綠色動(dòng)力垃圾分類處理終端技術(shù)支撐

張衛(wèi) 劉林

【摘要】本文介紹了綠色動(dòng)力自主研發(fā)的多驅(qū)動(dòng)逆推式大型焚燒爐，它采用模塊化、三維化和CFD設(shè)計(jì)，形成250～1000噸處理規(guī)模的垃圾焚燒爐系列化產(chǎn)品;并研發(fā)出國內(nèi)首創(chuàng)的垃圾焚燒二噁英在線預(yù)警和智能控制技術(shù)，能通過對垃圾進(jìn)料、垃圾焚燒、余熱鍋爐低溫區(qū)、煙氣處理等垃圾焚燒全過程的有關(guān)參數(shù)檢測、大數(shù)據(jù)分析和智能判斷，實(shí)現(xiàn)垃圾焚燒二噁英在線預(yù)警和智能控制。

目前，生活垃圾焚燒發(fā)電已經(jīng)成為我國和國外經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)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(jìn)，越來越多的城鎮(zhèn)將實(shí)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(xié)同處理。

垃圾焚燒爐是生活垃圾焚燒發(fā)電廠的核心和關(guān)鍵設(shè)備，其性能對垃圾焚燒廠的整體焚燒效果、運(yùn)行可靠性、穩(wěn)定性和環(huán)保性能影響極大。在垃圾焚燒行業(yè)競爭日益激烈，垃圾分類、國家環(huán)保要求不斷提高等新形勢下，垃圾焚燒行業(yè)從高速發(fā)展進(jìn)入到高質(zhì)量發(fā)展階段，尤其是，垃圾分類后，進(jìn)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(shè)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(yè)高質(zhì)量、長周期和安全環(huán)保運(yùn)行的要求。

“多驅(qū)動(dòng)逆推式爐排爐垃圾焚燒技術(shù)”，是在目前國際上應(yīng)用廣泛的逆推式機(jī)械爐排爐技術(shù)基礎(chǔ)上，針對中國城市垃圾成分復(fù)雜、熱值低、水份大和灰份多等特點(diǎn)，自主創(chuàng)新研發(fā)的核心技術(shù)，已形成單套300～1000噸系列爐排產(chǎn)品。它采用國際先進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、三維化和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)CFD設(shè)計(jì)方法，可根據(jù)垃圾成分和燃燒情況，分別調(diào)整爐排預(yù)熱干燥段、燃燒段和燃燼段的爐排速度和一次風(fēng)量，單套最大日處理規(guī)模可達(dá)1000噸，并自主研發(fā)出國內(nèi)首創(chuàng)的多驅(qū)動(dòng)逆推式爐排二噁英在線預(yù)警和智能控制技術(shù)，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(shù)。該技術(shù)已獲得國家70多項(xiàng)發(fā)明專利授權(quán)，并獲得2019年中國環(huán)保產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)環(huán)境科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。

綠色動(dòng)力多驅(qū)動(dòng)逆推式機(jī)械爐排爐主要包含以下部件：進(jìn)料斗、料槽、給料裝置、爐排架、下風(fēng)室、排灰裝置、落渣井、出渣機(jī)、液壓和氣動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)、ACC自動(dòng)燃燒控制系統(tǒng)等。

一、大型多驅(qū)動(dòng)逆推機(jī)械爐排特點(diǎn)

爐排的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)采用頭部驅(qū)動(dòng)和尾部驅(qū)動(dòng)多種驅(qū)動(dòng)方式。其中，頭部驅(qū)動(dòng)裝置主要用于驅(qū)動(dòng)預(yù)熱干燥段和燃燒段爐排，尾部驅(qū)動(dòng)裝置主要用于驅(qū)動(dòng)部分燃燒段和燃燼段爐排。爐排尾部出渣采用速度可調(diào)的滾筒方式，可調(diào)節(jié)爐排料層厚度。這樣，通過采用分段驅(qū)動(dòng)的多驅(qū)動(dòng)方式和燃燒空氣調(diào)整，既可以根據(jù)垃圾含水率和熱值，調(diào)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(jù)處理規(guī)模的變化調(diào)整爐排的列數(shù)和寬度，實(shí)現(xiàn)垃圾焚燒爐的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化設(shè)計(jì)。單套焚燒爐最大日處理規(guī)?？梢赃_(dá)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。動(dòng)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(shí)優(yōu)化爐排片種類，形成標(biāo)準(zhǔn)化、系列化零部件，以便于維護(hù)和更換。

獨(dú)特的爐排片錯(cuò)動(dòng)自清潔功能、爐排片尾部掛鉤和驅(qū)動(dòng)梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。爐排片尾部采用彎鉤型設(shè)計(jì)，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(yùn)動(dòng)時(shí)，動(dòng)爐排片和靜爐排片之間有相互10～15mm的錯(cuò)動(dòng)，可以把卡在進(jìn)風(fēng)口的雜物清潔，防止進(jìn)風(fēng)口堵塞。

二、運(yùn)用三維設(shè)計(jì)和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)CFD優(yōu)化垃圾焚燒爐設(shè)計(jì)

與華中科技大學(xué)煤燃燒國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室合作，采用先進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和三維設(shè)計(jì)，將500～1000噸處理能力的焚燒爐設(shè)計(jì)為由不同數(shù)量的標(biāo)準(zhǔn)模塊組成的三維立體模型，模擬大型焚燒爐的安裝和運(yùn)行情況，以驗(yàn)證零部件的設(shè)計(jì)是否正確和存在干涉問題，根據(jù)模擬裝配結(jié)果，及時(shí)對相關(guān)零部件進(jìn)行修改優(yōu)化，有利于采用數(shù)控技術(shù)制造焚燒爐機(jī)械零部件。

