可燃固體廢棄物氣化爐的可拓創(chuàng)新設(shè)計

黎國棟，吳永明

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州510006）

0 引言

熱解氣化技術(shù)具有二次污染小、無害化徹底、資源化程度高的特點(diǎn)，是處理垃圾的重要技術(shù)之一，有著廣闊的引用和發(fā)展前景[1]。城市生活垃圾中大部分是可燃垃圾，通過簡單的分揀，從生活垃圾中剔除玻璃和金屬等不可燃的垃圾，剩下的生活垃圾可稱為可燃固體廢棄物（Combustible Solid Waste，CSW），通過熱解氣化技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)減少垃圾填埋處理量和產(chǎn)氣產(chǎn)熱的資源化利用。我國建設(shè)了一些垃圾熱解氣化處理發(fā)電廠，可集中大量處理CSW產(chǎn)氣產(chǎn)熱發(fā)電，但投資大，一些關(guān)鍵設(shè)備依賴進(jìn)口。對于我國大多數(shù)小城鎮(zhèn)，經(jīng)濟(jì)能力有限，垃圾集中程度低，需要的是簡易可行的分散式垃圾處理設(shè)施。目前，某制造生物質(zhì)氣化爐產(chǎn)品的企業(yè)認(rèn)為研發(fā)簡易可行的中小型CSW熱解氣化設(shè)備推向小城鎮(zhèn)具有發(fā)展前景，便成立項(xiàng)目小組進(jìn)行研究。

可拓學(xué)是利用形式化、數(shù)學(xué)化以及邏輯化的可拓模型，研究事物的可拓性與拓展創(chuàng)新的方法以及規(guī)律，用于解決現(xiàn)有條件下無法實(shí)現(xiàn)人們目標(biāo)的問題[2]。楊春燕和何斌對可拓學(xué)理論知識深入研究，發(fā)現(xiàn)新的產(chǎn)品創(chuàng)新思路[3]；趙燕偉將可拓學(xué)應(yīng)用到智能化產(chǎn)品設(shè)計上，解決了理論研究與工程應(yīng)用矛盾問題[4]；劉毅等將質(zhì)量機(jī)能展開QFD與可拓學(xué)結(jié)合起來，先運(yùn)用QFD方法對產(chǎn)品進(jìn)行需求分析，然后運(yùn)用可拓創(chuàng)新設(shè)計方法快速獲得產(chǎn)品設(shè)計方案[5]。

本文首先分析了企業(yè)已有的固定床生物質(zhì)氣化爐技術(shù)特征與產(chǎn)品設(shè)計需求之間的矛盾與不足；然后運(yùn)用可拓學(xué)理論將產(chǎn)品設(shè)計需求與已有技術(shù)特征轉(zhuǎn)化為目標(biāo)基元與條件基元，建立對應(yīng)的可拓模型，分析現(xiàn)有的固定床生物質(zhì)氣化爐改用CSW物料時所存在的不相容問題，提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，利用基元拓展變換，開發(fā)出滿足需求的CSW氣化爐的可行設(shè)計方案。

1 氣化爐設(shè)計的問題分析

現(xiàn)有某企業(yè)的一種生物質(zhì)氣化爐，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，爐體材料為耐高溫合金鋼310S，為立式圓柱型中空結(jié)構(gòu)，中間灌注一種保溫隔熱的化學(xué)物質(zhì)，爐膛內(nèi)壁也涂有一種耐高溫的保護(hù)涂料。爐內(nèi)直徑為1.2 m，高為2 m。進(jìn)料方式為定時投料，物料經(jīng)傳送帶輸送至進(jìn)料口直接投入，進(jìn)料口用蓋板封閉。爐排為固定爐排，爐排材料為耐高溫合金鋼310S，出渣方式為灰渣經(jīng)爐排間隙自由落下后人工定量清除。鼓風(fēng)機(jī)與引風(fēng)機(jī)皆為人工調(diào)節(jié)功率大小，在爐體上設(shè)有溫度傳感器和壓力傳感器檢測爐內(nèi)情況。該氣化爐的運(yùn)行條件：給料速度500 kg/h，氣化劑為常溫空氣，過量空氣系數(shù)為0.3，爐內(nèi)壓力為大氣壓力，還原區(qū)平均溫度為800℃。在穩(wěn)定運(yùn)行條件下，該生物質(zhì)氣化爐使用壽命能達(dá)到5年左右，單爐八小時生物質(zhì)料最大消耗量為4T。

