炉排炉垃圾焚烧控制策略.pdf

固 废 处 理 炉排炉垃圾焚烧控制策略炉排炉垃圾焚烧控制策略 邹包产 1 韩秋喜 1 王文凯 1 高建东 2 李鹏 2 1． 华北电力科学研究院 西安 有限公司，西安710065; 2． 天津泰环再生资源利用有限公司，天津 300240 摘要 结合天津泰环再生资源利用有限公司贯庄垃圾焚烧发电项目中希格斯机械炉排炉的应用， 介绍了炉排炉焚烧线 工艺流程， 并重点分析了炉排炉焚烧线中一次风、 二次风、 给料及炉排速度等系统的控制策略。 关键词 炉排炉;垃圾发电;焚烧控制;焚烧工艺;一次风;炉排速度 CONTROL STRATEGY OF GRATE FURNACE WASTE COMBUSTION Zou Baochan1Han Qiuxi1Wang Wenkai1Gao Jiandong2Li Peng2 1． North China Electric Power Research Institute Xian Co． ， Ltd，Xi’ an 710065，China; 2． Tianjin Taihuan Recycling Resource Utilization Co． ，Ltd， Tianjin 300240，China AbstractIn this thesis，it was mainly introduced the process of the grate furnace and waste combustion mechanism，and focused on the primary air system，secondary air system and feeding grate speed system of grate furnace control strategy， combining with the Seghers mechanical grate furnace applications for Guanzhuang Waste Incineration Power Plant of Tianjin Taihuan Recycling Resource Utilization Co． ，Ltd． Keywordsgrate furnace;waste power plant;combustion control;combustion process;primary air;grate speed 目前， 垃圾焚烧处理技术主要炉型有炉排型焚烧 炉、 流化床焚烧炉、 回转窑焚烧炉和热解气化焚烧炉 等。回转窑炉和热解气化焚烧炉单炉处理量较小， 难 以满足大中型城市现代化垃圾焚烧厂的建设需要， 因 此使用较多的是炉排型焚烧炉和流化床焚烧炉。炉排 焚烧技术作为世界主流的垃圾焚烧技术， 技术成熟可 靠， 由于其对垃圾质量和成分的要求低， 前处理简单， 入炉垃圾不需要分拣， 特别能适应中国生活垃圾高水 分、 低热值的特点 ［1］。但是， 生活垃圾是成分极其复杂 的燃料， 焚烧过程也异常复杂， 要提高垃圾焚烧的效 率， 必须掌握焚烧炉燃烧过程的热力特性和运行性能， 有针对性地制定出稳定可靠、 完善的控制策略。 1炉排炉工艺流程 天津泰环再生资源利用有限公司贯庄垃圾焚烧 发电项目选用 Keppel-Seghers 机械炉排炉 2 台， 每台 处理能力为 500t/d， 年处理垃圾 36. 5 万 t。垃圾低位 设计热值 6700kJ/kg， 波动范围 4186 ～ 8372kJ/kg。垃 圾进厂经地磅称重后卸进垃圾仓， 仓内垃圾经抓斗充 分混合搅拌均质化后， 送入垃圾料斗。