CN103423750A - 一种垃圾焚烧炉的燃烧控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种垃圾焚烧炉的燃烧控制方法，该燃烧控制方法通过检测所述垃圾焚烧炉的上下炉排温度，计算燃烧区着火点和熄火点位置，判断垃圾焚烧状态，从而调节上下炉排速度。本发明燃烧控制方法能有效降低操作人员的工作强度和能力要求，稳定垃圾焚烧炉负荷，降低了垃圾焚烧炉的热灼减率，使垃圾炉能够充分、稳定燃烧，减少了有害气体排放（二恶英等）。

Description

一种垃圾焚烧炉的燃烧控制方法

技术领域

    本发明涉及一种垃圾焚烧炉的燃烧控制方法，具体涉及一种适用于两段逆推机械式炉排焚烧炉的燃烧控制方法。

背景技术

在垃圾焚烧发电的项目应用情况看，虽然对垃圾焚烧仍存在许多人无法克服的缺点与盲点，然而用于垃圾处理至少能提供以下优点：1、减量：减少垃圾体积约80%~90%。2、去毒：使垃圾中有害物质转化成稳定的不宜分解的物质。3、资源能源的再利用：回收有用的物质与能源的回收。4、安全：垃圾焚烧是现今较安全且无危险性的方法。

由于国内特别是中小城市的没有经过分类筛选后的垃圾存在这热值低、水分大、成分复杂的问题，导致现阶段国内的垃圾焚烧都依靠操作员的经验手动操作炉排、一次风等，这就需要焚烧厂加大人员培养和人员招聘，从而推高了运营成本，且手动调整参数，很容易造成锅炉参数的波动且稳定周期变长。故需要自动控制人员研究出适合国内垃圾状况的一套控制方案。针对此情况，我公司发明了一套适合国内垃圾的自动燃烧控制系统，极大的解决了操作人员的工作强度和能力要求。

传统的垃圾自动燃烧控制是根据垃圾燃烧后生成的参数进行控制，由于垃圾燃烧具有大延迟，其延时时间根据垃圾状况和燃烧工况的不同存在较大的离散度，因此造成了自动燃烧工况的大幅度波动。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，提供一种能有效实现垃圾焚烧炉充分燃烧、稳定燃烧的控制方法。

为了达到上述目的，本发明提供了一种垃圾焚烧炉的燃烧控制方法，该燃烧控制方法通过检测所述垃圾焚烧炉的上下炉排温度，计算燃烧区着火点和熄火点位置，判断垃圾焚烧状态，从而调节上下炉排速度。

当燃烧区着火点在预设着火点之前时，加快上炉排速度；燃烧区着火点在预设着火点之后时，减慢上炉排速度；燃烧区熄火点在预设熄火点之前时，加快下炉排速度；燃烧区熄火点在预设熄火点之后时，减慢上炉排速度。

其中，着火点的炉排温度为250～300℃；熄火点的炉排温度为250～300℃。

上述对上下炉排温度的检测采用周期循环检测，从而对上下炉排的速度进行周期性调节。

本发明燃烧控制方法还通过计算垃圾焚烧炉的推料器上垃圾密度变化，调整推料器速度；当推料器上垃圾密度增大时，降低推料器速度；当推料器上垃圾密度减少时，增大推料器速度。

本发明燃烧控制方法还通过垃圾湿度，调节推料器和上炉排速度。其中，垃圾湿度通过检测所述垃圾焚烧炉的料仓底部温度进行判断；当所述料仓底部温度高时，垃圾干燥程度高，增加推料器和上炉排速度；当所述料仓底部温度低时，垃圾干燥程度低、湿度大，减慢推料器和上炉排速度。

本发明燃烧控制方法还通过检测垃圾焚烧炉的氧量，调节一次风量和二次风量。其中氧量通过设置在垃圾焚烧炉的余热锅炉末端的氧化锆进行测量。

本发明相比现有技术具有以下优点：本发明通过实时检测焚烧炉内焚烧参数代替现有垃圾燃烧后生成参数，通过这种超前信号对燃烧进行控制调节，解决了垃圾炉大延迟过程的稳定控制难题，实现了垃圾炉充分燃烧、稳定燃烧的控制目标。本发明燃烧控制方法能有效降低操作人员的工作强度和能力要求，稳定垃圾焚烧炉负荷，降低了垃圾焚烧炉的热灼减率，使垃圾炉能够充分、稳定燃烧，减少了有害气体排放（二恶英等）。

