎn)線獨(dú)立運(yùn)行，獨(dú)立配備焚燒爐及煙氣凈化系統(tǒng)、汽輪發(fā)電機(jī)組。焚燒爐采用循環(huán)流化床垃圾焚燒，功率為21.5 t/h。汽輪機(jī)組采用高效復(fù)合型空冷凝型，汽式汽輪機(jī)組獨(dú)立配備12 MW 發(fā)電機(jī)組，按照額定功率運(yùn)行每條生產(chǎn)線日燃燒垃圾500 t。垃圾熱值低于800 kJ/kg 時(shí)采用垃圾中參入燃煤混燒形式，燃煤摻燒量不高于20%。煙氣凈化系統(tǒng)采用先進(jìn)的凈化工藝“SNCR 脫氮工藝+半干法脫硫凈化反應(yīng)塔+活性炭吸附+布袋除塵器”。滲濾液處理系統(tǒng)采用“預(yù)處理+UASB 厭氧反應(yīng)器+A/O 工藝和MBR 膜系統(tǒng)+NF納濾膜系統(tǒng)+RO 反滲透”凈化工藝[3]。項(xiàng)目的投產(chǎn)運(yùn)行對(duì)于呼和浩特地區(qū)及周邊旗縣垃圾處理起到非常重要的環(huán)保意義，同時(shí)具有進(jìn)行垃圾分類指導(dǎo)、節(jié)約資源、合理利用資源的社會(huì)教育意義。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

循環(huán)流化床鍋爐主要由物料系統(tǒng)、風(fēng)煙系統(tǒng)、汽水系統(tǒng)、飛灰再循環(huán)系統(tǒng)、煙氣脫硫系統(tǒng)等組成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。物料系統(tǒng)是將新燃料和脫硫劑（石灰石）混合后加入到爐膛燃燒室，混合料在風(fēng)的作用下充分混合，被風(fēng)煙帶出燃燒室的粉塵被分離器二次捕捉，再次返回燃燒室中，形成循環(huán)流化反應(yīng)的過(guò)程。

圖1 循環(huán)流化床鍋爐結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of circulating fluidized bed

風(fēng)煙系統(tǒng)是循環(huán)流化床鍋爐的核心系統(tǒng)，從爐膛底部吹入的一次風(fēng)的作用是使新燃料和脫硫劑（石灰石）充分反復(fù)混合發(fā)生還原燃燒，從燃燒室側(cè)方吹入的二次風(fēng)的作用是使燃料循環(huán)返料在燃燒室得到充足的氧氣充分燃燒[4]。

汽水系統(tǒng)是將給水經(jīng)過(guò)省煤器、汽包、水冷壁、過(guò)熱器后升溫、汽化、過(guò)熱形成高溫高壓蒸汽，也是整個(gè)鍋爐系統(tǒng)和汽輪機(jī)組進(jìn)行能量傳遞的介質(zhì)。

3 試驗(yàn)與數(shù)據(jù)

城市生活垃圾大部分是居民家中進(jìn)行簡(jiǎn)單分類后投入小區(qū)垃圾箱，經(jīng)過(guò)垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)站分類后直接轉(zhuǎn)運(yùn)到處理地點(diǎn)。生活垃圾水分高熱值低（特別是夏季雨季蔬菜和水果垃圾較多，水分含量偏高），成份復(fù)雜多變熱值波動(dòng)閾值大，造成垃圾焚燒爐運(yùn)行工況調(diào)節(jié)處理難度加大，特別對(duì)垃圾焚燒爐爐溫的控制成為一個(gè)難點(diǎn)。所以垃圾在焚燒之前必須對(duì)垃圾中的水分進(jìn)行處理，進(jìn)一步通過(guò)滲濾將垃圾的水分去除掉。