垃圾沿料槽下 落到给料装置平台， 给料装置将垃圾推送至炉排上。 Keppel-Seghers 多级炉排主要包括 干燥区、 气化区、 燃烧区、 燃烬区， 每个区炉排可以单独调节炉排系统 的水平运动和垂直运动。垃圾在炉排上滑动、 翻动的 过程中受到炉排下部的高温一次风干燥及炉内辐射 热， 然后着火燃烧。垃圾仓上方设有抽气系统， 其抽 出的空气作为焚烧炉的一次风， 一次风经过蒸汽加热 器加热后经炉排穿过垃圾进入炉膛， 干燥垃圾， 并提 供垃圾焚烧所需的氧。二次风从焚烧炉厂房顶部吸 风， 从燃烧室上方送进炉膛， 对燃烧烟气进行扰动， 并 补充氧量。焚烧炉燃烧的热烟气经过余热锅炉换热 后， 进入半干法机械旋转雾化反应塔， 由活性炭喷射 吸附， 布袋除尘器等烟气净化处理系统净化。烟气中 的二恶英和呋喃类、 水银及重金属物质被活性炭吸 收， 经过脱酸处理的带有大量固体颗粒的烟气进入布 袋除尘器除尘， 洁净的烟气通过引风机排入烟囱， 工 艺流程见图 1。 2垃圾燃烧机理 垃圾的燃烧过程比较复杂， 通常由干燥、 热分解、 熔融、 蒸发和化学反应等传热、 传质过程组成。根据 可燃物质的种类可分三种不同的燃烧方式 蒸发燃 08 环境工程 2013 年 4 月第 31 卷第 2 期 图 1炉排炉工艺流程 烧， 垃圾受热熔化成液体， 继而化成蒸汽， 与空气扩散 混合燃烧; 分解燃烧， 垃圾受热后首先分解， 部分碳氢 化合物挥发与空气扩散混合而燃烧; 表面燃烧， 未挥 发的固定碳和惰性物固体受热后在表面与空气反应 进行的燃烧。垃圾的整个焚烧过程包括加热干燥阶 段、 热分解阶段、 焚烧和燃尽阶段。 2. 1干燥加热阶段 按热量传递的方式， 可将干燥分为传导干燥、 对 流干燥和辐射干燥三种方式。垃圾的干燥包括从炉 排下部提供的高温空气的干燥， 垃圾表面和高温燃烧 气体的接触干燥， 料层中部分垃圾的燃烧干燥， 火焰 和炉壁的辐射热干燥。 2. 2热分解阶段 垃圾的热分解过程是垃圾中多种有机可燃物在 高温作用下分解或聚合的化学反应过程。垃圾中的 可燃固体一般由 C、 H、 N、 S 等元素组成， 这些物质的 热分解包含有多种反应， 既有吸热反应也有放热反 应。垃圾中的有机可燃物的活化能越小、 热分解温度 越高， 则其热分解速度越快， 同时热分解速度还与传 热的传质速度有关。 2. 3燃烧阶段 垃圾的燃烧是在氧气存在的条件下有机物质的 剧烈氧化放热过程。垃圾中含有多种有机成分， 其燃 烧过程不可能是某一种单纯的燃烧形式， 而是包含有 蒸发燃烧、 分解燃烧和表面燃烧的综合燃烧过程。因 此， 垃圾的燃烧实际是一个既有固相燃烧又有气相燃 烧的非均相燃烧的混合过程。 2. 4燃尽阶段 燃尽阶段是垃圾焚烧过程的最后阶段。将燃烧 段送来的固定碳以及燃烧炉渣中未燃尽部分完全燃 烧。保证燃尽段上充分的滞留时间， 可将炉渣的热灼 减率降至 1 ～ 2 。 3控制目标 垃圾是成分极其复杂的燃料， 要提高垃圾焚烧效 率， 焚烧炉燃烧系 统的 控 制 目 标 应 包 括 以 下 三 个 方面 1 维持稳定的燃烧， 使炉内温度达到预定值， 并 减少波动。 2 维持稳定的蒸汽流量， 即锅炉负荷。 3 降低烟气中污染物的浓度和垃圾焚烧后的热 灼减量。 4控制策略 燃烧控制系统根据投入炉内的时刻变化的垃圾 性质， 在确保额定焚烧量的情况下， 以余热锅炉的蒸 发量为目标， 通过控制调节炉排速度和燃烧用风量， 最终达到最佳燃烧工况， 将燃烧室温度和热灼减率控 制在要求范围内， 同时保证环保达标和垃圾焚烧运行 的稳定性、 经济性。 4. 