生活垃圾焚燒處理控制技術(shù)

陳國華

（湖南華博科技開發(fā)有限公司，長沙 410015）

1 前言

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

目前國內(nèi)外生活垃圾處理主要有三種方法：衛(wèi)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(chǎn)業(yè)政策。但由于處理工藝與控制技術(shù)尚不過關(guān)，人們擔心在治理垃圾污染的同時又會產(chǎn)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(zhèn)生活垃圾焚燒的新型智能處理控制技術(shù)。該垃圾焚燒控制新技術(shù)還可用于醫(yī)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(nèi)已有應(yīng)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(nèi)新建生活垃圾焚燒爐形設(shè)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(xiàn)完全燃燒，抑制“二英”類物質(zhì)生成。通過改善焚燒爐的燃燒狀態(tài)，使其不產(chǎn)生有害物質(zhì)。為真正實現(xiàn)“3T”原則，對焚燒過程進行有效控制，將是系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵技術(shù)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(zhuǎn)窯預熱爐由熱解爐煙氣干燥，使其水分揮發(fā)）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(chǎn)生的殘渣經(jīng)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(nèi)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(zhuǎn)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(tài)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(wěn)定的和較高的溫度范圍（溫度控制在450℃～650℃），與傳統(tǒng)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(yīng)量，確保充分燃燒，爐內(nèi)溫度要控制在1100℃～1200℃之間，充分燃燒，不產(chǎn)生二次有害氣體污染，有效抑制二英等有毒物質(zhì)的產(chǎn)生。

系統(tǒng)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(jīng)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(shè)定的溫度下穩(wěn)定燃燒和在燃燒爐內(nèi)充分的滯留時間（＞2s）。

3 控制技術(shù)難點

垃圾焚燒過程易因多種因素造成焚燒工況不穩(wěn)定，如垃圾成分變化大，水分含量高，熱值不穩(wěn)定等，此時會出現(xiàn)燃盡率低，二次污染物多，燃燒爐受熱面腐蝕，結(jié)渣、結(jié)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(tǒng)，其動態(tài)特性隨工況的變化而大幅度變化，且不同情況下動態(tài)特性差異較大，存在慣性、滯后、非線性、時變、工作環(huán)境和干擾的不確定性，因而很難獲得精確的數(shù)學模型。目前，對垃圾焚燒的控制基本上仍然以采用經(jīng)典的PID控制為主，但單一的PID控制器在實際的應(yīng)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(guī)的PID無法實現(xiàn)控制要求；而采用基于人工經(jīng)驗的模糊控制方法，由于控制規(guī)則在調(diào)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(fā)現(xiàn)，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(nèi)。就目前情況來看，我國絕大多數(shù)垃圾燃燒處理企業(yè)的的控制方法仍不得不采用手動方式。

4 控制技術(shù)的創(chuàng)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(nèi)充分的滯留時間是關(guān)鍵。

如圖2所示，該控制系統(tǒng)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(huán)系統(tǒng)組成。

圖2 綜合智能控制算法結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(xiàn)對鼓風機的控制，智能控制器2主要實現(xiàn)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(yōu)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(tǒng)進行協(xié)調(diào)。在線實時檢測被控系統(tǒng)的性能（并加以記憶），針對對象性能的變化，經(jīng)過推理，判斷系統(tǒng)的性能指標是否滿足要求，從而進行控制器切換（協(xié)調(diào)）。

“智能控制器”中的智能控制器采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu)，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(gòu)造神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入、輸出數(shù)據(jù)對來逼近對象的時滯特性；利用近期的數(shù)據(jù)，通過每一個控制周期在線訓練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)系數(shù)來克服對象的時變性；利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性映射能力來逼近對象的非線性特性；在此基礎(chǔ)上，通過設(shè)定值與反饋值的偏差再一次調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)系數(shù)實現(xiàn)在線反饋學習，使智能控制器具有自學習和自適應(yīng)能力。

該系統(tǒng)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(wěn)定的燃燒溫度。

該系統(tǒng)還具有完備的安全保護功能，設(shè)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(yīng)急處置等，可確保系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)，防止事故發(fā)生。

5 垃圾焚燒處理技術(shù)的應(yīng)用前景

隨著我國經(jīng)濟總量的高速發(fā)展，垃圾堆積量也在急劇增長，現(xiàn)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(jīng)濟損失就達80億元人民幣。據(jù)統(tǒng)計，目前我國大中小城市日產(chǎn)垃圾近1噸，而且，每年還在以2%～5%的速度增長。數(shù)量巨大的人口消費和日益擴展的城市規(guī)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(yè)垃圾、城市生活垃圾和醫(yī)療垃圾已對人們的生存環(huán)境構(gòu)成巨大的威脅。

勿用置疑，垃圾焚燒處理技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，會帶來具大的社會與經(jīng)濟效益。

[1]張紹坤.醫(yī)療廢物集中焚燒處置技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].中國環(huán)保產(chǎn)業(yè)，2011（10）.

[2]中國環(huán)境保護產(chǎn)業(yè)協(xié)會城市生活垃圾處理委員會.我國城市生活垃圾處理行業(yè)2011年發(fā)展綜述[J].中國環(huán)保產(chǎn)業(yè)，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].