CN113994147A - 对垃圾焚烧厂的运行进行分析和优化的方法 - Google Patents

对垃圾焚烧厂的运行进行分析和优化的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种对垃圾焚烧厂的运行进行分析和优化的方法，其特征在于，测量CO2废气中的含量并且视情况在回顾参考变量CO2参考值之后，将该CO2含量用于测定焚烧的垃圾中的生物碳与化石碳的比例，根据大小和持续时间测定并记录CO2参考值或焚烧的垃圾中的生物碳与化石碳的比例的变化性。在运行优化的方法中，垃圾在料仓中的位置，即具有由该方法确定的组成或变化性的焚烧废物的来源，用于进一步提取或混合垃圾。

Description

对垃圾焚烧厂的运行进行分析和优化的方法
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的对垃圾焚烧厂的运行进行分析和优化的方法。
根据EP 1 698 827可知，测定例如垃圾焚烧厂的废气中的CO2含量，以便由此推断“燃烧强度”，并且如果该燃烧强度超过一定水平时，以某种方式调节一次燃烧气体与二次燃烧气体的氧气质量流量比例，使得该燃烧强度降低至该水平以下。
由申请人的EP 1 715 339已知的是，为了测定垃圾焚烧厂中生物能源和化石能源的分量，需要校准选自八个平衡中的至少三个平衡。此方法非常精确，但需要一定的设备和工艺成本。
垃圾焚烧厂，顾名思义，在其中燃烧垃圾和燃料，这些燃料的组成成分非常不均匀，特别是生物垃圾成分与化石垃圾成分(包括各种塑料)的比例波动较大。每个垃圾焚烧厂均根据这两个分量的通过检查可预期的比例而设计，并且在存在这个比例时，具有最佳的运行结果。由于垃圾的供应完全不稳定，包括在对料仓进行装料时以及当垃圾在料仓(垃圾焚烧厂的燃烧室从这个料仓获得其燃料)中翻滚时，都希望基于经验尽可能地混合均匀，燃烧室中燃料组成的不良变化则会影响燃烧过程、所获得(转化)的能量以及废气特性，在此处这些变化最为明显。
为此，还要指出的是：作为垃圾焚烧厂的设计参数，实际上并不存在精确定义的生物碳与化石碳的比例。以恒定不变的生物燃料与化石燃料的比例来操作焚烧厂在操作技术上也毫无问题。问题在于燃料组成的短期变化。
就几乎所有类型的化石燃料而言，相对于化学计量的空气供应来说(因此，废气中的氧气含量为0VOL％(气体体积百分比))，在不考虑垃圾焚烧中几乎不会出现的天然气和甲烷(辅助燃料除外)的情况下，所获得的CO2分量在15至17.6VOL％之间。与此相比，如下表1所示，就典型的生物燃料而言，废气中的CO2分量(在采用化学计量的空气供应的情况下)介于19.1VOL％(厨余垃圾)至21VOL％(纤维素)之间。
因此，垃圾组成的差异以及因随机供应而产生的时间相关的波动是较为不便的，因为通常也将垃圾焚烧厂用于产生能量(实际上是转化)，为此，每小时应产生尽可能等量的蒸汽(在恒定的温度和压力下)。在现有技术中，这一点部分通过借助料仓起重机(见图3-左图)在垃圾仓中自动或手动控制地混合所供应的垃圾而实现，在极端情况下则是通过提供燃油或天然气以维持足够的能量转化或者通过接受因部分利用焚烧厂而造成的损失来实现。
对不同工厂的现有测量和调查表明，由于特别是所供应的燃料组成的短期波动在200,000欧元至500,000欧元之间，年处理量为200,000吨的垃圾焚烧厂无法获利或者由于额外的燃料(通常是天然气或取暖油)必须耗费较多成本，这不仅对于每个工厂而言是一笔较大的款项，而且由于欧洲有大约400个这种规模的垃圾焚烧厂，因而具有相当大的经济规模。
因此，本发明的目标和目的是提供一种上述类型的方法，通过该方法可以减少运行中的变化。
