智能低碳型垃圾焚烧发电厂建设方案与应用实践

刘海威?刘诚?张瑛华?姚心?骆嘉辉?郭天宇?于德广

垃圾焚烧处理已成为我国垃圾处理的主要方式，垃圾焚烧发电厂不仅承担处理垃圾的任务，同时还具有碳减排功能，对国家碳达峰、碳中和的战略实施发挥着积极作用。“十四五”期间，我国将全面推进生活垃圾焚烧设施建设，预计到 2025年年底，全国城镇生活垃圾焚烧处理能力将达到 80万吨/日左右，城市生活垃圾焚烧处理能力占比65%左右。

随着科技的进步，新一代信息技术正在驱动新一轮产业变革，尤其是进入21世纪以来，互联网、大数据、人工智能、5G技术、云计算、物联网、AR等技术的兴起和逐步成熟，为垃圾焚烧发电厂进一步提高效率、节能减排、实施精细化管理以及减少人工操作等方面提供了新的手段，使垃圾焚烧从技术层面再上一个台阶成为可能。

一、我国垃圾焚烧发电厂建设现状

传统垃圾焚烧发电厂已有100余年的发展历史，从工艺技术、核心装备到控制手段都已日臻完善。我国从20世纪80年代开始探索垃圾焚燒处理技术，在经历了30余年的发展历程后，目前在垃圾焚烧、烟气净化、余热发电以及自动控制等技术和装备上已达到世界先进水平，同时政府和公众对垃圾焚烧发电厂运行的监管与监督措施也日益完善。

20世纪末期，我国开始探索和发展垃圾焚烧处理技术，从引进炉排型垃圾焚烧炉与自主研发流化床焚烧技术开始，逐步发展到炉排炉国产化、炉排炉与循环流化床垃圾焚烧炉齐头并进，目前已形成以炉排型垃圾焚烧炉技术为主、循环流化床垃圾焚烧技术为辅的焚烧技术基本格局。我国已掌握了垃圾焚烧的核心技术，并涌现了一批装备制造企业。

烟气净化技术方面，目前我国已形成以“炉内SNCR+机械旋转喷雾脱酸（消石灰）+活性炭吸附+布袋收尘器”为主流工艺的焚烧烟气净化流程，可以满足国标GB 18485—2014生活垃圾焚烧污染控制标准和欧盟2010指令（DIRECTIVE 2010/75/EU）关于垃圾焚烧烟气排放的要求，工艺流程与国际先进水平一致，部分项目还采用了湿法净化和SCR高标准脱硝工艺，实现了超净排放。

在余热发电技术上，我国垃圾焚烧发电项目以社会资本投资建设方式的BOT（PPP）建设模式为主，资本的力量驱动我国垃圾焚烧余热发电技术不断创新发展，余热锅炉蒸汽参数从传统的4.0MPa、400℃，逐渐提升到6.4MPa（5.3MPa）、450℃（430℃），并形成了一套有效的受热面防腐方案，汽轮发电机组也向着大容量、高效率发展，一些企业甚至在探索更高的参数以及再热循环应用。

垃圾焚烧发电厂生产过程主要采用集中分散式计算机控制系统（DCS）对全厂进行集中监控，实现机、炉、电统一监视与控制。早期我国DCS控制系统还依赖国外技术与设备，自20世纪90年代开始，国内过程控制自动化企业不断发展壮大，目前国内垃圾焚烧发电厂DCS控制系统大多采用国内厂商技术与设备，完全可以满足全厂自动控制的要求。

总体来说，我国垃圾焚烧余热发电技术已处于技术发展顶端，建设模式与建设方案日趋成熟，垃圾焚烧发电产业发展已从增量阶段转变为存量阶段，迫切需要运用新动能来提升行业发展水平。

当前，工业4.0、大数据、人工智能等概念和技术不断涌现，新技术与垃圾焚烧发电产业的快速融合必将促进垃圾焚烧发电厂全要素生产效率进一步提升，从而催生产业发展的新模式——智能化垃圾焚烧发电厂。

二、智能低碳建设方向

国家“十四五”规划已将新一代信息技术列为战略性新兴产业，支持互联网、大数据、人工智能等同各产业深度融合，推动传统产业高端化、智能化、绿色化发展。

同时，我国为积极应对全球气候变化和保护全球生物多样性，实施“双碳”战略，这也给各行各业提出了新的机遇与挑战。垃圾焚烧处理本身具有碳减排功能，结合其自身行业特点还具备进一步进行低碳生产的条件。

