魏佳佳
(安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,安徽 合肥 230000)
隨著生態(tài)文明的建設(shè),國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)也越來(lái)越重視,城市垃圾無(wú)害化處理也得到了越來(lái)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(wèn)題.關(guān)于垃圾的焚燒,與其他處理方式相比能更好地實(shí)現(xiàn)垃圾的無(wú)害化處理[1],且具有占地面積小、對(duì)周圍環(huán)境危害小和選址難度低等特點(diǎn),國(guó)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(shí)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(wú)害化處理.因此,對(duì)助燃配風(fēng)的研究也就顯得尤為重要.通過(guò)對(duì)垃圾焚燒爐的熱損失以及熱平衡進(jìn)行計(jì)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(shí)現(xiàn)對(duì)助燃風(fēng)機(jī)的自動(dòng)控制.應(yīng)用實(shí)例也驗(yàn)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.
針對(duì)某些未實(shí)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(wèn)題,針對(duì)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(huì)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(shí),還可以借助助燃配風(fēng)對(duì)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
為了使垃圾焚燒爐達(dá)到最佳燃燒工況,需對(duì)垃圾焚燒爐進(jìn)行熱損失計(jì)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(jì)算
假設(shè)焚燒1kg垃圾,垃圾焚燒爐的熱平衡計(jì)算公式如下所示:
qf=qa+qw+qo
(1)
(2)
其中,qf表示不計(jì)焚燒爐熱損失,固體垃圾完全燃燒時(shí)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(lái)的熱量,單位為kJ/kg;q'f表示未完全燃燒時(shí)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(shí)空氣中的煙氣溫度,單位為℃;q3表示氣體未得到充分燃燒時(shí)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(shí)產(chǎn)生的熱損失,單位為kJ/kg;q1表示焚燒爐在燃燒過(guò)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(xiàng)熱平衡計(jì)算
(3)
(4)
qo=42 915mkJ/kg
(5)
式中,m表示助燃油量,單位為L(zhǎng).
qf=VRO2(cθ)RO2+VN2(cθ)N2+VH2O(cθ)H2O+
(6)
式中,(cθ)表示顯熱,單位為kJ/m3(對(duì)氣體),J/kg(對(duì)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(wú)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(jì)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(duì)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(méi)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(guò)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(guò)一段時(shí)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(lái)計(jì)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(jì)算補(bǔ)充條件
1)以上所有計(jì)算結(jié)果均以助燃油完全燃燒為前提進(jìn)行計(jì)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.
為高熱值垃圾焚燒爐提供助燃配風(fēng)是通過(guò)助燃風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)的,助燃風(fēng)機(jī)的自動(dòng)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.
垃圾焚燒爐的助燃配風(fēng)主要是由恒壓控制來(lái)實(shí)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(shí)也與焚燒現(xiàn)場(chǎng)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(méi)有經(jīng)過(guò)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(duì)于傳送的空氣壓力來(lái)說(shuō)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(gè)控制是一個(gè)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(dòng)執(zhí)行器和風(fēng)壓檢測(cè)器構(gòu)成.電動(dòng)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(lái)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(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)行為,但是如果操作不當(dāng),就會(huì)影響整個(gè)焚燒現(xiàn)場(chǎng)的安全.在開(kāi)啟焚燒爐之前,一定要先把助燃風(fēng)機(jī)打開(kāi),在這種無(wú)負(fù)荷的情況才是最安全的.
在關(guān)閉焚燒爐時(shí),先用盲板封堵住助燃風(fēng)機(jī),以此確保焚燒爐的安全運(yùn)行.尤其要注意,在啟動(dòng)焚燒爐時(shí),助燃配風(fēng)一定不要過(guò)大,如果一時(shí)間向爐內(nèi)注入大量的空氣,會(huì)導(dǎo)致?tīng)t內(nèi)壓力過(guò)大,不易產(chǎn)生負(fù)壓,這時(shí)如果點(diǎn)火的話有可能會(huì)造成安全事故.同時(shí),過(guò)多的空氣進(jìn)入爐內(nèi)后,巨大的空氣壓力會(huì)使?fàn)t內(nèi)氧化,對(duì)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(huì)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(guò)低,將會(huì)使焚燒爐各個(gè)管道內(nèi)的煙氣倒流[9]進(jìn)入助燃配風(fēng)管道中,也會(huì)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(guò)低的空氣壓力也會(huì)導(dǎo)致助燃風(fēng)機(jī)出現(xiàn)喘震現(xiàn)象,長(zhǎng)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(lái)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).
