生活垃圾焚燒爐850℃/2s算法優化與溫度測點布置研究

陸子葉

（上海環境衛生工程設計院有限公司，上海 200237）

二噁英作為一類劇毒物質，會使長期暴露在其環境下的人出現頭痛、失聰，嚴重者可能會出現染色體受損、心力衰竭以及癌癥等病癥。生活垃圾焚燒排放煙氣中含有一定濃度的二噁英，從國外發達國家對于環境中二噁英來源的研究調查結果來看，焚燒設施所產生的二噁英占比較高[1]。近年來，焚燒發電項目數量上漲迅速，人們對生態環境的日益重視，國家和地方政府對于焚燒設施的污控監管也越來越嚴格。根據GB 18485—2014[2]中第8條排放控制要求，生活垃圾焚燒爐排放煙氣中二噁英類污染物測定限值為0.1ng/m3。2019年11月21日，中華人民共和國生態環境部發布10號令，《生活垃圾焚燒發電廠自動監測數據應用管理規定》[3]于2020年1月1日起正式施行，其中第七條明確規定，“垃圾焚燒廠應該按照國家規定，確保正常工況下焚燒爐爐膛內熱電偶測量溫度的5min均值不低于850℃”，目的是保證完全燃燒，控制二噁英的生成量。

1 現狀與計算方法

行業內對煙氣在850℃以上溫度區停留2s的控制和監管要求來自歐洲，日本、美國也都采用這個“標準要求”，我國早期出臺的焚燒技術標準，同樣也是采用此標準，但都未對“850℃、2s”的計算有統一標準。另外，各焚燒爐排爐技術所采用的關于850℃/2s的計算方法有差異[4]，日立和荏原爐排爐采用線性插值法，JFE、三菱爐則采用了有效容積計算法，斯坦米勒和西格斯運用第一通道頂部煙溫計算方法，基于經驗公式進行計算。

除此之外，現有焚燒爐溫度測點布置位置有待商榷，如測點高度偏低，則無法滿足監管規定要求的煙氣停留時間不小于2s；若測點位置偏高則極易引起輔助燃燒器的被動投入，增加燃料成本，中上部的位置高度差大也會引起溫度均值偏低等問題。起爐階段，為了使爐膛平均溫度達到850℃，需由燃燒器提供爐膛設計熱負荷80%以上的熱負荷，而燃燒器的火焰較集中，與正常運行時燃燒段的均布火焰不同，因此起爐時極易導致爐排鑄件表面局部超溫燒損、爐排驅動油缸超溫故障、碳排放量過高等問題。

本文通過對某主流焚燒爐技術在主控溫度區850℃/2s的算法進行研究，以現有荏原焚燒爐的線性插值法作為算法基礎，同時引入有效容積算法，并增加爐溫計算起始點、二次風位置、各區間溫度梯度、爐膛結焦情況等修正因子對公式進行修正，形成一套爐膛主控溫度區850℃/2s的算法，以及一套基于該優化算法下的溫度測點布置方案，能夠為焚燒廠調整測點布置提供一定參考，從而進一步精細化實現標準要求的控制指標，保障二噁英的去除效果，降低化石燃料的被動投入，也有效減少化石燃料投入帶來的碳排放。

2 850℃/2s算法研究

以國內某生活垃圾焚燒廠為例，將焚燒爐內的末次風——二次風的最上層噴嘴所在平面作為起始點，如圖1所示，計算煙氣在滿足850℃以上的主控溫度區，經過2s后所在位置的溫度與標高。

圖1 爐膛測點布置示意圖

2.1 爐膛煙氣量計算

在焚燒爐的基本設計過程中，物料平衡計算可以提供在基準質垃圾作為燃料，100%MCR點時的理論焚燒爐出口煙氣流量。然而，在實際運行過程中，由于生活垃圾的成分復雜、熱值波動較大，根據爐內燃燒情況或負荷需求調整一、二次風量、再循環風量、系統漏風量等原因，都會導致理論焚燒爐出口煙氣量與實際值誤差較大，因此，可采用集散控制系統（Distributed Control System）的各流量、溫度、壓力等傳感器數據，結合焚燒爐原始設計參數（標高、截面積等），計算爐膛內實際的煙氣流量的方法。

