CN106765134B - 一种基于垃圾热值的炉拱联动调节焚烧装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于垃圾热值的炉拱联动调节高效焚烧装置，包括机械炉排炉、可移动后拱辐射板系统、控制系统、分布于机械炉排炉内的温度传感器、设置在汽包处的压力传感器和流量传感器，可移动后拱辐射板系统设置于机械炉排炉内的后拱处，所述控制系统分别与温度传感器和可移动后拱辐射板系统电连接，用于根据温度传感器采集的炉膛温度及正平衡法反推得到的入炉垃圾平均热值自适应地进行可移动后拱辐射板系统的高度位置调节、升温调节和压火调节，使炉温保持在预设范围之内。本发明还公开了一种基于垃圾热值的炉拱联动调节高效焚烧方法。本发明燃烧效率高，环保效果好，操作性好，初建和运行成本低，适合于大、中、小规模处理量的城市生活垃圾焚烧。

Description

一种基于垃圾热值的炉拱联动调节焚烧装置及方法
技术领域
本发明涉及垃圾焚烧方法及焚烧炉，尤其涉及一种热值适应性广、燃料燃烧充分、低污染的炉拱联动调节焚烧方法及装置。
背景技术
垃圾围城是各国城市普遍面临的问题。一方面随着生活水平的提高垃圾产量逐年增长；另一方面城市化进程加快，城市面积不断扩大，导致垃圾处理用地问题极为严峻。城市生活垃圾的处理在能源与环境领域愈加备受关注。目前，城市生活垃圾焚烧发电是垃圾无害化、减量化、资源化处理的重要方式。
与西方发达国家相比，我国垃圾焚烧起步较晚，大型垃圾焚烧炉的核心技术和关键部件仍掌握在国外供应商手中；且我国垃圾并未进行分类处置，导致进炉垃圾热值波动大、水分含量高、组分复杂，引进技术对于我国垃圾适应性不足。因此研究和发展适合我国垃圾的焚烧技术，具有重要的现实意义和经济价值。
炉膛后拱是影响垃圾焚烧炉内燃烧稳定性、完全性以及炉内流场的关键因素。Yang.Y.B在Mathematical modeling of MSW incineration on a traveling bed中提出，湿垃圾在炉排上干燥和挥发分释放过程所需的热量一部分来自一次风的对流传热，另一部分则来自炉膛火焰和炉拱的辐射热。赖志燚等在《前、后拱和二次风对垃圾焚烧炉燃烧影响研究》中认为，机械炉排炉后拱区的温度较高，强烈的热辐射效应有利于湿垃圾的干燥、热解，对于维持炉内的稳定燃烧和较低污染物排放具有重要的作用。李秋华等在《垃圾焚烧炉炉拱改造与燃烧优化的数值模拟》中指出，降低后拱高度使炉膛火焰中心前移，对床层的辐射强度增加，提高对湿垃圾的干燥能力，使挥发分释放和着火提前，保证垃圾的充分燃烧。段翠九等在《垃圾焚烧炉后拱高度的数值模拟》中指出，机械炉排炉后拱的高度是影响炉膛流场的主要影响因素之一，随着后拱高度增加前拱下方处的涡流强度先增加，涡流强度越大越有利于前拱处入炉垃圾的干燥和热解。但当后拱高度达到一定值，随后拱高度增加，前拱下方处涡流强度开始减弱，直到涡流完全消失，对垃圾的焚烧产生不利影响。
我国的城市生活垃圾有水分含量高、热值偏低、组分随季节变化、燃烧不稳定等特点。在某些地区有时需要添加燃油助燃，增加了运行的成本。另外垃圾热值随来源、季节的不同存在较大幅度的波动，在没有辅助燃料的情况下，低热值垃圾燃烧不够稳定，燃烧效率波动幅度较大。因此，有必要针对我国的城市生活垃圾特点研究适应性强的垃圾焚烧技术和方法。
发明内容