（一）智能化建设

垃圾焚烧发电具有市政基础设施、环保设施、发电设施多重属性，垃圾成分复杂，燃烧控制难度大，从焚烧处理技术角度和政府公众监管角度均非常适合大数据和人工智能技术发挥作用。以先进的体系构架方法引领垃圾焚烧发电厂数字化转型，深度应用新一代信息技术，实现智能化生产与管理。建设新一代智能化垃圾发电厂不仅符合国家战略发展方向，同时也是垃圾焚烧发电产业自身技术升级的迫切需求。

（二）低碳设计

垃圾焚烧发电厂普遍采用综合主厂房建设方式，厂房建筑体量大，屋面完全具备建设屋顶分布式光伏发电设施的条件，符合国家能源局《关于报送整县（市、区）屋顶分布式光伏开发试点方案的通知》中明确的“工商业厂房屋顶总面积可安装光伏发电比例不低于30%”的要求。另外，垃圾熟化发酵、自然通风等技术手段也是进行低碳生产的有效手段。

三、智能低碳型垃圾发电厂建设方案

（一）建设架构

基于工业互联网平台、大数据、人工智能等数字化技术是现代化工厂进一步提升效率、实现低碳生产和无人操作智慧工厂的先进建设方案。

本文提出“1+1+N”架构的智能工程建设模式，即1个数据中台、1个全要素智慧管控平台、N个智慧应用终端和智能软件App，如图1所示。

图1 “1+1+N”型智能低碳垃圾发电厂架构

数据中心是智能化垃圾发电厂的核心基础硬件设施，该数据中心能够实现垃圾焚烧发电厂各业务主线全部数据的收集、清洗、存储与计算，并同时进行综合统计、任务分析、大数据价值挖掘等数据服务，为生产管理的各种智能应用、分析、预警提供决策支撑。

智慧管控平台依托工业互联网平台，整合分散控制系统（DCS）、电气控制系统（ECS）、网络服务器、操作员站、智能装备以及数据中心等硬件资源。

智慧应用终端和智能软件运用数据挖掘技术、计算机视觉技术、智能优化控制算法及智能控制策略把数据中有价值的东西提炼出来，使各工艺过程及运行参数得到智能优化控制，确保各系统在不同条件下达到最佳运行状态，对全厂设备资产数字化、可视化、智能化的监控与管理，实现生产经营各环节的智能分析、智能决策。

通过数字化、智能化技术的应用，使垃圾发电厂自主寻优运行、装备安全可靠、数据无缝融合、经营智慧决策、组织架构重组、岗位设置重构，最终实现垃圾焚烧发电厂的整体生产效率提高、安全环保水平提升、运营成本下降、人工操作减少和精细化管理，构建全新的智慧灯塔工厂。

（二）建设内容

根据垃圾发电厂的工艺特点，应优先建设厂级经营管控、智能垃圾管理、智能生产运行、智能设备管控和智能安全管理五大智慧生产应用系统，全面提升生产运行效率和安全环保水平（图2）。

圖2 五大智慧生产应用系统

结合垃圾发电综合主厂房建筑体量大的特点，在主厂房、综合楼、水泵房等可以利用的屋顶资源建设分布式光伏发电设施，既可以补充厂内生产用电，也可以方便地利用垃圾发电厂的上网系统将绿色电能输送出去。

四、智能低碳型垃圾发电厂功能特点

垃圾焚烧过程是一个具有多变量、强耦合、大滞后特点的较难实施全自动控制的生产过程，而这种复杂多变量的过程控制正是“大数据+人工智能”控制技术的优势所在。

智能化垃圾发电厂是在传统DCS自动化控制基础上，采用数字化、智能化技术，从全流程、全要素进行寻优控制，通过智能垃圾收储与给料、智能焚烧以及冷端优化发电等各工艺环节智慧工业软件，使垃圾焚烧发电厂各工艺过程效率提高、安全水平提升、运营成本下降、人工操作减少，最终实现低碳智慧运行的新一代垃圾发电厂。

智能低碳型垃圾发电厂从工艺优化、智能控制、生产调度、设备管理、排放达标、能源管控、安全监管等多个维度对全厂生产管理系统进行了梳理。针对垃圾焚烧关键问题与难点，提炼了数字化、智能化、网络化的智能生产实施要素，其主要特点如下。

一是系统智能寻优运行，实时效率最佳。应用智能化工业软件，实时对系统、设备、指标等大数据进行分析，优化垃圾发酵系统、焚烧系统、汽机热力系统、烟气净化系统等关键工艺流程，使设备、系统均自动在最佳工况运行。