通過(guò)前期進(jìn)行，而后進(jìn)行發(fā)酵處理約一周時(shí)間，最大限度地減少垃圾中的水分含量，才能加入爐內(nèi)焚燒。通過(guò)研究表明，如果燃燒的爐溫溫度過(guò)低，垃圾焚燒達(dá)不到固定的溫度，很容易產(chǎn)生二噁英等有害氣體，二噁英的產(chǎn)生溫度在360 ℃～820 ℃之間，若保持焚燒爐內(nèi)溫度大于850 ℃，并控制煙氣在爐內(nèi)充分燃燒停留2 s 以上，即可使二噁英得到有效的分解。所以垃圾焚燒爐溫度的控制成為核心要點(diǎn)，爐溫的控制不僅有利于二噁英的分解，同時(shí)也影響垃圾在焚燒的過(guò)程中是否會(huì)產(chǎn)生二次污染。

本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)是在呼和浩特嘉盛新能源股份有限公司“2×21.5 t/h”循環(huán)流化床垃圾焚燒爐DCS系統(tǒng)上測(cè)定溫度和給料量等相關(guān)參數(shù)，通過(guò)前期的資料分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)得出，確認(rèn)影響鍋爐爐溫和給料量的測(cè)試試驗(yàn)的因素有4 種：A 一次風(fēng)量、B 床層厚度、C 二次風(fēng)量、D 燃料熱值。經(jīng)過(guò)與現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)工程師溝通，綜合考慮確定進(jìn)行正交試驗(yàn)，試驗(yàn)的參數(shù)是3 水平4 因素，若進(jìn)行全面試驗(yàn)，則試驗(yàn)的規(guī)模和次數(shù)將很大，而且因現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)管理等條件的限制而難于實(shí)施。通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，尋求最優(yōu)水平組合的一種高效率試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，所以在這種條件下完全可以用正交試驗(yàn)代替全面試驗(yàn)，因此試驗(yàn)采用L9（34）正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)代替全面試驗(yàn)，通過(guò)DCS 系統(tǒng)溫度顯示實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)，通過(guò)調(diào)整相應(yīng)參數(shù)得出溫度變化上下閾值的平均值取整（為了便于整合計(jì)算）作為測(cè)量值，給料量通過(guò)試驗(yàn)計(jì)算測(cè)得取平均值。試驗(yàn)因素和水平詳見(jiàn)表1。

表1 溫度測(cè)試的因素水平表Tab.1 Factor level table of temperature test

按照正交試驗(yàn)表L9（34）的試驗(yàn)安排，通過(guò)正交試驗(yàn)表改變相對(duì)應(yīng)的參數(shù)對(duì)循環(huán)流化床垃圾焚燒爐爐溫和給料量進(jìn)行測(cè)試，因?yàn)镈CS 系統(tǒng)溫度顯示實(shí)時(shí)變化，考慮控制系統(tǒng)實(shí)際情況最終取相應(yīng)參數(shù)變化上下閾值的平均值取整作為試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，正交試驗(yàn)結(jié)果經(jīng)過(guò)擬合計(jì)算和極差分析處理后其結(jié)果如表2所示。

表2 測(cè)試正交試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Test orthogonal experiment results

根據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析（不考慮各個(gè)因素的交互影響）的結(jié)果可知，影響爐溫主次順序是一次風(fēng)量、燃料熱值、床層厚度、二次風(fēng)量或者一次風(fēng)量、燃料熱值、二次風(fēng)量、床層厚度；影響給料量的主次順序一次風(fēng)量、燃料熱值、床層厚度、二次風(fēng)量或者一次風(fēng)量、燃料熱值、二次風(fēng)量、床層厚度。無(wú)論何種情況一次風(fēng)量和燃料熱值都是作為影響循環(huán)流化床垃圾焚燒爐爐溫和給料量系統(tǒng)的較為重要的因素，通過(guò)極差數(shù)據(jù)分析觀察最優(yōu)組合是A3B2C2D3，這樣既保證了循環(huán)流化床垃圾焚燒爐爐溫工作在大于850 ℃閾值左右，并控制煙氣在爐內(nèi)充分燃燒停留2 s 以上，最大程度可使二噁英得到有效的分解。同時(shí)也保證給料量達(dá)到額定值21 t/h 的標(biāo)準(zhǔn)，而且煙道排放物還符合環(huán)保指標(biāo)的各項(xiàng)要求。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

