SIEMENS PTD和 I&S集团的产品在垃圾焚烧电厂控制系统中的应用(一)

一、综述
垃圾焚烧可以实现垃圾处理的减量化、资源化、无害化，回收其热量用于发电、供热等。垃圾焚烧处理已成为一些发达国家处理垃圾的主要方式。某垃圾焚烧处理发电厂是某某市与加拿大建设的一座总投资4.1亿元的垃圾焚烧发电厂，总占地面积３万多平方米。设计有四台垃圾焚烧炉、四台余热锅炉、两台6MW汽轮发电机组。四条生产线共设计日处理垃圾600吨，年发电量为8797千瓦时，１吨垃圾可产生不少于300KWh的电能。
该工程的核心技术为世界第三代CAPS技术，即控气型固体废弃物热分解处理技术，使用此技术建设了4台CAPS热解炉。4台余热锅炉产生的蒸汽供给两台6MW汽轮机发电机组发电，真正实现了变废物为资源。

某某垃圾焚烧电厂概貌
二、垃圾焚烧炉及相关设备
某垃圾焚烧电厂的垃圾焚烧炉采用加拿大制造的顺推、多级机械炉排焚烧炉。焚烧炉应用了世界第三代控气型固体废弃物热分解处理技术(CAPS)，可有效减少焚烧产生的有毒气体。
1.垃圾仓结构
垃圾由汽车运到处理厂后倒入垃圾仓内。垃圾新入仓的垃圾在仓内存放3天后就可入炉燃烧。垃圾在仓内存放时经过发酵、排出渗滤水后可提高进炉垃圾的热值，又使垃圾容易着火燃烧。在仓内，用吊车的抓斗将垃圾送至炉前料斗。
2.一燃室及焚烧炉炉排结构
垃圾焚烧炉为往复式、顺推、多级机械炉排焚烧炉。焚烧炉内有一个给料器和8个燃烧炉排单元组成，包括干燥段的两级炉排、气化燃烧段的四级炉排和燃尽段两级炉排。焚烧炉内温度控制在700℃以内。燃尽的垃圾从最后一级炉排离开焚烧炉落入灰槽中。
1)给料器和防火门
给料器通过给料器(Loading Ram)将落入料斗的垃圾从防火门前推入燃烧室。給料器只负责给料，不提供燃烧空气，并通过防火门与燃烧区隔离。防火门在给料器收回时保持关闭状态。关闭防火门可使炉膛与外界隔开，维持炉内负压。同时，燃烧室的入口处有温度测点，当燃烧室入口的垃圾温度过高时，电磁阀将控制防火门后的喷雾器喷水以防止防火门打开时给料斜槽上的垃圾将料斗中的垃圾引燃。
2)燃烧炉排
八级燃烧炉排分为两级干燥炉排、四级气化燃烧炉排和两级燃尽段炉排。每级炉排下面都有液压驱动的脉冲推动装置。8级推动装置(推床)按一定顺序推动垃圾，使进入焚烧炉的垃圾依次被与各级炉排相配合的的推床推到下一级炉排上。炉排上有均匀分布的小孔，用于喷出燃烧所需一次风。供燃的一次风由炉排下的一次风管供给。垃圾在炉排推送过程中受到燃烧器和炉内的热辐射以及一次风的吹烘，水分迅速蒸发，着火燃烧。
3)燃烧器布置
一燃室有两个主燃烧器，如图二17，18所示。焚烧炉内燃烧炉排上方有温度测点，当焚烧炉启炉时和燃烧温度低于要求时，燃烧器17投油助燃。燃烧器18位于炉膛出口，用于补燃未燃尽的垃圾。燃烧器所需的空气由四台焚烧炉公用的一台燃烧风机(如图二7所示)提供，燃烧器燃烧所需空气为由大气吸入的洁净空气。当燃烧风机故障或供风不足时，由旁路(图二 6所示)取送风机的部分送风供给燃烧器。
3.二燃室烟道
二燃室主要部分为圆筒形烟道，没有管道等造成的烟气死角。设置二燃室的目的是为了使烟气在120~130%的理论空气量下，1000℃左右的条件下停留>2s，使有害气体在炉内分解。在二燃室入口有副燃烧器，当系统检测到二燃室出口烟温小于一定值时将点火补燃。二次风在二燃室入口处进入二燃室。二燃室有上下两个出口通至余热锅炉，两个出口前各有一个液压驱动的挡板控制烟气的进入。
4.一、二次风系统
每台焚烧炉都配有一台送风机。风机从垃圾池吸入空气，同时也吸入从一燃室推床下部泄露到焚烧炉外部的气体。这样安排送风的来源是为了保证垃圾仓为微负压状态，避免垃圾仓的气体外泄。送风进入余热锅炉，经余热锅炉的两级空气预热器后进入一个大混合集箱(如图二21)，然后分别作为一、二次风进入焚烧炉的一燃室、二燃室。集箱还可以接受从不经过余热锅炉的送风旁路返回的送风。离开集箱的一次风又分两条管路：管路1(图二 10-1)通至三条风管，供风给1~3级炉排；另一条管路2(图二 10-2)通至五条风管，供风给4~8级炉排。供给炉排的一次风可以烘干垃圾、冷却炉排并供给燃烧所需的空气。管路1上的风量调节阀应根据焚烧炉入口的温度进行调节。管路2上的风量调节阀则应根据焚烧炉炉膛的温度和氧量进行调节。炉膛的空气量应该为理论空气量的70~80%。二次风则经过管路(图二 25)进入二燃室。二次风供应量为理论空气量的120~130%。
5.排灰系统
由焚烧炉排出的灰渣落入灰槽中。两条相平行的灰槽的布置方向与焚烧炉的布置方向垂直，四台焚烧炉的灰槽横向贯通。液压驱动的分灰器(图二 23所示)选择将灰渣落入某个灰槽中。灰槽底部布置有灰传送带，负责运走四台焚烧炉排出到灰槽中的灰渣。灰槽中要求保证有一定的水位来浸没灰渣。。
6.烟气处理设备
烟气由余热锅炉排出后首先进入半干式洗气塔，塔中利用雾化器将熟石灰浆从塔顶喷入塔内，与烟气中酸性气体中和，可有效清除HCl、HF、 等气体。在洗气塔出口管道上有活性炭喷嘴，活性炭用于吸附烟气中的二噁英/呋喃类物质。烟气之后即进入布袋除尘器，使烟气中的颗粒物、重金属被吸附去除。最后将烟气从烟囱排入大气。

