基于DCS系統循環流化床垃圾焚燒鍋爐溫系統的模糊控制優化

陳建強，賀巧利，賈葉芬

（內蒙古化工職業學院 機電工程系，呼和浩特 010010）

垃圾是人類日常生活和生產中產生的固體廢棄物，由于排出量大、成分復雜多樣、具有污染性，需要進行無害化處理。現今國內外廣泛應用的垃圾處理方法是衛生填埋、高溫焚燒。國外工業發達國家，特別是日本和歐美，普遍致力于推進垃圾焚燒技術的應用，國外焚燒技術的應用比我國焚燒工藝和設備相對成熟、先進。我國城市垃圾處理起步較晚，但近幾年全國各地根據城市實際情況，從對策和規劃著手，積極對城市垃圾處理技術進行探索。杭州、常州、天津、綿陽、北京、武漢等城市在學習國外城市垃圾處理技術經驗的基礎上，自主研發的垃圾機械化堆肥處理生產線、建設垃圾焚燒廠，也為其他城市應用焚燒技術提供了經驗[1]。

目前，焚燒垃圾普遍采用循環流化床鍋爐，循環流化床鍋爐也是近年來在國際上發展起來的新一代高效、低污染的清潔型鍋爐。循環流化床鍋爐因其沒有獨立的脫硫系統，并且通過爐內投燒石灰石的方式進行爐內脫硫然后利用高壓硫化風機使SO2與石灰石發生化學反應，最終達到脫硫目的而成為區別于一般的煤粉爐最大的優點[2]。

由于垃圾焚燒鍋爐燃燒效率高、爐膛體積小，床內傳熱系數高，負荷調節性能好，灰渣可綜合利用，而且可以燃燒低揮發性的劣質燃料，通過可燃廢物中加入石灰石脫硫，大大地降低煙氣中CO、SOx、NOx含量有利于環保，因此垃圾焚燒鍋爐在我國的應用發展具有綜合的社會效益。

隨著計算機分布式控制系統（DCS）被廣泛應用于工業生產過程控制，采用分布式控制垃圾焚燒鍋及其附屬系統，實現整個垃圾焚燒鍋爐的監視、控制和連鎖保護功能，將垃圾焚燒鍋爐的爐膛溫度根據不同參數變化維持在某一給定范圍內，以便能夠實現高效脫硫和防止結焦。

DCS 系統將所有目標參數進行精確化設定，所有設定均可實時在線修改，對垃圾焚燒鍋爐的爐膛溫度、給料量、汽壓等被控對象動態特性進行描述，保證垃圾焚燒鍋爐經濟燃燒。

本文以呼和浩特嘉盛新能源股份有限公司“2×21.5 t/h”循環流化床垃圾焚燒爐環保綜合利用技改項目為基礎，針對循環流化床鍋爐的結構及恒功率運行工況等展開研究，特別對影響循環流化床鍋爐床溫和給料量的參數為重點研究對象，通過數據分析從而得出有效控制循環流化床鍋爐床溫的技術措施。

1 項目概況

呼和浩特嘉盛新能源股份有限公司位于呼和浩特市土默特左旗畢克齊鎮，廠內2 條生產線獨立運行，獨立配備焚燒爐及煙氣凈化系統、汽輪發電機組。焚燒爐采用循環流化床垃圾焚燒，功率為21.5 t/h。汽輪機組采用高效復合型空冷凝型，汽式汽輪機組獨立配備12 MW 發電機組，按照額定功率運行每條生產線日燃燒垃圾500 t。垃圾熱值低于800 kJ/kg 時采用垃圾中參入燃煤混燒形式，燃煤摻燒量不高于20%。煙氣凈化系統采用先進的凈化工藝“SNCR 脫氮工藝+半干法脫硫凈化反應塔+活性炭吸附+布袋除塵器”。滲濾液處理系統采用“預處理+UASB 厭氧反應器+A/O 工藝和MBR 膜系統+NF納濾膜系統+RO 反滲透”凈化工藝[3]。項目的投產運行對于呼和浩特地區及周邊旗縣垃圾處理起到非常重要的環保意義，同時具有進行垃圾分類指導、節約資源、合理利用資源的社會教育意義。

