基于比例調節(jié)的船用焚燒爐系統(tǒng)研發(fā)

施耀新 劉紅飛

（1.上海卓創(chuàng)熱能設備有限公司 上海 202155；2.國核工程有限公司 上海 200233）

0 引 言

海洋環(huán)境保護國際公約MARPOL73/78規(guī)定，船上產生的固體垃圾和污油嚴禁直接向海洋傾倒，需按公約規(guī)定進行處置。船上固體垃圾和污油的減量處理常用方法有兩種［1］:一是船舶靠港后岸送至港口的集中回收處理；另一種有效途徑就是在船上安裝垃圾焚燒爐系統(tǒng)，對船上產生的固體垃圾和污油進行減量化、無害化焚燒處理。尤其在遠洋船上，因受船上儲存空間、靠港岸送時間和費用方面的限制，以及生活垃圾會因儲存時間過長產生次生污染方面的考慮，都配備垃圾焚燒爐［2］。因此，船用焚燒爐就成了船舶上重要防污染設備之一。但是，在船上焚燒垃圾和污油，要求采用的船用焚燒爐結構具有微型、小型化且集成度高的特點。

為滿足上述要求，項目課題組在上海市科委創(chuàng)新基金資助下，完成了對船用焚燒爐爐體結構設計、系統(tǒng)設計、燃燒配風量和運行控制方法策略及等方面的系統(tǒng)化研究工作。課題組還特別針對固體垃圾和污油存在熱值波動大的實際狀況，獨創(chuàng)了船用焚燒爐的污油入爐流量、配風和爐內溫度進行同比例調節(jié)的一體化燃燒器，從而實現(xiàn)了在低助燃油耗下減量處理船舶固體垃圾和污油的目的。

1 輸入條件研究

因船舶種類、大小和不同國籍海員的生活習慣差異，船上產生的固體垃圾熱值差別很大，船上污油的成份也不固定，尤其含水率波動范圍很大（20%～50%）。另外船舶的煙氣排放，在MARPOL73/78公約附則V《防止船舶造成空氣污染規(guī)則》中有嚴格要求。

1.1 船舶產生固體垃圾及污油的成分

在 MEPC.76（40）“船用焚燒爐技術條件”中，其依據(jù)美國焚燒爐研究所的廢棄物分類，把船上廢棄物看作為Ⅱ類廢棄物，其發(fā)熱量如表1所示。

表1 廢棄物發(fā)熱量

作為船用焚燒爐設計基準的固體廢棄物成分如下:50%食物廢棄物；50%廢棄包裝物（包括30%紙、40%硬紙板、10%破布、20%塑料）；混合物的水分可達50%；不燃固態(tài)物質可達7%。固體垃圾混合物的熱值為2388 kcal/kg。

作為船用焚燒爐設計基準的污油成分如下:75%重燃油、5%廢潤滑油、20%是乳化水。

1.2 煙氣排放指標要求

船用焚燒爐煙氣的排放必須滿足MEPC.76（40）“船用焚燒爐技術條件”中的如下要求:

1.3 操作要求

燃燒室的預熱溫度為650℃，對于分批裝料的焚燒爐，無預熱要求，但焚燒爐應設計成爐膛內實際燃燒的溫度，在啟動后5 min內達到600℃。

2 焚燒爐運行控制

船上固體垃圾和污油的焚燒，是強烈的氧化結果，所以為了維持穩(wěn)定而持續(xù)的焚燒過程，必須對燃燒的三個要素（可燃物、空氣量、著火溫度）進行控制。

通過對國際公約MARPOL73/78和MEPC.76（40）“船用焚燒爐的技術要求”和輸入條件的研究和歸納，在船用焚燒爐運行過程中，需要控制的關鍵參數(shù)是爐膛溫度、爐膛壓力、進氣量和排煙溫度。

2.1 控制參數(shù)

2.1.1 爐膛溫度

固體垃圾和污油的焚燒在船用焚燒爐爐膛內進行，爐膛溫度的高低直接影響固體垃圾和污油的焚燒效果，合適的爐膛溫度不僅可以保證固體垃圾和污油得到充分焚燒，而且可以避免焚燒過程中產生有害氣體。公約要求正常焚燒情況下，爐膛溫度維持在850℃～1200℃。

2.1.2 爐膛壓力

公約中規(guī)定，船用焚燒爐運行中，爐膛必須保持一定的負壓。這一方面可保證爐膛內高溫氣體不外泄，確保焚燒爐操作員和船舶安全；另一方面也便于外部空氣進入爐膛，增加焚燒過程所需的空氣量。

2.1.3 進氣量

焚燒過程中所需的空氣量主要通過燃燒器風機將空氣送入爐膛。要使固體垃圾和污油得到充分焚燒，還必須要有一定的過剩空氣，以確保爐膛出口煙氣中的剩余氧含量、一氧化碳含量和林格曼黑度達到公約的規(guī)定要求。

