可調(diào)諧二極管激光儀在垃圾焚燒發(fā)電廠的運(yùn)用

何術(shù)東,張會(huì)妍,王 濤

(上?？岛悱h(huán)境股份有限公司，上海 201703)

前 言

由于垃圾成分復(fù)雜，含水率高且垃圾特性季節(jié)性的變化[1]，垃圾低位熱值常常發(fā)生變化，焚燒爐在運(yùn)行過(guò)程中燃燒工況經(jīng)常發(fā)生變化，焚燒爐內(nèi)O2濃度也隨之變化。煙氣中的CO和NOX等污染物的濃度直接跟爐內(nèi)的O2濃度有關(guān)，當(dāng)煙氣中的O2濃度不足時(shí)煙氣中的CO濃度會(huì)上升，但此時(shí)NOX的濃度會(huì)降低；相反當(dāng)煙氣中O2濃度充足時(shí)，煙氣中的NOX濃度會(huì)升高或者超標(biāo)[2]。在焚燒爐正常運(yùn)行時(shí)，如何檢測(cè)并控制O2濃度，既能保證CO濃度較低，又能良好的控制NOX濃度是目前垃圾焚燒發(fā)電廠運(yùn)行中的難點(diǎn)。

目前，各項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)對(duì)焚燒爐出口煙氣中O2濃度測(cè)量均采用直插式氧量傳感器進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果粗糙且相對(duì)滯后，設(shè)備使用壽命短、須定期標(biāo)定維護(hù)?；诶贌隣t的工藝特性和對(duì)目前垃圾焚燒爐測(cè)量現(xiàn)狀的分析，提出了采用先進(jìn)的可調(diào)諧二極管激光儀并安裝在焚燒爐第二煙道出口處對(duì)焚燒爐出口煙氣中O2濃度測(cè)量，可以提高測(cè)量精度，及時(shí)反應(yīng)焚燒爐內(nèi)燃燒狀況，測(cè)量結(jié)果有利于指導(dǎo)運(yùn)行人員或者自動(dòng)燃燒控制系統(tǒng)對(duì)焚燒爐的燃燒狀況進(jìn)行調(diào)整和控制，保證焚燒爐穩(wěn)定運(yùn)行。

1 直插式氧量傳感器測(cè)量原理及測(cè)量現(xiàn)狀分析

1.1 直插式氧量傳感器測(cè)量原理

直插式氧量傳感器使用的氧化鋯元件直接放在燃燒產(chǎn)生的煙氣中進(jìn)行O2濃度測(cè)量。氧化鋯材料是一種在高溫上燒結(jié)成的穩(wěn)定氧化體電解質(zhì)。在650℃(1 200℉)以上的高溫條件下，它是氧離子的良好導(dǎo)體，一般做成管狀，成為鋯管。在氧化鋯管的內(nèi)外涂制鉑電極，用電爐對(duì)氧化鋯管加熱，使其內(nèi)外壁接觸氧分壓不同的氣體，氧化鋯就成為一個(gè)氧濃度差電池，在兩個(gè)鉑電極上將發(fā)生如下反應(yīng)：

在空氣側(cè)(參比側(cè))電極上：O2+4e→2O-2

在低氧側(cè)(被測(cè)側(cè))電極上：2O-2→O2+4e

即空氣中一個(gè)氧分子奪取電極上四個(gè)電子而變成兩個(gè)氧離子。氧離子在氧濃差電勢(shì)的驅(qū)動(dòng)下，通過(guò)氧化鋯管遷移到低氧側(cè)電極上，留給該電極四個(gè)電子而復(fù)原為氧分子，電池處于平均狀態(tài)時(shí)，兩電極間電勢(shì)值E恒定不變。

當(dāng)兩邊的電極鍍層接觸到的氣體(在同樣標(biāo)準(zhǔn)壓力下)有不同的氧濃度，根據(jù)氧含量比例，鋯管會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓。如果其中一種氣體的氧含量是已知的(參比氣常常是空氣—20.9%)。另外一種氧含量直接被鋯頭的電壓反映出來(lái)。

對(duì)于測(cè)量沒(méi)有可燃物氣體的氧分析器的標(biāo)定按照下述公式(1)[3]:

(1)

公式(1)中：E：電勢(shì)(mV)