二是全厂低碳运行，绿色可持续发展。燃料是电厂节能和提高效率的基础，垃圾发电厂中垃圾在垃圾池发酵、混合是全厂低碳运行的核心，垃圾智能储运与给料系统会自动感知与优化垃圾发酵过程，将合格的成品垃圾送入焚烧炉，实现全厂低碳运行。而且光伏建筑一体化设计可充分发挥垃圾发电综合主厂房优势，有效地打造绿色建筑。

三是人工操作减少，质量有保障。通过自动给料、智能运行、智能巡检、机器人、无人机等设备和软件，全厂人工操作大量减少，某些工艺环节基本实现“黑灯工厂”运行。

四是设备可靠性高，保护城市环境。设备检测与故障预诊断系统会对设备各性能参数实时监控，对设备进行健康评估及故障预测，做好预防性维护，设备的可靠性掌握在控制系统之内。

五是安全性提升。以5G、人脸识别、电子围栏、人员定位、AR、智能两票等最新技术的应用，促进全厂安全水平得到极大的提高。

六是精细化管理，成本降低。桌面云、移动App、实时能耗分析、三维可视化不仅可以提高管理经营效率，更重要的是为管理者提供了精细化管理的手段，可以让工厂每一个消耗都做到清晰可查。

五、智能低碳型垃圾发电厂应用实践

我国正在积极探索和实践智能低碳型垃圾发电厂建设模式，基于本文提出的“1+1+N”智慧工厂架构模式和低碳技术，进行了智能化工厂和低碳技术示范与应用。

（一）ICC智能焚烧控制系统应用

智能焚烧控制（ICCENFI，Intelligent Combustion Control）系统，是基于大数据和人工智能技术并结合垃圾焚烧工程经验开发的新一代垃圾焚烧炉燃烧控制系统。它将垃圾焚烧复杂的工艺原理、现场运行的海量工况数据和操作人员的人工智慧结合，运用大数据深度学习和人工智能，建立了垃圾焚烧炉核心控制算法库，开发了独立运行的软件系统。该系统克服了传统自动燃烧控制（ACC）系统逻辑控制复杂、投用难度大等缺点，是非常适合我国垃圾焚烧特性、具有国际先进水平的控制系统。

ICCENFI智能控制系统具有如下优势。

一是智能化控制。控制系统附加运行人员经验与智慧，多参数同步参与控制决策。

二是系统投用便捷。ICC软件系统经过短时间大数据学习即可投入焚烧炉控制。

三是无缝对接现有系统。ICC系统可100%替代ACC控制系统，可实时在手动模式、ACC模式、ICC模式之间切换。

四是主要控制指标波动小。与人工控制相比，主要控制指标运行数据标准差可减小20%以上。

五是系统投用率高。24 小时投用率可达95%～100%。

（二）光伏建筑一体化系统

利用光伏建筑一体化技术，在智能低碳型垃圾发电厂的垃圾仓屋面、辅助厂房屋面等安装多晶硅电池组件，建成具备光伏建筑一体化功能的新能源工业厂房。

该系统是通过太阳能电池将阳光直接变为电能的发电系统。太阳能电池组件经日光照射后，形成低压直流电，电池组串并联后的直流电采用电缆送至汇流箱，经汇流箱汇流后采用电缆引至逆变器室，通过逆变器变换成220 V/380 V交流电，供厂用电负荷使用。

光伏建筑一体化系统工艺流程如下：

各车间屋面光伏板面积及装机容量详见表1。

表1 各车间屋面光伏板面积及装机容量

（三）数字化垃圾池

在智能低碳型垃圾发电厂垃圾池内，布置了温度、压力传感器和智能数据处理软件，实现了数据测量、处理、存储、显示查看和报警等功能，实时反馈垃圾池使用情况（图3）。

圖3 数字化垃圾池系统示意图

六、结论

现阶段，我国垃圾焚烧发电产业无论从规模、处理技术、排放标准，以及政府监管等方面均已达到国际先进水平，未来将随着数字化、智能化技术的应用，进一步提升处理效率和环保水平。本文提出的智能低碳型垃圾发电厂建设方案符合数字化转型理念，架构将新旧体系有机结合，通过实际的工程应用和示范，已在全厂取得了更高效、更环保、更经济、更安全的实践效果，可为垃圾焚烧发电厂智慧低碳发展提供借鉴经验。

参考文献：

[1]郭为民，张广涛，李炳楠，等.火电厂智能化建设规划与技术路线[J].中国电力，2018，51（10）： 17-25.

[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，2009.

[3]国家能源局.煤矿智能化建设指南（2021年版）[Z]. 2021.

[4]梁乃明. 数字孪生实战[M].北京：机械工业出版社，2020.

（责任编辑：张秋辰）