本发明用以达成上述目的的解决方案在于具有在权利要求1特征部分中给出的特征的方法，换句话说，至少持续检查废气成分中的CO2含量并且根据测量结果得出需要改变燃料供应的成分(即更好地进行混合)并进行改变。在一种技术方案中，推断出料仓中的垃圾的成分组合，并且在将该成分组合考虑在内的情况下，改变燃料的装料或混合。
下面结合附图对本发明进行详细说明。其中：
图1示出了就生物或化石材料而言废气成分与燃料组成之间的关系，
图2示出了针对垃圾输入的组成的实时分析的示例，
图3为根据本发明有所优化的混合的效果的两个示意图，
图4a和4b示出了对两个垃圾焚烧厂的燃料组成的变化性的分析，
图5a和5b示出了根据燃料组成的变化性，附加燃料(以燃油为例)的平均消耗量以及垃圾焚烧厂的平均蒸汽产量，
图6a和6b示出了根据燃料组成的变化性，垃圾焚烧厂的平均垃圾吞吐量和废气中的平均O2浓度。
在对附图中的各个图示进行详细说明之前，应对本发明的理论原理进行阐述：
不同燃料的燃烧与特性废气成分相关(可以根据湿润废气中所测得的含量回推计算出的干燥废气中的O2和CO2含量，但与此相反，它们是直接具有可比性和较高的意义性)，其中除了燃料的化学成分(水、C、H、O、N、S、F、Cl等的含量)之外，不同燃料的燃烧还与燃烧用空气的量有关。例如，就特定燃料而言，燃烧用空气的量越大，废气中的O2浓度就越高，CO2浓度就越低。
通过根据废气中的恒定氧含量以计算的方式对废气成分进行归一化(例如，在化学计量的空气需求或恒定的空气比值下，剩余氧含量为0％)，废气成分的变化仅与燃料或其化学成分有关。
通过以下总所周知的方程式对废气成分进行归一化(根据废气中的任一氧含量O2参考值)，该方程式允许近似计算废气中恒定氧含量的干燥废气成分。
Figure BDA0003421292570000021
CO2参考值在恒定(任意规定)的空气比值下或者在O2参考值下，干燥废气中的CO2浓度[VOL％]
CO2测量值焚烧厂的干燥废气中所测得的CO2浓度[VOL％]
O2测量值焚烧厂的干燥废气中所测得的O2浓度[VOL％]
O2参考值焚烧厂的干燥废气中任意规定(恒定)的氧含量(优选选定0VOL％的值)[VOL％]
21表示大气中的氧含量O2大气[VOL％]
为了在恒定(任意规定)的空气比值下或者在O2参考值下精确计算(在考虑到燃烧用空气或大气中现有的CO2含量的情况下)干燥废气中的归一化的CO2浓度CO2参考值，可以使用以下公式使用，其中仅在空气比值较大的情况下，近似公式的结果与精确公式的结果之间才会存在显著差异。
Figure BDA0003421292570000031
O2大气燃烧用空气或大气中的O2浓度[VOL％]，通常约为20.94VOL％
CO2大气燃烧用空气或大气中的CO2浓度[VOL％]，通常约为0.04VOL％
如上所述，根据废气中的恒定氧含量而归一化的干燥废气成分CO2参考值和O2参考值仅与燃料或其化学成分有关。
因此，相对于恒定氧含量O2参考值而言的(根据该恒定氧含量而归一化的)干燥废气成分(CO2参考值含量)的时间相关的变化是燃料组成(时间相关的)变化的结果。
因此，在垃圾焚烧厂中，根据CO2参考值随时间的变化可以推断出垃圾输入的均匀性或混合性。CO2参考值的几乎恒定的数值表示垃圾输入的良好混合和恒定组成，而CO2参考值的(短期)变化则表示波动的垃圾组成(进而表示混合不充分)。
根据CO2参考值随时间的变化，可以监测并控制料仓的垃圾混合。
垃圾焚烧厂运营商的目标是确保垃圾输入的组分尽可能恒定(尽可能低波动)，因为这是确保最佳(节能)运行的唯一方法。
开篇已提及的下表1示出了针对不同燃料的归一化(相对于0VOL％的氧气)废气成分的示例，以CO2参考值表示。
表1：
Figure BDA0003421292570000041
从上表1可以看出，与化石燃料相比，生物燃料/垃圾具有更高的CO2参考值数值。也就是说，也可以将归一化的废气成分(通过CO2参考值表示)以简化的方式用于推断出垃圾焚烧厂的输入中生物或化石材料的分量。