圖1 生物質(zhì)氣化爐結(jié)構(gòu)示意圖

生物質(zhì)氣化爐處理的物料通常是生物質(zhì)顆粒料或小木塊等，其形狀相同、含水率低于10%、熱值穩(wěn)定，產(chǎn)生的可燃?xì)怏w成分穩(wěn)定。由于物料成分性質(zhì)穩(wěn)定，進(jìn)料速率、灰渣量、進(jìn)風(fēng)量和排氣量可計算設(shè)定，氣化爐可連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。生物質(zhì)物料自身熱值高，采取人工點(diǎn)火方式使氧化區(qū)物料燃燒、進(jìn)入穩(wěn)定氣化運(yùn)行后，能提供足夠的熱量供給系統(tǒng)運(yùn)行，可不用額外增加助燃措施。

要設(shè)計的CSW氣化爐處理對象是垃圾中的可燃部分，其是成分復(fù)雜，形狀不一、含水率偏高、熱值不穩(wěn)定的物料。物料處理過程中，會產(chǎn)生酸性氣體，形成腐蝕性環(huán)境，對爐體內(nèi)壁和保溫層構(gòu)成危害，從而影響使用壽命。物料含水率偏高，會增加粘性，進(jìn)料阻力增大，影響運(yùn)行穩(wěn)定；干燥時會吸收更多的熱量，降低爐內(nèi)溫度，減弱熱解氣化反應(yīng)效果形狀不一，反應(yīng)時受熱不均，反應(yīng)不同步，都影響氣化強(qiáng)度。在物料進(jìn)爐前干燥處理或添加助燃物可有效使物料的熱解氣化反應(yīng)穩(wěn)定進(jìn)行，但是增加了運(yùn)行成本。由于物料成分性質(zhì)不穩(wěn)定，想要連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，需要實(shí)時監(jiān)控爐內(nèi)變化并進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，則要提升自動控制程度，對關(guān)鍵參數(shù)位置用傳感器檢測，然后由控制系統(tǒng)對檢測數(shù)據(jù)處理分辨并進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)。

下面通過可拓學(xué)建模求解設(shè)計需求與現(xiàn)有技術(shù)之間的矛盾與不足，獲得滿足設(shè)計需求的CSW氣化爐設(shè)計方案。

2 氣化爐可拓模型的建立

設(shè)要解決的問題P為“研發(fā)滿足設(shè)計需求的CSW氣化爐”，需要建立問題P的可拓模型為P=G*L，G為目標(biāo)基元，是指滿足要求的CSW固定床氣化爐，要求具有氣化強(qiáng)度高，使用壽命長，自動化程度高，安全性好，結(jié)構(gòu)簡單，成本適中，適用高含水率CSW物料，環(huán)保達(dá)標(biāo)排放等特征；L為條件基元，是指以現(xiàn)有的固定床生物質(zhì)氣化爐為基礎(chǔ)研發(fā)CSW氣化爐。

則CSW氣化爐的可拓模型為：

設(shè)初始目標(biāo)基元G0，則目標(biāo)基元G可表示為：

現(xiàn)有的生物質(zhì)氣化爐作為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)基元G的基礎(chǔ)，選取生物質(zhì)氣化爐的8個技術(shù)特征作為8個條件子基元，組成初始條件基元L0，表示為：

其中：“∧”為與運(yùn)算。

對問題P0“現(xiàn)有的生物質(zhì)氣化爐是否為滿足需求的CSW氣化爐”，可拓模型為：

根據(jù)可拓學(xué)原理，為了驗(yàn)證條件是否滿足目標(biāo)，即驗(yàn)證目標(biāo)基元和條件基元是否相容，需要建立問題 P0的相容度函數(shù) K（P0）。若 K（P0）＜ 0，則問題 P0為不相容問題，表示現(xiàn)有生物質(zhì)氣化爐不適用于CSW氣化爐；若K（P0）＞0，則問題P0為相容問題，表示現(xiàn)有生物質(zhì)氣化爐適用于CSW氣化爐；若K（P0）=0，則問題P為臨界問題，表示現(xiàn)有生物質(zhì)氣化爐基本適用于CSW氣化爐。因?yàn)橹挥挟?dāng)所有條件子基元都滿足時條件基元L才成立，目標(biāo)基元G就能滿足，因此，相容度函數(shù)K（P0）可以等價轉(zhuǎn)換為計算初始條件基元的相容度，即：K（P0）=K（L0）。