垃圾焚烧电厂垃圾焚烧炉工艺示意图
1.由垃圾仓来的空气 2.送风机吸入的洁净空气 3.推床下泄漏出的的空气 4.料斗 5.燃烧器的供燃空气入口 6.由其他焚烧炉送风机来的部分空气 7.供给四台锅炉燃烧器燃烧空气的风机 8.送风机 9.炉下小混合集箱及旁路风门 10.炉排风总管 10-1. 前总风门1 10-2.后总风门2 11.手动阀 12.气动阀 13.送风至余热锅炉的送风管道 14.给料器 15.一燃室 16.二燃室 17.主燃烧器1 18.主燃烧器2 19.副燃烧器 20.烟气出口液压挡板 21.空气大混合集箱 22.余热锅炉 23.洗气塔 24.布袋除尘器 25.防火门 26.炉排冷却水 27.出料冷却装置 A.冷却水进口 B.冷却水出口 C.喷水 D.熟石灰供给 E.压缩空气
三、垃圾焚烧电厂垃圾焚烧炉在污染物控制上的优点
生活垃圾焚烧烟气中的二噁英是近几年来世界各国所普遍关心的问题。二噁英类剧毒物质对环境造成很大危害，有效控制二噁英类物质的产生与扩散，直接关系到垃圾焚烧及垃圾发电技术的推广和应用。
1.二噁英的结构
二噁英的分子结构为1个或2个氧原子连接2个被氯取代的苯环。两个氧原子连结的称为多氯二笨并二噁英(PCDD，Polycholoro diabenzo-p-dioxin)，一个氧原子的称为多氯二笨并呋喃(PCDF，Plolycholoro dibenzo-furan)。统称二噁英(dioxin)。毒性最强的2,3,7,8-PCDD的毒性为氰化钾的1000倍。dioxin对哺乳动物有极强的毒性，且易溶于水，热稳定性好。