2.1.4 排煙溫度

國際防污染公約明確規(guī)定:船用焚燒爐爐膛出口溫度應不高于1200℃，煙氣排放溫度應不高于350℃。超溫運行將造成設備損壞，并威脅到船舶安全。

2.2 控制參數(shù)之間的耦合關系

在船用焚燒爐正常運行過程中，上述4個參數(shù)并不會孤立存在，它們之間存在著如表2所示相互耦合關系?？刂葡到y(tǒng)的設計基于這些耦合關系。

表2 控制參數(shù)之間的耦合關系

2.3 控制邏輯

2.3.1 固體垃圾焚燒的控制邏輯

由于船舶上固體垃圾的成分、熱值和含水率與設計基準存在一定偏差，據(jù)相關文獻［3-4］研究表明，固體垃圾在450℃～900℃的溫度下氣化，產生可燃氣體。因而要實現(xiàn)固體垃圾的持續(xù)焚燒，在過程控制上應采用如下策略:固體垃圾投入爐膛后，關閉爐門和清灰門，爐門即被系統(tǒng)自動鎖定。當操作人員按下啟動按鈕并選擇”焚燒固體垃圾”后，控制系統(tǒng)將自動完成下列步驟:

（1）啟動煙氣風機和燃燒器風機對爐膛進行3次吹掃。

（2）完成點火。如果點火失敗，將返回步驟（1）；連續(xù)3次點火失敗則停機，人工查找故障原因并恢復。

（3）5 min內爐溫升至600℃。

（4）系統(tǒng)一旦啟動，通過調節(jié)煙氣風機的進風門，使爐膛產生且維持一定的負壓；如果爐膛負壓不能維持，則在報警后一定時間內停機。

（5）根據(jù)爐膛溫度的高低，確定增加、減少或停止助燃柴油的供應。爐膛溫度850℃～1150℃之間時，系統(tǒng)通過比例調節(jié)器自動調節(jié)助燃柴油供應量。

（6）焚燒2.5 h后，系統(tǒng)自動轉入停機程序，繼而對爐膛進行冷卻。

（7）當爐膛溫度低于80℃，爐門自動解鎖。

（8）打開清灰門清灰。

（9）轉入下一個焚燒循環(huán)。

在固體垃圾燃燒過程中，控制系統(tǒng)通過光敏電阻監(jiān)測爐膛內的火焰，用熱電偶測量爐膛內溫度,用熱電阻測量排煙溫度，自動控制煙氣風機風門開度，以調節(jié)爐膛內的負壓、將溫度保持在規(guī)范要求的范圍內。若監(jiān)測不到火焰或爐膛溫度和排煙溫度持續(xù)超過設定值，系統(tǒng)將自動停機。焚燒過程中，操作人員可隨時按下緊急停止按鈕，緊急停運焚燒爐，但這時爐膛的冷卻程序仍然維持。

2.3.2 污油焚燒的控制邏輯

由于船上所產生污油的含水量以及成分一般都不是定值，不同含水量的污油在焚燒爐內進行焚燒時，爐膛內的工況并不相同:當污油的熱值較高時，污油泥的焚燒需要較少的輔助燃料進行助燃，甚至不需要輔助燃料進行助燃，焚燒爐即可維持穩(wěn)定的工作狀態(tài)；當污油的熱值較低時，需要一定的輔助燃料進行助燃，才可保證污油焚燒時穩(wěn)定的工作狀態(tài)。船用焚燒爐設計的目標是焚燒最大量的污油泥，而消耗最少量的輔助燃料。

污油焚燒的控制邏輯與固體垃圾焚燒的控制邏輯原理基本相同，當污油柜內污油溫度維持在80℃～90℃時，如果操作人員按下焚燒爐啟動按鈕，并選擇“焚燒污油”后，控制系統(tǒng)將自動完成下列步驟:

（1）啟動煙氣風機和燃燒器風機對爐膛進行3次吹掃。

（2）完成點火。若點火失敗，將返回步驟（1）；連續(xù)失敗3次則停機，人工查找故障原因并恢復。

（3）焚燒爐爐膛預熱溫升到650℃。

（4）系統(tǒng)一旦啟動，通過調節(jié)煙氣風機的進風門，使爐膛能產生和維持一定的負壓；如果爐膛負壓不能維持，則報警后一定時間內即停機。

（5）系統(tǒng)自動打開污油電磁閥，污油噴入爐膛。根據(jù)爐膛溫度的高低，確定是否打開或停止助燃柴油電磁閥。在爐膛溫度850℃～1150℃之間，系統(tǒng)將通過比例調節(jié)器自動調節(jié)污油的供給量。