焚燒爐出口煙氣量Qout可以通過以下兩種方式計算。

第一種是根據MCR設計工況下，鍋爐蒸發量與鍋爐一通道煙氣量的比例關系[5]。

其中，QMCR為MCR設計工況下鍋爐一通道煙氣量，m3（標）/h；GMCR為額定蒸發量，t/h；G1為蒸發量測量值，t/h。

鍋爐蒸發量受爐膛、鍋爐煙道結焦以及過熱器等影響較大，需結合項目實際運行情況，選取修正系數。

第二種是在已知煙囪入口煙氣量、煙氣處理過程所用氣量、系統漏風量等參數的情況下，反算得焚燒爐出口煙氣量。

式中，Q1為煙囪入口煙氣流量，m3（標）/h；F1為石灰漿液氣化流量，m3（標）/h；F2為減溫水氣化流量，m3（標）/h；F3為消石灰噴射噴入風量，m3（標）/h；F4為活性炭噴射噴入流量，m3（標）/h；F5為SNCR噴入氨水/尿素水氣化流量，m3（標）/h；F6為SNCR噴入稀釋水氣化流量，m3（標）/h；F7為系統漏風量，m3（標）/h；Q4為煙氣再循環風流量，m3（標）/h；F8為濕法塔減濕水蒸汽流量，m3（標）/h；

通過讀取煙囪處的在線監測儀流量，計算焚燒爐出口煙氣量也存在一定誤差：①時間上的誤差，與爐膛內實時煙氣流量與熱電偶溫度數據不匹配；②煙氣處理系統噴射的藥劑氣化流量、系統漏風量等導致誤差。因此，建議在省煤器出口處直接測得實時煙氣量數據，進行數據修正。

2.2 爐內溫度衰減分區

本算法以線性插值法為基礎，設置三個溫度梯度，如圖2所示，分別為焚燒爐出口溫度測點T1至鍋爐一通道下層測點T2、鍋爐一通道下層測點T2至中層測點T3、鍋爐一通道中層測點T3至上層測點T4三個溫度梯度，每個溫度梯度區間內溫度差與高度差的比值是一定的。

圖2 溫度梯度分區

2.3 煙氣流速及標高計算

由于焚燒爐內橫截面積和余熱鍋爐一通道橫截面積不同，焚燒爐內及鍋爐一通道內的煙氣流速可分為兩段計算，分別為最上層二次風噴嘴標高至焚燒爐出口對應的流速v01和余熱鍋爐一通道流速v02。

焚燒爐出口流速v01。

余熱鍋爐一通道流速v02。

其中，焚燒爐出口煙氣流量Qout為標準工況下的煙氣流量，應根據理想氣體定律，轉化為實際工況下的煙氣流量。二次風噴嘴斷面平均溫度Tin指該處所在平面熱電偶測量值的算術平均值，℃；Tout為焚燒爐出口平均溫度，℃；T3為鍋爐一通道中層測點平均溫度，℃；由于Tin和Tout所在斷面未安裝測點，故v01的煙氣量的修正溫度分別取T1和T2的算術平均值；而v01的煙氣量的修正溫度取T2和T3的算術平均值是因為T3測點所在斷面標高是按100%基準質負荷的工況計算停留時間所得；焚燒爐內壓力p，焚燒爐出口壓力修正，則考慮了爐內負壓對煙氣量的影響；S1為焚燒爐出口截面積，m2；S2為余熱鍋爐一通道截面積，m2。

850℃以上煙氣流通2s后標高H2s。

其中，Hout為焚燒爐出口標高，m；Hin為二次風噴嘴標高，m。

然而，此計算模型的運用具有一定的局限性，僅適用于二次風噴嘴所在平面至焚燒爐出口煙道（區域1），與鍋爐一通道截面積近似，且焚燒爐爐膛內截面積一定的爐型。對于焚燒爐出口呈喇叭口型等、通道內截面積差異較大的爐型，對煙氣量的溫度修正和截面積的選取不準，導致焚燒爐出口流速的計算存在誤差。在計算焚燒爐區域的煙氣流速時，采用T1與T2的平均溫度進行溫度修正以及煙道截面積取值偏大，都會導致流速計算值偏小，即計算煙氣停留時間較長。

為了提高對各爐型的適用性，規避公式中焚燒爐截面積取值對流速計算的影響，結合工程實際，綜合考慮爐墻結焦、水冷壁吸熱效果降低等因素，引入修正系數A、B，參考有效容積法，對計算模型進行優化。