助燃風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制模塊使用PID調(diào)節(jié)器控制來(lái)控制兩個(gè)風(fēng)機(jī)的風(fēng)口閥門(mén),并將兩個(gè)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(dòng)控制時(shí),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(huì)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(kāi)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(shí)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(kāi)度為MV′.
3)1#風(fēng)機(jī)、2#風(fēng)機(jī)同時(shí)被選中:當(dāng)調(diào)節(jié)器的輸出為MV≤20%時(shí),1#風(fēng)機(jī)的永磁調(diào)速系統(tǒng)的智能執(zhí)行器開(kāi)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(kāi)度為50%;當(dāng)PID調(diào)節(jié)器的輸出為20%≤MV≤40%時(shí),1#風(fēng)機(jī)的永磁調(diào)速系統(tǒng)的智能執(zhí)行器開(kāi)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(kāi)度為50%;當(dāng)調(diào)節(jié)器的輸出MV≥40%時(shí),1#風(fēng)機(jī)永磁調(diào)速系統(tǒng)的智能執(zhí)行器開(kāi)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(kāi)度為MV′.
4)為了確保焚燒爐可以安全穩(wěn)定的運(yùn)行,必須使用保護(hù)聯(lián)鎖裝置.當(dāng)空氣壓力過(guò)低時(shí),可將進(jìn)氣閥自動(dòng)切斷,并對(duì)管道內(nèi)輸入氮?dú)?在這段時(shí)間內(nèi),助燃風(fēng)機(jī)入口保持不變,其他各閥門(mén)均保持關(guān)閉狀態(tài),且不可操作焚燒爐的任何閥門(mén).一般進(jìn)氣總管上會(huì)設(shè)置一個(gè)氣動(dòng)調(diào)節(jié)切斷閥,當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí),該閥門(mén)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.
助燃風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制模塊主要由電動(dòng)機(jī)、永磁調(diào)速裝置、助燃風(fēng)機(jī)、電動(dòng)執(zhí)行器、風(fēng)壓檢測(cè)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(dòng)控制系統(tǒng)示意圖
PLC系統(tǒng)采用的是美國(guó)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(duì)數(shù)據(jù)采樣、燃料的燃燒情況和溫度的串級(jí)控制等操作.為了保持助燃風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行,還需要實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài),以及對(duì)焚燒設(shè)備的操控,這些都在操作臺(tái)上進(jìn)行,操作臺(tái)通過(guò)以太網(wǎng)和總控制臺(tái)進(jìn)行通訊.
為了驗(yàn)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(shí)例測(cè)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(wàn) 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(guó)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(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用其中,對(duì)投放前后能耗進(jìn)行對(duì)比.
項(xiàng)目改造前后耗電量對(duì)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(dòng)控制助燃風(fēng)機(jī)投放前后耗電量對(duì)比圖
采用自動(dòng)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(yùn)行.自6月份投放使用以來(lái),節(jié)能經(jīng)濟(jì)效果顯著.
通過(guò)將自動(dòng)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(dòng)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(dòng)量,提高了焚燒爐的利用率,年節(jié)省備件約10萬(wàn)元;按一年330個(gè)工作日計(jì)算,年可節(jié)約成本21.5萬(wàn)元.自改造以來(lái),設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行.
助燃配風(fēng)自動(dòng)控制系統(tǒng)在高熱值垃圾焚燒爐的高效運(yùn)行中起到了重要的作用,尤其是針對(duì)沒(méi)有實(shí)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(shì).本文在保持垃圾焚燒爐穩(wěn)定的熱損失及熱平衡下計(jì)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(guò)單回路閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)助燃風(fēng)機(jī)的自動(dòng)控制.應(yīng)用實(shí)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(zhǎng)焚燒爐的使用壽命.
但是該自動(dòng)控制系統(tǒng)不能完全實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化,在一定程度上還是要依賴工作人員的判斷,不能做到長(zhǎng)期全工況無(wú)人值守,仍然有很大的改進(jìn)空間.為了控制運(yùn)營(yíng)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(qiáng)對(duì)助燃風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究.