垃圾焚燒爐排爐摻燒工業(yè)有機固廢運行優(yōu)化調控研究＊

朱 浩，喻 武，薛 浩，馬曉玲

（中國環(huán)境保護集團有限公司，北京 100082）

0 引言

生活垃圾焚燒發(fā)電處置設施是解決“垃圾圍城”的主要途徑，具有占地面積小，減量化、無害化、資源化程度高等優(yōu)勢［1-2］。但近幾年，隨著垃圾焚燒發(fā)電行業(yè)的快速發(fā)展，全國很多城市都存在垃圾發(fā)電廠建設規(guī)模過度放大、電廠投入運行后入爐垃圾不足的問題［3-5］?，F(xiàn)場實際運行結果表明，垃圾焚燒爐負荷不足，除造成單位垃圾運行成本較高、影響項目投資收益外，也易引起二惡英等煙氣排放指標超標［6］。而另一方面，隨著城市工業(yè)的發(fā)展，工業(yè)固體廢物產生量日益增多，2020 年，我國工業(yè)固體廢物產生量達3.68×109t，綜合利用量2.04×109t，處置量9.20×108t［7］。工業(yè)有機固廢產生量高、處置缺口大，且具有較高熱值［8-10］。因此，城鎮(zhèn)現(xiàn)有的生活垃圾焚燒廠協(xié)同處置工業(yè)有機固廢，不僅可以充分利用焚燒設施處理余量來增加發(fā)電收益，同時可以實現(xiàn)城市多種廢物一體化管理與風險管控［11］。

工業(yè)有機固廢來源多、組分復雜，不同組分、不同摻燒比對焚燒設施影響有所差別［12-13］。目前，多數(shù)研究者側重從理論分析和試驗模擬的角度研究，工程實例應用分析較少。張蓓等［10］對不同固體廢物（市政污泥與生活垃圾、木材與生活垃圾等）混燒產生有機污染物的形成機理進行研究，得出固廢種類、添加比例、組分、含水率等能夠影響有機污染物的生成。王琬麗［11］通過在爐排爐中試試驗臺上開展協(xié)同焚燒試驗，得出生活垃圾、造紙和紡織固體廢物摻燒對煙氣污染物未產生不利影響，是較為可行的方案。戴勇等［14］通過對某城市工業(yè)垃圾調研并結合鍋爐計算、燃燒模擬試驗，得出摻燒工業(yè)垃圾后運行成本增高，但整廠經(jīng)濟效益提高，同時建議設計煙氣凈化系統(tǒng)時重視煙氣污染物的波動及高溫腐蝕，合理控制Cl 和S 含量高的工業(yè)垃圾的摻燒量。

綜上，針對生活垃圾焚燒發(fā)電廠協(xié)同處置工業(yè)有機固廢的理論研究已經(jīng)展開，但垃圾焚燒發(fā)電廠垃圾組分、工況遠比實驗室的研究條件復雜，上述研究在實際工程應用中參考價值較小。因此，我國垃圾發(fā)電廠協(xié)同處置工業(yè)有機固廢時，仍然按照焚燒生活垃圾或者摻燒污泥、沼渣等有機固廢的方式進行焚燒?；诖耍狙芯酷槍ι罾贌l(fā)電廠摻燒工業(yè)有機固廢的現(xiàn)狀，在典型垃圾焚燒發(fā)電廠使用的爐排爐上開展工業(yè)有機固廢摻燒，研究其摻混比例以及摻燒工業(yè)有機固廢時焚燒爐的運行優(yōu)化調控，研究結果能為垃圾焚燒爐摻燒工業(yè)有機固廢的理論研究以及工程應用提供系統(tǒng)指導。

1 研究對象及試驗方法

本研究依托我國南方某城市生活垃圾焚燒發(fā)電廠配套的600 t/d 的爐排爐進行工業(yè)有機固廢摻燒試驗，焚燒爐采用VON ROLL L 型爐排爐，余熱鍋爐為中溫中壓（400 ℃、4 MPa），垃圾焚燒系統(tǒng)示意見圖1。垃圾由抓斗投入給料斗，沿著給料溜管滑至焚燒爐，再由給料器定量推入爐排，爐排分為干燥段、燃燒段、燃燼段［15］，通過爐排不斷運動，完成垃圾的預熱及干燥、氣化及燃燒、燃燼及冷卻過程，落入出渣機。每段爐排下設風室，來自垃圾倉經(jīng)預熱后的一次風，由總風管引至爐排底部并分別送到不同的風室。來自焚燒廠房和出渣機出口附近的二次風由二次風管送至爐內。煙氣凈化系統(tǒng)采用“選擇性非催化還原法（Selective Non-Catalytic Reduction，SNCR）脫硝系統(tǒng)+旋轉噴霧半干法脫酸+（活性炭+干法）噴射系統(tǒng)+布袋除塵器”組合工藝。