基于上述技术问题，本发明提供了一种装置简单、基于垃圾热值的炉拱联动调节高效焚烧方法及装置，目的在于克服城市生活垃圾的较大热值波动带来的问题，节约助燃油，有效降低运行成本，高效低污染地焚烧垃圾。
本发明通过如下技术方案实现：
一种基于垃圾热值的炉拱联动调节高效焚烧装置，包括机械炉排炉，所述机械炉排炉主要由焚烧炉膛、机械炉排、烟道、前拱、垃圾入口、排渣口和左右侧墙包围而成，还包括可移动后拱辐射板系统、控制系统、分布于机械炉排炉内的温度传感器、设置在汽包处的压力传感器和流量传感器，所述可移动后拱辐射板系统设置于机械炉排炉内的后拱处，所述控制系统分别与温度传感器和可移动后拱辐射板系统电连接，用于根据温度传感器采集的炉膛温度及正平衡法反推得到的入炉垃圾平均热值自适应地进行可移动后拱辐射板系统的高度位置调节、升温调节和压火调节，使炉温保持在预设范围之内。
进一步地，所述可移动后拱辐射板系统包括后拱辐射板、端部横板、液压升降装置、两个竖直设置的升降室，两个升降室分别一上一下地设置于烟道后侧壁及炉膛后端底部，所述后拱辐射板两端分别伸入两个升降室形成直线移动副，所述液压升降装置位于下方的升降室内且与所述后拱辐射板下端驱动连接，液压升降装置支撑着端部横板，能带动整个后拱辐射板上下运动。
进一步地，所述的后拱辐射板包括平行后拱内壁的斜面辐射板、分别竖直设置于所述斜面辐射板上下端的竖直辐射板，两竖直辐射板分别伸入两个升降室内形成直线移动副，所述后拱辐射板为耐火材料制成，其发生的动作方向在竖直面上，斜面辐射板仅发生竖直方向上的位移，水平方向不发生位移。
进一步地，所述竖直辐射板的自由端设置有宽度小于所述升降室宽度的端部横板，所述升降室的出口处相对地设置有与所述竖直辐射板滚动配合的固定滚轮，固定滚轮位于升降室近出口处，可做自由滚动，主要起约束竖直辐射板保持竖直姿态的作用。
进一步地，所述的温度传感器分别布置在前拱内壁，后拱内壁，侧墙内壁和烟道内壁面的高度中间值处。
一种基于所述的炉拱联动调节高效焚烧装置的炉拱联动调节高效焚烧方法，包括步骤：
(1)垃圾经垃圾入口的给料机进入炉排上方，一次风从炉排风室吹入炉膛；
(2)采集平均汽包压力、平均蒸汽流量等运行参数，实时测量炉膛温度、炉拱位置温度参数，根据炉膛温度随时间的变化计算采集周期内平均炉膛温度；
(3)根据平均汽包压力、平均蒸汽流量和入炉垃圾质量，用正平衡法反推，计算采集周期内入炉燃料释放的热量，从而计算出入炉垃圾平均热值；
(4)以入炉垃圾平均热值和平均炉膛温度为控制输入参数，以后拱辐射板的竖直高度为控制输出量，建立二输入一输出的模糊控制器，每隔一个采集周期就输出一次控制信号，控制后拱辐射板做竖直方向位移；
(5)控制系统向液压升降装置发出控制信号，液压升降装置响应，抬升或下降，带动后拱辐射板发生位移动作，到达适应入炉垃圾热值的对应高度，增强或减弱对床层的辐射强度，使火焰中心前移或后移，调节对湿垃圾的干燥能力以及挥发分析出位置、垃圾燃尽位置等炉排燃烧参数；
(6)炉拱位置温度在运行中保持在预设范围值内，在炉拱位置温度低于下限值的工况下，除了后拱辐射板高度降到最低位置之外，还打开升温调节：喷燃油助燃，使炉温回升至正常范围；在炉拱位置温度超过上限值的过热工况下，除了后拱辐射板高度升到最高位置之外，还进行料层加厚、适当加快炉排速度、适量关小分段送风调节挡板进行压火调节，使炉温回落至预设范围之内；
(7)焚烧炉膛内的垃圾经过一次风加热和后拱辐射板的辐射加热作用，完成干燥脱水、挥发分析出、着火燃烧过程，随后进入固定碳燃烧和燃尽阶段，产生的烟气流向焚烧炉膛的出口，从而完成整个燃烧充分的垃圾焚烧过程。
