生活垃圾流化床鍋爐給料系統(tǒng)的優(yōu)化

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(tái)州 317503）

0 引言

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

我國(guó)生活垃圾無(wú)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(wèn)題，人口密度大的地區(qū)特別是東部經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)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(jì)規(guī)模擴(kuò)張，土地資源日益緊缺，居民的“鄰避效應(yīng)”也將日益增強(qiáng)，選址成為垃圾填埋處理難以逾越的門檻。堆肥對(duì)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(chǎng)銷路的極大制約。2018 年我國(guó)垃圾無(wú)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(shì)見(jiàn)圖1。由圖1可知，中國(guó)的垃圾填埋清運(yùn)量逐年遞增，但是自2016 年起呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，焚燒量則一直呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)。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(guó)垃圾焚燒廠的增長(zhǎng)趨勢(shì)[2]。

圖1 2012—2018 年垃圾填埋量和垃圾焚燒量變化趨勢(shì)

圖2 2012—2018 年中國(guó)垃圾焚燒廠數(shù)量的增長(zhǎng)趨勢(shì)

1 循環(huán)流化床鍋爐焚燒技術(shù)的發(fā)展

作為垃圾焚燒兩大主流技術(shù)之一的循環(huán)流化床垃圾焚燒技術(shù)是20 世紀(jì)60 年代初發(fā)展起來(lái)的一種新型垃圾焚燒技術(shù)。在過(guò)去幾十年的發(fā)展過(guò)程中，流化床垃圾焚燒技術(shù)逐漸在日本、北美、歐洲等一些發(fā)達(dá)國(guó)家得到應(yīng)用。

我國(guó)的循環(huán)流化床垃圾焚燒技術(shù)起步于20世紀(jì)80 年代[3]。其中浙江大學(xué)、中科院工程熱物理所、清華大學(xué)陸續(xù)開(kāi)發(fā)并推廣應(yīng)用了流化床垃圾焚燒技術(shù)，就目前國(guó)內(nèi)焚燒爐的使用情況來(lái)看，循環(huán)流化床的市場(chǎng)占有率約為20%，這是由于在生活垃圾焚燒初期時(shí)建廠者熱衷于將國(guó)產(chǎn)鍋爐技術(shù)應(yīng)用于垃圾焚燒，并且該技術(shù)的建設(shè)成本較低[4]。之后流化床垃圾焚燒技術(shù)經(jīng)歷了實(shí)驗(yàn)室技術(shù)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(gè)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(xiàng)目和淄博項(xiàng)目），目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)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(shù)的困境

盡管我國(guó)生活垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)正在快速發(fā)展且已積累了較豐富的經(jīng)驗(yàn)，但是現(xiàn)有的垃圾組分復(fù)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(jìn)料熱值波動(dòng)大和焚燒爐運(yùn)行不穩(wěn)定等問(wèn)題，給尾部煙氣污染物排放控制帶來(lái)了很大壓力，循環(huán)流化床焚燒鍋爐面臨的問(wèn)題更加突出[7]。

垃圾給料裝置是流化床焚燒鍋爐的關(guān)鍵設(shè)備之一，是影響焚燒鍋爐能否穩(wěn)定運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。我國(guó)流化床焚燒鍋爐自開(kāi)發(fā)應(yīng)用以來(lái)，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(jí)鏈板給料、雙級(jí)鏈板給料、兩級(jí)螺旋給料的發(fā)展過(guò)程，其中還應(yīng)用了單輥撥料機(jī)給料。目前流化床焚燒爐以兩級(jí)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(wèn)題，并且設(shè)備故障率高，維護(hù)工作量大，對(duì)垃圾焚燒的運(yùn)行影響較大[8-10]。

2.1 給料不均

國(guó)內(nèi)垃圾成分比較復(fù)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(tuán)。垃圾的復(fù)雜性使常規(guī)的給料方式無(wú)法松散或打斷成團(tuán)的垃圾塊，致使垃圾成團(tuán)進(jìn)入鍋爐，使?fàn)t膛穩(wěn)定工況被破壞，爐膛突然正壓燃燒，CO含量波動(dòng)幅度瞬間增大。