（6）待污油柜內液位到達低液位時，系統(tǒng)自動轉入停機程序，繼而對爐膛進行冷卻。

（7）當爐膛溫度低于80℃后，爐門自動解鎖。

（8）打開爐門可對爐內進行必要的檢查。

（9）轉入下一個焚燒循環(huán)。

在污油燃燒過程中，控制系統(tǒng)通過光敏電阻監(jiān)測爐膛內的火焰，用熱電偶測量爐膛內溫度、用熱電阻測量排煙溫度，自動控制煙氣風機風門開度，以調節(jié)爐膛內的負壓、溫度保持在規(guī)范要求的范圍內。如果監(jiān)測不到火焰或爐膛溫度和排煙溫度持續(xù)超過設定值，系統(tǒng)將自動停機。在焚燒過程中，操作人員可以隨時按下緊急停止按鈕，使得焚燒爐緊急停止運行。但這時爐膛的冷卻程序仍然維持。

2.4 系統(tǒng)監(jiān)控報警點

系統(tǒng)監(jiān)控報警點，如表3所示。

表3 系統(tǒng)監(jiān)控報警點

2.5 PLC控制單元

工業(yè)控制中采用PLC技術已經(jīng)非常普遍，船舶上也不例外，曾經(jīng)就有過國外船舶焚燒爐繼電接觸控制系統(tǒng)成功改造的報道［5］。本項目船用焚燒爐控制系統(tǒng)使用PLC作為系統(tǒng)的控制核心，它體積小、功能強且可靠性高，由以下幾部分組成:

（1）CPU模塊，是船用焚燒爐PLC的運算和控制中心。PLC依靠CPU實現(xiàn)邏輯和數(shù)字運算，協(xié)調和控制系統(tǒng)各部件的正常工作。

（2）開關量輸入模塊，有多個開關量輸入通道。主要用于接受各種控制信號，例如船用焚燒爐起停按鈕、爐膛溫度、爐膛負壓、污油柜高溫等。

（3）開關量輸出模塊，有多個開關量輸出通道。主要將控制信號輸送到各執(zhí)行電器和指示燈，如煙氣風機接觸器、燃燒器接觸器、泵接觸器和電磁閥等。

（4）人機對話的顯示控制屏，用于船用焚燒爐的參數(shù)顯示和人機對話。

3 船用焚燒爐系統(tǒng)構成

船用焚燒爐配備耐高溫的燃燒爐膛、空氣（氧氣）輸入系統(tǒng)、助燃系統(tǒng)、污油連續(xù)給送系統(tǒng)、煙氣冷卻系統(tǒng)和使這些系統(tǒng)協(xié)調一致地工作的控制系統(tǒng)。

3.1 船用焚燒爐的熱容量

熱容量代表船用焚燒爐的處理固體垃圾和污油的能力。不同大小、種類的船只，需要配備不同熱容量的船用焚燒爐。船舶設計者會根據(jù)船員的數(shù)量、船舶主機功率的大小來選擇合適規(guī)格的船用焚燒爐。本項目已研發(fā)出熱容量為 18、20、40、50、60（萬 kcal）的5種規(guī)格船用焚燒爐，所有規(guī)格的焚燒爐既能焚燒固體垃圾也能焚燒污油，以滿足不同船舶的需要。

3.2 系統(tǒng)結構組成

本課題所研究的船用焚燒爐系統(tǒng)的主要結構和系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 船用焚燒爐系統(tǒng)構成

船用焚燒爐有以下幾個主要部件組成:焚燒爐本體、煙氣風機、燃燒器、污油柜、控制柜、一次儀表、相關的管道閥門泵組等。

（1）焚燒爐本體:其核心部件為一個耐高溫的爐膛，爐膛由耐1300℃高溫并能有效抵抗熱沖擊的耐火磚砌筑而成，用來裝載固體垃圾并作為燃燒室。爐體上帶有投料門和清灰門，在焚燒爐工作期間以及在爐膛溫度冷卻到設定溫度前，投料門和清灰門控制系統(tǒng)通過爐門閉鎖裝置，始終保持兩個門處于閉鎖狀態(tài)。爐體外殼是一個夾層式鋼構外殼。當煙氣離開燃燒室時，吸入冷態(tài)空氣與煙氣混合，使煙氣迅速降溫；距爐膛出口2.5 m處的煙氣溫度已降至350℃以下，同時也確保爐殼外壁溫度不高于環(huán)境溫度再加20℃后的限值。爐膛的大小決定了焚燒爐的熱容量和煙氣排放指標，因此爐膛的大小一般需經(jīng)過熱力計算并通過型式試驗后最終確定。

