CN108535201B - 一种焚烧炉内生活垃圾组分实时检测装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种焚烧炉内生活垃圾组分实时检测装置，包括：光纤传感器，通过焚烧炉上的观察孔正对生活垃圾燃烧区的燃烧火焰；光谱仪，接收所述光纤传感器的光信号；工控机，接收所述光谱仪的数据，通过生活垃圾组分检测程序输出生活垃圾组分；所述生活垃圾组分检测程序利用光纤传感器和光谱仪得到焚烧炉内生活垃圾燃烧火焰光谱信息，并基于单个垃圾组分的燃烧火焰光谱，实时检测生活垃圾组分；本发明还公开了一种焚烧炉内生活垃圾组分实时检测方法；本发明装置和方法较人工分类采样检测，具有高效、快捷、准确、能实时更新等优点，能实现生活垃圾焚烧炉的稳定燃烧，减少污染物排放以及生活垃圾的高效清洁利用。
Description
技术领域
本发明涉及生活垃圾焚烧技术领域，特别涉及一种焚烧炉内生活垃圾组分实时检测装置和方法。
背景技术
生活垃圾组分信息对于生活垃圾发电厂非常重要，通过生活垃圾的组分信息可以估算出锅炉的入炉热量，污染物排放量，对于生活垃圾焚烧炉的稳定燃烧以及生活垃圾高效清洁利用至关重要。现阶段大部分生活垃圾发电厂垃圾组分差异巨大，随机性大，即使经过破碎，其物理化学性质不像煤炭燃料那样稳定，将生活垃圾制作成成型的RDF又耗费巨额成本。
目前国内外获取生活垃圾组分的通用做法是在固定的周期内对库房中垃圾取样，我国常用的垃圾组分采样方法是四分法、剖面法、周边法和网格法(详见CJT313-2009生活垃圾采样和分析方法)，无论是哪一种方法，花费的人工成本、时间成本都很大，但是由于垃圾的随机性，所采样品所具的代表性不足，因此人工分类采样检测方法是一种较不可靠的检测方法。
发明内容
本发明提供了一种焚烧炉内生活垃圾组分实时检测装置，解决现有技术中生活垃圾需要人工采样分类检测的缺点和不足，检测结果更准确，检测过程也安全。
一种焚烧炉内生活垃圾组分实时检测装置，包括：
光纤传感器，通过焚烧炉上的观察孔正对生活垃圾燃烧区的燃烧火焰；
光谱仪，接收所述光纤传感器的光信号；
工控机，接收所述光谱仪的数据，通过生活垃圾组分检测程序输出生活垃圾组分；
所述生活垃圾组分检测程序包括以下过程：
(1)采集生活垃圾各组分在垃圾焚烧炉内的常见温度(500℃～1200℃)下燃烧火焰发射光谱信息并保存在信息库；
(2)通过所述光谱仪采集的混合垃圾燃烧火焰光谱信息；
(3)根据步骤(2)采集到的混合垃圾燃烧火焰光谱信息计算火焰温度T；
(4)设定需要检测的生活垃圾单组分个数为N，用Xi表示第i种组分的占比，i＝1～N，则各单组分的占比表示为矩阵调取步骤(2)计算得到的火焰温度T下的各单组份的火焰发射光谱信息得到方程：
(5)求解步骤(4)的方程求得生活垃圾中各组分占比。
本发明方法解决了垃圾发电厂对燃料输入端的组分信息了解的匮乏问题，能实时更新焚烧炉内垃圾组分信息，优化焚烧炉内燃烧状况，从而实现生活垃圾的清洁高效利用。
为了提高计算效率以及准确性，优选的，步骤(5)中，采用小二乘法求解步骤(4)中的方程，得出生活垃圾组分占比。求解具体如下：
步骤(4)的方程可表述为以下方程组：
上述方程有N个未知数，有i个方程个数，由于生活垃圾单组份数量有限，而在计算时光谱波长取范围200～1800nm之间(i＝1600)，所以该方程组是一个超定方程组，一般情况下，超定方程组无解，只能取近似值，即：
或
按照最小二乘法规则，使∑(ri)2最小的一组解叫做方程组的二乘解，也就是生活垃圾各组分的占比。
为了提高计算效率以及准确性，优选的，步骤(1)中，所述火焰光谱信息表示成矩阵形式：
其中X表示单组份生活垃圾(例如：打印纸、卫生纸、木头、树叶香蕉皮、桔子皮、化工纤维、PP塑料等)；表示在λi波长(单位：nm，下同)下，tj温度(单位：℃，下同)下的火焰发射特征谱线强度。
为了提高计算效率以及准确性，优选的，步骤(1)中，采集生活垃圾各组分包括厨余类、纸类、塑料类、橡胶类、织物类、纤维素类、竹木类、果皮类以及木质素。
本发明还提供了一种焚烧炉内生活垃圾组分实时检测方法，包括以下步骤：