进一步地，步骤(4)中所述建立二输入一输出的模糊控制器的步骤具体包括：控制器对二输入的入炉垃圾平均热值和炉膛温度分别模糊量化为5 个等级，并对二输入量各5个等级所有排列组合相应的控制量列出矩阵形式的控制查询表，每个采集周期中，控制器根据模糊量化的二输入量，查表得该输入下的最佳高度等级值，并与当前高度值对比后计算出后拱辐射板位移量，作为输出去控制被控对象。
进一步地，步骤(4)中所述的采集周期长度根据用户指定的后拱辐射板调节频率自行设定。
进一步地，步骤(3)中计算出入炉垃圾平均热值具体为：
q＝ηD×[h(p)-h0]/M
式中：q——垃圾平均热值；
η——焚烧炉膛综合热效率；
h(p)——汽包蒸汽焓值，为汽包压力p的函数；
h0——锅炉给水焓值；
D——汽包蒸汽流量；
M——入炉垃圾质量。
进一步地，步骤(6)中所述炉拱位置温度在运行中保持在850～950℃范围内。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明以改善低热值垃圾的燃烧和提高焚烧炉对垃圾热值波动的适应能力为目的，当含水量大、热值低于设计热值的垃圾入炉以后，原本导致着火点靠后、燃烧不稳定的问题，可以通过调低后拱辐射板的高度，增强后拱辐射板的辐射与炉内涡流强度，极大地改善对湿垃圾的干燥能力，使干燥和着火提前，保证垃圾的稳定燃烧，从而节约了助燃燃油，降低垃圾处理的运行成本；
(2)当含水量低、热值高于设计热值的垃圾入炉以后，通过调高后拱辐射板的高度，减弱炉墙后拱对炉排床层的强烈辐射，避免垃圾过早燃尽将机械炉排暴露在高温辐射下遭到高温腐蚀，保护了机械炉排，降低停机风险和维护成本；
(3)在燃烧高热值垃圾时，后拱辐射板抬升高度，减弱对床层的强烈辐射，能够削弱热力型NOx生成所需的高温条件，控制热力型NOx的生成；
综合以上，本发明技术有手段简便易行、燃烧垃圾效率高、可调性好、节约成本的优点，可广泛地适用于城市生活垃圾处理领域和其他适用的工业领域，应用前景较广。
附图说明
图1为本发明有可移动后拱系统的炉排炉的结构图。
图2为本发明控制系统的运行框图。
图中：1-垃圾入口；2-前拱；3-烟道；4-升降室；5-固定滚轮；6-后拱辐射板；7-竖直辐射板；8-端部横板；9-液压升降装置；10-机械炉排。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
实施例一
如图1所示，一种基于垃圾热值的炉拱联动调节高效焚烧装置，包括机械炉排炉、可移动后拱辐射板系统、控制系统、分布于机械炉排炉内的温度传感器、设置在汽包处的压力传感器和流量传感器，所述机械炉排炉主要由焚烧炉膛、机械炉排10、烟道3、前拱2、垃圾入口1、排渣口和左右侧墙包围而成，所述垃圾入口1为待焚烧垃圾进入炉膛的界面，前拱2为一段倾斜炉墙，烟道3为垃圾析出的挥发分、飞灰与一次风、二次风混合、上升的通道。所述可移动后拱辐射板系统设置于机械炉排炉内的后拱处，所述控制系统分别与温度传感器和可移动后拱辐射板系统电连接，用于根据温度传感器采集的炉膛温度及根据汽包得到的入炉垃圾平均热值自适应进行可移动后拱辐射板系统的高度位置调节、升温调节和压火调节，使炉温保持在预设范围之内。
