何術(shù)東,張會妍,王 濤

(上海康恒環(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濃度會上升，但此時(shí)NOX的濃度會降低；相反當(dāng)煙氣中O2濃度充足時(shí)，煙氣中的NOX濃度會升高或者超標(biāo)[2]。在焚燒爐正常運(yùn)行時(shí)，如何檢測并控制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)場對焚燒爐出口煙氣中O2濃度測量均采用直插式氧量傳感器進(jìn)行測量，測量結(jié)果粗糙且相對滯后，設(shè)備使用壽命短、須定期標(biāo)定維護(hù)。基于垃圾焚燒爐的工藝特性和對目前垃圾焚燒爐測量現(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焚燒爐出口煙氣中O2濃度測量，可以提高測量精度，及時(shí)反應(yīng)焚燒爐內(nèi)燃燒狀況，測量結(jié)果有利于指導(dǎo)運(yùn)行人員或者自動燃燒控制系統(tǒng)對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量原理及測量現(xiàn)狀分析

1.1 直插式氧量傳感器測量原理

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的驅(qū)動下，通過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。

對于測量沒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(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，可得到所測氣體中的O2濃度。

1.2 測量現(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 安裝位置對測量結(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，煙氣流過水平煙道部分時(shí)，余熱鍋爐設(shè)備對煙氣存在較大的阻力使滯后時(shí)間進(jìn)一步加大。測量儀表很難跟蹤氧氣量的快速波動，測量數(shù)據(jù)滯后，無法及時(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)行過程中，氧量傳感器測量的結(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，影響測量結(jié)果。因此當(dāng)采用直插式氧量傳感器時(shí)，無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，由于高溫也會破壞傳感器的材料，針對這一原因，在工業(yè)生產(chǎn)過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)境對測量結(jié)果的影響

由于垃圾成分復(fù)雜，垃圾在燃燒過程中產(chǎn)生大量的粉塵，焚燒爐長時(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，使儀表無法在理想的環(huán)境中工作，測量結(jié)果無法真實(shí)反映焚燒爐運(yùn)行工況。

1.2.4 測量結(jié)果的運(yùn)用

目前各項(xiàng)目現(xiàn)場對O2測量結(jié)果僅作為運(yùn)行人員調(diào)整焚燒爐燃燒狀況參考，測量數(shù)值未參與或者只是階段性的參與焚燒爐的自動燃燒控制系統(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焚燒爐出口煙氣中O2濃度測量。

2.1 可調(diào)諧二極管激光儀的測量原理

可調(diào)諧二極管激光儀是一種基于吸收光譜學(xué)的測量儀表[5]。由測量激光通過激光軸時(shí)吸收(丟失)的激光量來反應(yīng)測量的氣體濃度。分析儀產(chǎn)生紅外光的激光，用光學(xué)透鏡聚焦激光通過待測氣體，然后進(jìn)入探測器，探測器控制激光并將探測器信號轉(zhuǎn)換成電子信號以代表氣體濃度?？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。可調(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的漏入對測量的影響。

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濃度測量結(jié)果Fig.3 Measurement results of O2 concentration in three incinerators of a project in North China

2.3.1 測量及時(shí)

相對于傳統(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，測量位置相對提前了大約30m，根據(jù)水平煙道煙氣流速大約在3～4m/s，測量時(shí)間能提前7.5～10s(不考慮非正常工況)。由于選取的測量位置在各種垃圾成分和物質(zhì)剛好燃燒完全，測量的數(shù)值能精確的反映焚燒爐內(nèi)垃圾的燃燒狀況，使得測量結(jié)果更加真實(shí)。

2.3.2 測量精確

2.3.2.1 相對于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，測量位置的提前，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的溫度下安全測量O2濃度?？烧{(diào)諧二極管激光儀采用了自動增益功能，在灰塵中和大量粉塵的環(huán)境中也能保持精確的測量結(jié)果，避免了煙氣中的粉塵等因素對測量結(jié)果的影響，從而提升了O2濃度的測量精度。

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

2.3.3 測量結(jié)果的運(yùn)用

由于可調(diào)諧二極管激光儀能夠精準(zhǔn)的測量焚燒爐出口煙氣中O2濃度，此測量結(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量結(jié)果實(shí)時(shí)傳送至焚燒爐自動燃燒控制系統(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量結(jié)果經(jīng)過轉(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

針對兩種不同氧氣測量方式在垃圾焚燒行業(yè)中的實(shí)際應(yīng)用情況，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析和對比，在垃圾焚燒爐運(yùn)行過程中進(jìn)行煙氣中O2濃度測量中可優(yōu)先采用可調(diào)諧二極管激光儀進(jìn)行測量。

3.1 避免了煙氣流動過程中的因外部氧氣漏入造成的測量誤差，使測量精度更加可靠。

3.2 測量位置提前，氧氣測量值更加接近焚燒爐爐膛的真實(shí)含量。

3.3 測量結(jié)果能夠精準(zhǔn)真實(shí)的反應(yīng)焚燒爐燃燒工況，測量數(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)。