2.2 給料密封性差

國(guó)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(jí)螺旋給料技術(shù)。該技術(shù)可以較好地解決煙氣反竄現(xiàn)象，但是螺旋進(jìn)料的過(guò)程中，垃圾的密實(shí)度會(huì)隨著進(jìn)料距離的增加而增加，使得進(jìn)入焚燒爐中的垃圾產(chǎn)生板結(jié)現(xiàn)象而不能充分燃燒，產(chǎn)生大量富含CO 的濃煙，不僅導(dǎo)致CO 排放指標(biāo)超標(biāo)，同時(shí)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(shí)將整個(gè)抓斗的垃圾完全放下，垃圾覆蓋整個(gè)料槽，導(dǎo)致垃圾搭橋或成團(tuán)進(jìn)入爐膛，對(duì)焚燒不利。因此，在投料過(guò)程中，行車工必須保證細(xì)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(jìn)入爐膛，且爐膛負(fù)壓保持平穩(wěn)，同時(shí)減少行車工的操作壓力，開(kāi)發(fā)了一種自動(dòng)給料設(shè)備，并對(duì)溫嶺某垃圾焚燒廠進(jìn)行改造。首先對(duì)溫嶺市垃圾熱值進(jìn)行檢測(cè)，本次檢測(cè)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(cè)結(jié)果見(jiàn)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(fù)雜，熱值相對(duì)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(dá)到13 070 kJ/kg。大量未破碎的工業(yè)垃圾給垃圾焚燒帶來(lái)了嚴(yán)重影響，本文抽取附近廠家提供的工業(yè)垃圾樣本進(jìn)行分析，主要成分見(jiàn)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(biāo)帶來(lái)負(fù)面的影響。通過(guò)對(duì)該廠爐前給料系統(tǒng)進(jìn)行改造，在原有兩級(jí)給料的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)四級(jí)給料，從而達(dá)到均勻給料、穩(wěn)定運(yùn)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(yù)給料倉(cāng)，預(yù)給料鉸刀將垃圾輸送至上級(jí)鉸刀，上級(jí)鉸刀將垃圾輸送至爐前破碎機(jī)，垃圾經(jīng)破碎后進(jìn)入下級(jí)鉸刀，垃圾最終由下級(jí)鉸刀輸送至焚燒爐進(jìn)行焚燒。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期工況運(yùn)行總結(jié)發(fā)現(xiàn)，鍋爐操作人員只需觀察上級(jí)鉸刀及爐前破碎機(jī)內(nèi)料位，控制預(yù)給料鉸刀及上級(jí)鉸刀啟停即可，爐前破碎機(jī)及下級(jí)鉸刀無(wú)需進(jìn)行人工干預(yù)，在垃圾質(zhì)量良好情況下，工況不易發(fā)生重大變化，各風(fēng)量參數(shù)基本無(wú)需進(jìn)行重大操作變更。

圖3 四級(jí)給料設(shè)計(jì)圖

3.1 增設(shè)預(yù)給料倉(cāng)

本次改造在投料平臺(tái)上增設(shè)預(yù)給料倉(cāng)，并布置雙螺旋鉸刀。行車工只需將垃圾投入預(yù)給料倉(cāng)，無(wú)需進(jìn)一步監(jiān)視料斗內(nèi)情況，預(yù)給料倉(cāng)內(nèi)的垃圾由預(yù)給料鉸刀打散后輸送到上級(jí)給料倉(cāng)，利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)監(jiān)視上級(jí)給料倉(cāng)和破碎機(jī)，控制預(yù)給料鉸刀和上級(jí)鉸刀的啟停。相較于時(shí)刻觀察料倉(cāng)料位的情況，本次改造解放了行車工的勞動(dòng)力。預(yù)給料倉(cāng)設(shè)置前應(yīng)充分考慮平臺(tái)荷載，并根據(jù)平臺(tái)荷載設(shè)定預(yù)給料倉(cāng)的容積。預(yù)給料倉(cāng)結(jié)構(gòu)如圖4 所示，設(shè)計(jì)如下：