為了進(jìn)一步研究一次風(fēng)量和燃料熱值二者對(duì)循環(huán)流化床垃圾焚燒系統(tǒng)爐溫的影響，進(jìn)行了擴(kuò)展性試驗(yàn)，獲得一次風(fēng)量和燃料熱值影響循環(huán)流化床垃圾焚燒爐爐溫圖像關(guān)系，如圖2所示，但是循環(huán)流化床內(nèi)的一次風(fēng)量主要作用在于流化風(fēng)與燃燒風(fēng)，通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)量的大小，測(cè)量爐溫的數(shù)值。當(dāng)風(fēng)量再增加時(shí)床溫開(kāi)始出現(xiàn)下降的情況，分析原因考慮風(fēng)量的增加使得煙氣帶走的熱量隨一次風(fēng)量增加而升高導(dǎo)致最終爐溫不升反降為主要原因。燃料熱值影響循環(huán)流化床垃圾焚燒爐爐溫和給料量理論上是成正比例線性函數(shù)關(guān)系，但是垃圾焚燒的特點(diǎn)是城市垃圾經(jīng)過(guò)滲水發(fā)酵等環(huán)節(jié)處理后以及城市生活垃圾的成分特點(diǎn)，熱值的最高值接近1400 kJ/kg左右，所以通過(guò)提高燃料熱值的方法來(lái)提高鍋爐爐溫顯然不符合垃圾焚燒鍋爐的燃燒特點(diǎn)。

圖2 一次風(fēng)量和爐溫關(guān)系圖Fig.2 Relationship between primary air volume and furnace temperature

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，為了可以更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)循環(huán)流化床垃圾焚燒鍋爐爐溫和給料量的控制，就需要結(jié)合控制系統(tǒng)實(shí)際存在的影響因素制定出相應(yīng)的優(yōu)化措施，從而對(duì)垃圾焚燒電廠的日常運(yùn)行與生產(chǎn)起到良好的基礎(chǔ)保障。促使現(xiàn)代垃圾焚燒電廠的生產(chǎn)與日常運(yùn)行全面提高對(duì)于高效率、無(wú)污染技術(shù)與設(shè)備的運(yùn)用得到有效的更新?lián)Q代。

在現(xiàn)代控制理論對(duì)循環(huán)流化床垃圾焚燒鍋爐爐溫的控制方案一般都以調(diào)整給料量和一次、二次風(fēng)速配比從而控制爐膛溫度，但是存在的問(wèn)題是床層厚度也會(huì)對(duì)爐膛溫度產(chǎn)生影響，所以把床層厚度也作為控制量，綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)管理試驗(yàn)條件等相關(guān)技術(shù)指標(biāo)因素最終確定把給料量和爐膛溫度作為觀察值。但不論采用幾種控制變量和變化幅值，調(diào)節(jié)其變量既會(huì)影響爐膛溫度，又同時(shí)影響給料量，二者之間存在著嚴(yán)重的耦合關(guān)系。因此爐膛溫度控制需要兼顧平衡給料量和爐膛溫度，不僅要使?fàn)t膛溫度維持在一定閾值的變化范圍內(nèi)不能出現(xiàn)大范圍的波動(dòng)，還要保證給料量的變化不至于較大地影響負(fù)荷的波動(dòng)。由于引起爐膛溫度和給料量變化的參數(shù)因素比較多，而且參數(shù)之間又相互關(guān)聯(lián)和影響，還存在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)管理不允許試驗(yàn)調(diào)節(jié)各個(gè)參數(shù)因素的變化閾值過(guò)大，所以試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)測(cè)量值存在一定的局限性。如果深入研究可采用仿真軟件進(jìn)一步優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果。最終為DCS 系統(tǒng)下對(duì)循環(huán)流化床鍋爐溫系統(tǒng)的模糊控制優(yōu)化起到理論技術(shù)支持，特別是垃圾焚燒鍋爐的控制起到一定理論意義，對(duì)于今后呼和浩特地區(qū)及周邊旗縣垃圾處理起到非常環(huán)保的意義，同時(shí)加強(qiáng)進(jìn)行垃圾分類指導(dǎo)、節(jié)約資源、合理利用資源的社會(huì)教育意義。