電磁加熱在易腐垃圾多相分解惰質(zhì)化系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

熊香春

（深圳龍澄高科技環(huán)保股份有限公司，廣東 深圳 518000）

近年來，我國積極推行垃圾分類制度。目前，全國46個(gè)重點(diǎn)城市基本建成生活垃圾分類處理系統(tǒng)，其中以廚余垃圾為主的易腐垃圾處理是垃圾后端處理中最為復(fù)雜和重要的組成部分。深圳龍澄高科技環(huán)保股份有限公司利用多相分解惰質(zhì)化技術(shù)對(duì)生活垃圾中有機(jī)質(zhì)易腐垃圾進(jìn)行低溫?zé)峤馓蓟幚恚锪媳环纸鉃橄鄬?duì)穩(wěn)定的水和碳質(zhì)物。這些產(chǎn)品具有相對(duì)較容易處理、較理想的回收利用價(jià)值，易儲(chǔ)存、易運(yùn)輸，為生物質(zhì)廢棄物和干濕分類后的濕垃圾的減量化、穩(wěn)定化、無害化、資源化提供了有效途徑。

電磁加熱是通過電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，使得鐵質(zhì)金屬管道自身發(fā)熱，再加上隔熱材質(zhì)，防止管道熱量散發(fā)，熱利用率超過95%，理論節(jié)電率可大于50%。將電磁加熱創(chuàng)新性地應(yīng)用在易腐垃圾多相分解惰質(zhì)化系統(tǒng)中，相對(duì)于傳統(tǒng)的電加熱油爐及燃煤燃?xì)忮仩t加熱，極大地提高能源利用效率，降低設(shè)備前期投資及運(yùn)行維護(hù)成本。本文結(jié)合深圳市寶安區(qū)福鳳廚余垃圾干濕分離轉(zhuǎn)運(yùn)站示范項(xiàng)目，分析了電磁加熱在易腐垃圾多相分解惰質(zhì)化系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1 易腐垃圾多相分解惰質(zhì)化系統(tǒng)概述

1.1 基本原理

多相分解惰質(zhì)化技術(shù)是利用生物質(zhì)的熱不穩(wěn)定性，在無氧和210 ℃以上溫度、飽和壓力、催化劑綜合作用下，使生物質(zhì)細(xì)胞破碎溶析和有機(jī)物根據(jù)其碳?xì)浔壤l(fā)生脫羧脫水和水解，形成具有資源回收利用價(jià)值的固相、液相和微量氣相。易腐垃圾多相分解惰質(zhì)化系統(tǒng)是針對(duì)生活垃圾等經(jīng)過干濕分離后的濕組分、厭氧沼液及市政污泥創(chuàng)新研發(fā)的，其處理對(duì)象包括污泥、廚余垃圾和其他生物質(zhì)廢棄物（園林、農(nóng)業(yè)等）。

1.2 電磁加熱裝置

電磁加熱是利用電磁感應(yīng)原理將電能轉(zhuǎn)換為熱能，當(dāng)高速變化的交流電流通過線圈時(shí)，線圈會(huì)產(chǎn)生高速變化的磁場(chǎng)，磁場(chǎng)內(nèi)的交變磁力線通過金屬管道時(shí)，管壁體內(nèi)產(chǎn)生無數(shù)的小渦流，使管壁自行發(fā)熱與內(nèi)部物料進(jìn)行熱交換，達(dá)到加熱物料的目的。本項(xiàng)目采用電磁加熱裝置，裝置主要包含加熱管、加熱線圈、溫度探頭、電磁加熱控制器和智能溫控表[1]。

在易腐垃圾多相分解惰質(zhì)化系統(tǒng)中，利用多臺(tái)電磁加熱裝置，將物料溫度從150 ℃提升至大于210 ℃。換熱計(jì)算公式為

式中：Q為換熱能量；S為換熱面積；K為綜合換熱系數(shù)；Δtm為換熱溫差。

從式（1）可知，換熱器換熱能量與換熱面積、綜合換熱系數(shù)及換熱溫差成正比。在具體項(xiàng)目應(yīng)用中，換熱面積一般為固定值；換熱溫差受到管道材質(zhì)最高耐溫極限限制，考慮管壁散熱損失，換熱溫差一般控制在40～60 ℃，即管壁溫度比物料目標(biāo)溫度高40～60 ℃；綜合換熱系數(shù)根據(jù)加熱管內(nèi)壁物理特性、物料流速、內(nèi)部結(jié)焦情況等因素確定。易腐垃圾漿料在高溫下容易結(jié)焦，在本項(xiàng)目中，綜合換熱系數(shù)受物料流速和結(jié)焦厚度顯著影響，無法具體計(jì)算。