（1）預(yù)給料倉(cāng)為鋼板結(jié)構(gòu)，上口寬下口窄，由螺栓固定在給料平臺(tái)上。

（2）預(yù)給料鉸刀為無(wú)軸雙螺旋結(jié)構(gòu)，設(shè)置在預(yù)給料倉(cāng)底部，將底部垃圾均勻向前方輸送至上級(jí)給料鉸刀。

（3）預(yù)給料倉(cāng)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(yù)給料倉(cāng)口寬度應(yīng)滿足抓斗要求，收料斗入口尺寸應(yīng)按不小于垃圾抓斗最大張角的尺寸確定。

（5）料斗應(yīng)設(shè)置合理傾角結(jié)構(gòu)，避免拱料，其傾角應(yīng)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(zhǎng)料斗的使用壽命，減輕維護(hù)工作量。

（7）預(yù)給料倉(cāng)設(shè)置在上級(jí)給料平臺(tái)上，平臺(tái)由梁支撐。

圖4 預(yù)給料倉(cāng)結(jié)構(gòu)

3.2 爐前破碎

流化床鍋爐的流化態(tài)是利用流動(dòng)流體的作用將固體顆粒群懸浮起來(lái)，從而使固體顆粒具有某些流體表現(xiàn)特征。當(dāng)流體通過(guò)床層的速度逐漸提高到某值時(shí)，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(duì)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(jī)的設(shè)計(jì)處理能力為20 t/h，設(shè)計(jì)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(jī)的結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

爐前破碎機(jī)的設(shè)置一方面有利于將成團(tuán)的垃圾進(jìn)一步打散，使入爐垃圾更加均勻，另一方面可以進(jìn)一步切割垃圾團(tuán)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(jī)俯視圖

3.3 自動(dòng)控制給料

設(shè)備主要使用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)，基于深度數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的三維重建，結(jié)合高斯混合模型背景建模技術(shù)，形成實(shí)時(shí)的垃圾三維體積，并最終以該體積的量控制鉸刀是否進(jìn)料[14-15]。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)給料口的位置，架設(shè)視覺(jué)傳感器，利用智能視覺(jué)算法實(shí)時(shí)測(cè)算進(jìn)料口內(nèi)當(dāng)前垃圾的體積，并根據(jù)實(shí)際需要（由技術(shù)人員確定高度或體積限值），統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)判斷并發(fā)出相應(yīng)信號(hào)，該信號(hào)可接入產(chǎn)線的原有控制系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能化的均勻進(jìn)料。經(jīng)過(guò)該方案的改造，進(jìn)料的控制將完全由計(jì)算機(jī)智能來(lái)實(shí)現(xiàn)，大幅減少了人工干預(yù)。上級(jí)給料倉(cāng)料位視頻監(jiān)控如圖6 所示，高清視頻監(jiān)控視覺(jué)傳感器如圖7 所示。

圖6 上級(jí)給料倉(cāng)料位視頻監(jiān)控

采用實(shí)時(shí)三維重建算法，對(duì)流水線生產(chǎn)過(guò)程上料口的垃圾進(jìn)行三維重建，并與已建立好的背景模型融合形成包絡(luò)體，測(cè)算體積。將該體積參數(shù)與原有經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)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(hào)，控制其進(jìn)料與否。自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)置垃圾方量測(cè)量頻率不低于1 次/s，測(cè)量誤差不大于5%，鉸刀控制信號(hào)更新頻率為1 次/s。自動(dòng)控制流程如圖8 所示。