附图说明

图1为本发明垃圾焚烧炉的结构示意图；

图2为图1中上、下炉排金属温度计的安装位置示意图；

图3为垃圾燃烧区的位置示意图；

图4为预设着火点位置与垃圾低位发热量（LHV）的关系曲线图；

图5为预设熄火点位置与垃圾低位发热量（LHV）的关系曲线图；

图6为上、下炉排速度调节规则表； 

图7为上、下炉排速度调节流程图；

图8为料仓内垃圾高度对入炉垃圾密度的补偿曲线图；

图9为料仓底部温度对推料器和上炉排速度的补偿曲线图；

图10为氧量对一次风量的补偿曲线图；

图11为本发明燃烧控制方法的设备基础值计算框图；

图12为本发明燃烧控制方法的控制关系图；

图13为采用本发明燃烧控制方法时，焚烧炉炉膛24小时内温度变化曲线图。

图中，1-抓斗，2-料仓，21-超声波料位计，3-推料器，4-料仓底部，5、6-上炉排金属温度计，7、8-下炉排金属温度计，9-余热锅炉，91-余热锅炉末端。

具体实施方式

    下面结合附图对本发明垃圾焚烧炉的燃烧控制方法进行详细说明。

如图11所示，本发明首先基于垃圾低位发热量（LHV）、主蒸汽流量、基础垃圾密度、空气过量系数、锅炉效率和室外温度等输入参数结合能量平衡，计算出推料器速度、炉排速度、一次风量、二次风量等参数的基础值。其中基础垃圾密度根据抓斗抓满垃圾时的密度计算平均值。

采用本发明自动燃烧控制方法的自动燃烧控制系统（ACC）基础值计算方法：

1) ACC输入数据

垃圾 LHV                  （当前值） 

垃圾产出蒸汽量            （目标值） 

垃圾密度                     （当前值） 

空气过量系数             （当前值） 

锅炉效率                 （当前值）

室外温度                 （前5天气温平均值）

      LHV为当前操作员估计值。

依据上面提到的设定值，通过计算得出以下的参数：

2) ACC输出数据

a、垃圾热量(MJ/h) 

Q = Hws×Frs×Leb

Q:   垃圾热量(MJ/h)

Hws:给水-蒸汽的焓增加值(MJ/t)

Frs:垃圾对应的蒸汽流量(t/h)

Leb:锅炉效率的倒数

b、垃圾重量(t/h) 

Wre = Q / (1000×LHV)

Wre:      垃圾重量(t/h)

Q:   垃圾热量(MJ/h)

LHV:垃圾低位热值(MJ/kg)

c、垃圾体积(m³/h) 

Vre = Wre / Sg

Vre:       垃圾体积 (m³/h)

Wre:垃圾重量(t/h)

Sg:  垃圾密度 (t/m³)

d、室外温度系数 

Kto = F(x)

Kto: 室外温度系数

x: 室外温度(℃)

F(x) : 室外温度系数

e、垃圾给料基础速度 (m/h) 

Fre = Vre / (Sre× Kto)

Fre:垃圾给料的基础速度(m/h)

Sre:推料器实际作用面积（m²）

Kto: 室外温度系数

f、过量空气系数

Kao = F (x)

Kao:过量空气系数设定值

x: LHV

F(x) : 过量空气系数

g、基础空气流量      

Fa = F(x)×Kao×Q×Kto

Fa:基础空气流量

x: LHV

F(x):热量空气量比率系数(m³N/MJ)

Kao: 空气过量系数

Q:垃圾热量(MJ/h)

Kto: 室外温度系数

h、一二次风比例

Ce = F(Fa)

Fa:基础空气流量

F(Fa):一二次风比例系数

i、炉排速度基础(c/h)