2 自動(dòng)控制系統(tǒng)分析

自動(dòng)控制系統(tǒng)主要包含可編程邏輯控制器（PLC）、工控機(jī)監(jiān)控平臺(tái)、控制柜及底層儀表，用以控制電磁加熱裝置、惰質(zhì)化進(jìn)料、出料等工藝過程，監(jiān)控主要工作環(huán)節(jié)的狀態(tài)信息，記錄和處理關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息。要想實(shí)現(xiàn)上述功能，必須選擇合適的硬件、采集儀表和通信方式，編制實(shí)用、可靠且安全的軟件程序，開發(fā)友好的組態(tài)操作控制界面。

2.1 電磁加熱裝置出口物料溫度控制

電磁加熱裝置由多臺(tái)電磁加熱器組成，通過插入式溫度探頭準(zhǔn)確測(cè)量進(jìn)出口物料溫度。出口物料溫度代表物料進(jìn)入反應(yīng)器的工作溫度，其目標(biāo)值控制在210 ℃以上，通過調(diào)整電磁加熱管壁基準(zhǔn)設(shè)定溫度及管內(nèi)物料流速來控制。

2.2 加熱管管壁溫度梯度控制

在實(shí)際項(xiàng)目控制中，多臺(tái)電磁加熱器將物料溫度從進(jìn)口溫度提升到出口物料溫度，控制策略考慮多臺(tái)電磁加熱器平均輸出功率。假定溫度梯度設(shè)定為10 ℃，電磁加熱管壁基準(zhǔn)設(shè)定溫度為210 ℃，總共6 臺(tái)電磁加熱器，在物料流速穩(wěn)定不變的情況下，從入口到出口，6 臺(tái)電磁加熱器管壁溫度設(shè)定值依次為180 ℃、190 ℃、200 ℃、210 ℃、220 ℃、230 ℃[2]。

2.3 進(jìn)出料流速穩(wěn)定控制

進(jìn)料泵通過變頻控制，采用獨(dú)立PLC，其與主控S7-300 PLC 通過PUT/GET 通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。電磁加熱管的物料流速穩(wěn)定，有利于提高電磁加熱的熱利用率和系統(tǒng)穩(wěn)定性。惰質(zhì)化反應(yīng)器配有在線壓力及液位檢測(cè)儀表，可以有效控制進(jìn)料泵運(yùn)行頻率。系統(tǒng)出料管道安裝有電磁流量計(jì)，可設(shè)定固定出料速度，調(diào)節(jié)出料平衡裝置開度，保證出料速度穩(wěn)定。理論上，可以實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器液位及進(jìn)出料流速穩(wěn)定控制。

2.4 電能數(shù)據(jù)收集與統(tǒng)計(jì)

電磁加熱裝置是易腐垃圾多相分解惰質(zhì)化系統(tǒng)的主要耗能設(shè)備。智能電表采集數(shù)據(jù)后通過Modbus/Tcp 協(xié)議轉(zhuǎn)換器傳輸?shù)缴衔粰C(jī)VINCC 監(jiān)控平臺(tái)。上位機(jī)軟件同時(shí)采集并記錄電磁加熱進(jìn)出口溫度、管壁溫度、出口物料流速等數(shù)據(jù)，用于加熱管換熱系數(shù)及熱效率計(jì)算[3]。

3 電磁加熱裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

本項(xiàng)目安裝6 臺(tái)電磁加熱器，串聯(lián)布置，每臺(tái)電磁加熱器額定功率為30 kW。工藝控制目標(biāo)是將流速2.0 m3/h 的物料從150 ℃加熱到大于210 ℃。項(xiàng)目投入實(shí)際運(yùn)行后，對(duì)電磁加熱運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和分析。物料在高溫環(huán)境下容易結(jié)焦，電磁加熱裝置換熱系數(shù)會(huì)緩慢降低[4]。電磁加熱裝置已經(jīng)應(yīng)用在易腐垃圾多相分解惰質(zhì)化系統(tǒng)中，項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物圖如圖1 所示。

