生活垃圾焚烧处理控制技术

陈国华

（湖南华博科技开发有限公司，长沙 410015）

1 前言

人们在生产和生活活动中所产生的“废弃”物统称为垃圾，垃圾形态是不同的，有固态、液态、气态，有的具放射（性）物质、电磁（场）污染等（包含它们的混合体）。

目前国内外生活垃圾处理主要有三种方法：卫生填埋、堆肥（生化处理）、焚烧。其中，遵循“无害化、减量化、资源化”三原则的焚烧法最符合我国的垃圾处理产业政策。但由于处理工艺与控制技术尚不过关，人们担心在治理垃圾污染的同时又会产生更具威胁性的二次污染，因而对生活垃圾焚烧处理方式存有疑惑或抵触。

本文介绍了一种用于城镇生活垃圾焚烧的新型智能处理控制技术。该垃圾焚烧控制新技术还可用于医用垃圾的焚烧处理[1]。

2 垃圾热解气化焚烧工艺简介

生活垃圾焚烧工艺有多种形式[2]，本文所述为热解气化焚烧工艺，其基本的工艺结构框图如图1所示。

热解气化焚烧工艺分为三部分：垃圾预处理，焚烧处理和烟、气、液处理。

垃圾预处理方式很多，包括：家庭用户的垃圾分类回收；集中垃圾处理场的自动、半自动分选（采用风、重力、磁、振动、旋转等）；水选[3]。

图1 生活垃圾焚烧工艺框图

焚烧处理采用热解气化焚烧炉和改进型的热解气化焚烧炉（把二次焚烧炉与热解气化焚烧炉合为一个炉），国内已有应用，如诸暨浬浦垃圾无害化处理工程、诸暨市店口固废处理工程、山东齐河鸿景固费处理工程等。

烟、气、液处理是焚烧工艺无害化处理重要的组成部分。

近几年国内新建生活垃圾焚烧炉形设计中大都采用了“3T”原则，即：Temperature，保持高的燃烧温度；Time，保持燃烧气体充分的滞留时间（＞2s）；Turbulence，吹入二次燃烧用空气，使燃烧气体充分混合，实现完全燃烧，抑制“二英”类物质生成。通过改善焚烧炉的燃烧状态，使其不产生有害物质。为真正实现“3T”原则，对焚烧过程进行有效控制，将是系统成败的关键技术之一。

热解气化焚烧过程大致分为：热解气化、炭化、冷却三个阶段。垃圾在干燥（回转窑预热炉由热解炉烟气干燥，使其水分挥发）后，进入热解气化炉中进行热解气化，热解气化后的残留物进入炭化燃烧段燃烧；燃烧段产生的残渣经过燃烬燃烧后进入冷却段，由炉体底部出渣口排出。

热解气化分两个阶段，第一阶段是指在热解焚烧炉内将垃圾（有机物）在缺氧条件下利用热能（垃圾本身或喷油）使垃圾（有机物）的化合键断裂，转化为小分子量的可燃气，在此阶段，垃圾分解成一氧化碳、气态烃类等可燃性气体，形成混合烟气，导入二次焚烧炉；对热解焚烧炉燃烧过程的控制，要求热解焚烧炉膛温度维持在一个稳定的和较高的温度范围（温度控制在450℃～650℃），与传统的直燃式焚烧炉相比，颗粒物排放减少。第二阶段是可燃料气体进入二次焚烧炉燃烧，在二次焚烧炉燃烧时要有一定的氧供应量，确保充分燃烧，炉内温度要控制在1100℃～1200℃之间，充分燃烧，不产生二次有害气体污染，有效抑制二英等有毒物质的产生。

系统通过检测热解焚烧炉和二次焚烧炉温度以及氧（或一氧化碳）含量，烟道负压，经智能控制器输出，控制鼓风、配风和引风机，保持热解焚烧炉和二次焚烧炉在设定的温度下稳定燃烧和在燃烧炉内充分的滞留时间（＞2s）。

3 控制技术难点

垃圾焚烧过程易因多种因素造成焚烧工况不稳定，如垃圾成分变化大，水分含量高，热值不稳定等，此时会出现燃尽率低，二次污染物多，燃烧炉受热面腐蚀，结渣、结块堵炉，甚至熄火停炉等问题。