具体而言，所述可移动后拱辐射板系统包括后拱辐射板6、端部横板8、液压升降装置9、两个竖直设置的升降室4，两个升降室4分别一上一下地设置于烟道后侧壁及炉膛后端底部，所述的后拱辐射板6包括平行后拱内壁的斜面辐射板、分别竖直设置于所述斜面辐射板上下端的竖直辐射板7，两竖直辐射板7分别伸入两个升降室4内形成直线移动副，所述后拱辐射板为耐火材料制成，其发生的动作方向在竖直面上，斜面辐射板仅发生竖直方向上的位移，水平方向不发生位移。所述液压升降装置位于下方的升降室4内且与所述后拱辐射板6下端驱动连接，液压升降装置支撑着端部横板，能带动整个后拱辐射板上下运动。
另外，所述竖直辐射板7的自由端设置有宽度小于所述升降室4宽度的端部横板8，所述升降室4的出口处相对地设置有与所述竖直辐射板7滚动配合的固定滚轮5，固定滚轮位于升降室近出口处，并且在端部横板8的竖直行程范围之外，可做自由滚动，主要起约束竖直辐射板保持竖直姿态的作用，端部横板8可以起到限制后拱辐射板移动行程的作用。
本实施例中，所述的温度传感器分别布置在前拱内壁，后拱内壁，侧墙内壁和烟道内壁面的高度中间值处，如在炉膛壁面距离炉排2.5-3米处设炉膛温度传感器；在炉拱与烟道结合处设炉拱位置温度传感器；汽包处设压力传感器，汽包出口处设流量传感器。
实施例二
如图2所示，一种基于所述的炉拱联动调节高效焚烧装置的炉拱联动调节高效焚烧方法，包括步骤：
(1)垃圾经垃圾入口1的给料机进入炉排上方，一次风从炉排风室吹入炉膛；
(2)采集平均汽包压力、平均蒸汽流量等运行参数，实时测量炉膛温度T1、炉拱位置温度T2，根据炉膛温度随时间的变化计算采集周期内平均炉膛温度；
(3)实时测量汽包压力p、汽包蒸汽流量D、入炉垃圾质量M等数据，根据平均汽包压力、平均蒸汽流量和入炉垃圾质量，用正平衡法反推，计算采集周期内入炉燃料释放的热量，从而计算出入炉垃圾平均热值；
(4)以入炉垃圾平均热值和平均炉膛温度为控制输入参数，以后拱辐射板 6的竖直高度为控制输出量，建立二输入一输出的模糊控制器，每隔一个采集周期就输出一次控制信号，控制后拱辐射板6做竖直方向位移；
(5)控制系统向液压升降装置9发出控制信号，液压升降装置9响应，抬升或下降，带动后拱辐射板6发生位移动作，到达适应入炉垃圾热值的对应高度，增强或减弱对床层的辐射强度，使火焰中心前移或后移，调节对湿垃圾的干燥能力以及挥发分析出位置、垃圾燃尽位置等炉排燃烧参数；
(6)炉拱位置温度在运行中保持在850～950℃范围内，在炉拱位置温度低于850℃的工况下，除了后拱辐射板6高度降到最低位置之外，还打开升温调节：喷燃油助燃，使炉温回升至正常范围；在炉拱位置温度超过950℃的过热工况下，除了后拱辐射板6高度升到最高位置之外，还进行料层加厚、适当加快炉排速度、适量关小分段送风调节挡板进行压火调节，使炉温回落至预设范围之内；
(7)焚烧炉膛内的垃圾经过一次风加热和后拱辐射板6的辐射加热作用，完成干燥脱水、挥发分析出、着火燃烧过程，随后进入固定碳燃烧和燃尽阶段，产生的烟气流向焚烧炉膛的出口，从而完成整个燃烧充分的垃圾焚烧过程。
具体而言，步骤(4)中所述建立二输入一输出的模糊控制器的步骤具体包括：控制器对二输入的入炉垃圾平均热值和炉膛温度分别模糊量化为5 个等级，并对二输入量各5个等级所有排列组合相应的控制量列出矩阵形式的控制查询表，每个采集周期中，控制器根据模糊量化的二输入量，查表得该输入下的最佳高度等级值，并与当前高度值对比后计算出后拱辐射板6位移量，作为输出去控制被控对象。
