高熱值垃圾焚燒爐燃燒工況助燃配風(fēng)自動控制研究*

魏佳佳

(安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230000)

引言

隨著生態(tài)文明的建設(shè)，國家對環(huán)境保護(hù)也越來越重視，城市垃圾無害化處理也得到了越來越多的支持，這也關(guān)系著人類、自然資源和環(huán)境是否可以協(xié)調(diào)發(fā)展的重要問題.關(guān)于垃圾的焚燒，與其他處理方式相比能更好地實現(xiàn)垃圾的無害化處理[1]，且具有占地面積小、對周圍環(huán)境危害小和選址難度低等特點，國家正大力研究提高高熱值垃圾焚燒爐燃燒程度的技術(shù)方法，以便實現(xiàn)更完全的燃燒，減少有害物質(zhì)產(chǎn)生、降低剩余殘留物質(zhì)量和體積.

導(dǎo)致垃圾焚燒爐燃燒工況不穩(wěn)定的原因主要有焚燒效率、發(fā)電機(jī)組效率和余熱焚燒爐熱交換效率.而影響焚燒效率的主要因素就是助燃配風(fēng)[2].將垃圾進(jìn)行焚燒處理一方面可以將固體廢棄物進(jìn)行減容、減量處理，另一方面可以做到無害化處理.因此，對助燃配風(fēng)的研究也就顯得尤為重要.通過對垃圾焚燒爐的熱損失以及熱平衡進(jìn)行計算，得到最適合的焚燒溫度和煙氣溫度，由此控制焚燒爐內(nèi)的助燃配風(fēng).利用單回路閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)實現(xiàn)對助燃風(fēng)機(jī)的自動控制.應(yīng)用實例也驗證了本文方法的高效性，在一定程度上也提高了垃圾焚燒爐的使用壽命.

1 高熱值垃圾焚燒爐燃燒工況計算

1.1 垃圾與助燃油成分及燃燒產(chǎn)物成分含量

針對某些未實行垃圾分類政策的城市，存在著垃圾成分復(fù)雜、水分含量[3]不確定的問題，針對含水量較多的垃圾，要使其燃燒溫度保持在750 ℃以上，必須投放助燃油，垃圾與助燃油所含成分如表1所示.投放助燃油會使垃圾焚燒廠成本增加，所以在燃燒穩(wěn)定的情況下，應(yīng)盡可能少的投放助燃油.此外，在投放助燃油的同時，還可以借助助燃配風(fēng)對含水量較高的垃圾進(jìn)行烘干，在一定程度上也加快了垃圾的焚燒速度[4].垃圾與助燃油產(chǎn)物如表2所示.

表1 垃圾與助燃油成分

表2 垃圾與助燃油燃燒產(chǎn)物成分含量

1.2 垃圾焚燒爐熱損失計算

為了使垃圾焚燒爐達(dá)到最佳燃燒工況，需對垃圾焚燒爐進(jìn)行熱損失計算，得到合適的空氣系數(shù)和空氣溫度、煙氣溫度、投放助燃油劑量以及固體、氣體不完全燃燒產(chǎn)生的熱損失和排煙熱損失之間的關(guān)系.

1.2.1 垃圾焚燒爐熱平衡計算

假設(shè)焚燒1kg垃圾，垃圾焚燒爐的熱平衡計算公式如下所示：

qf=qa+qw+qo

(1)

(2)

其中，qf表示不計焚燒爐熱損失，固體垃圾完全燃燒時排除的煙氣熱量，單位為kJ/kg；qa表示助燃配風(fēng)帶入的熱量，單位為kJ/kg；qw表示垃圾自身帶有的熱量，單位為kJ/kg；qo表示投放助燃油帶來的熱量，單位為kJ/kg；q'f表示未完全燃燒時焚燒爐出口煙氣帶走的熱量，單位為kJ/kg；mf表示煙氣質(zhì)量，單位為kg；cp,f表示煙氣比定壓熱容，1.290 kJ/(kg·℃)；t'f表示未得到充分燃燒時空氣中的煙氣溫度，單位為℃；q3表示氣體未得到充分燃燒時產(chǎn)生的熱損失，單位為kJ/kg；q4表示固體未得到充分燃燒時產(chǎn)生的熱損失，單位為kJ/kg；q1表示焚燒爐在燃燒過程中自身散熱系統(tǒng)產(chǎn)生的熱損失，單位為kJ/kg.

1.2.2 分項熱平衡計算

(3)

(4)

qo=42 915mkJ/kg

(5)

式中，m表示助燃油量，單位為L.

qf=VRO2(cθ)RO2+VN2(cθ)N2+VH2O(cθ)H2O+

(6)

式中，(cθ)表示顯熱，單位為kJ/m3(對氣體)，J/kg(對飛灰)；af1表示飛灰系數(shù).