在考虑到垃圾混合的情况下，使用本发明来评估工厂的运行：
借助根据本发明的方法，不仅可以监测并在此基础上控制仓内垃圾的当前混合/均匀化(见图2和图3)，而且这个方法还适用于(参照仓内垃圾的混合/均匀化)回溯性地对工厂的运行进行分析并量化垃圾混合/均匀化不充分对运行的影响。
例如可以测定仓内垃圾很好或很差地混合/均匀化的运行小时数的比例(见图4)。在此情况下，通过对垃圾焚烧厂在不同时间段(仓内垃圾很好、较好、……较差地混合/均匀化的运行小时数)的运行相关的参数(例如蒸汽产量、垃圾吞吐量、废气中的氧含量、附加燃料的消耗量)进行统计评估(例如求平均值)，可以阐明仓内垃圾混合对运行的影响(见图5和图6)。借此，工厂运营商获得关于其工厂通过更好地混合/均与化仓内垃圾可以实现的优化潜力的宝贵信息。
例如，对2个垃圾焚烧厂(A厂和B厂)的分析表明，在B厂实现了仓内垃圾更好的均匀化，因为垃圾输入的可变性较低(通过生物碳的分量在4小时内的标准偏差来表示)的运行小时数明显更高(见图4)。
就垃圾焚烧厂A而言，对仓内垃圾组成随时间的变化性(通过生物碳的分量在4小时内的标准偏差来表示)对工厂运行的影响的分析表明，在垃圾组成随时间的变化性较大(生物碳分量的标准偏差>5％：仓内垃圾的混合度/均匀性较低)的情况下，燃油的平均消耗量增大(从约0至220kg/h)，工厂的平均蒸汽产量减少(从106.2t/h至102t/h)，平均垃圾吞吐量减少(从29t/h至27.6t/h)，同时废气中的平均氧气浓度增大(从7.5VOL％至8.05VOL％)，见图5和图6。所有观察到的影响都会导致工厂运营商的经济损失。
借助根据本发明的方法，首次实现这些损失的量化，并且借助垃圾输入的组成随时间的变化性(仓内垃圾的混合度/均匀性)来对这些损失进行具体解释，并且上述情形实际上是实时的，这在以前是无法实现的。
将本发明用于识别焚烧厂的生物和化石能源分量以及化石和生物二氧化碳排放：
根据本发明的方法不仅适用于优化运行，而且还可以近似地用于鉴别(例如使用图1所示的相关性)焚烧厂的生物和化石能源分量以及化石和生物二氧化碳排放。
图1以虚线和(考虑到可能的偏差)灰色条纹表示关于焚烧垃圾的生物质分量(碳相关，用g C生物/g C总量表示)的废气成分(以在化学计量的空气需求下的CO2参考值浓度的形式表示)；与各种化石燃料混合。为此，给出以下内容：
在化学计量的空气需求下，左侧边缘处从上到下以黑色表示的一些化石燃料：
圆形：聚苯乙烯，
正方形：聚氯乙烯，
有边框的正方形：可燃垃圾中的塑料的典型混合物(塑料混合物)，
矩形：燃油，
菱形：聚酰胺，
三角形：聚乙烯和聚丙烯
右侧边缘处从上到下以灰色表示的一些生物燃料：
菱形：纤维素，
圆形：木头，
矩形：纸和纸箱，
有边框的菱形：可燃垃圾中的生物材料的典型混合物(生物混合物)，
三角形：花园垃圾，
正方形：厨余垃圾。
塑料混合物或生物混合物的化学成分数据来自以与开篇述及的EP 1 715 339：“测定生物和化石能源的分量的方法”相关的方式或根据该案而进行的工作。
特别是提出将图1所示CO2参考值与生物质分量的直接关系(推论)用于以更易于理解的方式交流所获得的结果(用于混合和控制仓内垃圾)。对于本发明的用户、垃圾焚烧厂的运营商而言，相比于CO2参考值的变化性已经提供了关于垃圾程度的变化性的直接陈述这一事实，他们更容易想象垃圾输入中生物质分量随时间的变化性。
图2示出了对垃圾输入的组成的变化性进行时间上高分辨率的分析的示例(在此根据生物质分量(碳相关)的标准偏差进行测量)，包括指示变化性超过规定量(在此为生物质分量在40分钟内的标准偏差0.015g C生物/C总量)的时间段(以灰色标记的区域)，进而为相关工厂留下了最佳操作范围。
在这些情况下，需要强度更大或更有针对性地混合仓内垃圾，以便确保最佳运行(垃圾焚烧厂的最大能效、最大垃圾吞吐量和最大蒸汽产量)。
图例：
虚线：所测得的干燥废气中的O2浓度，