由于垃圾焚烧过程是一个强耦合的多输入、多输出非线性系统，其动态特性随工况的变化而大幅度变化，且不同情况下动态特性差异较大，存在惯性、滞后、非线性、时变、工作环境和干扰的不确定性，因而很难获得精确的数学模型。目前，对垃圾焚烧的控制基本上仍然以采用经典的PID控制为主，但单一的PID控制器在实际的应用过程中效果很不理想，无法达到预期要求，其原因是由于垃圾热值和含水量变化剧烈，常规的PID无法实现控制要求；而采用基于人工经验的模糊控制方法，由于控制规则在调试完成后，就固定不变了，因此对工况变化情况下的跟踪能力有限，而且从模糊控制器的实际运行情况也发现，对于在热值和工况变化较大的情况下，单一模糊控制很难将二燃室的炉膛温度控制在希望的温度范围内。就目前情况来看，我国绝大多数垃圾燃烧处理企业的的控制方法仍不得不采用手动方式。

4 控制技术的创新点

对于上述生活垃圾处理工艺，控制热解焚烧炉、二次焚烧炉膛温度和保持燃烧气体在二次燃烧室内充分的滞留时间是关键。

如图2所示，该控制系统由“智能控制器”与被控对象（热解焚烧炉、二次焚烧炉、引风机）组成的复合闭环系统组成。

图2 综合智能控制算法结构图

“智能控制器”是由专家控制器和两个智能控制器共同组成知识共享和并行控制结构的复合控制器，其中专家控制器和智能控制器1主要是实现对鼓风机的控制，智能控制器2主要实现对引风机和配风机的控制。控制器通过对热解气化炉和燃烧炉的鼓风、配风、引风风量的优化控制，从而保证燃烧炉的温度以及热解气化炉垃圾的热解气化。

“智能控制器”中专家控制器的功能是对复合控制系统进行协调。在线实时检测被控系统的性能（并加以记忆），针对对象性能的变化，经过推理，判断系统的性能指标是否满足要求，从而进行控制器切换（协调）。

“智能控制器”中的智能控制器采用BP神经网络控制结构，考虑到控制对象的时滞、时变及非线性特点，该智能控制器通过构造神经网络输入、输出数据对来逼近对象的时滞特性；利用近期的数据，通过每一个控制周期在线训练神经网络的权系数来克服对象的时变性；利用神经网络的非线性映射能力来逼近对象的非线性特性；在此基础上，通过设定值与反馈值的偏差再一次调整神经网络的权系数实现在线反馈学习，使智能控制器具有自学习和自适应能力。

该系统的特点是在整个气化热解和燃烧过程中通过“智能控制”，使燃烧炉保持稳定的燃烧温度。

该系统还具有完备的安全保护功能，设有突然停电、漏电、过流保护；异常燃烧（回火、失火）时的报警处理；紧急事故应急处置等，可确保系统的正常运转，防止事故发生。

5 垃圾焚烧处理技术的应用前景

随着我国经济总量的高速发展，垃圾堆积量也在急剧增长，现已高达60亿吨，已占用可耕地面积高达5亿平方米，仅此一项，直接经济损失就达80亿元人民币。据统计，目前我国大中小城市日产垃圾近1吨，而且，每年还在以2%～5%的速度增长。数量巨大的人口消费和日益扩展的城市规模，已使我国成为世界上垃圾包袱最重的国家之一，各种难以及时处理的工业垃圾、城市生活垃圾和医疗垃圾已对人们的生存环境构成巨大的威胁。

勿用置疑，垃圾焚烧处理技术具有广阔的应用前景，会带来具大的社会与经济效益。

[1]张绍坤.医疗废物集中焚烧处置技术的研究与应用[J].中国环保产业，2011（10）.

[2]中国环境保护产业协会城市生活垃圾处理委员会.我国城市生活垃圾处理行业2011年发展综述[J].中国环保产业，2012（10）.

[3]王丽.生活垃圾水选分类处理和回收利用方法：中国，200810105679[P].