圖1 項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物圖

經(jīng)數(shù)據(jù)分析，在本項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行中，電磁加熱的熱效率可以控制在88%～92%，熱效率很高；本項(xiàng)目采用外層碳鋼、內(nèi)層316 不銹鋼的復(fù)合管作為加熱管，流速為0.88～2.30 m3/h時(shí)，該加熱管換熱系數(shù)為98.0～208.9 W/（m2·℃），流速越大，換熱系數(shù)越高；易腐垃圾多相分解惰質(zhì)化系統(tǒng)應(yīng)用中，碳鋼不銹鋼復(fù)合管的理想加熱溫度控制在200～300 ℃，控制溫度越高，熱利用率越低；物料結(jié)焦會(huì)影響電磁加熱裝置換熱系數(shù)，在本項(xiàng)目工藝運(yùn)行條件下，5～6 個(gè)月后，熱利用率會(huì)降低至小于60%，電磁加熱在易腐垃圾多相分解惰質(zhì)化系統(tǒng)中應(yīng)用，應(yīng)努力降低物料結(jié)焦速度；本項(xiàng)目中，電磁加熱裝置的加熱線圈及控制器故障率低，因管道結(jié)焦而定期清理加熱管是主要維護(hù)事項(xiàng)，總體維護(hù)成本較低。

4 幾種加熱方式的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)加熱方式逐漸增多，目前有三大主流加熱方式，即電加熱油爐加熱、燃煤燃?xì)庹羝仩t加熱、電磁加熱。其中，電加熱油爐加熱、燃煤燃?xì)庹羝仩t加熱是傳統(tǒng)加熱方式，電磁加熱是新型加熱方式。下面分析3 種加熱方式在易腐垃圾多相分解惰質(zhì)化系統(tǒng)中應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)。

4.1 電加熱油爐加熱

電加熱油爐加熱的導(dǎo)熱油溫度一般保持在230～250 ℃，通過換熱器給物料加熱，加熱熱效率偏低，熱利用率為80%左右。其優(yōu)點(diǎn)是物料加熱均勻，但如果易腐垃圾多相分解惰質(zhì)化系統(tǒng)使用該加熱方式，加熱溫度偏低，換熱溫差小，勢(shì)必增加換熱面積和設(shè)備投資。另外，導(dǎo)熱油在高溫條件下容易氧化，壽命為2～4年，定期更換導(dǎo)熱油增加使用成本。

4.2 燃煤燃?xì)庹羝仩t加熱

我國擁有豐富的煤炭資源，使得煤炭?jī)r(jià)格較為低廉，使用燃煤鍋爐是最為經(jīng)濟(jì)的加熱方式。但是，在我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)程中，能源利用率低，環(huán)境污染日益突出，未來環(huán)境污染治理成本超乎想象。燃煤燃?xì)庹羝仩t加熱的熱利用率為85%左右，但是設(shè)備投資大，占地面積大，維護(hù)費(fèi)用高。

4.3 電磁加熱

綜合本項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，經(jīng)分析，電磁加熱效率能超過90%，其升溫速度快。電磁加熱圈本身不會(huì)產(chǎn)生熱量，而且采用絕緣材料和高溫電纜制造，具有使用壽命長、無須維修等優(yōu)點(diǎn)，減少維護(hù)時(shí)間和資金投入。電磁加熱適用溫度范圍廣，最高加熱溫度可超過1 000 ℃，行業(yè)適用范圍廣，占地面積小，清潔環(huán)保[5]。

5 結(jié)論

目前，電磁加熱已經(jīng)應(yīng)用在易腐垃圾多相分解惰質(zhì)化系統(tǒng)中，但是物料高溫結(jié)焦導(dǎo)致加熱管熱阻加大，電磁加熱熱效率會(huì)隨運(yùn)行時(shí)間增加而減小。因此，要適當(dāng)增加換熱面積，降低管壁加熱溫度，延緩結(jié)焦速度；提高加熱管內(nèi)物料流速，充分利用正向影響因素，適當(dāng)延緩物料結(jié)焦速度；可以通過機(jī)械攪拌，阻止物料結(jié)焦，控制結(jié)焦在較低水平。近幾年，電磁加熱開始應(yīng)用于垃圾處理行業(yè)，目前還處于起步階段，針對(duì)垃圾處理行業(yè)特點(diǎn)，電磁加熱配套工藝設(shè)備還需要不斷完善升級(jí)。易腐垃圾多相分解惰質(zhì)化系統(tǒng)適用于土地資源稀缺的中大型城市的中小型垃圾處理站改造，其環(huán)境要求高。電磁加熱應(yīng)用于易腐垃圾多相分解惰質(zhì)化系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)明顯，綜合熱利用率大于90%，其應(yīng)用環(huán)境清潔，占地面積小，投資較少，維護(hù)成本低。