可燃固体废弃物气化炉的可拓创新设计

黎国栋，吴永明

（广东工业大学机电工程学院，广东 广州510006）

0 引言

热解气化技术具有二次污染小、无害化彻底、资源化程度高的特点，是处理垃圾的重要技术之一，有着广阔的引用和发展前景[1]。城市生活垃圾中大部分是可燃垃圾，通过简单的分拣，从生活垃圾中剔除玻璃和金属等不可燃的垃圾，剩下的生活垃圾可称为可燃固体废弃物（Combustible Solid Waste，CSW），通过热解气化技术可以实现减少垃圾填埋处理量和产气产热的资源化利用。我国建设了一些垃圾热解气化处理发电厂，可集中大量处理CSW产气产热发电，但投资大，一些关键设备依赖进口。对于我国大多数小城镇，经济能力有限，垃圾集中程度低，需要的是简易可行的分散式垃圾处理设施。目前，某制造生物质气化炉产品的企业认为研发简易可行的中小型CSW热解气化设备推向小城镇具有发展前景，便成立项目小组进行研究。

可拓学是利用形式化、数学化以及逻辑化的可拓模型，研究事物的可拓性与拓展创新的方法以及规律，用于解决现有条件下无法实现人们目标的问题[2]。杨春燕和何斌对可拓学理论知识深入研究，发现新的产品创新思路[3]；赵燕伟将可拓学应用到智能化产品设计上，解决了理论研究与工程应用矛盾问题[4]；刘毅等将质量机能展开QFD与可拓学结合起来，先运用QFD方法对产品进行需求分析，然后运用可拓创新设计方法快速获得产品设计方案[5]。

本文首先分析了企业已有的固定床生物质气化炉技术特征与产品设计需求之间的矛盾与不足；然后运用可拓学理论将产品设计需求与已有技术特征转化为目标基元与条件基元，建立对应的可拓模型，分析现有的固定床生物质气化炉改用CSW物料时所存在的不相容问题，提出相应的改进措施，利用基元拓展变换，开发出满足需求的CSW气化炉的可行设计方案。

1 气化炉设计的问题分析

现有某企业的一种生物质气化炉，其结构示意图如图1所示，炉体材料为耐高温合金钢310S，为立式圆柱型中空结构，中间灌注一种保温隔热的化学物质，炉膛内壁也涂有一种耐高温的保护涂料。炉内直径为1.2 m，高为2 m。进料方式为定时投料，物料经传送带输送至进料口直接投入，进料口用盖板封闭。炉排为固定炉排，炉排材料为耐高温合金钢310S，出渣方式为灰渣经炉排间隙自由落下后人工定量清除。鼓风机与引风机皆为人工调节功率大小，在炉体上设有温度传感器和压力传感器检测炉内情况。该气化炉的运行条件：给料速度500 kg/h，气化剂为常温空气，过量空气系数为0.3，炉内压力为大气压力，还原区平均温度为800℃。在稳定运行条件下，该生物质气化炉使用寿命能达到5年左右，单炉八小时生物质料最大消耗量为4T。

图1 生物质气化炉结构示意图

生物质气化炉处理的物料通常是生物质颗粒料或小木块等，其形状相同、含水率低于10%、热值稳定，产生的可燃气体成分稳定。由于物料成分性质稳定，进料速率、灰渣量、进风量和排气量可计算设定，气化炉可连续稳定运行。生物质物料自身热值高，采取人工点火方式使氧化区物料燃烧、进入稳定气化运行后，能提供足够的热量供给系统运行，可不用额外增加助燃措施。

要设计的CSW气化炉处理对象是垃圾中的可燃部分，其是成分复杂，形状不一、含水率偏高、热值不稳定的物料。物料处理过程中，会产生酸性气体，形成腐蚀性环境，对炉体内壁和保温层构成危害，从而影响使用寿命。物料含水率偏高，会增加粘性，进料阻力增大，影响运行稳定；干燥时会吸收更多的热量，降低炉内温度，减弱热解气化反应效果形状不一，反应时受热不均，反应不同步，都影响气化强度。在物料进炉前干燥处理或添加助燃物可有效使物料的热解气化反应稳定进行，但是增加了运行成本。由于物料成分性质不稳定，想要连续稳定运行，需要实时监控炉内变化并进行参数调整，则要提升自动控制程度，对关键参数位置用传感器检测，然后由控制系统对检测数据处理分辨并进行反馈调节。

下面通过可拓学建模求解设计需求与现有技术之间的矛盾与不足，获得满足设计需求的CSW气化炉设计方案。

2 气化炉可拓模型的建立

设要解决的问题P为“研发满足设计需求的CSW气化炉”，需要建立问题P的可拓模型为P=G*L，G为目标基元，是指满足要求的CSW固定床气化炉，要求具有气化强度高，使用寿命长，自动化程度高，安全性好，结构简单，成本适中，适用高含水率CSW物料，环保达标排放等特征；L为条件基元，是指以现有的固定床生物质气化炉为基础研发CSW气化炉。