圖1 垃圾焚燒系統(tǒng)示意Figure 1 Waste incineration system schematic

試驗摻燒的工業(yè)有機固廢主要來自臨近地區(qū)造紙廠邊角料，生活垃圾和工業(yè)有機固廢的元素分析和工業(yè)分析結果見表1。

表1 生活垃圾和工業(yè)有機固廢采樣元素分析、工業(yè)分析結果及低位熱值（收到基）Table 1 Sampling element analysis，industrial analysis results and low calorific value of MSW and industrial organic solid waste（ar）

試驗時在生活垃圾與工業(yè)有機固廢摻燒總量600 t/d 不變的情況下，從不同摻燒比、一次風和二次風配風總量、各分段爐排運動時間（表征垃圾停留時間）等角度測試摻燒工業(yè)有機固廢對焚燒爐爐膛溫度、鍋爐蒸發(fā)量及煙氣成分產生的影響。

2 結果與討論

2.1 摻燒比的影響

本項目垃圾焚燒廠的日常運行采用燃燒控制系統(tǒng)（ACC）進行自動控制。為了測試垃圾焚燒爐實際摻燒工業(yè)有機固廢的處置能力，此組試驗中，保持ACC 投運，以工業(yè)有機固廢摻燒比例（按質量分數(shù)計）分別為0、10%、20% 進行測試分析，不同摻燒比下的混合垃圾元素分析、低位熱值及工業(yè)分析數(shù)據(jù)采用差值法計算，計算結果見表2。由表1、表2 可知，工業(yè)有機固廢含水率和灰分含量低，揮發(fā)分、固定碳和熱值高于生活垃圾，項目摻入工業(yè)有機固廢后提高了混合垃圾的熱值。

表2 不同摻燒比下混合垃圾的元素分析、工業(yè)分析及低位熱值（收到基）Table 2 Elemental analysis，industrial analysis and low calorific value of mixed waste under different mixing ratio（ar）

分析不同摻燒比所對應的3 種工況，每種工況下記錄4 組試驗數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)在開始摻燒2 h后進行記錄、每次記錄間隔30 min。試驗結果排除異常點后取平均值，結果如圖2、圖3 所示。

圖2 不同摻燒比對主蒸汽流量和爐膛溫度的影響Figure 2 The influence of different mixing ratio on main steam flow and furnace temperature

圖3 不同摻燒比對排放煙氣污染物HCl、NOx和SO2的影響Figure 3 The influence of different mixing ratio on emission of flue gas pollutants HCl，NOx and SO2

從圖2、圖3 中可以看出，摻燒工業(yè)有機固廢后主蒸汽流量、爐膛溫度、排放煙氣污染物求平均值后數(shù)據(jù)變化都不大，均在項目可接受范圍內，說明在現(xiàn)有生活垃圾焚燒發(fā)電設施上摻燒工業(yè)有機固廢的3 種工況是可行的。另外，經(jīng)試驗測試，摻燒工業(yè)有機固廢10% 時，熱灼減率為0.99%，比無摻燒時的熱灼減率（2.51%）降低；但在摻燒比為20% 時，熱灼減率增加至2.73%，說明工業(yè)有機固廢摻燒比例10%時為較優(yōu)工況。

2.2 焚燒配風調節(jié)的影響

在未摻燒工業(yè)有機固廢時，一次風的調節(jié)會對蒸汽負荷產生直接影響，整體規(guī)律為增大一次風，蒸汽負荷升高，降低一次風，蒸汽負荷降低；干燥段爐排的參數(shù)對垃圾的水分產生直接影響，整體規(guī)律為停留時間長或風量配比高，干燥更加徹底；燃燒段爐排的參數(shù)對垃圾的燃燒產生直接影響，整體規(guī)律為停留時間長或風量配比高會使燃燒更加充分。在運行項目中，為找出爐排爐控制參數(shù)對焚燒爐燃燒的影響，試驗中ACC 關閉，在摻燒10% 工業(yè)有機固廢的情況下，分析一、二次風量及各爐排段的停留時間對摻燒工業(yè)有機固廢后的焚燒爐的影響。