1)氣體不完全燃燒產(chǎn)生的熱損失q3

致使氣體無法完全燃燒產(chǎn)生熱損失主要是由不完全燃燒產(chǎn)物的CO.計算公式為：

q3=236(CY+0.375SY)VCO+VRO2(1-qin)

(7)

其中，VCO表示的是煙氣中CO的排放量，單位為m3/kg，S表示煙氣中相對壓力，單位為Pa.

2)固體不完全燃燒產(chǎn)生的熱損失q4

由于垃圾中的固定碳[5]沒有得到完全燃燒致使產(chǎn)生固體不完全燃燒熱損失.假設(shè)在垃圾焚燒過程中，析出全部的揮發(fā)分后，剩下的固定碳以半徑r0=1.5 cm碳粒的形式存在，再經(jīng)過一段時間的燃燒，固定碳半徑縮小為r(單位為cm).由于純碳的密度為ρ=1 g/cm3，低位發(fā)熱量為32 700 kJ/kg，那么就可以根據(jù)剩下固定碳的質(zhì)量來計算q4.假設(shè)1kg的垃圾中含有的固定碳為1 000×(1-Wy-Ay)×30%，單位為g，由此可得到：

q4=1 013.603×r3

(8)

(9)

(10)

k=3.22×105×exp(RT-149 440)

(11)

3)散熱損失q1

q1=(qa+qo)(0.000 015 6tf-0.006 7)

(12)

1.2.3 垃圾焚燒爐燃燒工況計算補充條件

1)以上所有計算結(jié)果均以助燃油完全燃燒為前提進(jìn)行計算的，助燃油在完全燃燒的情況下所需空氣系數(shù)為1.25.

2)高熱值垃圾焚燒爐最佳的燃燒溫度為750 ℃，但是為了控制有害氣體的排放量，應(yīng)將燃燒溫度增加至800 ℃以上.另外，還要注意焚燒爐爐膛出口的煙氣溫度[6]不能低于1 050 ℃，以免出現(xiàn)結(jié)焦的情況.

3)為了使含水量較高的垃圾得到充分燃燒，投放助燃油的劑量為m≥0.045 L.

2 垃圾焚燒爐助燃配風(fēng)自動控制的實現(xiàn)

為高熱值垃圾焚燒爐提供助燃配風(fēng)是通過助燃風(fēng)機(jī)實現(xiàn)的，助燃風(fēng)機(jī)的自動控制和邏輯控制要根據(jù)燃燒工況進(jìn)行確定，并且要符合焚燒爐各部分的要求.

2.1 助燃配風(fēng)恒壓控制

垃圾焚燒爐的助燃配風(fēng)主要是由恒壓控制來實現(xiàn)的.由式(13)可知，流量與流量系數(shù)、流通表面積成正比，同時也與焚燒現(xiàn)場的介質(zhì)密度、重力加速度、管道前后壓力之差的平方根成正比.

(13)

式中，qv表示流量；ρ表示介質(zhì)密度；Ao表示爐內(nèi)空氣流通面積；Δp表示前后管道壓力之差；g表示重力加速度.

假設(shè)管道負(fù)荷能力為H=aAo(2g)1/2，則有：

(14)

從式(14)可以看出，在已經(jīng)確定H與ρ的情況下，qv與Δp的平方根成正相關(guān).由于焚燒爐的配風(fēng)管道是固定的，沒有經(jīng)過修改，所以進(jìn)入焚燒爐的介質(zhì)管道是不變的，那么就可以將H看作常數(shù)，保持ρ的值不變，通常向焚燒爐內(nèi)輸送的空氣壓力為5～10 kPa，然而焚燒爐內(nèi)的壓力卻只有幾十帕，相對于傳送的空氣壓力來說ρ要小的多，這里為了分析方便，可以使Δp=ρ，則有：

qv=Hρ

(15)

由式(15)可知，助燃風(fēng)機(jī)可以調(diào)節(jié)進(jìn)入焚燒爐內(nèi)的空氣質(zhì)量.當(dāng)焚燒爐燃燒系數(shù)空燃比發(fā)生改變后，只需要調(diào)節(jié)爐中空氣壓力[7]的設(shè)定值即可達(dá)到要求焚燒爐助燃風(fēng)機(jī)采用的恒壓控制，這個控制是一個單回路閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)，主要是由助燃風(fēng)機(jī)、電動執(zhí)行器和風(fēng)壓檢測器構(gòu)成.電動執(zhí)行器由助燃風(fēng)機(jī)給的空氣量[8]與設(shè)定值的偏差來進(jìn)行控制的，恒壓控制原理框圖如圖1所示.