R：氣體常數(shù)(=1.987 卡/度·克分子)

F：法拉弟常數(shù)(=23060 卡/伏·克當(dāng)量)

T： 熱力學(xué)溫度(K)

Po：參比氣體氧濃度百分?jǐn)?shù)，如果是空氣為20.60%02

Px：被測(cè)氣體氧濃度百分?jǐn)?shù)(%)

選定T=750℃(T=1023K)，將有關(guān)數(shù)值代入，根據(jù)已知量，可得到所測(cè)氣體中的O2濃度。

1.2 測(cè)量現(xiàn)狀分析

目前各項(xiàng)目上直插式氧量傳感器基本安裝在省煤器出口處進(jìn)行煙氣中O2濃度測(cè)量，如圖1所示。

圖1 氧量傳感器安裝位置Fig.1 Installation position of oxygen sensor

1.2.1 安裝位置對(duì)測(cè)量結(jié)果影響

1.2.1.1 從圖中可以看出，安裝位置遠(yuǎn)離焚燒爐爐膛處，與垃圾焚燒的過(guò)程存在一個(gè)時(shí)間差，查閱余熱鍋爐設(shè)備施工布置圖紙，可知從第三煙道出口致省煤器出口的水平距離為大約為30米，煙氣流過(guò)水平煙道部分時(shí)，余熱鍋爐設(shè)備對(duì)煙氣存在較大的阻力使滯后時(shí)間進(jìn)一步加大。測(cè)量?jī)x表很難跟蹤氧氣量的快速波動(dòng)，測(cè)量數(shù)據(jù)滯后，無(wú)法及時(shí)反應(yīng)焚燒爐爐膛燃燒工況。

1.2.1.2 在煙氣經(jīng)過(guò)焚燒爐水平煙道時(shí)，由于施工等缺陷，導(dǎo)致環(huán)境中部分O2漏入焚燒爐內(nèi)，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，氧量傳感器測(cè)量的結(jié)果不能真實(shí)的反映焚燒爐爐膛內(nèi)的O2濃度，如珠海某項(xiàng)目1#爐、2#爐的實(shí)際測(cè)量值(如表1所示)，相比于設(shè)計(jì)值有偏高的現(xiàn)象。

表1 廣東某項(xiàng)目直插式氧量傳感器測(cè)量結(jié)果Tab.1 measurement results of oxygen sensors in a GuangDong MSW plant (%)

1.2.2 直插式氧量傳感器儀表缺陷

1.2.2.1 由于鋯頭在高溫環(huán)境下,可能存在可燃性氣體燃燒的情況，使鋯頭將產(chǎn)生一個(gè)比較高的毫伏值,顯示器指示的氧量比實(shí)際的氧量低，影響測(cè)量結(jié)果。因此當(dāng)采用直插式氧量傳感器時(shí)，無(wú)法將該儀表的安裝位置設(shè)計(jì)在焚燒爐出口處。

1.2.2.2 氧化鋯傳感器的工作溫度都在300℃以上，此時(shí)氧離子會(huì)在氧化鋯傳感器中發(fā)生遷移，最后在氧化鋯的傳感器兩側(cè)就能實(shí)現(xiàn)電解質(zhì)表面的氧化平衡。通常提升正常工作中的溫度就能有效改善傳感器的性能。然而，由于高溫也會(huì)破壞傳感器的材料，針對(duì)這一原因，在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中都將溫度控制在700～800℃之間[4]。

1.2.2.3 直插式氧量傳感器設(shè)置在高溫環(huán)境中，使用壽命較短，設(shè)備維護(hù)工作量較大，運(yùn)行成本高。

1.2.3 運(yùn)行環(huán)境對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響

由于垃圾成分復(fù)雜，垃圾在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生大量的粉塵，焚燒爐長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，在直插式氧量傳感器安裝附件形成積灰或者結(jié)焦，導(dǎo)致儀表工作環(huán)境惡劣，使儀表無(wú)法在理想的環(huán)境中工作，測(cè)量結(jié)果無(wú)法真實(shí)反映焚燒爐運(yùn)行工況。