Gre = Fre / Lg

Gre:炉排基础速度(c/h)

Fre:垃圾给料的基础速度(m/h)

Lg:每次炉排前进时垃圾前进距离(m/c)

j、各段炉排速度基础比

上炉排：下炉排=1： 0.4~0.6

注：以上基础比区间是ACC调整的范围。

本发明实现了垃圾焚烧炉各个主要运行参数的计算。其中ACC输入数据都是需要ACC调试工程师根据现场实际情况和锅炉参数进行设置。由于室外温度对垃圾发酵影响较大，且在冬季和夏季的垃圾的含水状况相差较大，导致风量和给料速度、炉排速度的基础值有较大差别。本发明采用充分考虑了各参数的影响，对设备进行控制调节，参见图12。计算出的推料器速度、上炉排速度、下炉排速度经过ACC程序转换成炉排和推料器的启动和停止信号，信号进入炉排就地液压控制柜。计算出的一次风量和二次风量作为一二次风机调速或者一二次风门挡板开度PID调节的设定值，信号进入DCS（分散控制系统）。

如图12所示，在垃圾焚烧炉工作过程中，根据上、下炉排温度判断燃烧状态，调节上、下炉排速度；根据氧量调节一次风量和二次风量；根据入炉垃圾密度调节推料器速度；根据料仓温度估计垃圾湿度，调节推料器和上炉排速度。

结合图1，通过排炉金属温度计测量上、下排炉温度。使用上炉排金属温度计5、6算出垃圾着火点的位置，下炉排金属温度计7、8算出垃圾熄火点的位置。由于炉排温度测点的不连续，着火点和熄火点的位置并不能真实的被反映，需将其进行模糊化处理。设置上炉排上端为0m位置，下炉排下端为Lm位置。上炉排温度共设置4个上炉排金属温度计，上方2个、下方2个均匀布置，分别为Tu1、Tu2、Tu3、Tu4。Tu1、Tu2安装在L1位置处，Tu3、Tu4安装在L2位置处。下炉排共设置4个下炉排金属温度计，上方2个、下方2个均匀布置，分别为Td1、Td2、Td3、Td4。Td1、Td2安装在L3位置处，Td3、Td4安装在L4位置处。布置位置参见图2。对Tu1、Tu2检测的温度进行二值优选（对无效值剔除，有效值取均值；下同），优选后温度值为Tu12；对Tu3、Tu4检测的温度进行二值优选，优选后温度值为Tu34；对Td1、Td2检测的温度进行二值优选，优选后温度值为Td12；对Td3、Td4检测的温度进行二值优选，优选后温度值为Td34。

结合图3，根据检测到的上下炉排温度对燃烧区进行燃烧状态判断。其中垃圾起火点是垃圾干燥完成后，开始燃烧的分界点；垃圾熄火点是垃圾燃烧完毕的分界点。垃圾起火一次风有两个作用：一、对炉排上的垃圾助燃，二、对炉排进行冷却。如果炉排上垃圾没有干燥完全或者较湿的情况下，则其炉排的温度会较低；如果炉排上垃圾正在燃烧，则其炉排的温度会较高。如果炉排上垃圾燃烬的情况下，则其炉排的温度也会较低。由于一次风温度对炉排温度的影响较大，故炉排温度需要减去一次风温度，才能反映出炉排温度准确的变化率。因此下文中排炉温度Tu12、Tu34、Tus、Td12、Td34、Tds等温度值均为实际检测值减去一次风温度（一次风温度使用焚烧炉的现有参数，具体为一次风预热器出口风温）。

对于着火点位置可以做如下处理，若操作员设定着火点炉排金属温度为Tus度(250℃~300℃均可)，则着火点位置Lfire=L1+(L2-L1)/(Tu34-Tu12)×(Tus-Tu12)。

当Tu12>Tu34时，垃圾着火点在Tu12安装位置（如Tu12取值为Tu1和Tu2检测值的均值，则Tu12的安装位置在Tu1和Tu2之间；若Tu12为剔除无效值后取值，则Tu12的安装位置为有效值的安装位置Tu1或Tu2；下同）之前。