（2）煙氣風機:采用耐350℃高溫的離心風機，為了避免風機噪聲干擾焚燒爐操作人員，煙氣風機不可與焚燒爐安裝在同一平臺。按照MEPC.76（40）要求，爐膛在整個焚燒階段必須一直維持在負壓狀態(tài)。所以煙氣風機既用于抽吸爐膛內煙氣，將爐膛內生成的高溫煙氣排出，同時保持爐膛處于負壓狀態(tài)。煙氣風機的進風管道上還裝有風量調節(jié)裝置，當出現(xiàn)爐膛內燃燒工況波動時，通過控制系統(tǒng)自動調節(jié)開度大小，使得焚燒爐維持在規(guī)定的參數(shù)范圍內運行。煙氣管道上還安裝有膨脹節(jié)，以補償因熱脹冷縮而引起的煙氣管道長度變化量。煙氣風機的流量必須與焚燒爐的熱容量相匹配，風壓需要與排煙總阻力損失相適應，除了焚燒爐制造廠標配外，排煙總阻力最好由船舶設計院根據(jù)實際煙道阻力提供。

（3）燃燒器:燃燒器是本項目的核心部件，是針對污油連續(xù)焚燒而自主研發(fā)的一體化燃燒器，同時還適用于對固體垃圾焚燒時的助燃。燃燒器的能力與爐膛熱容量相匹配。其集合了助燃噴嘴、特殊設計的低壓介質霧化的污油噴嘴、點火系統(tǒng)、火焰監(jiān)測系統(tǒng)、助燃風機、風門、比例調節(jié)器，通過比例調節(jié)器可以實時調節(jié)噴入爐膛的污油量和空氣量。

（4）污油柜:作為污油送入焚燒爐前的臨時儲存、沉淀水份、加熱備用等作用。它自身帶有加熱器、溫度控制器、循環(huán)泵、液位控制和顯示器、放水閥和外保溫。溫度控制器用來控制加熱器，確保污油柜內的溫度維持在設定范圍內（80℃～90℃），為污油穩(wěn)定燃燒提供保證。兩個放水閥裝于污油柜上，用來檢測污油柜中沉淀出的水量。如果處于高位的放水閥放出的是水，則表明污油柜內水量需要排放，要打開處于低位的一個閥，來泄放沉淀出的水。一部分污油被循環(huán)泵輸送到焚燒爐上的供應泵時，另一部分則通過回流管道返回到污油柜，促使污油與水在柜內充分混合。液位控制器的作用是當輸送泵將污油送入污油柜時，如果液位達到高液位，輸送泵自動停止；當液面降低到設定的最低液位時，污油柜上的低液位開關將關閉循環(huán)泵并啟動輸送泵，向污油柜加入污油。當污油柜內溫度跌至設置的最低點時，加熱器自動打開，自動對污油加熱。

污油柜通常以常壓容器進行設計。由于污油中含有水分，水分被加熱到100℃以上后產生蒸汽并產生壓力。所以一旦污油柜內溫度超過100℃，污油柜有帶壓的危險，繼而引起污油柜破裂，造成污油溢出污染。所以必須在污油柜頂部設置一個排空管。排空管線上不允許裝設閥門。為防止高液位報警失靈，污油柜上設有溢流口，直接引入污油艙。

（5）控制柜:是焚燒爐運行指揮系統(tǒng)，采用PLC控制技術，有一對外接口引出綜合報警到機艙集控室。

（6）一次儀表:有負壓傳感器、電眼、溫度傳感器、壓力傳感器等。

（7）管道閥門泵組:是系統(tǒng)各部件相聯(lián)接的紐帶，有污油泵、輕油泵、電磁閥等。

3.3 焚燒爐系統(tǒng)原理

焚燒爐系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 焚燒爐系統(tǒng)原理圖

4 型式認可

因船用焚燒爐屬于國際公約產品，公約中明確規(guī)定，每種規(guī)格的焚燒爐都需要通過船級社的型式認可，并持有IMO型式認可證書，才可在船舶上安裝和使用。在當前各船級社沒達成互相認可的情況下，可能導致同一型號的焚燒爐持有多個船級社或歐盟的EC型式認可證書。此時型式認可的步驟和具體要求除了滿足MEPC.76（40）中的相關規(guī)定外，同時還需遵守認可船級社的要求。這也是公約產品和一般船舶產品的區(qū)別所在。

5 結 論

作為上海市科委的創(chuàng)新基金資助項目，研發(fā)的基于比例調節(jié)的船用焚燒爐其各項性能指標滿足MARPOL73/78和MEPC.76（40）的要求。尤其是針對固體垃圾和污油存在熱值波動大的實際狀況，完成了船用焚燒爐的污油入爐流量、助燃空氣量與爐內溫度進行同比例調節(jié)裝置的研發(fā)，并形成自主知識產權，實現(xiàn)了在低燃油耗下，減量處理船舶固體垃圾和污油。

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