相應(yīng)地，條件基元L的相容度為：

相容度的取值范圍設(shè)為{-1，0，1}，如果子基元特征xij對滿足目標(biāo)基元G為有利的、正相關(guān)的，則相容度k（xij）=1。如果xi對滿足目標(biāo)基元G為不利的、負(fù)相關(guān)的，則相容度k（xij）=-1。如果xi是滿足目標(biāo)基元G的基本條件，或是有利有弊的條件，則相容度k（xij）=0。

為了獲取氣化爐設(shè)計的改進(jìn)措施，結(jié)合生產(chǎn)工藝對條件基元進(jìn)行拓展分析，主要是對其特征進(jìn)行拓展，得到條件基元的8個關(guān)鍵特征的相容度函數(shù)如下：

問題P0的相容度，可由初始條件基元L0的特征與上述相容度函數(shù)進(jìn)行匹配和計算，參照公式（1），可得：

因此，問題P0為不相容問題，即現(xiàn)有生物質(zhì)氣化爐不滿足CSW氣化爐的要求。

特征相容度函數(shù)中已經(jīng)列出了一些相容度為1的特征值，這些就是可行的改進(jìn)措施，融入到產(chǎn)品方案設(shè)計之中。通過可拓變換，將相容度為1的特征值替換初始條件基元的相應(yīng)特征或特征值，獲得一個新的條件基元L1。

顯然，條件基元L1與目標(biāo)基元G的相容度為1，但目標(biāo)基元還沒有全部被滿足，如增加氣化強(qiáng)度和適用高含水率CSW物料等，因此，需要對目標(biāo)基元進(jìn)一步拓展分析。

3 目標(biāo)基元的拓展分析

目標(biāo)基元G中的設(shè)計需求是比較籠統(tǒng)的、模糊的，需要進(jìn)一步細(xì)化和明確每一項(xiàng)設(shè)計需求，即對目標(biāo)基元進(jìn)行拓展。

將目標(biāo)基元G的多個需求按照相關(guān)特征分解為目標(biāo)子基元，記為：

其中g(shù)01＝氣化強(qiáng)度高，g02＝使用壽命長，g03＝自動化程度高，g04＝安全性好，g05＝結(jié)構(gòu)簡單，g06＝成本適中，g07＝適用高含水率CSW物料，g08＝環(huán)保達(dá)標(biāo)排放。

其中有些子目標(biāo)通過條件基元L1可獲得了滿足，如g03通過提高氣化爐的自動化控制措施來實(shí)現(xiàn)的；g02通過采用耐高溫合金鋼的爐體、耐腐蝕耐高溫的耐火磚等措施獲得了部分滿足，還需要進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)。各個條件子基元對目標(biāo)基元的作用和影響是多方面的，有些還存在一些不相容的矛盾情況，需要進(jìn)行具體的技術(shù)分析和可拓變換，優(yōu)化已有的條件子基元，增加必要的新條件子基元。

對于目標(biāo)子基元g01（氣化強(qiáng)度高），影響CSW物料氣化強(qiáng)度的因素有物料含水率、物料形狀大小、反應(yīng)物緊密性、氣化溫度、催化劑等。CSW物料在爐內(nèi)熱解氣化時，容易形成一種“搭橋”結(jié)構(gòu)，增加攪拌機(jī)構(gòu)可破碎這些搭橋結(jié)構(gòu)，增加反應(yīng)物的緊密性和均衡性，但攪拌機(jī)構(gòu)復(fù)雜，中小型氣化爐一般不使用。能處理高含水率的物料是另一個子目標(biāo)基元，高含水率CSW物料加入爐內(nèi)，水分吸收爐內(nèi)熱量后迅速汽化，降低爐內(nèi)溫度，甚至?xí)?yán)重影響氣化反應(yīng)強(qiáng)度，因此需要抽出水蒸氣，并增加熱量，確保爐內(nèi)氣化溫度。因此，目標(biāo)子基元g01和g07可拓展為四個子目標(biāo)：均衡物料顆粒的尺寸、增加熱量供應(yīng)、抽取水蒸氣、使用催化劑等。即：