圖1 恒壓控制原理圖示

助燃配風(fēng)也就是進(jìn)入到爐內(nèi)的空氣量，在焚燒爐中有著非常重要的作用.助燃風(fēng)機(jī)本身不會產(chǎn)生危險行為，但是如果操作不當(dāng)，就會影響整個焚燒現(xiàn)場的安全.在開啟焚燒爐之前，一定要先把助燃風(fēng)機(jī)打開，在這種無負(fù)荷的情況才是最安全的.

在關(guān)閉焚燒爐時，先用盲板封堵住助燃風(fēng)機(jī)，以此確保焚燒爐的安全運行.尤其要注意，在啟動焚燒爐時，助燃配風(fēng)一定不要過大，如果一時間向爐內(nèi)注入大量的空氣，會導(dǎo)致爐內(nèi)壓力過大，不易產(chǎn)生負(fù)壓，這時如果點火的話有可能會造成安全事故.同時，過多的空氣進(jìn)入爐內(nèi)后，巨大的空氣壓力會使?fàn)t內(nèi)氧化，對燃燒段上的管道產(chǎn)生氧化作用，導(dǎo)致焚燒爐內(nèi)爐壁上會產(chǎn)生大量的氧化鐵皮，大大減少焚燒爐的使用壽命.

相反，如果爐內(nèi)的空氣壓力過低，將會使焚燒爐各個管道內(nèi)的煙氣倒流[9]進(jìn)入助燃配風(fēng)管道中，也會導(dǎo)致焚燒爐的損壞，而且容易引發(fā)安全事故.不僅如此，過低的空氣壓力也會導(dǎo)致助燃風(fēng)機(jī)出現(xiàn)喘震現(xiàn)象，長此以往，容易導(dǎo)致助燃風(fēng)機(jī)的損壞，影響使用壽命.另外，助燃配風(fēng)的控制直接影響垃圾焚燒產(chǎn)生的電量以及耗能等，進(jìn)入焚燒爐的空氣壓力[10]和空氣量都是由助燃風(fēng)機(jī)來控制的，燃燒工況、設(shè)備使用壽命都與助燃配風(fēng)息息相關(guān).

2.2 助燃風(fēng)機(jī)邏輯控制

助燃風(fēng)機(jī)自動控制模塊使用PID調(diào)節(jié)器控制來控制兩個風(fēng)機(jī)的風(fēng)口閥門，并將兩個風(fēng)機(jī)分別定義為1#風(fēng)機(jī)和2#風(fēng)機(jī).

當(dāng)調(diào)節(jié)器為自動控制時，永磁調(diào)速系統(tǒng)的智能執(zhí)行器根據(jù)不同的狀態(tài)會有以下三種操作：

1)選中1#風(fēng)機(jī)、未選中2#風(fēng)機(jī)：PID調(diào)節(jié)器的輸出MV直接傳輸給1#風(fēng)機(jī)的永磁調(diào)速系統(tǒng)的智能執(zhí)行器，2#風(fēng)機(jī)的永磁調(diào)速系統(tǒng)的智能執(zhí)行器不受PID調(diào)節(jié)器的控制，1#風(fēng)機(jī)的永磁調(diào)速系統(tǒng)的智能執(zhí)行器開度為MV.

2)選中2#風(fēng)機(jī)、未選中1#風(fēng)機(jī)：PID調(diào)節(jié)器的輸出MV′直接傳送給2#風(fēng)機(jī)的永磁調(diào)速系統(tǒng)的智能執(zhí)行器，此時1#風(fēng)機(jī)的永磁調(diào)速系統(tǒng)的智能執(zhí)行器不受PID調(diào)節(jié)器的控制，2#風(fēng)機(jī)的永磁調(diào)速系統(tǒng)的智能執(zhí)行器開度為MV′.

3)1#風(fēng)機(jī)、2#風(fēng)機(jī)同時被選中：當(dāng)調(diào)節(jié)器的輸出為MV≤20%時，1#風(fēng)機(jī)的永磁調(diào)速系統(tǒng)的智能執(zhí)行器開度為2×MV，2#風(fēng)機(jī)的永磁調(diào)速系統(tǒng)的智能執(zhí)行器開度為50%；當(dāng)PID調(diào)節(jié)器的輸出為20%≤MV≤40%時，1#風(fēng)機(jī)的永磁調(diào)速系統(tǒng)的智能執(zhí)行器開度為40%，2#風(fēng)機(jī)的永磁調(diào)速系統(tǒng)的智能執(zhí)行器開度為50%；當(dāng)調(diào)節(jié)器的輸出MV≥40%時，1#風(fēng)機(jī)永磁調(diào)速系統(tǒng)的智能執(zhí)行器開度為MV，2#風(fēng)機(jī)的永磁調(diào)速系統(tǒng)的智能執(zhí)行器開度為MV′.