2 系統結構組成

循環流化床鍋爐主要由物料系統、風煙系統、汽水系統、飛灰再循環系統、煙氣脫硫系統等組成，結構示意圖如圖1所示。物料系統是將新燃料和脫硫劑（石灰石）混合后加入到爐膛燃燒室，混合料在風的作用下充分混合，被風煙帶出燃燒室的粉塵被分離器二次捕捉，再次返回燃燒室中，形成循環流化反應的過程。

圖1 循環流化床鍋爐結構示意圖Fig.1 Structural diagram of circulating fluidized bed

風煙系統是循環流化床鍋爐的核心系統，從爐膛底部吹入的一次風的作用是使新燃料和脫硫劑（石灰石）充分反復混合發生還原燃燒，從燃燒室側方吹入的二次風的作用是使燃料循環返料在燃燒室得到充足的氧氣充分燃燒[4]。

汽水系統是將給水經過省煤器、汽包、水冷壁、過熱器后升溫、汽化、過熱形成高溫高壓蒸汽，也是整個鍋爐系統和汽輪機組進行能量傳遞的介質。

3 試驗與數據

城市生活垃圾大部分是居民家中進行簡單分類后投入小區垃圾箱，經過垃圾轉運站分類后直接轉運到處理地點。生活垃圾水分高熱值低（特別是夏季雨季蔬菜和水果垃圾較多，水分含量偏高），成份復雜多變熱值波動閾值大，造成垃圾焚燒爐運行工況調節處理難度加大，特別對垃圾焚燒爐爐溫的控制成為一個難點。所以垃圾在焚燒之前必須對垃圾中的水分進行處理，進一步通過滲濾將垃圾的水分去除掉。

通過前期進行，而后進行發酵處理約一周時間，最大限度地減少垃圾中的水分含量，才能加入爐內焚燒。通過研究表明，如果燃燒的爐溫溫度過低，垃圾焚燒達不到固定的溫度，很容易產生二噁英等有害氣體，二噁英的產生溫度在360 ℃～820 ℃之間，若保持焚燒爐內溫度大于850 ℃，并控制煙氣在爐內充分燃燒停留2 s 以上，即可使二噁英得到有效的分解。所以垃圾焚燒爐溫度的控制成為核心要點，爐溫的控制不僅有利于二噁英的分解，同時也影響垃圾在焚燒的過程中是否會產生二次污染。

本次試驗數據是在呼和浩特嘉盛新能源股份有限公司“2×21.5 t/h”循環流化床垃圾焚燒爐DCS系統上測定溫度和給料量等相關參數，通過前期的資料分析和實踐經驗得出，確認影響鍋爐爐溫和給料量的測試試驗的因素有4 種：A 一次風量、B 床層厚度、C 二次風量、D 燃料熱值。經過與現場生產工程師溝通，綜合考慮確定進行正交試驗，試驗的參數是3 水平4 因素，若進行全面試驗，則試驗的規模和次數將很大，而且因現場生產管理等條件的限制而難于實施。通過正交試驗設計，尋求最優水平組合的一種高效率試驗設計方法，所以在這種條件下完全可以用正交試驗代替全面試驗，因此試驗采用L9（34）正交試驗設計代替全面試驗，通過DCS 系統溫度顯示實時記錄數據，通過調整相應參數得出溫度變化上下閾值的平均值取整（為了便于整合計算）作為測量值，給料量通過試驗計算測得取平均值。試驗因素和水平詳見表1。

表1 溫度測試的因素水平表Tab.1 Factor level table of temperature test

按照正交試驗表L9（34）的試驗安排，通過正交試驗表改變相對應的參數對循環流化床垃圾焚燒爐爐溫和給料量進行測試，因為DCS 系統溫度顯示實時變化，考慮控制系統實際情況最終取相應參數變化上下閾值的平均值取整作為試驗測試數據，正交試驗結果經過擬合計算和極差分析處理后其結果如表2所示。