对于熄火点位置可以做如下处理，若操作员设定熄火点炉排金属温度为Tds度(250℃~300℃均可)，熄火点位置Lfout=L3+(L4-L3)/(Td12-Td34)×(Td12-Tds)。

当Td12<Td34时，垃圾熄火点在Tu34安装位置之后。

根据垃圾LHV设定着火点基础位置Lfset（预设着火点位置）（参见图4）和熄火点的基础位置Loset（预设熄火点位置）（参见图5）。以下炉排下端L为12m为例：当LHV在2-3MJ/kg时，Lfset在5m处，Loset在11m处；当LHV在3-6MJ/kg时，Lfset在5m至3m之间呈类似线性变化；当LHV在2-5.5MJ/kg时，Loset在11m至9m之间呈类似线性变化；当LHV在5.5-6MJ/kg时，Loset在9m至8m之间呈类似线性变化；当LHV在6-7MJ/kg时，Lfset在3m处，Loset在8m处。根据炉排温度计算出来的着火点位置Lfire—_Lfset<△Lf1（工程师设定的着火点位置差值，△Lf1取-1~0之间均可，下同），表示垃圾着火点位置上移，垃圾干燥状况较好，垃圾热值较高。当△Lf1<Lfire—Lfset<△Lf2（工程师设定的着火点位置差值，△Lf2取0~1之间均可，下同），表示垃圾着火点位置正常，垃圾干燥状况正常，垃圾热值正常。当Lfire—Lfset>△Lf2，表示垃圾着火点位置下移，垃圾干燥状况较差，垃圾热值较低。

    根据炉排温度计算出来的着火点位置Lfout—Loset<△Lo1（工程师设定的熄火点位置差值，△Lo1取-1~0之间均可，下同），表示垃圾熄火点位置上移，垃圾燃烧状况较好，燃烬率较高。当△Lo1<Lfout—Loset<△Lo2（工程师设定的熄火点位置差值，△Lo2取0~1之间均可，下同），表示垃圾熄火点位置正常，垃圾燃烧状况正常，燃烬率正常。当Lfout—Loset>△Lo2，表示垃圾熄火点位置下移，垃圾燃烧状况较差，燃烬率较低。

通过以上的两个位置的描述，可以描述燃烧区的状态为：扩大、缩小、上移、下移、正常五个状态。根据这五个状态，调整上炉排和下炉排的速度，进而调整垃圾燃烧状况。

如果垃圾实际着火点在预设着火点之前，说明垃圾着火靠前，垃圾干燥的较快，可以加快上炉排速度；如果垃圾实际着火点在预设着火点之后，说明垃圾着火靠后，垃圾干燥的较慢，可以减慢上炉排速度。

如果垃圾实际熄火点在预设熄火点之前，说明垃圾燃烧靠前，垃圾燃烧的较快，可以加快下炉排速度；如果垃圾实际熄火点在预设熄火点之后，说明垃圾燃烧靠后，垃圾燃烧的较慢，可以减慢下炉排速度。