4)為了確保焚燒爐可以安全穩(wěn)定的運行，必須使用保護(hù)聯(lián)鎖裝置.當(dāng)空氣壓力過低時，可將進(jìn)氣閥自動切斷，并對管道內(nèi)輸入氮氣.在這段時間內(nèi)，助燃風(fēng)機(jī)入口保持不變，其他各閥門均保持關(guān)閉狀態(tài)，且不可操作焚燒爐的任何閥門.一般進(jìn)氣總管上會設(shè)置一個氣動調(diào)節(jié)切斷閥，當(dāng)出現(xiàn)故障時，該閥門可快速切斷進(jìn)氣；在穩(wěn)定燃燒的情況下，可用于穩(wěn)定爐內(nèi)壓力，便于燃燒控制.

2.3 助燃配風(fēng)自動控制的實現(xiàn)

助燃風(fēng)機(jī)自動控制模塊主要由電動機(jī)、永磁調(diào)速裝置、助燃風(fēng)機(jī)、電動執(zhí)行器、風(fēng)壓檢測裝置和PLC控制系統(tǒng)構(gòu)成.示意圖如圖2所示.

圖2 助燃風(fēng)機(jī)自動控制系統(tǒng)示意圖

PLC系統(tǒng)采用的是美國通用公司的PLC系統(tǒng).該系統(tǒng)可以幫助工作人員控制燃燒工況和助燃風(fēng)機(jī)，還可對數(shù)據(jù)采樣、燃料的燃燒情況和溫度的串級控制等操作.為了保持助燃風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定運行，還需要實時監(jiān)控和控制設(shè)備的現(xiàn)場狀態(tài)，以及對焚燒設(shè)備的操控，這些都在操作臺上進(jìn)行，操作臺通過以太網(wǎng)和總控制臺進(jìn)行通訊.

3 應(yīng)用實例

為了驗證本文方法在能耗方面是否可以做到節(jié)省成本以及減輕人工工作量，在某垃圾焚燒發(fā)電廠中進(jìn)行實例測試.

該廠配備的垃圾焚燒爐為2×400 t/d，平均年垃圾處理量為29.2萬 t，由1×15 MW的凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行工作，機(jī)組滿負(fù)荷蒸發(fā)量為39 t/h.焚燒爐爐排為某國產(chǎn)廠家成套供應(yīng).目前該廠助燃配風(fēng)主要依靠人工，將本文所提的助燃配風(fēng)自動控制系統(tǒng)應(yīng)用其中，對投放前后能耗進(jìn)行對比.

項目改造前后耗電量對比如表3和圖3所示.

表3 助燃風(fēng)機(jī)改造前后耗電記錄

圖3 自動控制助燃風(fēng)機(jī)投放前后耗電量對比圖

采用自動控制助燃配風(fēng)后，不僅助燃空氣壓力、流量調(diào)節(jié)速度快，調(diào)節(jié)精度高，而且提高了垃圾焚燒爐的使用壽命，確保了焚燒爐的穩(wěn)定運行.自6月份投放使用以來，節(jié)能經(jīng)濟(jì)效果顯著.

通過將自動控制助燃配風(fēng)模塊應(yīng)用到該垃圾焚燒發(fā)電廠后，提高了風(fēng)機(jī)出口動態(tài)響應(yīng)速度和空氣流量控制精度，降低了操作人員的勞動量，提高了焚燒爐的利用率，年節(jié)省備件約10萬元；按一年330個工作日計算，年可節(jié)約成本21.5萬元.自改造以來，設(shè)備穩(wěn)定運行.

4 結(jié)論

助燃配風(fēng)自動控制系統(tǒng)在高熱值垃圾焚燒爐的高效運行中起到了重要的作用，尤其是針對沒有實行垃圾分類的城市，存在著垃圾復(fù)雜、含水量大等情況，更能發(fā)揮其優(yōu)勢.本文在保持垃圾焚燒爐穩(wěn)定的熱損失及熱平衡下計算得出了合適的焚燒溫度和煙氣溫度，以此確定進(jìn)入到爐內(nèi)的助燃配風(fēng)流量，并通過單回路閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)實現(xiàn)助燃風(fēng)機(jī)的自動控制.應(yīng)用實例也表明該系統(tǒng)較傳統(tǒng)方法更能節(jié)省能耗以及延長焚燒爐的使用壽命.

但是該自動控制系統(tǒng)不能完全實現(xiàn)全自動化，在一定程度上還是要依賴工作人員的判斷，不能做到長期全工況無人值守，仍然有很大的改進(jìn)空間.為了控制運營成本，提高垃圾焚燒發(fā)電廠的經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)該進(jìn)一步加強對助燃風(fēng)機(jī)自動控制系統(tǒng)的研究.