2.2.1 調節(jié)一次風

數(shù)據(jù)記錄點1～5 為焚燒爐運行中一次風增加10%～15% 時，各參數(shù)隨時間推移通過分散控制系統(tǒng)（DCS）顯示的測量值，如圖4 所示。由圖4 可以看出，增加一次風后，爐膛溫度和主蒸汽流量有明顯升高，如調控不好，爐溫的迅速升高可能導致運營過程發(fā)生結焦，這主要是因為工業(yè)有機固廢熱值高，一次風量增加，使燃燒更加充分。

圖4 一次風增加前后主蒸汽流量和爐膛溫度變化情況Figure 4 Changes on main steam flow and furnace temperature before and after primary air increase

2.2.2 調節(jié)二次風

數(shù)據(jù)記錄點1～5 為焚燒爐運行中二次風增加15%～25%時，各參數(shù)隨時間推移通過DCS 系統(tǒng)顯示的測量值，如圖5 所示。由圖5 可以看出，增加二次風后，主蒸汽流量先降后升，但爐溫先降低后略有增高，相對于增加一次風時更溫和平穩(wěn)。這主要是因為二次風的湍流促使高溫煙氣停留時間增加，引起蒸發(fā)量和爐膛溫度小幅上升。因此可以適當增加二次風，對運營起到控制爐溫、減少結焦的作用。

圖5 二次風增加前后主蒸汽流量和爐膛溫度變化情況Figure 5 Changes on main steam flow and furnace temperature before and after secondary air increase

2.3 各分段爐排運動時間的影響

為找出爐排爐控制參數(shù)對焚燒爐燃燒的影響，試驗中ACC 關閉、在摻燒10%工業(yè)有機固廢的情況下，分析調節(jié)各分段爐排運動時間對焚燒爐的影響，試驗數(shù)據(jù)記錄點為焚燒爐運行中各參數(shù)隨時間推移通過DCS 系統(tǒng)顯示的測量值。

2.3.1 干燥段爐排

將干燥段爐排運動時間減少10 s，即縮短垃圾在干燥段的停留時間，其試驗結果如圖6 所示。由圖6 可以看出，爐膛溫度降低10 ℃左右、主蒸汽流量幾乎無影響。分析其原因如下：干燥段主要作用是對物料進行預熱、蒸發(fā)水分，本項目摻燒的工業(yè)有機固廢與生活垃圾相比，含水率低、揮發(fā)分和熱值高，更易燃燒，所以可以適當縮短混合垃圾在干燥段的停留時間，使物料盡快進入燃燒段燃燒。

圖6 干燥段爐排運動時間減少10 s 時主蒸汽流量、爐膛溫度變化情況Figure 6 Changes on main steam flow and furnace temperature when drying section grate movement time reduce 10 s

2.3.2 燃燒段爐排

將燃燒段爐排運動時間增加15 s，即延長垃圾在燃燒段的停留時間時，其試驗結果如圖7 所示。由圖7 可以看出，爐膛溫度升高并維持在1 020 ℃以上，主蒸汽流量增加。分析其原因如下：在燃燒段混合垃圾經(jīng)歷可燃揮發(fā)分析出、揮發(fā)分著火燃燒、固定碳著火燃燒的過程，增加垃圾在此段的停留時間，使燃燒更充分進行，所以爐膛溫度和主蒸汽流量均增加。

圖7 燃燒段爐排運動時間增加15 s 時主蒸汽流量、爐膛溫度變化情況Figure 7 Changes on main steam flow and furnace temperature when combustion section grate movement time increase 15 s

2.3.3 燃燼段爐排

將燃燼段爐排運動時間減少10 s，即縮短垃圾在燃燼段的停留時間，其試驗結果如圖8 所示。由圖8 可以看出，爐膛溫度和主蒸汽流量均降低。分析其原因如下：火線集中在燃燒爐排后段和燃燼爐排前段，加快燃燼爐排速度，火線后移，熱量損失增加，造成爐溫和蒸發(fā)量下降。

圖8 燃燼段爐排運動時間減少10 s 時主蒸汽流量、爐膛溫度變化情況Figure 8 Changes on main steam flow and furnace temperature when ember section grate movement time reduce 10 s

3 結論

1）在現(xiàn)有生活垃圾焚燒發(fā)電設施上摻燒工業(yè)有機固廢0、10%、20%這3 種工況均可行，通過對比3 種工況的燃燒情況，其中摻燒比例10% 為較優(yōu)工況。

2）增加一、二次風量均能使主蒸汽流量增大，但是調節(jié)二次風時爐溫更溫和平穩(wěn)，因此運營時可以適當增加二次風加強擾動，控制爐溫減少結焦。

3）對摻燒含水率低的工業(yè)有機固廢，適當縮短干燥段爐排運動時間，增加燃燒段和燃燼段爐排運動時間，有助于焚燒爐燃燒。