1一次风控制 影响燃烧空气量的因素有焚化量、 垃圾热值、 蒸 汽流量和氧量， 但由于垃圾的热值不稳定， 焚化量的 多少随垃圾热值的高低而变化， 所以在计算燃烧需求 一次风量时， 通常主要考虑主蒸汽流量， 并采用氧量 进行修正。 希格斯炉排炉一次风系统设置 10 台可变频调节 的一次风机， 炉排左右侧各 5 台， 分别对应 5 级炉排。 每级炉排所需一次风量由对应的左右侧一次风机变 频调节满足。干燥段 1 级炉排 一次风量设定值主 要由主蒸汽流量函数确定， 并由运行人员根据垃圾水 分含量和垃圾厚度情况进行修正。燃烧段 2、 3 级炉 排 一次风量设定值主要由主蒸汽流量函数确定， 并 由氧量调节器进行修正， 同时运行人员可根据炉内燃 烧情况进行人为修正。燃尽段 4、 5 级炉排 一次风 量设定值主要由主蒸汽流量函数确定， 并由氧量调节 器和炉排上温度调节器共同修正。通常燃尽段第 5 级炉排不是用来燃烧的， 而是用来冷却炉渣的。各级 炉排控制逻辑见图 2。 需要注意的是一次风量的变化会对炉膛负压产 生直接影响， 对此， 炉膛负压控制系统中负压信号可 采用一节惯性环节进行滤波处理。惯性时间参数的 设置根据一次风量变化对负压影响和焚烧炉的燃烧 特性决定， 一般为 3 ～ 5 s。这样就避免了一次风量突 变引起的炉膛负压瞬间变化过大， 进而导致炉膛负压 控制系统的不稳定 ［2］。 4. 2二次风控制 二次风主要作用是保证炉膛内可燃气体充分扰 动， 辅助燃烧， 并维持炉内燃烧氧量。氧量根据锅炉 负荷维持在 5 ～ 10 。二次风量设定值由主蒸汽 18 环境工程 2013 年 4 月第 31 卷第 2 期 注 1 L1 ～ L5 为操作人员输入修正系数; 2 仅显示了左侧一次风机的控制， 右侧控制逻辑同左侧一致。 图 2一次风控制逻辑 流量函数和氧量调节器修正产生， 同时必须保证锅炉 最小二次风量。 4. 3给料速度控制 给料速度根据锅炉蒸汽流量调节器控制， 并由氧 量调节器进行修正， 同时运行人员可根据锅炉燃烧情 况人为修改偏置来改变给料速度。通俗讲就是， 蒸汽 流量增加意味着焚烧炉垃圾热值增加， 此时给料速度 应减小; 反之， 蒸汽流量减小时意味着焚烧炉垃圾热 值减少， 因此应该增加给料的速度。另外， 氧量增加 意味着焚烧炉内缺少垃圾， 此时应加快给料速度; 反 之， 当氧量减小意味着垃圾过多， 因此应该减少给料 速度。运行人员也可通过火焰电视来观察炉内燃烧 情况， 对给料速度进行修正。控制逻辑见图 3。 4. 4炉排速度控制 炉排速度控制主要包括干燥炉排、 燃烧炉排和燃 尽炉排速度控制。其中干燥炉排速度控制主要根据 给料速度以及垃圾水分含量确定; 燃烧炉排速度控制 由主蒸汽流量确定， 并由燃尽度确定; 燃尽段炉排速 度控制根据焚化量和热灼减率确定。每段炉排控制 运行操作人员均可根据具体燃烧情况进行修正。 5结束语 炉排炉焚烧控制系统主要是通过调节一、 二次风 量， 给料和炉排速度来产生稳定的蒸汽流量， 同时控 图 3给料速度控制逻辑 制烟气中的氧量在一定范围内， 并维持稳定的燃烧。 需要注意的是风量和炉排速度的控制相互影响， 被控 对象不是简单的单回路调节系统， 存在一定的耦合关 系， 所以需要有一套完整、 可靠的自动控制系统进行 控制， 同时也需要运行操作人员的丰富控制经验引入 其中， 方能保证焚烧炉运行安全、 稳定、 高效的运行。 下转第 86 页 28 环境工程 2013 年 4 月第 31 卷第 2 期 界负荷。可以根据矿化垃圾的粒径、 反应床的通风情 况、 渗滤液的水力负荷以及污染物浓度等影响因素进 行系统研究， 得到极限负荷与临界负荷随影响因素的 变化规律， 以指导实践。 