其中，对上、下炉排的速度调节可在1%-10%之间（本发明均选取5%的调节比例，较为适中）。

由于国内垃圾的水分含量较大，燃烧延迟时间较长，每次设备调节后的效果不能在预计时间内在相应的参数内反映出来，所以本发明采用控制方法采用周期循环检测动作的控制策略。

结合图7，方法如下：

1、自动燃烧控制系统进行初始化检测；

2、系统根据炉排温度计算着火点和熄火点的位置；

3、系统根据预设着火点和预设熄火点的位置，判断当前垃圾燃烧所属的燃烧区状态；

4、根据设计的控制规则表（参见图6），调节相应设备的动作方向和大小；

5、调节设备动作完毕后，系统等待一个周期T（范围在30s~600s之间均可）；

6、重复第2步的程序。

同时由于进入炉膛内的垃圾状况不稳定，故有可能在某一个时刻的垃圾密度或者含水率很高，形成比较紧密的一团，这样的垃圾进入炉排上，不管是干燥或者燃烧，都是不利的。如果这时垃圾密度较高或较湿的话，垃圾的干燥和燃烧都会受到影响，由于这样的垃圾干燥时间较长，而之前的垃圾又已经燃烧完，在这个时间差中，就会有一个焚烧炉燃烧相对低的状态出现，这时的炉温和蒸汽流量都是下降的，也不利于炉膛蓄热的利用。在这样的垃圾干燥完之后，燃烧产生的热量要比之前垃圾产生的热量要高，又会使炉温和蒸汽流量都有一个上升的阶段。密度大、水份大的垃圾会导致炉膛燃烧极不稳定，炉温和蒸汽流量都会有一个明显的下降和上升的趋势，且幅度较大。极大的不利于垃圾炉的燃烧控制，往往操作员需要很长时间的调整，才能使炉膛燃烧稳定。

对垃圾密度的修正：而入炉的垃圾密度（即推料器3上的垃圾密度）与垃圾料仓2内垃圾的高度有关，料仓2内垃圾越高，在推料器上的垃圾密度就越大，推料器每前进1m所推进炉膛的垃圾量就越多，后续炉排上的垃圾燃烧产生的热量就越多。推料器每前进1m所推进炉膛的垃圾量与推料器上的垃圾密度有很大关系，这直接影响到了给料的稳定度，对自动燃烧控制有极大地影响。本发明提出了一种在线修正垃圾密度的方法。图1中垃圾被抓斗1从垃圾坑运送到垃圾溜槽中，抓斗的抓满垃圾的体积Vre，抓斗内的垃圾重量Mre，抓斗中的垃圾密度Sg=Mre/Vre，将每5次的垃圾密度进行平均化，得出近5次的垃圾密度平均值，为当前的基础垃圾密度。通过设置在料仓2上端的超声波料位计21，检测料仓内垃圾高度，根据图8得到修正系数Kgd，对垃圾密度进行修正，则实际进入炉膛内的垃圾密度Sgs=Sg×Kgd。经过修正后的垃圾密度能准确的反映出入炉垃圾的变化，从而调整推料器3的速度（可将基础推料器速度除以修正系数Kgd）。当推料器上的垃圾密度大时，应降低推料器速度，反之，亦然。这样可以使进入炉膛的垃圾量处于相对平稳的水平，消除由于垃圾量变化引起的蒸汽量的波动。

对垃圾湿度的调整：上炉排的干燥段主要作用是将潮湿的垃圾干燥，垃圾的湿度直接影响其干燥的速度和时间。较湿的垃圾会延长干燥时间，延后垃圾燃烧的起火点位置，对燃烧不利。在本发明中通过对料仓底部4垃圾进行温度检测间接反映出湿度大小，如图1所示。原理为：处于料仓底部4的垃圾会被炉膛火焰辐射干燥，干燥程度越高，则料仓温度也越高，垃圾在上炉排上干燥的时间相对减少，这样推料器和上炉排的速度则要增加。主要作用：1、延后着火点位置，控制燃烧区位置；2、保证推料量的稳定。

根据现场实际运行参数，自动燃烧控制调试人员反复调试后，确定料仓底部温度对推料器和上炉排速度的补偿系数曲线，如图9所示。通过补偿系数，调整推料器和上炉排速度（将基础推料器速度和基础上炉排速度乘以补偿系数），由此实时修正垃圾的推料量及垃圾的干燥速度。防止因为垃圾含水率过高导致垃圾干燥不透或者含水率过低导致垃圾燃烧过早、干燥风过量冷却炉膛。

对氧量调节：焚烧炉氧量参数大多数是取自余热锅炉末端的氧化锆测量信号，如果其波动较为频繁，需做滤波处理。氧量对一次风量和二次风量均有补偿作用。

二次风的作用包括：1、有利于炉内可燃物质的燃尽；2、高速的二次风喷射入炉内产生气体的扰动，延长了烟气在炉内的停留时间，有利于降低污染物的排放；3、炉温较高时，冷却炉膛。故在一般垃圾焚烧电厂在焚烧炉燃烧情况较好时，或者炉温较高时投入，往往忽略了其加强烟气扰动，延长高温烟气停留时间的作用。当炉温高于800℃时，就可以适当的投入二次风。