針對多驅(qū)動(dòng)逆推型垃圾爐排爐的實(shí)際結(jié)構(gòu)及尺寸，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)CFD設(shè)計(jì)成400多萬個(gè)網(wǎng)格的數(shù)學(xué)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(yīng)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(fēng)配比、不同運(yùn)行負(fù)荷、有無滲濾液回噴的條件，對爐內(nèi)流動(dòng)、溫度、氣體組分濃度分布、污染物生成等進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬研究，并為爐膛結(jié)構(gòu)、一二次風(fēng)比列、煙氣溫度、停留時(shí)間、煙氣排放指標(biāo)等垃圾焚燒核心參數(shù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，確保焚燒爐煙氣溫度850℃以上停留時(shí)間不少于2.5秒，爐渣熱灼減率低于3%。

三、燃燒自動(dòng)控制技術(shù)

多驅(qū)動(dòng)逆推爐排燃燒自動(dòng)控制系統(tǒng)ACC采用獨(dú)特的優(yōu)化設(shè)計(jì)，具有包括鍋爐主蒸汽流量控制、爐內(nèi)煙氣溫度和停留時(shí)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(qū)控制、燃燒火焰熱成像數(shù)據(jù)分析和燃燒控制等功能。

四、二噁英在線預(yù)警和智能控制技術(shù)

二噁英無色、無味、有毒，由微量的多種復(fù)合成分、多氯聯(lián)苯化合物組成。目前，國際上還不能實(shí)現(xiàn)垃圾焚燒二噁英在線監(jiān)測，只能取樣送檢，具有時(shí)間長、費(fèi)用高、操作復(fù)雜和滯后性等缺點(diǎn)。在國內(nèi)，垃圾焚燒的二噁英控制主要還是通過人工和憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行操作，主觀性較強(qiáng)。而垃圾成分復(fù)雜多變，容易造成二噁英超標(biāo)，給企業(yè)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)處罰損失和環(huán)保不良影響。

國內(nèi)首創(chuàng)、自主研發(fā)的綠色動(dòng)力垃圾焚燒二噁英在線預(yù)警和控制技術(shù)，已獲得國家發(fā)明專利授權(quán)（ZL201910368145X）。它主要通過對垃圾焚燒二噁英產(chǎn)生和消除等影響因素和過程進(jìn)行分析和歸類，應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析和專家智能庫系統(tǒng)，把全廠DCS通訊采集垃圾焚燒進(jìn)料、燃燒、余熱利用和煙氣處理全過程的實(shí)時(shí)和操作數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源，通過檢測和分析進(jìn)爐垃圾成分、蒸發(fā)量、煙氣量、爐膛溫度、煙氣停留時(shí)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(shù)和權(quán)重因子，與煙氣達(dá)標(biāo)排放的大數(shù)據(jù)參考值進(jìn)行比較和大數(shù)據(jù)分析后，產(chǎn)生煙氣二噁英排放趨勢的預(yù)測數(shù)據(jù)源，同時(shí)考慮煙氣在低溫段合成區(qū)停留時(shí)間等相關(guān)聯(lián)的二次生成系數(shù)、吹灰過程、煙氣擾動(dòng)等因素，全系統(tǒng)過程加權(quán)綜合，分析計(jì)算出二噁英的產(chǎn)生機(jī)會(huì)值和趨勢。然后，通過多種實(shí)際檢測值和模型理論計(jì)算值進(jìn)行修正后，得到二噁英在線監(jiān)測分布區(qū)域和相對值，并通過此值發(fā)出燃燒自動(dòng)控制ACC、煙風(fēng)系統(tǒng)、尾氣處理系統(tǒng)控制調(diào)節(jié)的指令，保證二噁英排放符合國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。

五、結(jié)論

綠色動(dòng)力項(xiàng)目組采用先進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和三維化設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)大型多驅(qū)動(dòng)逆推式爐排爐，并通過CFD流體動(dòng)力學(xué)模擬各種燃燒工況，優(yōu)化垃圾焚燒爐爐膛設(shè)計(jì)，完成了300～1000噸垃圾焚燒爐系列產(chǎn)品技術(shù)研發(fā)和設(shè)計(jì)。同時(shí)，還針對垃圾焚燒全過程中影響二噁英產(chǎn)生的因素，通過建立數(shù)學(xué)模型、運(yùn)行參數(shù)大數(shù)據(jù)分析和智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)垃圾焚燒二噁英在線預(yù)警和控制，降低了垃圾焚燒廠二噁英超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)，有利于垃圾焚燒廠安全環(huán)保運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1]華中科技大學(xué)煤燃燒國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室.綠色動(dòng)力逆推型垃圾爐排爐燃燒數(shù)值模擬報(bào)告[R].2017年10月。

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

作者簡介：

張衛(wèi)（1967—），湖南長沙人，綠色動(dòng)力環(huán)保集團(tuán)有限公司總工兼技術(shù)研發(fā)總經(jīng)理，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部中國城市環(huán)境衛(wèi)生協(xié)會(huì)垃圾焚燒專家委員會(huì)委員，研究方向：垃圾焚燒技術(shù)。

劉林（1983—），廣東深圳人，綠色動(dòng)力環(huán)保集團(tuán)股份有限公司投資副總監(jiān)兼投資管理中心總經(jīng)理，研究方向：市政工程。