1.2.4 測(cè)量結(jié)果的運(yùn)用

目前各項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)對(duì)O2測(cè)量結(jié)果僅作為運(yùn)行人員調(diào)整焚燒爐燃燒狀況參考，測(cè)量數(shù)值未參與或者只是階段性的參與焚燒爐的自動(dòng)燃燒控制系統(tǒng)中，未與O2濃度調(diào)整的重要設(shè)備連鎖(如二次風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)系統(tǒng)供給設(shè)備)，測(cè)量結(jié)果未在焚燒爐的燃燒控制中起真正的作用。

2 可調(diào)諧二極管激光儀在焚燒爐中的運(yùn)用

基于以上直插式氧量傳感器測(cè)量現(xiàn)狀和缺陷，采用先進(jìn)的可調(diào)諧二極管激光儀并安裝在焚燒爐第二煙道出口處對(duì)焚燒爐出口煙氣中O2濃度測(cè)量。

2.1 可調(diào)諧二極管激光儀的測(cè)量原理

可調(diào)諧二極管激光儀是一種基于吸收光譜學(xué)的測(cè)量?jī)x表[5]。由測(cè)量激光通過(guò)激光軸時(shí)吸收(丟失)的激光量來(lái)反應(yīng)測(cè)量的氣體濃度。分析儀產(chǎn)生紅外光的激光，用光學(xué)透鏡聚焦激光通過(guò)待測(cè)氣體，然后進(jìn)入探測(cè)器，探測(cè)器控制激光并將探測(cè)器信號(hào)轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)以代表氣體濃度?？烧{(diào)諧二極管激光儀是一種有效的紅外分析儀，符合BeerLambert定律[6]：

A=lg(1/T)=Kbc

A為吸光度,T為透射比(透光度),是出射光強(qiáng)度(I)比入射光強(qiáng)度(I0)。

K為摩爾吸光系數(shù)，它與吸收物質(zhì)的性質(zhì)及入射光的波長(zhǎng)λ有關(guān)。

c為吸光物質(zhì)的濃度,單位為mol/L。

b為吸收層厚度，單位為cm。

2.2 可調(diào)諧二極管激光儀安裝位置分析

根據(jù)順推三段式垃圾焚燒爐工藝特點(diǎn)，垃圾主要在燃燒爐排上進(jìn)行第一次固相燃燒，如圖2中A 區(qū)域所示，固相燃燒后煙氣中含有一定量的可燃?xì)怏w，在第一煙道入口處噴入二次風(fēng)進(jìn)行二次燃燒，在第三煙道出口處基本燃燒完全。根據(jù)項(xiàng)目運(yùn)行統(tǒng)計(jì)，第三煙道出口處溫度可能高達(dá)到700℃以上?？烧{(diào)諧二極管激光儀有著優(yōu)良的特性并且能在1 500℃下的環(huán)境中安全穩(wěn)定的測(cè)量O2濃度，因此可調(diào)諧二極管激光儀安裝在第二煙道入口處，如圖2中B區(qū)域所示。此處O2測(cè)量結(jié)果能夠及時(shí)的反應(yīng)垃圾燃燒狀況，同時(shí)也能避免水平煙道部分環(huán)境中O2的漏入對(duì)測(cè)量的影響。

圖2 可調(diào)諧二極管激光儀安裝位置Fig.2 Installation position of tunable diode laser

2.3 可調(diào)諧二極管激光儀的測(cè)量分析

以華北地區(qū)某項(xiàng)目為例，本項(xiàng)目為單爐750t/d額定處理量，共設(shè)三條焚燒線。

焚燒爐第三煙道出口處設(shè)置了可調(diào)諧二極管激光儀，項(xiàng)目投運(yùn)后，三條焚燒線收集的數(shù)據(jù)如表2，變化趨勢(shì)如圖3所示。

圖3 華北地區(qū)某項(xiàng)目三條焚燒線爐內(nèi)O2濃度測(cè)量結(jié)果Fig.3 Measurement results of O2 concentration in three incinerators of a project in North China

2.3.1 測(cè)量及時(shí)

相對(duì)于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，直插式氧量傳感器設(shè)置在省煤器出口處，可調(diào)諧二極管激光儀取樣位置更靠前，安裝在第二煙道入口處，測(cè)量位置相對(duì)提前了大約30m，根據(jù)水平煙道煙氣流速大約在3～4m/s，測(cè)量時(shí)間能提前7.5～10s(不考慮非正常工況)。由于選取的測(cè)量位置在各種垃圾成分和物質(zhì)剛好燃燒完全，測(cè)量的數(shù)值能精確的反映焚燒爐內(nèi)垃圾的燃燒狀況，使得測(cè)量結(jié)果更加真實(shí)。