点线：所测得的干燥废气中的CO2浓度，
黑线：在参考氧含量为0VOL％的情况下，所算出的干燥废气中的CO2浓度；
带点标记的灰线：所算出的燃料的生物质分量(碳相关)C生物/C总量，
灰线：所算出的生物质分量的标准偏差(碳相关，增大10倍示出)
图3一方面示出了在不了解料仓中垃圾组成的空间分布的情况下随机混合仓内垃圾或所馈送的燃料的当前现有水平(左图)，另一方面示出了在不了解料仓中垃圾组成的空间分布的情况下通过本发明而实现的对仓内垃圾或废气燃料的针对性且受控的混合(右图)，其中该针对性且受控的混合致使燃料组成随时间的变化性减小。
图4在两个图示中示出了对2个垃圾焚烧厂(A厂和B厂)的垃圾组成的短期变化性的分析(通过生物碳分量在4小时内的标准偏差[以％表示]表示)以及观察到这种组成变化性的相应运行小时数的分析。
图例：
生物碳分量的标准偏差<0.5％(最右侧的柱子)表示仓内垃圾的混合非常好(随时间的变化性较小)，而标准偏差>5％(最左侧的柱子)则表示仓内垃圾的混合较差(垃圾组成随时间的变化性较大)。
图5为垃圾焚烧厂A的两个图示，在图5a中示出了附加燃料燃油的平均消耗量，在图5b中示出了与垃圾组成的短期变化性(波动)(通过生物碳分量在4小时内的标准偏差表示)相关的平均蒸汽产量。
图例：
生物碳分量的标准偏差<0.5％(最右侧的柱子)表示仓内垃圾的混合非常好(随时间的变化性较小)，而标准偏差>5％(最左侧的柱子)则表示仓内垃圾的混合较差(垃圾组成随时间的变化性较大)。
图6同样为垃圾焚烧厂A的两个图示，在图6a中示出了平均垃圾吞吐量，在图6b中示出了废气中的平均氧气浓度，其又与垃圾组成的短期变化性(波动)(通过生物碳分量在4小时内的标准偏差表示)相关。
图例：
生物碳分量的标准偏差<0.5％(最右侧的柱子)表示仓内垃圾的混合非常好(随时间的变化性较小)，而标准偏差>5％(最左侧的柱子)则表示仓内垃圾的混合较差(垃圾组成随时间的变化性较大)。
在本发明的一种技术方案中，针对每个给定的铲斗(引入燃烧室的铲斗)，检测其在料仓中的提取位置，这可以通过控制起重机而实现。经过对于每个工厂而言是特性的但总体上较短的时间之后，所观察的铲斗的垃圾组成会影响废气的成分，以便迅速实现对储存在料仓中的相应位置处的垃圾的组成的足够精确的认识。通过提取的时间顺序和几何关系，这些认识总是会进行更新并且迅速将因新引入料仓中的垃圾而引起的变化考虑在内。因此，与现有技术相比，在将垃圾馈送至燃烧室中时无需对仓内垃圾的组成进行假设，而是提供针对垃圾在料仓中的分布及其组成的统计安全且始终保持最新的数据材料，也可以将该数据材料用于燃料装料和仓内垃圾的混合。
通过这个措施不仅可以将这些波动保持在与现有技术相比更小的程度，而且可以与现有技术相比更快地对这些波动进行补偿。
总体而言：
本发明涉及一种对垃圾焚烧厂的运行进行分析的方法，其特征在于，测量废气中CO2的含量并且视情况在回顾参考变量CO2参考值之后，将该CO2含量用于测定焚烧的垃圾中的生物碳与化石碳的比例，根据大小和持续时间测定并记录CO2参考值或焚烧的垃圾中的生物碳与化石碳的比例的变化性。
此外，本发明还涉及一种优化垃圾焚烧厂的运行的方法，其特征在于，测量废气中CO2的含量并且视情况在回顾参考变量CO2参考值之后，将该CO2含量用于测定焚烧的垃圾中的生物碳与化石碳的比例，根据大小和持续时间测定CO2参考值或焚烧的垃圾中的生物碳与化石碳的比例的变化性，并将其用于选择待供应的垃圾。
本发明还涉及一种优化垃圾焚烧厂的运行的方法，其特征在于，测量废气中CO2的含量并且视情况在回顾参考变量CO2参考值之后，将该CO2含量用于测定焚烧的垃圾中的生物碳与化石碳的比例，根据大小和持续时间测定CO2参考值或焚烧的垃圾中的生物碳与化石碳的比例的变化性，并将其用于混合储存在接收仓中的垃圾。
当然，也可以采用上述方法的(任意)组合。