(1)采集生活垃圾各组分在垃圾焚烧炉内的常见温度下燃烧火焰发射光谱信息并保存在信息库；
(2)通过光谱仪采集的混合垃圾燃烧火焰光谱信息；
(3)根据步骤(2)采集到的混合垃圾燃烧火焰光谱信息计算火焰温度T；
(4)设定需要检测的生活垃圾单组分个数为N，用Xi表示第i种组分的占比，i＝1～N，则各单组分的占比表示为矩阵调取步骤(2)计算得到的火焰温度T下的各单组份的火焰发射光谱信息得到方程：
(5)求解步骤(4)的方程求得生活垃圾中各组分占比。
步骤(5)中，采用小二乘法求解步骤(4)中的方程，得出生活垃圾组分占比。
步骤(1)中，所述火焰光谱信息表示成矩阵形式：
其中X表示单组份生活垃圾；
表示在λi波长下，tj温度下的火焰发射特征谱线强度。
步骤(1)中，采集生活垃圾各组分包括厨余类、纸类、塑料类、橡胶类、织物类、纤维素类、竹木类、果皮类以及木质素。
本发明的有益效果：
本发明的焚烧炉内生活垃圾组分实时检测装置和方法，通过采集生活垃圾各单组份在各个温度下燃烧发射火焰光谱、焚烧炉排上生活垃圾实际燃烧火焰发射光谱等信息，通过计算火焰温度，调取合适的单组份火焰发射光谱，计算出误差较小的生活垃圾组分信息，较人工分类采样检测，具有高效、快捷、准确、能实时更新等优点，能实现生活垃圾焚烧炉的稳定燃烧，减少污染物排放以及生活垃圾的高效清洁利用。
附图说明
图1为本发明的焚烧炉内生活垃圾组分实时检测装置的结构示意图。
图2为本发明的焚烧炉内生活垃圾组分实时检测方法的线框流程图。
图3为打印纸的光谱图。
图4为卫生纸的光谱图。
图5为包装袋纸的光谱图。
图6为木头的光谱图。
图7为竹子的光谱图。
图8为竹叶的光谱图。
图9为稻草的光谱图。
图10为香蕉皮的光谱图。
图11为橘子皮的光谱图。
图12为棉麻类的光谱图。
图13为无纺织纤维的光谱图。
图14为化工纤维的光谱图。
图15为LDPE塑料的光谱图。
图16为PP塑料的光谱图。
图17为PVC塑料的光谱图。
图18为700t/d垃圾炉实际火焰光谱及重建后的火焰光谱
图中标记为：1、生活垃圾，2、焚烧炉，3、炉排，4、主燃烧区，5、炉墙，6、观察孔，7、光纤传感器，8、光谱仪，9、数据线，10、工控机。
具体实施方式
如图1所示，本实施例的焚烧炉内生活垃圾组分实时检测装置包括：焚烧炉2、光纤传感器7、光谱仪8、工控机10。混合生活垃圾1进入到焚烧炉2内，并堆积在炉排3上燃烧；观察孔6位于焚烧炉2的炉墙5上，生活垃圾主燃烧区位于炉排3上；光纤传感器7通过观察孔6，视角正对主燃烧区4；光纤传感器6与光谱仪8连接，光谱仪8与工控机10用数据线9连接。
本实施例的工作过程如下：生活垃圾1从进入到焚烧炉2中，并堆积在炉排3上燃烧，形成主燃烧区4；光纤传感器7透过观察孔6采集主燃烧区4中的火焰的光信号，并将光信号通过传递到光谱仪8中；光谱仪8解析传递过来的光信号，得到与之对应的火焰发射光谱，并通过数据线9将光谱信息传递到工控机10；工控机10中的生活垃圾组分检测程序依据光谱信息输出该时间点焚烧炉中生活垃圾组分。
如图2所示，生活垃圾组分检测程序包括以下过程：
(1)采集生活垃圾各组分在垃圾焚烧炉内的常见温度下燃烧火焰发射光谱信息并保存在信息库，火焰光谱信息表示成矩阵形式：
其中X表示单组份生活垃圾；
表示在λi波长下，tj温度下的火焰发射特征谱线强度。
(2)通过所述光谱仪采集的混合垃圾燃烧火焰光谱信息；
(3)根据步骤(2)采集到的混合垃圾燃烧火焰光谱信息计算火焰温度T；
(4)设定需要检测的生活垃圾单组分个数为N，用Xi(i＝1～N)表示第i种组分的占比，则各单组分的占比表示为矩阵调取步骤(2)计算得到的火焰温度T下的各单组份的火焰发射光谱信息得到方程：
(5)采用小二乘法求解步骤(4)的方程求得生活垃圾中各组分占比。
图3～17所示为生活垃圾中15种单组份垃圾燃烧火焰发射光谱，图18所示为选取的700T/D垃圾焚烧炉实际运行过程中主燃烧区的火焰发射光谱，检测程序输出结果如下表：