则CSW气化炉的可拓模型为：

设初始目标基元G0，则目标基元G可表示为：

现有的生物质气化炉作为实现目标基元G的基础，选取生物质气化炉的8个技术特征作为8个条件子基元，组成初始条件基元L0，表示为：

其中：“∧”为与运算。

对问题P0“现有的生物质气化炉是否为满足需求的CSW气化炉”，可拓模型为：

根据可拓学原理，为了验证条件是否满足目标，即验证目标基元和条件基元是否相容，需要建立问题 P0的相容度函数 K（P0）。若 K（P0）＜ 0，则问题 P0为不相容问题，表示现有生物质气化炉不适用于CSW气化炉；若K（P0）＞0，则问题P0为相容问题，表示现有生物质气化炉适用于CSW气化炉；若K（P0）=0，则问题P为临界问题，表示现有生物质气化炉基本适用于CSW气化炉。因为只有当所有条件子基元都满足时条件基元L才成立，目标基元G就能满足，因此，相容度函数K（P0）可以等价转换为计算初始条件基元的相容度，即：K（P0）=K（L0）。

相应地，条件基元L的相容度为：

相容度的取值范围设为{-1，0，1}，如果子基元特征xij对满足目标基元G为有利的、正相关的，则相容度k（xij）=1。如果xi对满足目标基元G为不利的、负相关的，则相容度k（xij）=-1。如果xi是满足目标基元G的基本条件，或是有利有弊的条件，则相容度k（xij）=0。

为了获取气化炉设计的改进措施，结合生产工艺对条件基元进行拓展分析，主要是对其特征进行拓展，得到条件基元的8个关键特征的相容度函数如下：

问题P0的相容度，可由初始条件基元L0的特征与上述相容度函数进行匹配和计算，参照公式（1），可得：

因此，问题P0为不相容问题，即现有生物质气化炉不满足CSW气化炉的要求。

特征相容度函数中已经列出了一些相容度为1的特征值，这些就是可行的改进措施，融入到产品方案设计之中。通过可拓变换，将相容度为1的特征值替换初始条件基元的相应特征或特征值，获得一个新的条件基元L1。

显然，条件基元L1与目标基元G的相容度为1，但目标基元还没有全部被满足，如增加气化强度和适用高含水率CSW物料等，因此，需要对目标基元进一步拓展分析。

3 目标基元的拓展分析

目标基元G中的设计需求是比较笼统的、模糊的，需要进一步细化和明确每一项设计需求，即对目标基元进行拓展。

将目标基元G的多个需求按照相关特征分解为目标子基元，记为：

其中g01＝气化强度高，g02＝使用寿命长，g03＝自动化程度高，g04＝安全性好，g05＝结构简单，g06＝成本适中，g07＝适用高含水率CSW物料，g08＝环保达标排放。

其中有些子目标通过条件基元L1可获得了满足，如g03通过提高气化炉的自动化控制措施来实现的；g02通过采用耐高温合金钢的炉体、耐腐蚀耐高温的耐火砖等措施获得了部分满足，还需要进一步优化结构。各个条件子基元对目标基元的作用和影响是多方面的，有些还存在一些不相容的矛盾情况，需要进行具体的技术分析和可拓变换，优化已有的条件子基元，增加必要的新条件子基元。

对于目标子基元g01（气化强度高），影响CSW物料气化强度的因素有物料含水率、物料形状大小、反应物紧密性、气化温度、催化剂等。CSW物料在炉内热解气化时，容易形成一种“搭桥”结构，增加搅拌机构可破碎这些搭桥结构，增加反应物的紧密性和均衡性，但搅拌机构复杂，中小型气化炉一般不使用。能处理高含水率的物料是另一个子目标基元，高含水率CSW物料加入炉内，水分吸收炉内热量后迅速汽化，降低炉内温度，甚至会严重影响气化反应强度，因此需要抽出水蒸气，并增加热量，确保炉内气化温度。因此，目标子基元g01和g07可拓展为四个子目标：均衡物料颗粒的尺寸、增加热量供应、抽取水蒸气、使用催化剂等。即：

对于子目标g011（增加热量），一般措施是添加助燃物，如易燃烧的煤粉或生物质颗粒料。对于子目标g014，减少因添加高含水率物料而产生的水蒸气，则需要在炉子顶部增加一个引风装置抽取炉内上部空间的气体，但炉内气体里不但含有水蒸气，还有可燃烧的气化气。如果直接将这个气体排向空中，不但不符合目标子基元g08的要求，也浪费了其中的气化气和热量。因此，本文申请了一项发明专利，设计了一种新型回燃机构，其出气口在炉体顶部，通过引风机将抽出的气体经过脱水干燥后，再送回到炉子底部点燃，燃烧的热气随空气一起进入炉内，增加炉内热量和气化温度。采用回燃措施之后，可不用添加助燃物。