其中，V為二次風噴嘴所在平面至焚燒爐出口區域的體積，m3；A為溫度修正因子，以貼近更真實的區間平均溫度；B為爐墻結焦煙氣量修正因子。為了求得前文圖1所示的區域1平均溫度，對于溫度修正系數的確定，需借助熱電偶的合理布置來實現。在理論情況下，可借助設計階段對爐膛內此區域溫度場的模擬，選取平均溫度的熱電偶布置點，或者在二次風噴嘴所在平面布置熱電偶，取此溫度點與焚燒爐出口測溫點的算術均值。

如果H2s≥H2，則850℃以上煙氣流通2s后溫度T2s。

如果H1

其中，H1為焚燒爐第一層溫度測點標高，m；H2為鍋爐一通道下層標高，m。

3 溫度測點布置

焚燒爐爐膛內在線監測溫度點的布置通常是根據不同負荷的設計運行工況下，850℃煙氣所在平面高度為熱電偶安裝高度，且滿足煙氣停留時間不小于2s。生活垃圾焚燒污染控制標準（GB18485—2014）第5.3條規定，爐膛內焚燒溫度≥850℃，檢驗方法為在二次空氣噴入點所在斷面、爐膛中部斷面和爐膛上部斷面中至少選擇兩個斷面分別布設監測點，實行熱電偶實時在線測量。此外，在生態環境部發布的《生活垃圾焚燒發電廠自動監測數據標記規則》中，明確定義爐膛溫度指焚燒爐爐膛內中部和上部兩個斷面各自熱電偶測量溫度中位數算術平均值的5min平均值。

除了在二次風噴入點所在斷面布設熱電偶，考慮到焚燒爐正常熱負荷運行范圍60%~100%，本文取60%和100%負荷基準質垃圾工況下的設計參數值，計算鍋爐一通道850℃煙氣所在標高及煙氣停留時間，作為爐膛中部斷面和上部斷面在線監測點的標高。

這里介紹一種簡易的溫度區間劃分計算模型：計算中，煙氣從主控溫度區起始點至鍋爐一通道出口的溫度變化與高度線性相關，溫度變化速率均勻，根據設計參數可估算得測點標高。

式中，Hout′、Tout′為鍋爐熱力計算所得的一通道出口標高及煙溫，m、℃；Tm為熱力計算所得二次風噴嘴斷面平均溫度，℃；L為煙氣到測點標高的行程，m；v為煙氣流速，m/s；Qout′為熱力計算所得一通道煙氣流量，m3（標）/h。

基于本文中的850℃/2s計算模型，熱電偶在線監測點的標高計算如下。

本模型中，對于溫度修正因子、爐墻結焦煙氣量修正因子，可通過設計階段的熱力計算、爐膛溫度場模擬和實際工程經驗等綜合判斷。

4 結束語

生活垃圾焚燒爐有處理對象成分復雜、熱值波動大、爐內燃燒工況不穩定等特點，因此，合理布置溫度測點高度對于設備安全穩定運行至關重要。溫度測點布置過高，易引起輔助燃料不必要的投入，額外的碳排放，不利于降本增效；溫度測點布置過低又無法保證煙氣在850℃以上停留2s去除二噁英的環保要求。本文通過合理選用計算模型，采用插值法和有效容積法，利用焚燒爐出口區域有效容積和鍋爐一通道內溫度隨高度線性變化，引入溫度修正因子與爐膛結焦修正因子，優化了算法，確保煙氣在850℃區域內停留時間2s，使溫度測點高度的布置更合理。此外，爐內SNCR系統脫氮藥劑、滲濾液、減溫水的噴入、煙道結焦、爐膛耐火厚度、含氧量、熱電偶插入深度等諸多因素都會影響到煙氣溫度與流速，因此，高度布置可留有一定余量。另外，提出以下幾點建議：①設計時考慮短時超負荷110%工況，煙氣流速增大時，溫度測點標高仍高于H2s的標高；②由于煙囪出口數據的滯后性與煙氣系統帶來的誤差，建議在省煤器出口處直接測得實時煙氣量數據，進行數據修正。③煙氣溫度修正要建立在合理選取實時溫度測點的基礎上，同時，適當的溫度衰減分區也有利于溫度場更趨近于真實值，要針對各項目水冷壁敷設、耐火高度和厚度的不同進行調整。④根據項目實際運行經驗，某些鍋爐一通道前后墻、兩側墻都有不同程度的結焦，尤其是輔助燃燒器附近結焦嚴重，其超溫影響應納入計算。