2.3.2 測(cè)量精確

2.3.2.1 相對(duì)于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，測(cè)量位置的提前，避免了因施工不嚴(yán)密導(dǎo)致空氣中O2的漏入。

2.3.2.2 可調(diào)諧二極管激光儀的探測(cè)設(shè)備采用monel 400、316L合金材料，能夠保證在高達(dá)1500°C的溫度下安全測(cè)量O2濃度?？烧{(diào)諧二極管激光儀采用了自動(dòng)增益功能，在灰塵中和大量粉塵的環(huán)境中也能保持精確的測(cè)量結(jié)果，避免了煙氣中的粉塵等因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，從而提升了O2濃度的測(cè)量精度。

2.3.2.3 相對(duì)于直插式氧量傳感器測(cè)量結(jié)果，可調(diào)諧二極管激光儀測(cè)量結(jié)果數(shù)值偏小，更靠近設(shè)計(jì)值。

2.3.3 測(cè)量結(jié)果的運(yùn)用

由于可調(diào)諧二極管激光儀能夠精準(zhǔn)的測(cè)量焚燒爐出口煙氣中O2濃度，此測(cè)量結(jié)果精準(zhǔn)的反饋焚燒爐燃燒工況，有利于運(yùn)行人員及時(shí)調(diào)整工況以及參與ACC系統(tǒng)的運(yùn)行。

(1)運(yùn)行人員根據(jù)此結(jié)果及時(shí)判斷焚燒爐內(nèi)燃燒是否充分，一次風(fēng)、二次風(fēng)系統(tǒng)的供給是否滿足當(dāng)前燃燒狀況，從而及時(shí)調(diào)整相關(guān)設(shè)備。

(2)該可調(diào)諧二極管激光儀的測(cè)量結(jié)果實(shí)時(shí)傳送至焚燒爐自動(dòng)燃燒控制系統(tǒng)中，并參與爐內(nèi)含氧量控制環(huán)節(jié)。具體的控制原理如圖4所示。

圖4 O2濃度在自動(dòng)燃燒控制系統(tǒng)中的運(yùn)用Fig.4 Application of O2 concentration in automatic combustion control system

從圖4中可以看出，可調(diào)諧二極管激光儀的測(cè)量結(jié)果經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后與焚燒爐O2濃度設(shè)定值進(jìn)行PID計(jì)算，計(jì)算結(jié)果根據(jù)焚燒爐工藝特點(diǎn)調(diào)整燃燼爐排下一次風(fēng)和焚燒爐第一煙道處二次風(fēng)的供給量，及時(shí)干預(yù)焚燒爐垃圾的燃燒狀況：當(dāng)儀表測(cè)量的O2濃度數(shù)處于上升階段時(shí)，適當(dāng)減少二次風(fēng)和燃燼爐排下一次風(fēng)的供給，相反當(dāng)測(cè)量的O2濃度下降時(shí)，增加二次風(fēng)和燃燼爐排處一次風(fēng)的供給，從而使燃燒處于穩(wěn)定的狀況。

3 結(jié) 論

針對(duì)兩種不同氧氣測(cè)量方式在垃圾焚燒行業(yè)中的實(shí)際應(yīng)用情況，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析和對(duì)比，在垃圾焚燒爐運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行煙氣中O2濃度測(cè)量中可優(yōu)先采用可調(diào)諧二極管激光儀進(jìn)行測(cè)量。

3.1 避免了煙氣流動(dòng)過(guò)程中的因外部氧氣漏入造成的測(cè)量誤差，使測(cè)量精度更加可靠。

3.2 測(cè)量位置提前，氧氣測(cè)量值更加接近焚燒爐爐膛的真實(shí)含量。

3.3 測(cè)量結(jié)果能夠精準(zhǔn)真實(shí)的反應(yīng)焚燒爐燃燒工況，測(cè)量數(shù)值能夠指導(dǎo)運(yùn)行人員或者作為ACC系統(tǒng)的調(diào)整依據(jù)，有利于生產(chǎn)。