對于子目標(biāo)g011（增加熱量），一般措施是添加助燃物，如易燃燒的煤粉或生物質(zhì)顆粒料。對于子目標(biāo)g014，減少因添加高含水率物料而產(chǎn)生的水蒸氣，則需要在爐子頂部增加一個引風(fēng)裝置抽取爐內(nèi)上部空間的氣體，但爐內(nèi)氣體里不但含有水蒸氣，還有可燃燒的氣化氣。如果直接將這個氣體排向空中，不但不符合目標(biāo)子基元g08的要求，也浪費(fèi)了其中的氣化氣和熱量。因此，本文申請了一項(xiàng)發(fā)明專利，設(shè)計了一種新型回燃機(jī)構(gòu)，其出氣口在爐體頂部，通過引風(fēng)機(jī)將抽出的氣體經(jīng)過脫水干燥后，再送回到爐子底部點(diǎn)燃，燃燒的熱氣隨空氣一起進(jìn)入爐內(nèi)，增加爐內(nèi)熱量和氣化溫度。采用回燃措施之后，可不用添加助燃物。

添加CaO催化劑可以加快反應(yīng)速率[6]，還有消除部分酸性氣體有害物的作用，有助于目標(biāo)子基元的實(shí)現(xiàn)。對大塊的CSW物料，在進(jìn)爐前進(jìn)行破碎處理，可使其形狀大小變均勻，有利于物料進(jìn)料和增加爐內(nèi)反應(yīng)物的緊密性，提高氣化強(qiáng)度。

根據(jù)上述的工藝分析，為了滿足目標(biāo)子基元g01，g07和g08，要在條件基元L1的基礎(chǔ)上新增一些條件子基元：

原來抽出氣化氣的引風(fēng)機(jī)部件的出氣口在爐體上部，抽出的氣化氣可能含有大量水蒸氣，影響氣化氣的質(zhì)量，不利于氣化氣的燃燒。因?yàn)闅饣瘹庵饕窃跔t內(nèi)反應(yīng)物的還原層和熱解層生成的，將氣化氣的出氣口下移到爐體中部，大體位于爐內(nèi)反應(yīng)物的還原層和熱解層的交叉區(qū)域，將反應(yīng)生成的氣化氣立即抽出，則抽出的氣化氣具有水蒸氣含量少、焦油含量低和溫度較高等特點(diǎn)。通過合理設(shè)置回燃機(jī)構(gòu)出氣口和氣化氣出氣口的位置，使?fàn)t體上部的大量水蒸氣，一部分被回燃部件抽出，另一部分被氣化氣引風(fēng)機(jī)部件引導(dǎo)到熱解層和還原層，作為氣化劑參與氣化反應(yīng)，有利于氣化反應(yīng)和改善氣化氣的成分。因此，對條件基元L1的子基元l4進(jìn)行改變，通過可拓變換 T1變?yōu)?/p>

對于目標(biāo)子基元g05（結(jié)構(gòu)簡單），條件基元L1的子基元l1中的“爐體結(jié)構(gòu)：立式圓柱形中空結(jié)構(gòu)”，該設(shè)計原來是要在中空結(jié)構(gòu)里面注入一種隔熱保溫的化學(xué)物，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本也高?，F(xiàn)在在條件子基元l3中采用了“耐腐蝕耐高溫的耐火磚”進(jìn)行隔熱保溫，因此，沒有必要繼續(xù)采用復(fù)雜的中空結(jié)構(gòu)，可改為單層合金鋼爐體。而且，還有g(shù)06（成本適中）的要求，爐體材料也不需要用太貴的耐高溫合金鋼310S，改為普通304合金鋼。下面通過可拓變換T2，T3，改變條件子基元 l1，以滿足 g05∧g06：