2.垃圾焚烧炉内二噁英的产生原理
二噁英在焚烧炉内的生成的来源是石油产品、含氯塑料，他们是二噁英的前体。生成方式主要是燃烧生成。生活垃圾中含大量的NaCl、KCl、 等，而焚烧物中经常会有S元素，从而产生 。 和含Cl元素的盐在有氧气存在时反应生成HCl。HCl又和Cu被氧化生成的的CuO反应生成 。经研究发现，致使二噁英产生的最终要的催化物就是 和C元素(以CO为标准)。
3.采用的控气型固体废弃物热分解处理技术的焚烧炉在抑制二噁英产生方面的优势
控气型热解焚烧炉将焚烧过程分为二级燃烧室，一燃室进行垃圾热分解温度控制为700℃以内，让垃圾在缺氧状态下低温分解，这时金属Cu、Fe、Al等金属元素不会被氧化，因而不会有 的产生，会大大减少二噁英的量；同时，由于HCl的产生量受残氧浓度的影响，因而缺氧燃烧会减少HCl的产生；并且 自还原气氛下也难以大量生成。由于控气型垃圾焚烧炉是固体床，所以不会产生烟尘，不会有未燃尽的残碳进入二燃室。垃圾中的可燃成份分解为可燃气体，并引入氧气充足的二燃室燃烧。二燃室温度在1000℃左右并且烟道长度使烟气能够停留2s以上，保证了二噁英等有毒有机气体在高温下完全分解燃烧。
此外，使用布袋除尘器避免了使用静电除尘时Cu，Ni，Fe颗粒对二噁英生成的催化作用。
四、余热锅炉设备
垃圾焚烧电厂的余热锅炉为烟道式余热锅炉，烟气流动方向在锅炉中进行5次转折。锅炉压力4MPa，蒸发量15t/h。余热锅炉的结构如下图所示。在炉膛、烟道以及高温烟气入口布置有水冷壁
1.烟气流程
如图三所示，烟气从焚烧炉的二燃室通过上部或下部烟道(烟气从下部经过时不经过水冷壁K ) 进入余热锅炉。先经过第二级过热器E、第一级过热器F、第二级空气预热器G，然后从下部进入主炉膛与水冷壁换热。之后在炉膛上部出口改变角度后向下依次通过第一级省煤器I、第一级空气预热器H、第二级省煤器J，之后的烟气由烟道N离开余热锅炉。
2.送风流程
如图三所示，送风机来的风经过管路A进入余热锅炉，在炉内经过两级空气预热器H、G换热，之后由管路离开锅炉。
3.汽水流程
如图三所示，145℃的给水经过两级省煤器J、I(省煤器设置有给水旁路)，进入锅炉汽包L、汽包中过冷水由下降管进入下集箱，经炉内水冷壁在4MPa下定压加热，蒸汽进入两级过热器F、E后达到400℃，离开锅炉进入蒸汽总管。

余热锅炉结构图
A.送风入口管道 B.送风出口管道 C.上部高温烟道 D.下部烟道 E.第二级过热器 F.第一级过热器 G.第二级空气预热器 H.第一级空气预热器 I.第二级省煤器 J.第一级省煤器 K.水冷壁 L.汽包 M.集箱
五、汽轮发电机组及辅机系统
某某垃圾焚烧电厂的四台余热锅炉配有两台汽轮机。主蒸汽系统采用集中<