具体而言，步骤(4)中所述的采集周期长度根据用户指定的后拱辐射板6 调节频率自行设定。
具体而言，步骤(3)中计算出入炉垃圾平均热值具体为：
q＝ηD×[h(p)-h0]/M
式中：q——垃圾平均热值；
η——焚烧炉膛综合热效率；
h(p)——汽包蒸汽焓值，为汽包压力p的函数；
h0——锅炉给水焓值；
D——汽包蒸汽流量；
M——入炉垃圾质量。
步骤(4)中，以炉膛温度和入炉垃圾平均热值为输入参数，后拱辐射板高度为输出参数，建立二输入一输出的模糊控制器。
系统的输入模糊量包括：
A.炉膛温度(FT)：基本论域为[850℃，950℃]，量化为5个等级[-2，-1,0,1,2]，对应的温度为[低，较低，中等，较高，高]；
B.入炉垃圾平均热值(VU)：基本论域为[6000kJ/kg,10000kJ/kg]，量化等级范围为[-2，-1,0,1,2]，对应的垃圾热值为[低，偏低，设计，偏高，高]；
系统的输出量为:
C.后拱辐射板高度：基本论域为[0m,3m]，量化等级范围为 [1,2,3,4,5,6,7,8,9]，对应后拱辐射板的可活动范围的最低位置到最高位置，9个等级的高度；
控制规则：根据输入变量的组合，列出控制量后拱辐射板控制规则共25条，如表1所示。
表1
Figure GDA0003956485590000101
Figure GDA0003956485590000111
后拱辐射板6高度根据辐射板可移动范围，均等分为1～9级，本实施例中，每级高度间隔为0.33米。
控制系统根据炉膛温度和入炉垃圾平均热值查表得到辐射板高度等级 y，y∈[1,9],对比当前辐射板实际高度等级y0，输出相应的动作信号(y-y0)。
液压升降装置9得到动作信号，做出响应，调节后拱辐射板6的高度，完成一个采集周期的调节。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于垃圾热值的炉拱联动调节焚烧装置，包括机械炉排炉，所述机械炉排炉主要由焚烧炉膛、机械炉排(10)、烟道(3)、前拱(2)、垃圾入口(1)、排渣口和左右侧墙包围而成，其特征在于：还包括可移动后拱辐射板系统、控制系统、分布于机械炉排炉内的温度传感器、设置在汽包处的压力传感器和流量传感器，所述可移动后拱辐射板系统设置于机械炉排炉内的后拱处，所述控制系统分别与温度传感器和可移动后拱辐射板系统电连接，用于根据温度传感器采集的炉膛温度及正平衡法反推得到的入炉垃圾平均热值自适应地进行可移动后拱辐射板系统的高度位置调节、升温调节和压火调节，使炉温保持在预设范围之内。
2.根据权利要求 1 所述的炉拱联动调节焚烧装置，其特征在于：所述可移动后拱辐射板系统包括后拱辐射板(6)、端部横板(8)、液压升降装置(9)、两个竖直设置的升降室(4) ，两个升降室(4)分别一上一下地设置于烟道后侧壁及炉膛后端底部，所述后拱辐射板(6)两端分别伸入两个升降室(4)形成直线移动副，所述液压升降装置位于下方的升降室(4)内且与所述后拱辐射板 (6)下端驱动连接。
3.根据权利要求 2 所述的炉拱联动调节焚烧装置，其特征在于：所述的后拱辐射板(6)包括平行后拱内壁的斜面辐射板、分别竖直设置于所述斜面辐射板上下端的竖直辐射板(7)，两竖直辐射板(7)分别伸入两个升降室(4) 内形成直线移动副。
4.根据权利要求 3 所述的炉拱联动调节焚烧装置，其特征在于：所述竖直辐射板(7)的自由端设置有宽度小于所述升降室(4)宽度的端部横板(8)，