綜上所述，將條件基元L1和L2合并，即可獲得一個滿足目標(biāo)基元G的條件基元L，即：

顯然，條件基元L里面的所有子基元都與目標(biāo)基元G是正相關(guān)的，其相容度為1。條件基元L為一種滿足需求的CSW氣化爐設(shè)計方案，即爐體采用304合金鋼的單層結(jié)構(gòu)，爐膛內(nèi)壁采用鋪設(shè)耐腐蝕耐高溫的耐火磚的保溫措施；在CSW物料中添加CaO催化劑，加快反應(yīng)速率，消除反應(yīng)中產(chǎn)生的腐蝕性氣體；增設(shè)新型回燃機(jī)構(gòu)，抽出爐內(nèi)大量水蒸氣，將干燥凈化后的氣化氣回燃以增加爐內(nèi)熱量；增設(shè)破碎機(jī)，對大塊CSW物料進(jìn)行破碎；爐內(nèi)設(shè)置溫度和壓力傳感器，監(jiān)測爐內(nèi)運(yùn)行情況，并與設(shè)備的斷電保護(hù)銜接起來，如出現(xiàn)異常情況，實(shí)現(xiàn)自動停機(jī)保護(hù)，保障氣化爐運(yùn)行的安全性。氣化氣引風(fēng)機(jī)、回燃機(jī)構(gòu)的引風(fēng)機(jī)和空氣鼓風(fēng)機(jī)都采用變頻風(fēng)機(jī)，根據(jù)傳感器檢測的爐內(nèi)溫度和壓力變化情況，自動調(diào)整各個風(fēng)機(jī)的頻率和功率，自動控制風(fēng)量。進(jìn)料部件和出渣部件都采用了螺旋裝置，自動檢測爐內(nèi)物料高度或灰渣高度，自動控制進(jìn)料和出渣。爐排為旋轉(zhuǎn)式活動爐排，可定時進(jìn)行自動排渣。該方案設(shè)計結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 CSW氣化爐方案設(shè)計示意圖

4 結(jié)論

可燃固體廢棄物氣化爐的設(shè)計涉及到CSW物料的氣化工藝、氣化爐結(jié)構(gòu)與材料、自動化控制等多種復(fù)雜因素，本文以現(xiàn)有的生物質(zhì)固定床氣化爐為基礎(chǔ)，應(yīng)用可拓學(xué)的創(chuàng)新設(shè)計方法，研發(fā)了適用于小城鎮(zhèn)分散式熱解氣化處理未分揀且含水率偏高的生活垃圾的氣化爐設(shè)計方案。設(shè)計方案所作優(yōu)化如下：（1）增加了一種新型回燃機(jī)構(gòu)，將氣化爐內(nèi)因添加高含水率物料而產(chǎn)生的大量水蒸氣抽出，并在干燥過濾之后將其中的氣化氣送回氣化爐回燃，補(bǔ)充氣化爐內(nèi)的熱量，以保持氣化溫度。（2）合理設(shè)置回燃機(jī)構(gòu)出氣口和氣化氣出氣口的位置，一方面抽出過剩的水蒸氣，另一方面將部分水蒸氣引導(dǎo)到爐內(nèi)反應(yīng)物的熱解層和還原層，使水蒸氣作為氣化劑參與氣化反應(yīng)，改善氣化氣的成分和品質(zhì)。（3）CSW氣化爐可處理含水率高達(dá)30%～50%的CSW物料，而不用額外添加助燃物。（4）在CSW物料中自動添加適量的CaO催化劑，加快反應(yīng)速率，減少了氣化氣中的酸性氣體含量。（5）CSW氣化爐用CSW物料生產(chǎn)的氣化氣，具有水蒸氣含量少、焦油含量少、酸性氣體和有害氣體的含量少、溫度高等特點(diǎn)，后續(xù)經(jīng)過除塵凈化，可以替代生物質(zhì)氣化氣和煤氣，用于一些工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的能源供應(yīng)。（6）CSW固定床氣化爐的設(shè)備簡單，成本低，自動化程度高，操作簡便，可以無害化處理和利用可燃生活垃圾，適用于小城鎮(zhèn)和社區(qū)建設(shè)小型垃圾處理廠，并提供供熱服務(wù)。