表2 測試正交試驗結果Tab.2 Test orthogonal experiment results

根據對數據進行極差分析（不考慮各個因素的交互影響）的結果可知，影響爐溫主次順序是一次風量、燃料熱值、床層厚度、二次風量或者一次風量、燃料熱值、二次風量、床層厚度；影響給料量的主次順序一次風量、燃料熱值、床層厚度、二次風量或者一次風量、燃料熱值、二次風量、床層厚度。無論何種情況一次風量和燃料熱值都是作為影響循環流化床垃圾焚燒爐爐溫和給料量系統的較為重要的因素，通過極差數據分析觀察最優組合是A3B2C2D3，這樣既保證了循環流化床垃圾焚燒爐爐溫工作在大于850 ℃閾值左右，并控制煙氣在爐內充分燃燒停留2 s 以上，最大程度可使二噁英得到有效的分解。同時也保證給料量達到額定值21 t/h 的標準，而且煙道排放物還符合環保指標的各項要求。

4 試驗結果分析

為了進一步研究一次風量和燃料熱值二者對循環流化床垃圾焚燒系統爐溫的影響，進行了擴展性試驗，獲得一次風量和燃料熱值影響循環流化床垃圾焚燒爐爐溫圖像關系，如圖2所示，但是循環流化床內的一次風量主要作用在于流化風與燃燒風，通過調節風量的大小，測量爐溫的數值。當風量再增加時床溫開始出現下降的情況，分析原因考慮風量的增加使得煙氣帶走的熱量隨一次風量增加而升高導致最終爐溫不升反降為主要原因。燃料熱值影響循環流化床垃圾焚燒爐爐溫和給料量理論上是成正比例線性函數關系，但是垃圾焚燒的特點是城市垃圾經過滲水發酵等環節處理后以及城市生活垃圾的成分特點，熱值的最高值接近1400 kJ/kg左右，所以通過提高燃料熱值的方法來提高鍋爐爐溫顯然不符合垃圾焚燒鍋爐的燃燒特點。

圖2 一次風量和爐溫關系圖Fig.2 Relationship between primary air volume and furnace temperature

5 結語

綜上所述，為了可以更好地實現對循環流化床垃圾焚燒鍋爐爐溫和給料量的控制，就需要結合控制系統實際存在的影響因素制定出相應的優化措施，從而對垃圾焚燒電廠的日常運行與生產起到良好的基礎保障。促使現代垃圾焚燒電廠的生產與日常運行全面提高對于高效率、無污染技術與設備的運用得到有效的更新換代。

在現代控制理論對循環流化床垃圾焚燒鍋爐爐溫的控制方案一般都以調整給料量和一次、二次風速配比從而控制爐膛溫度，但是存在的問題是床層厚度也會對爐膛溫度產生影響，所以把床層厚度也作為控制量，綜合考慮現場生產管理試驗條件等相關技術指標因素最終確定把給料量和爐膛溫度作為觀察值。但不論采用幾種控制變量和變化幅值，調節其變量既會影響爐膛溫度，又同時影響給料量，二者之間存在著嚴重的耦合關系。因此爐膛溫度控制需要兼顧平衡給料量和爐膛溫度，不僅要使爐膛溫度維持在一定閾值的變化范圍內不能出現大范圍的波動，還要保證給料量的變化不至于較大地影響負荷的波動。由于引起爐膛溫度和給料量變化的參數因素比較多，而且參數之間又相互關聯和影響，還存在現場生產管理不允許試驗調節各個參數因素的變化閾值過大，所以試驗結果數據測量值存在一定的局限性。如果深入研究可采用仿真軟件進一步優化試驗結果。最終為DCS 系統下對循環流化床鍋爐溫系統的模糊控制優化起到理論技術支持，特別是垃圾焚燒鍋爐的控制起到一定理論意義，對于今后呼和浩特地區及周邊旗縣垃圾處理起到非常環保的意義，同時加強進行垃圾分類指導、節約資源、合理利用資源的社會教育意義。