圖7 高清視頻監(jiān)控視覺(jué)傳感器

圖8 自動(dòng)控制流程

4 爐前給料改造的效果分析

4.1 運(yùn)行穩(wěn)定性分析

針對(duì)溫嶺某廠給料系統(tǒng)改造完成后的運(yùn)行情況，分別抽取了改造前后鍋爐運(yùn)行連續(xù)3 個(gè)月的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，運(yùn)行數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 改造前后鍋爐穩(wěn)定性運(yùn)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(jí)給料系統(tǒng)使垃圾經(jīng)歷四次均質(zhì)化，同時(shí)設(shè)置在第三層的破碎機(jī)對(duì)垃圾進(jìn)行進(jìn)一步破碎，確保垃圾均勻、平穩(wěn)地進(jìn)入鍋爐，減少垃圾對(duì)鍋爐的擾動(dòng)。鍋爐燃燒穩(wěn)定，引風(fēng)機(jī)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(dòng)和負(fù)壓波動(dòng)，該焚燒廠爐前給料改造前后某一時(shí)間段的CO 排放濃度瞬時(shí)值波動(dòng)曲線如圖9 所示，負(fù)壓瞬時(shí)值波動(dòng)曲線如圖10 所示。

圖9 爐前給料改造前后CO 排放濃度瞬時(shí)值波動(dòng)曲線

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

圖10 爐前給料改造前后負(fù)壓瞬時(shí)值波動(dòng)曲線

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

使用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)可以更好地監(jiān)視料位，自動(dòng)控制預(yù)給料鉸刀運(yùn)行，減少了人工判斷的誤差和延時(shí)。

4.2 鍋爐密封性分析

目前流化床給料方式多為兩級(jí)給料，分為上下兩層鉸刀螺旋進(jìn)料。螺旋進(jìn)料過(guò)程中，垃圾的密實(shí)度會(huì)隨著進(jìn)料距離的增加而增加，因此距離越大，密封性越不好。兩級(jí)給料行時(shí)，車工操作中應(yīng)嚴(yán)格控制料封，即控制料層的厚度，防止鍋爐煙氣沖破料封導(dǎo)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(yùn)行的，且正壓值較大。

四級(jí)給料相當(dāng)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(shí)性。同時(shí)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(shí)現(xiàn)料封。

4.3 減輕人工操作壓力

在設(shè)備條件相同的情況下，兩級(jí)給料時(shí)，行車工必須操作抓斗置于投料口后上方，分?jǐn)?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(jī)上，以確保運(yùn)行穩(wěn)定性，該操作對(duì)行車工的技術(shù)要求非常高。

為驗(yàn)證自動(dòng)控制系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行能力，抽取一個(gè)月內(nèi)溫嶺某電廠兩臺(tái)鍋爐運(yùn)行時(shí)間和焚燒量參數(shù)如表4 所示，兩臺(tái)鍋爐為同時(shí)建造，設(shè)計(jì)參數(shù)相同，1 號(hào)鍋爐為自動(dòng)控制系統(tǒng)改造爐，2 號(hào)鍋爐為非自動(dòng)控制焚燒爐。

表4 自動(dòng)給料運(yùn)行能力

由表4 可知，自動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間和垃圾處理量基本達(dá)到了人工控制的98.6%?！白詣?dòng)控制系統(tǒng)+四級(jí)給料”具有良好的運(yùn)行穩(wěn)定性，能根據(jù)上級(jí)給料倉(cāng)的料位高低判斷進(jìn)料速度，無(wú)需運(yùn)行人員時(shí)刻監(jiān)視料位變化情況，同時(shí)減少了抓斗抓料、落料頻率，降低了人工成本。

5 結(jié)語(yǔ)

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

（1）與人工給料相比，四級(jí)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(kuò)散，實(shí)現(xiàn)充分燃燒，降低CO 排放濃度，提高鍋爐熱效率。

（2）自動(dòng)控制系統(tǒng)的投運(yùn)降低了行車工的工作強(qiáng)度，使行車工操作更方便，且無(wú)需時(shí)刻注意給料倉(cāng)料位變化，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)較好的料封。