垃圾焚燒爐排爐摻燒工業有機固廢運行優化調控研究＊

朱 浩，喻 武，薛 浩，馬曉玲

（中國環境保護集團有限公司，北京 100082）

0 引言

生活垃圾焚燒發電處置設施是解決“垃圾圍城”的主要途徑，具有占地面積小，減量化、無害化、資源化程度高等優勢［1-2］。但近幾年，隨著垃圾焚燒發電行業的快速發展，全國很多城市都存在垃圾發電廠建設規模過度放大、電廠投入運行后入爐垃圾不足的問題［3-5］。現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，隨著城市工業的發展，工業固體廢物產生量日益增多，2020 年，我國工業固體廢物產生量達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，城鎮現有的生活垃圾焚燒廠協同處置工業有機固廢，不僅可以充分利用焚燒設施處理余量來增加發電收益，同時可以實現城市多種廢物一體化管理與風險管控［11］。

工業有機固廢來源多、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］通過對某城市工業垃圾調研并結合鍋爐計算、燃燒模擬試驗，得出摻燒工業垃圾后運行成本增高，但整廠經濟效益提高，同時建議設計煙氣凈化系統時重視煙氣污染物的波動及高溫腐蝕，合理控制Cl 和S 含量高的工業垃圾的摻燒量。

綜上，針對生活垃圾焚燒發電廠協同處置工業有機固廢的理論研究已經展開，但垃圾焚燒發電廠垃圾組分、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，我國垃圾發電廠協同處置工業有機固廢時，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。基于此，本研究針對生活垃圾焚燒發電廠摻燒工業有機固廢的現狀，在典型垃圾焚燒發電廠使用的爐排爐上開展工業有機固廢摻燒，研究其摻混比例以及摻燒工業有機固廢時焚燒爐的運行優化調控，研究結果能為垃圾焚燒爐摻燒工業有機固廢的理論研究以及工程應用提供系統指導。

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電廠配套的600 t/d 的爐排爐進行工業有機固廢摻燒試驗，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。煙氣凈化系統采用“選擇性非催化還原法（Selective Non-Catalytic Reduction，SNCR）脫硝系統+旋轉噴霧半干法脫酸+（活性炭+干法）噴射系統+布袋除塵器”組合工藝。

圖1 垃圾焚燒系統示意Figure 1 Waste incineration system schematic

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

表1 生活垃圾和工業有機固廢采樣元素分析、工業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有機固廢對焚燒爐爐膛溫度、鍋爐蒸發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（ACC）進行自動控制。為了測試垃圾焚燒爐實際摻燒工業有機固廢的處置能力，此組試驗中，保持ACC 投運，以工業有機固廢摻燒比例（按質量分數計）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、低位熱值及工業分析數據采用差值法計算，計算結果見表2。由表1、表2 可知，工業有機固廢含水率和灰分含量低，揮發分、固定碳和熱值高于生活垃圾，項目摻入工業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 組試驗數據，每組數據在開始摻燒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據變化都不大，均在項目可接受范圍內，說明在現有生活垃圾焚燒發電設施上摻燒工業有機固廢的3 種工況是可行的。另外，經試驗測試，摻燒工業有機固廢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%，說明工業有機固廢摻燒比例10%時為較優工況。

2.2 焚燒配風調節的影響

在未摻燒工業有機固廢時，一次風的調節會對蒸汽負荷產生直接影響，整體規律為增大一次風，蒸汽負荷升高，降低一次風，蒸汽負荷降低；干燥段爐排的參數對垃圾的水分產生直接影響，整體規律為停留時間長或風量配比高，干燥更加徹底；燃燒段爐排的參數對垃圾的燃燒產生直接影響，整體規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對焚燒爐燃燒的影響，試驗中ACC 關閉，在摻燒10% 工業有機固廢的情況下，分析一、二次風量及各爐排段的停留時間對摻燒工業有機固廢后的焚燒爐的影響。

2.2.1 調節一次風

數據記錄點1～5 為焚燒爐運行中一次風增加10%～15% 時，各參數隨時間推移通過分散控制系統（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生結焦，這主要是因為工業有機固廢熱值高，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 調節二次風

數據記錄點1～5 為焚燒爐運行中二次風增加15%～25%時，各參數隨時間推移通過DCS 系統顯示的測量值，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。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對焚燒爐燃燒的影響，試驗中ACC 關閉、在摻燒10%工業有機固廢的情況下，分析調節各分段爐排運動時間對焚燒爐的影響，試驗數據記錄點為焚燒爐運行中各參數隨時間推移通過DCS 系統顯示的測量值。

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、蒸發水分，本項目摻燒的工業有機固廢與生活垃圾相比，含水率低、揮發分和熱值高，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歷可燃揮發分析出、揮發分著火燃燒、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）在現有生活垃圾焚燒發電設施上摻燒工業有機固廢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% 為較優工況。

2）增加一、二次風量均能使主蒸汽流量增大，但是調節二次風時爐溫更溫和平穩，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。