烟气中氧气含量反映的是垃圾燃烧所消耗的空气量，直接反映了炉膛内垃圾燃烧的状况。当燃烧状况好、炉膛温度高的情况下，耗氧量也会高，排烟中的含氧量就会低。当燃烧状况差、炉膛温度低的情况下，耗氧量也会低，排烟中的含氧量就会高。

当焚烧炉投入二次风时，可用氧量PID调节器控制二次风量修正值，此修正值需要高限，例如不能大于基准值的50%。氧量PID的设定值为操作员手动设定，范围为6%~8%。

当焚烧炉未投入二次风时，如图10所示，可用氧量修正一次风量，将基础一次风量乘以修正参数。

本发明通过超前信号解决了垃圾炉大延迟过程的稳定控制难题，实现了垃圾炉充分燃烧、稳定燃烧的控制目标。传统的垃圾自动燃烧控制是根据垃圾燃烧后生成的参数进行控制，由于垃圾燃烧具有大延迟，其延时时间根据垃圾状况和燃烧工况的不同存在较大的离散度，因此造成了自动燃烧工况的大幅度波动。本发明方案在工程应用中，达到降低了操作人员的工作强度和能力要求，稳定垃圾焚烧炉负荷的作用，降低了垃圾焚烧的热灼减率和减少有害气体排放（二恶英等）。

采用本发明燃烧控制方法的ACC自动焚烧系统投入效果：

如图13所示为垃圾焚烧炉炉膛温度24小时的温度曲线，期间炉温最大值为1181.75度，最小值为827.00度。在未有操作员操作推料、炉排和一二次风量的情况下，仅靠ACC自动调整推料、炉排速度和一二次风量大小，炉温稳定在1000度左右。24小时内炉温处于850度以下的时间约为30分钟，实现了垃圾炉充分燃烧、稳定燃烧的控制目标，有效降低了有害气体二恶英的排放，解决了垃圾炉大延迟过程的稳定控制难题。

Claims (8)

1.一种垃圾焚烧炉的燃烧控制方法，其特征在于：所述燃烧控制方法通过检测所述垃圾焚烧炉的上下炉排温度，计算燃烧区着火点和熄火点位置，判断垃圾焚烧状态，从而调节上下炉排速度。

2.根据权利要求1所述的燃烧控制方法，其特征在于：所述燃烧区着火点在预设着火点之前时，加快上炉排速度；所述燃烧区着火点在预设着火点之后时，减慢上炉排速度；所述燃烧区熄火点在预设熄火点之前时，加快下炉排速度；所述燃烧区熄火点在预设熄火点之后时，减慢上炉排速度。

3.根据权利要求2所述的燃烧控制方法，其特征在于： 所述着火点的炉排温度为250～300℃；所述熄火点的炉排温度为250～300℃。

4.根据权利要求1所述的燃烧控制方法，其特征在于：所述对上下炉排温度的检测采用周期循环检测，从而对上下炉排的速度进行周期性调节。

5.根据权利要求1所述的燃烧控制方法，其特征在于：所述燃烧控制方法通过计算所述垃圾焚烧炉的推料器上垃圾密度变化，调整推料器速度；当所述推料器上垃圾密度增大时，降低推料器速度；当所述推料器上垃圾密度减少时，增大推料器速度。

6.根据权利要求1所述的燃烧控制方法，其特征在于：所述燃烧控制方法通过垃圾湿度，调节推料器和上炉排速度。

7.根据权利要求6所述的燃烧控制方法，其特征在于：所述垃圾湿度通过检测所述垃圾焚烧炉的料仓底部温度进行判断；当所述料仓底部温度高时，垃圾干燥程度高，增加推料器和上炉排速度；当所述料仓底部温度低时，垃圾干燥程度低、湿度大，减慢推料器和上炉排速度。

8.根据权利要求1所述的燃烧控制方法，其特征在于：所述燃烧控制方法通过检测所述垃圾焚烧炉的氧量，调节一次风量和二次风量。

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