图 6第一级反应床累计降解 COD 的量 3结论 二级串联矿化垃圾反应床工艺中， 第一级反应床 的表层总有机碳含量随时间的延长而增加， 在本试验 条件下， 总有机碳从开始的 9. 4 提高到发生堵塞时 的 10. 7 ; 而反应床中部垃圾的总有机碳含量则维 持在 9. 4 ～ 9. 5 。第二级反应床表层和中部垃圾 的总有机碳含量随着试验的进行变化不大， 分别在 9. 2 ～ 9. 5 和 9. 0 ～ 9. 4 波动。因此认为渗滤 液中有机悬浮物在矿化垃圾表层的截留与吸附是造 成矿化垃圾反应床堵塞的主要原因之一。 通过矿化垃圾累计降解污染物的量， 提出了矿化 垃圾极限负荷和临界负荷的概念。在本试验条件下， COD 极限负荷约为 40g/kg。这对于预防矿化垃圾反 应床堵塞具有一定指导意义。 参考文献 ［1］张华， 赵由才． 垃圾填埋场中矿化垃圾的综合利用［J］． 山东建 筑工程学院学报， 2004，19 3 46- 51． ［2］Zhao Youcai，Li Hua，Wu Jun，et al． Treatment of leachate by aged-refuse-basedbiofilter ［ J］．JournalofEnvironmental Engineering，ASCE USA ，2002，128 7 662- 668． ［3］张爱平， 刘丹， 刘咏， 等． 准好氧矿化垃圾床处理渗滤液的试验 研究［J］． 西南交通大学学报． 自然科学版， 2010， 45 1 160- 165． ［4］李贵芝， 刘丹， 李启彬， 等． 准好氧矿化垃圾生物反应床的最佳 工况研究［J］． 环境科学与技术， 2012， 35 3 34- 37． ［5］赵由才， 黄仁华， 周海燕， 等． 一种垃圾填埋场渗滤液的净化处 理方法［P］． CN1351969． 121846． ［6］石磊． 矿化垃圾生物反应床处理填埋场渗滤液的工艺与机理研 究［D］． 上海 同济大学，2005． ［7］孙晓杰． 加速新鲜垃圾稳定化的回灌工艺研究［D］． 上海 同 济大学，2007． ［8］Sun Yingjie，Sun Xiaojie，Zhao Youcai．Comparison of semi- aerobic and anaerobic degradation of refuse with recirculation after leachatetreatmentbyagedrefusebioreactor ［J］．Waste Management，2011， 31 6 1202- 1209． ［9］国家环境保护总局． 水和废水监测分析方法［M］． 4 版． 北京 中国环境科学出版，2002． 作者通信处孙晓杰541004桂林市建干路 12 号 桂林理工大学 环境科学与工程学院 电话 0773 5897016 E- mailmeiliketang 163． com 2012 － 07 － 20 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 82 页 参考文献 ［1］唐伟，何平，张新学． 城市生活垃圾焚烧处理技术的比选应用 ［J］． 能源技术， 2009 8 8- 10． ［2］曾卫东，薛宪民，薛景杰． 炉排炉垃圾焚烧控制特点［J］． 热力 发电， 2004 12 57- 58． 作者通信处邹包产710065西安市科技四路 187 号秦唐 12 栋 1 号楼 E- mail33089154 qq． com 2012 － 05 － 29 收稿 68 环境工程 2013 年 4 月第 31 卷第 2 期