在这些视情况组合的方法的技术方案中，包括：
a)在准备阶段，测定从将一定量的垃圾引入燃烧室中直至在废气中进行检测的时间，
b)在运行过程中测定并储存料仓中的每次一定量的提取位置，
c)在考虑到在步骤a)中测定的时间的情况下，测定每次一定量对废气的影响，从而测定料仓的该位置处的生物碳与化石碳的比例，并且
d)在考虑到上述步骤b)和c)的情况下，选定料仓中用于下一次提取某一定量的位置。
e)在考虑到上述步骤b)和c)的情况下，选定料仓中用于混合垃圾的位置(在某一位置处提取某一定量并将其散布在料仓中的另一位置处)。
在一种改进方案中，在将新的垃圾引入料仓中时，测定并储存引入的位置，并且将料仓在该位置处的生物碳与化石碳的比例储存为未知，直到从这个位置第一次提取某一定量。
在说明书和权利要求书中，“基本上”指的是给定值在物理上可能的情况下向下和向上(否则即仅沿合理的方式)不超过10％的偏差，就度数(角度和温度)而言，这指的是±10°。
所有特别是用于限定本发明的数量说明和百分比说明，除非涉及具体示例，否则应理解为具有±10％的公差，因此，例如：11％指的是：从9.9％到12.1％。在诸如“溶剂”之类的术语中，除非上下文另有说明，否则“a”一词不应被视为数词，而是视为不定冠词或代词。
除非另有说明，术语：“组合”表示所有类型的组合，从相关成分中的两个到多个或所有此类成分，术语：“包含”也表示“由…构成”。
各个技术方案和示例中给定的特征和变体可以与其他示例和技术方法的特征和变体自由组合，特别是用于在权利要求中表征本发明，而不必包括相应技术方案或相应示例的其他细节。

Claims (5)

1.一种对垃圾焚烧厂的运行进行分析的方法，其特征在于，测量废气中CO2的含量，视情况在回顾参考变量CO2参考值之后，将所述CO2含量用于测定焚烧的垃圾中的生物碳与化石碳的比例，根据大小和持续时间测定并记录CO2参考值或所述焚烧的垃圾中的生物碳与化石碳的比例的变化性。
2.一种优化垃圾焚烧厂的运行的方法，其特征在于，测量废气中CO2的含量，视情况在回顾参考所述变量CO2参考值之后，将所述CO2含量用于测定焚烧的垃圾中的生物碳与化石碳的比例，根据大小和持续时间测定CO2参考值或所述焚烧的垃圾中的生物碳与化石碳的比例的变化性，并将其用于选择待供应于燃烧的垃圾。
3.一种优化垃圾焚烧厂的运行的方法，其特征在于，测量废气中CO2的含量，视情况在回顾参考所述变量CO2参考值之后，将所述CO2含量用于测定焚烧的垃圾中的生物碳与化石碳的比例，根据大小和持续时间测定CO2参考值或所述焚烧的垃圾中的生物碳与化石碳的比例的变化性，并将其用于混合储存在接收仓中的垃圾。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，
a)在准备阶段，测定从将一定量的垃圾引入燃烧室中直至在废气中进行检测的时间，
b)在运行过程中测定并储存料仓中的每次一定量的提取位置，
c)在考虑到在步骤a)中测定的时间的情况下，通过所述一定量对废气的影响，测定并储存料仓的所述位置处的CO2参考值或所述生物碳与化石碳的比例，并且
d)在考虑到上述步骤b)和c)的情况下，选定所述料仓中用于下一次提取某一定量的位置，以及
e)在考虑到上述步骤b)和c)的情况下，选定所述料仓中用于混合垃圾的位置(在某一位置处提取某一定量并将其散布在所述料仓中的另一位置处)。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在将新的垃圾引入所述料仓中时，测定并储存所述引入的位置，并且将料仓的所述位置处的CO2参考值或生物碳与化石碳的比例储存为未知，直到从所述位置第一次提取某一定量，在从所述位置第一次提取某一定量之后，储存根据步骤c)测定的比例。
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