绿色动力垃圾分类处理终端技术支撑

张卫 刘林

【摘要】本文介绍了绿色动力自主研发的多驱动逆推式大型焚烧炉，它采用模块化、三维化和CFD设计，形成250～1000吨处理规模的垃圾焚烧炉系列化产品;并研发出国内首创的垃圾焚烧二噁英在线预警和智能控制技术，能通过对垃圾进料、垃圾焚烧、余热锅炉低温区、烟气处理等垃圾焚烧全过程的有关参数检测、大数据分析和智能判断，实现垃圾焚烧二噁英在线预警和智能控制。

目前，生活垃圾焚烧发电已经成为我国和国外经济较发达国家生活垃圾无害化、减量化和资源化处理的主流方式。随着我国垃圾分类政策的不断推进，越来越多的城镇将实行垃圾分类。在这些分类后的垃圾中，可燃垃圾和餐厨垃圾处理沼渣都将送到垃圾焚烧厂协同处理。

垃圾焚烧炉是生活垃圾焚烧发电厂的核心和关键设备，其性能对垃圾焚烧厂的整体焚烧效果、运行可靠性、稳定性和环保性能影响极大。在垃圾焚烧行业竞争日益激烈，垃圾分类、国家环保要求不断提高等新形势下，垃圾焚烧行业从高速发展进入到高质量发展阶段，尤其是，垃圾分类后，进厂垃圾量相对减少和垃圾热值上升，这些都对垃圾焚烧炉等核心设备提出了新的要求。因此，垃圾焚烧炉日趋大型化、高效化和智能化，以满足垃圾焚烧企业高质量、长周期和安全环保运行的要求。

“多驱动逆推式炉排炉垃圾焚烧技术”，是在目前国际上应用广泛的逆推式机械炉排炉技术基础上，针对中国城市垃圾成分复杂、热值低、水份大和灰份多等特点，自主创新研发的核心技术，已形成单套300～1000吨系列炉排产品。它采用国际先进的标准化、模块化、三维化和计算流体动力学CFD设计方法，可根据垃圾成分和燃烧情况，分别调整炉排预热干燥段、燃烧段和燃烬段的炉排速度和一次风量，单套最大日处理规模可达1000吨，并自主研发出国内首创的多驱动逆推式炉排二噁英在线预警和智能控制技术，是特别适合处理中国城市生活垃圾和有效控制垃圾二噁英排放的核心技术。该技术已获得国家70多项发明专利授权，并获得2019年中国环保产业协会环境科技进步二等奖。

绿色动力多驱动逆推式机械炉排炉主要包含以下部件：进料斗、料槽、给料装置、炉排架、下风室、排灰装置、落渣井、出渣机、液压和气动动力系统、ACC自动燃烧控制系统等。

一、大型多驱动逆推机械炉排特点

炉排的驱动结构采用头部驱动和尾部驱动多种驱动方式。其中，头部驱动装置主要用于驱动预热干燥段和燃烧段炉排，尾部驱动装置主要用于驱动部分燃烧段和燃烬段炉排。炉排尾部出渣采用速度可调的滚筒方式，可调节炉排料层厚度。这样，通过采用分段驱动的多驅动方式和燃烧空气调整，既可以根据垃圾含水率和热值，调整干燥段、燃烧段和燃烬段炉排速度，保证垃圾充分和洁净燃烧，又能根据处理规模的变化调整炉排的列数和宽度，实现垃圾焚烧炉的标准化和模块化设计。单套焚烧炉最大日处理规模可以达到1000吨。

炉排片采用高铬合金钢铸件，分为长短炉排片尺寸和结构设计。动炉排片头部为双角突起，有利于对垃圾搅拌混合;静炉排片头部为单角突起，有利于垃圾翻滚落下。同时优化炉排片种类，形成标准化、系列化零部件，以便于维护和更换。

独特的炉排片错动自清洁功能、炉排片尾部挂钩和驱动梁结构设计。炉排片尾部采用弯钩型设计，炉排片头部靠在前面炉排片上，炉排片尾部则卡在炉片搁梁上。在炉排运动时，动炉排片和静炉排片之间有相互10～15mm的错动，可以把卡在进风口的杂物清洁，防止进风口堵塞。

二、运用三维设计和计算流体动力学CFD优化垃圾焚烧炉设计

与华中科技大学煤燃烧国家重点实验室合作，采用先进的标准化、模块化和三维设计，将500～1000吨处理能力的焚烧炉设计为由不同数量的标准模块组成的三维立体模型，模拟大型焚烧炉的安装和运行情况，以验证零部件的设计是否正确和存在干涉问题，根据模拟装配结果，及时对相关零部件进行修改优化，有利于采用数控技术制造焚烧炉机械零部件。

