可燃固體廢棄物氣化爐的可拓創(chuàng)新設計

黎國棟，吳永明

（廣東工業(yè)大學機電工程學院，廣東 廣州510006）

0 引言

熱解氣化技術具有二次污染小、無害化徹底、資源化程度高的特點，是處理垃圾的重要技術之一，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），通過熱解氣化技術可以實現(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，一些關鍵設備依賴進口。對于我國大多數(shù)小城鎮(zhèn)，經(jīng)濟能力有限，垃圾集中程度低，需要的是簡易可行的分散式垃圾處理設施。目前，某制造生物質(zhì)氣化爐產(chǎn)品的企業(yè)認為研發(fā)簡易可行的中小型CSW熱解氣化設備推向小城鎮(zhèn)具有發(fā)展前景，便成立項目小組進行研究。

可拓學是利用形式化、數(shù)學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)有條件下無法實現(xiàn)人們目標的問題[2]。楊春燕和何斌對可拓學理論知識深入研究，發(fā)現(xiàn)新的產(chǎn)品創(chuàng)新思路[3]；趙燕偉將可拓學應用到智能化產(chǎn)品設計上，解決了理論研究與工程應用矛盾問題[4]；劉毅等將質(zhì)量機能展開QFD與可拓學結(jié)合起來，先運用QFD方法對產(chǎn)品進行需求分析，然后運用可拓創(chuàng)新設計方法快速獲得產(chǎn)品設計方案[5]。

本文首先分析了企業(yè)已有的固定床生物質(zhì)氣化爐技術特征與產(chǎn)品設計需求之間的矛盾與不足；然后運用可拓學理論將產(chǎn)品設計需求與已有技術特征轉(zhuǎn)化為目標基元與條件基元，建立對應的可拓模型，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，提出相應的改進措施，利用基元拓展變換，開發(fā)出滿足需求的CSW氣化爐的可行設計方案。

1 氣化爐設計的問題分析

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物質(zhì)，爐膛內(nèi)壁也涂有一種耐高溫的保護涂料。爐內(nèi)直徑為1.2 m，高為2 m。進料方式為定時投料，物料經(jīng)傳送帶輸送至進料口直接投入，進料口用蓋板封閉。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。鼓風機與引風機皆為人工調(diào)節(jié)功率大小，在爐體上設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)定運行條件下，該生物質(zhì)氣化爐使用壽命能達到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)生的可燃氣體成分穩(wěn)定。由于物料成分性質(zhì)穩(wěn)定，進料速率、灰渣量、進風量和排氣量可計算設定，氣化爐可連續(xù)穩(wěn)定運行。生物質(zhì)物料自身熱值高，采取人工點火方式使氧化區(qū)物料燃燒、進入穩(wěn)定氣化運行后，能提供足夠的熱量供給系統(tǒng)運行，可不用額外增加助燃措施。

要設計的CSW氣化爐處理對象是垃圾中的可燃部分，其是成分復雜，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，進料阻力增大，影響運行穩(wěn)定；干燥時會吸收更多的熱量，降低爐內(nèi)溫度，減弱熱解氣化反應效果形狀不一，反應時受熱不均，反應不同步，都影響氣化強度。在物料進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穩(wěn)定進行，但是增加了運行成本。由于物料成分性質(zhì)不穩(wěn)定，想要連續(xù)穩(wěn)定運行，需要實時監(jiān)控爐內(nèi)變化并進行參數(shù)調(diào)整，則要提升自動控制程度，對關鍵參數(shù)位置用傳感器檢測，然后由控制系統(tǒng)對檢測數(shù)據(jù)處理分辨并進行反饋調(diào)節(jié)。

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

2 氣化爐可拓模型的建立

設要解決的問題P為“研發(fā)滿足設計需求的CSW氣化爐”，需要建立問題P的可拓模型為P=G*L，G為目標基元，是指滿足要求的CSW固定床氣化爐，要求具有氣化強度高，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)保達標排放等特征；L為條件基元，是指以現(xiàn)有的固定床生物質(zhì)氣化爐為基礎研發(fā)CSW氣化爐。

則CSW氣化爐的可拓模型為：

設初始目標基元G0，則目標基元G可表示為：

現(xiàn)有的生物質(zhì)氣化爐作為實現(xiàn)目標基元G的基礎，選取生物質(zhì)氣化爐的8個技術特征作為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)可拓學原理，為了驗證條件是否滿足目標，即驗證目標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。因為只有當所有條件子基元都滿足時條件基元L才成立，目標基元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）。