添加CaO催化剂可以加快反应速率[6]，还有消除部分酸性气体有害物的作用，有助于目标子基元的实现。对大块的CSW物料，在进炉前进行破碎处理，可使其形状大小变均匀，有利于物料进料和增加炉内反应物的紧密性，提高气化强度。

根据上述的工艺分析，为了满足目标子基元g01，g07和g08，要在条件基元L1的基础上新增一些条件子基元：

原来抽出气化气的引风机部件的出气口在炉体上部，抽出的气化气可能含有大量水蒸气，影响气化气的质量，不利于气化气的燃烧。因为气化气主要是在炉内反应物的还原层和热解层生成的，将气化气的出气口下移到炉体中部，大体位于炉内反应物的还原层和热解层的交叉区域，将反应生成的气化气立即抽出，则抽出的气化气具有水蒸气含量少、焦油含量低和温度较高等特点。通过合理设置回燃机构出气口和气化气出气口的位置，使炉体上部的大量水蒸气，一部分被回燃部件抽出，另一部分被气化气引风机部件引导到热解层和还原层，作为气化剂参与气化反应，有利于气化反应和改善气化气的成分。因此，对条件基元L1的子基元l4进行改变，通过可拓变换 T1变为

对于目标子基元g05（结构简单），条件基元L1的子基元l1中的“炉体结构：立式圆柱形中空结构”，该设计原来是要在中空结构里面注入一种隔热保温的化学物，结构复杂，成本也高。现在在条件子基元l3中采用了“耐腐蚀耐高温的耐火砖”进行隔热保温，因此，没有必要继续采用复杂的中空结构，可改为单层合金钢炉体。而且，还有g06（成本适中）的要求，炉体材料也不需要用太贵的耐高温合金钢310S，改为普通304合金钢。下面通过可拓变换T2，T3，改变条件子基元 l1，以满足 g05∧g06：

综上所述，将条件基元L1和L2合并，即可获得一个满足目标基元G的条件基元L，即：

显然，条件基元L里面的所有子基元都与目标基元G是正相关的，其相容度为1。条件基元L为一种满足需求的CSW气化炉设计方案，即炉体采用304合金钢的单层结构，炉膛内壁采用铺设耐腐蚀耐高温的耐火砖的保温措施；在CSW物料中添加CaO催化剂，加快反应速率，消除反应中产生的腐蚀性气体；增设新型回燃机构，抽出炉内大量水蒸气，将干燥净化后的气化气回燃以增加炉内热量；增设破碎机，对大块CSW物料进行破碎；炉内设置温度和压力传感器，监测炉内运行情况，并与设备的断电保护衔接起来，如出现异常情况，实现自动停机保护，保障气化炉运行的安全性。气化气引风机、回燃机构的引风机和空气鼓风机都采用变频风机，根据传感器检测的炉内温度和压力变化情况，自动调整各个风机的频率和功率，自动控制风量。进料部件和出渣部件都采用了螺旋装置，自动检测炉内物料高度或灰渣高度，自动控制进料和出渣。炉排为旋转式活动炉排，可定时进行自动排渣。该方案设计结构示意图如图2所示。

图2 CSW气化炉方案设计示意图

4 结论

可燃固体废弃物气化炉的设计涉及到CSW物料的气化工艺、气化炉结构与材料、自动化控制等多种复杂因素，本文以现有的生物质固定床气化炉为基础，应用可拓学的创新设计方法，研发了适用于小城镇分散式热解气化处理未分拣且含水率偏高的生活垃圾的气化炉设计方案。设计方案所作优化如下：（1）增加了一种新型回燃机构，将气化炉内因添加高含水率物料而产生的大量水蒸气抽出，并在干燥过滤之后将其中的气化气送回气化炉回燃，补充气化炉内的热量，以保持气化温度。（2）合理设置回燃机构出气口和气化气出气口的位置，一方面抽出过剩的水蒸气，另一方面将部分水蒸气引导到炉内反应物的热解层和还原层，使水蒸气作为气化剂参与气化反应，改善气化气的成分和品质。（3）CSW气化炉可处理含水率高达30%～50%的CSW物料，而不用额外添加助燃物。（4）在CSW物料中自动添加适量的CaO催化剂，加快反应速率，减少了气化气中的酸性气体含量。（5）CSW气化炉用CSW物料生产的气化气，具有水蒸气含量少、焦油含量少、酸性气体和有害气体的含量少、温度高等特点，后续经过除尘净化，可以替代生物质气化气和煤气，用于一些工农业生产的能源供应。（6）CSW固定床气化炉的设备简单，成本低，自动化程度高，操作简便，可以无害化处理和利用可燃生活垃圾，适用于小城镇和社区建设小型垃圾处理厂，并提供供热服务。