所述升降室(4)的出口处相对地设置有与所述竖直辐射板(7)滚动配合的固定
滚轮(5)。
5.根据权利要求 1 所述的炉拱联动调节焚烧装置，其特征在于：所述的温度传感器分别布置在前拱内壁，后拱内壁，侧墙内壁和烟道内壁面的高度中间值处。
6.一种基于如权利要求 1 至权利要求 5 中任一项所述的炉拱联动调节焚烧装置的炉拱联动调节焚烧方法，其特征在于，包括步骤：
(1) 垃圾经垃圾入口(1)的给料机进入炉排上方，一次风从炉排风室吹入炉膛；
(2) 采集平均汽包压力、平均蒸汽流量运行参数，实时测量炉膛温度、炉拱位置温度参数，根据炉膛温度随时间的变化计算采集周期内平均炉膛温度；
(3) 根据平均汽包压力、平均蒸汽流量和入炉垃圾质量，用正平衡法反推，计算采集周期内入炉燃料释放的热量，从而计算出入炉垃圾平均热值；
(4) 以入炉垃圾平均热值和平均炉膛温度为控制输入参数，以后拱辐射板(6)的竖直高度为控制输出量，建立二输入一输出的模糊控制器，每隔一个采集周期就输出一次控制信号，控制后拱辐射板(6)做竖直方向位移；
(5) 控制系统向液压升降装置(9)发出控制信号，液压升降装置(9)响应，抬升或下降，带动后拱辐射板(6)发生位移动作，到达适应入炉垃圾热值的对应高度，增强或减弱对床层的辐射强度，使火焰中心前移或后移，调节对湿垃圾的干燥能力以及挥发分析出位置、垃圾燃尽位置参数；
(6) 炉拱位置温度在运行中保持在预设范围值内，在炉拱位置温度低于下限值的工况下，除了后拱辐射板(6)高度降到最低位置之外，还打开升温调节：
喷燃油助燃，使炉温回升至正常范围；在炉拱位置温度超过上限值的过热工况
下，除了后拱辐射板(6)高度升到最高位置之外，还进行料层加厚、适当加快炉排速度、适量关小分段送风调节挡板进行压火调节，使炉温回落至预设范围之内；
(7) 焚烧炉膛内的垃圾经过一次风加热和后拱辐射板(6)的辐射加热作用，完成干燥脱水、挥发分析出、着火燃烧过程，随后进入固定碳燃烧和燃尽阶段，产生的烟气流向焚烧炉膛的出口，从而完成整个燃烧充分的垃圾焚烧过程。
7.根据权利要求 6 所述的炉拱联动调节焚烧方法，其特征在于；步骤(4)中所述建立二输入一输出的模糊控制器的步骤具体包括：控制器对二输入的入炉垃圾平均热值和炉膛温度分别模糊量化为 5 个等级，并对二输入量各 5个等级所有排列组合相应的控制量列出矩阵形式的控制查询表，每个采集周期中，控制器根据模糊量化的二输入量，查表得该输入下的最佳高度等级值，并与当前高度值对比后计算出后拱辐射板(6)位移量，作为输出去控制被控对象。
8.根据权利要求 6 所述的炉拱联动调节焚烧方法，其特征在于：步骤(4)中所述的采集周期长度根据用户指定的后拱辐射板(6)调节频率自行设定。
9.根据权利要求 6 所述的炉拱联动调节焚烧方法，其特征在于：步骤
(3)中计算出入炉垃圾平均热值具体为：q=η D*[h(p) -h0] / M
式中：q——垃圾平均热值；
η——焚烧炉膛综合热效率；
h(p)——汽包蒸汽焓值，为汽包压力 p的函数；
h0——锅炉给水焓值；
D——汽包蒸汽流量；
M——入炉垃圾质量。
10.根据权利要求 6 所述的炉拱联动调节焚烧方法，其特征在于：步骤 (6)中所述炉拱位置温度在运行中保持在 850~950℃范围内。
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