相應地，條件基元L的相容度為：

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

為了獲取氣化爐設計的改進措施，結(jié)合生產(chǎn)工藝對條件基元進行拓展分析，主要是對其特征進行拓展，得到條件基元的8個關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措施，融入到產(chǎn)品方案設計之中。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與目標基元G的相容度為1，但目標基元還沒有全部被滿足，如增加氣化強度和適用高含水率CSW物料等，因此，需要對目標基元進一步拓展分析。

3 目標基元的拓展分析

目標基元G中的設計需求是比較籠統(tǒng)的、模糊的，需要進一步細化和明確每一項設計需求，即對目標基元進行拓展。

將目標基元G的多個需求按照相關特征分解為目標子基元，記為：

其中g01＝氣化強度高，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)保達標排放。

其中有些子目標通過條件基元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，還需要進一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)。各個條件子基元對目標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，需要進行具體的技術分析和可拓變換，優(yōu)化已有的條件子基元，增加必要的新條件子基元。

對于目標子基元g01（氣化強度高），影響CSW物料氣化強度的因素有物料含水率、物料形狀大小、反應物緊密性、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)，增加攪拌機構(gòu)可破碎這些搭橋結(jié)構(gòu)，增加反應物的緊密性和均衡性，但攪拌機構(gòu)復雜，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，甚至會嚴重影響氣化反應強度，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，目標子基元g01和g07可拓展為四個子目標：均衡物料顆粒的尺寸、增加熱量供應、抽取水蒸氣、使用催化劑等。即：

對于子目標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，不但不符合目標子基元g08的要求，也浪費了其中的氣化氣和熱量。因此，本文申請了一項發(fā)明專利，設計了一種新型回燃機構(gòu)，其出氣口在爐體頂部，通過引風機將抽出的氣體經(jīng)過脫水干燥后，再送回到爐子底部點燃，燃燒的熱氣隨空氣一起進入爐內(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速率[6]，還有消除部分酸性氣體有害物的作用，有助于目標子基元的實現(xiàn)。對大塊的CSW物料，在進爐前進行破碎處理，可使其形狀大小變均勻，有利于物料進料和增加爐內(nèi)反應物的緊密性，提高氣化強度。

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

原來抽出氣化氣的引風機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。因為氣化氣主要是在爐內(nèi)反應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)反應物的還原層和熱解層的交叉區(qū)域，將反應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。通過合理設置回燃機構(gòu)出氣口和氣化氣出氣口的位置，使爐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機部件引導到熱解層和還原層，作為氣化劑參與氣化反應，有利于氣化反應和改善氣化氣的成分。因此，對條件基元L1的子基元l4進行改變，通過可拓變換 T1變?yōu)?/p>

對于目標子基元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物，結(jié)構(gòu)復雜，成本也高。現(xiàn)在在條件子基元l3中采用了“耐腐蝕耐高溫的耐火磚”進行隔熱保溫，因此，沒有必要繼續(xù)采用復雜的中空結(jié)構(gòu)，可改為單層合金鋼爐體。而且，還有g06（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基元G是正相關的，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，加快反應速率，消除反應中產(chǎn)生的腐蝕性氣體；增設新型回燃機構(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；增設破碎機，對大塊CSW物料進行破碎；爐內(nèi)設置溫度和壓力傳感器，監(jiān)測爐內(nèi)運行情況，并與設備的斷電保護銜接起來，如出現(xiàn)異常情況，實現(xiàn)自動停機保護，保障氣化爐運行的安全性。氣化氣引風機、回燃機構(gòu)的引風機和空氣鼓風機都采用變頻風機，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)整各個風機的頻率和功率，自動控制風量。進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，自動控制進料和出渣。爐排為旋轉(zhuǎn)式活動爐排，可定時進行自動排渣。該方案設計結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 CSW氣化爐方案設計示意圖

4 結(jié)論

可燃固體廢棄物氣化爐的設計涉及到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雜因素，本文以現(xiàn)有的生物質(zhì)固定床氣化爐為基礎，應用可拓學的創(chuàng)新設計方法，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計方案。設計方案所作優(yōu)化如下：（1）增加了一種新型回燃機構(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，補充氣化爐內(nèi)的熱量，以保持氣化溫度。（2）合理設置回燃機構(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到爐內(nèi)反應物的熱解層和還原層，使水蒸氣作為氣化劑參與氣化反應，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，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。（6）CSW固定床氣化爐的設備簡單，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)建設小型垃圾處理廠，并提供供熱服務。