综上所述，本实施例利用光纤传感器和光谱仪得到焚烧炉内生活垃圾燃烧火焰光谱信息，并基于单个垃圾组分的燃烧火焰光谱，集合最小二乘法实时检测生活垃圾组分；生活垃圾在焚烧炉内燃烧产生火焰，利用光纤传感器采集火焰光信号，并通过光谱仪得到火焰发射光谱，并将火焰发射光谱传输至工控机；工控机利用生活垃圾组分检测程序对得到光谱信息进行分析检测，并输出燃烧的生活垃圾的组分结果；生活垃圾组分检测程序是基于最小二乘法的火焰发射光谱重建程序，程序先采集生活垃圾各单组份在各个温度下燃烧发射火焰光谱、焚烧炉排上生活垃圾实际燃烧火焰发射光谱等信息，通过计算火焰温度，调取合适的单组份火焰发射光谱，利用最小二乘法计算出误差较小的生活垃圾组分信息；解决了垃圾发电厂对燃料输入端的组分信息了解的匮乏问题，能实时更新焚烧炉内垃圾组分信息，优化焚烧炉内燃烧状况，从而实现生活垃圾的清洁高效利用。
Claims (8)
1.一种焚烧炉内生活垃圾组分实时检测装置，其特征在于，包括：
光纤传感器，通过焚烧炉上的观察孔正对生活垃圾燃烧区的燃烧火焰；
光谱仪，接收所述光纤传感器的光信号；
工控机，接收所述光谱仪的数据，通过生活垃圾组分检测程序输出生活垃圾组分；
所述生活垃圾组分检测程序包括以下过程：
(1)采集生活垃圾各组分在垃圾焚烧炉内的常见温度下燃烧火焰发射光谱信息并保存在信息库；
(2)通过所述光谱仪采集混合垃圾燃烧火焰光谱信息；
(3)根据步骤(2)采集到的混合垃圾燃烧火焰光谱信息计算火焰温度T；
(4)设定需要检测的生活垃圾单组分个数为N，用Xi表示第i种组分的占比，i＝1～N，则各单组分的占比表示为矩阵调取步骤(3)计算得到的火焰温度T下的各单组份的火焰发射光谱信息得到方程：
表示在λi波长下，T温度下，混合垃圾的火焰发射特征谱线强度；表示在λi波长下，T温度下，EN组分的火焰发射特征谱线强度；
(5)求解步骤(4)的方程求得生活垃圾中各组分占比。
2.如权利要求1所述的焚烧炉内生活垃圾组分实时检测装置，其特征在于，步骤(5)中，采用最小二乘法求解步骤(4)中的方程，得出生活垃圾组分占比。
3.如权利要求1所述的焚烧炉内生活垃圾组分实时检测装置，其特征在于，步骤(1)中，所述生活垃圾各组分在垃圾焚烧炉内的常见温度下燃烧火焰发射光谱信息表示成矩阵形式：
其中X表示单组份生活垃圾；
表示在λi波长下，tj温度下的火焰发射特征谱线强度。
4.如权利要求1所述的焚烧炉内生活垃圾组分实时检测装置，其特征在于，步骤(1)中，采集生活垃圾各组分包括厨余类、纸类、塑料类、橡胶类、织物类、纤维素类、竹木类、果皮类以及木质素。
5.一种焚烧炉内生活垃圾组分实时检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采集生活垃圾各组分在垃圾焚烧炉内的常见温度下燃烧火焰发射光谱信息并保存在信息库；
(2)通过光谱仪采集混合垃圾燃烧火焰光谱信息；
(3)根据步骤(2)采集到的混合垃圾燃烧火焰光谱信息计算火焰温度T；
(4)设定需要检测的生活垃圾单组分个数为N，用Xi表示第i种组分的占比，i＝1～N，则各单组分的占比表示为矩阵调取步骤(3)计算得到的火焰温度T下的各单组份的火焰发射光谱信息得到方程：
表示在λi波长下，T温度下，混合垃圾的火焰发射特征谱线强度；表示在λi波长下，T温度下，EN组分的火焰发射特征谱线强度；
(5)求解步骤(4)的方程求得生活垃圾中各组分占比。
6.如权利要求5所述的焚烧炉内生活垃圾组分实时检测方法，其特征在于，步骤(5)中，采用最小二乘法求解步骤(4)中的方程，得出生活垃圾组分占比。
7.如权利要求5所述的焚烧炉内生活垃圾组分实时检测方法，其特征在于，步骤(1)中，所述生活垃圾各组分在垃圾焚烧炉内的常见温度下燃烧火焰发射光谱信息表示成矩阵形式：
其中X表示单组份生活垃圾；
表示在λi波长下，tj温度下的火焰发射特征谱线强度。
8.如权利要求5所述的焚烧炉内生活垃圾组分实时检测方法，其特征在于，步骤(1)中，采集生活垃圾各组分包括厨余类、纸类、塑料类、橡胶类、织物类、纤维素类、竹木类、果皮类以及木质素。
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