针对多驱动逆推型垃圾炉排炉的实际结构及尺寸，采用计算流体动力学CFD设计成400多万个网格的数学模型，建立了垃圾炉排表面气体成分求解模型、气相燃烧炉室的控制方程、渗滤液回喷反应模型和NOx生成模型，对典型的生活垃圾高（低位热值7800kJ/kg）、低（低位热值6700kJ/kg）热值垃圾在焚烧不同前炉拱深度，基于不同一、二次风配比、不同运行负荷、有无渗滤液回喷的条件，对炉内流动、温度、气体组分浓度分布、污染物生成等进行了计算机模拟研究，并为炉膛结构、一二次风比列、烟气温度、停留时间、烟气排放指标等垃圾焚烧核心参数设计提供依据，确保焚烧炉烟气温度850℃以上停留时间不少于2.5秒，炉渣热灼减率低于3%。

三、燃烧自动控制技术

多驱动逆推炉排燃烧自动控制系统ACC采用独特的优化设计，具有包括锅炉主蒸汽流量控制、炉内烟气温度和停留时间控制、垃圾处理量控制、垃圾料层厚控制、垃圾燃烧位置控制、热灼减量最小化控制、烟气氧气浓度和炉膛压力控制、炉排燃烬区控制、燃烧火焰热成像数据分析和燃烧控制等功能。

四、二噁英在线预警和智能控制技术

二噁英无色、无味、有毒，由微量的多种复合成分、多氯联苯化合物组成。目前，国际上还不能实现垃圾焚烧二噁英在线监测，只能取样送检，具有时间长、费用高、操作复杂和滞后性等缺点。在国内，垃圾焚烧的二噁英控制主要还是通过人工和凭经验进行操作，主观性较强。而垃圾成分复杂多变，容易造成二噁英超标，给企业造成严重的经济处罚损失和环保不良影响。

国内首创、自主研发的绿色动力垃圾焚烧二噁英在线预警和控制技术，已获得国家发明专利授权（ZL201910368145X）。它主要通过对垃圾焚烧二噁英产生和消除等影响因素和过程进行分析和归类，应用大数据分析和专家智能库系统，把全厂DCS通讯采集垃圾焚烧进料、燃燒、余热利用和烟气处理全过程的实时和操作数据作为系统的数据源，通过检测和分析进炉垃圾成分、蒸发量、烟气量、炉膛温度、烟气停留时间、锅炉出口一氧化碳、氧含量、HCl含量、活性炭喷射情况、布袋除尘器清灰控制等影响二噁英排放的重要参数和权重因子，与烟气达标排放的大数据参考值进行比较和大数据分析后，产生烟气二噁英排放趋势的预测数据源，同时考虑烟气在低温段合成区停留时间等相关联的二次生成系数、吹灰过程、烟气扰动等因素，全系统过程加权综合，分析计算出二噁英的产生机会值和趋势。然后，通过多种实际检测值和模型理论计算值进行修正后，得到二噁英在线监测分布区域和相对值，并通过此值发出燃烧自动控制ACC、烟风系统、尾气处理系统控制调节的指令，保证二噁英排放符合国家环保标准。

五、结论

绿色动力项目组采用先进的标准化、模块化和三维化设计方法，设计大型多驱动逆推式炉排炉，并通过CFD流体动力学模拟各种燃烧工况，优化垃圾焚烧炉炉膛设计，完成了300～1000吨垃圾焚烧炉系列产品技术研发和设计。同时，还针对垃圾焚烧全过程中影响二噁英产生的因素，通过建立数学模型、运行参数大数据分析和智能控制系统，实现垃圾焚烧二噁英在线预警和控制，降低了垃圾焚烧厂二噁英超标的风险，有利于垃圾焚烧厂安全环保运行。

参考文献

[1]华中科技大学煤燃烧国家重点实验室.绿色动力逆推型垃圾炉排炉燃烧数值模拟报告[R].2017年10月。

[2]白良成.生活垃圾焚烧处理工程技术[M].北京：中国建筑工业出版社，2013.

作者简介：

张卫（1967—），湖南长沙人，绿色动力环保集团有限公司总工兼技术研发总经理，住房和城乡建设部中国城市环境卫生协会垃圾焚烧专家委员会委员，研究方向：垃圾焚烧技术。

刘林（1983—），广东深圳人，绿色动力环保集团股份有限公司投资副总监兼投资管理中心总经理，研究方向：市政工程。