淺析危廢焚燒工程鍋爐煙氣氧含量測量與控制

＊王小健

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司 上海 200092）

前言

危廢是指有毒、有害、有腐蝕性、有感染性及輻射性的工業廢棄物，其因有腐蝕性、毒性并且易燃易爆等特性，對生態環境和人類健康具有危害。目前危廢的處理方式主要有焚燒、填埋及綜合利用，而焚燒是比較可靠、經濟和有效的處理方式，也是實現危廢減量化、無害化、資源化最有效的方法。隨著我國工業化、城市化的飛速發展，大量工業廢棄物與醫療廢棄物也隨之產生，各區域相繼新建危廢處理中心，危廢焚燒工藝得到廣泛的運用，焚燒工藝技術也獲得了不斷發展并走向成熟。

目前，危廢焚燒工程氧含量測量常用常規氧化鋯，經常出現測量管堵塞和腐蝕現象，儀表故障率較高。氧含量控制通常采用手動控制，操作人員根據氧含量值手動調整一次風機的頻率以維持氧含量恒定，調節時間和調節大小都取決于操作人員，這樣具有很大的滯后性，同時對操作人員操作經驗要求也高，不利于裝置的長周期穩定運行。因此，合適的氧分析選型和有效的控制方案是裝置自動化控制及平穩運行的前提。

1.危廢焚燒工藝

(1)危廢焚燒流程

危險廢物焚燒工藝流程主要包括以下幾方面：危廢物的儲存、進料、焚燒、余熱利用及煙氣凈化，主要工藝設備包含抓斗、回轉窯、二燃室、余熱鍋爐、急冷塔、干式脫酸塔、布袋除塵器、冷卻洗滌塔、中和洗滌塔、煙囪等。主要工藝流程簡圖如圖1 所示。

圖1 焚燒工藝流程簡圖

固體廢物經過廢物車運輸卸到廢物坑中進行集中儲存，隨后利用抓斗起重機將固體廢物抓至進料斗，后經推桿進料系統設備運送到回轉窯，依次經過著火段、燃燒段和燃燼段，通過燃燒所產生的高溫煙氣進入二燃室繼續燃燒。最后產生的爐渣經出渣機排出系統，二燃室出口煙氣依次進入余熱鍋爐和急冷塔降溫。降溫后煙氣進入干法脫酸塔后至布袋除塵器，在降低煙氣中粉塵濃度后于冷卻洗滌塔及中和洗滌塔內凈化，凈化后的煙氣經煙氣加熱器加熱到露點以上再經引風機通過煙囪排至大氣[1-2]。

(2)氧含量測量的意義

煙氣中氧含量測量，能反映出回轉窯及二燃室中燃燒反應情況，也是危廢焚燒裝置運行的重要工藝參數。氧含量過低，即空氣過剩系數小，會造成燃燒反應不完全、不夠充分，致使有害物質不能徹底分解，并且會產生大量黑煙。氧含量過高，即空氣過剩系數大，會造成燃燒速度快，燃燒充分，產生的煙氣量大，煙氣帶走大量熱量，造成回轉窯溫度下降，同時會增加粉塵等污染物排放濃度，使后續的煙氣處理負荷增大，同時增加引風機負荷，經濟效率下降。根據《危險廢物焚燒污染控制標準》（GB 18484—2020），氧含量用于煙氣污染物的實際排放濃度折算并判斷是否符合環保排放標準，故氧含量的準確測量及控制氧含量的穩定，既是控制回轉窯內危廢燃燒的過程，又是實現回轉窯經濟、安全穩定、高效運行的基礎，也是危廢生產裝置清潔生產、綠色生產的前提。

缺氧條件下，燃燒過程化學反應：

結合公式（1）～（4）可以看出，氧含量對CO 產生量有著重要影響。雖然在低溫中C 與CO2的氣化反應并不占據主導作用，但正常運行時回轉窯中溫度超過900 ℃。在高溫下CO2已具備了反應活性，若C 過量且氧含量不足，C 很可能搶奪CO2中的氧生成CO，如公式（1）。為確保C 與CO2的氣化反應速度遠低于C 與O2的燃燒反應速度，合適的氧氣含量是必需的。

2.氧含量分析儀選型

(1)選型依據

常規的氧含量檢測原理有：順磁原理、電化學原理、激光原理、氧化鋯原理。根據《石油化工自動化儀表選型設計規范》（SH/T 3005—2016），條氧分析儀的選型應符合下列規定：

①常用的氧分析儀有電化學式氧分析儀、順磁式氧分析儀和氧化鋯式氧分析儀；

②順磁式氧分析儀宜用于測量百分數級氧含量；

③電化學式氧分析儀宜用于測量高純度氣體（如氫氣、氮氣、氧氣等）中1×10-6級的氧含量，不宜用于酸性氣體工況；

④氧化鋯式氧分析儀宜用于測量工業爐煙道氣或爐膛氣0～25%的氧含量。當背景氣中含烴類、CO、H2等可燃性氣體（或還原氣體）和硫及其他酸霧且伴有火苗及強氣流沖擊時，不宜選用氧化鋯式氧分析儀。

(2)選型分析

順磁原理適用于常量氧的測量，易受灰塵、水的影響，且要求介質工況壓力為正壓，介質溫度范圍在5～45 ℃，故需要配置采樣預處理裝置。危廢焚燒項目中由于煙氣中含塵、煙氣溫度高且工況為負壓，采樣預處理裝置較難配置，故順磁原理不適用于危廢焚燒氧含量檢測。

電化學原理適用于微量氧分析，而危廢焚燒氧含量在6%左右，故亦不適合危廢項目。

激光原理采用激光吸收光譜技術檢測氧含量，多用于廢氣及廢液焚燒裝置，由于激光氧含量分析儀價格較貴，在危廢焚燒項目中使用較少。

氧化鋯氧分析儀是一種電化學在線分析儀，采用固體電解質氧傳感器，核心部件為氧化鋯管，利用氧化鋯管在高溫（600 ℃）下，管內、外氧分壓不同形成氧濃差電池來測量。氧化鋯分析儀測量范圍廣，常量氧和微量氧均可測量，在危廢焚燒項目中得到廣泛的應用。為保證分析儀的可靠性及準確性，可選配自動校正單元，定期采用儀表氣及零點氣對分析儀進行自動標定。同時為防止氧含量分析儀測量探頭因積灰、堵塞、腐蝕而發生故障，通常在探桿頂端配置除塵過濾器或防塵保護器，可有效過濾粉塵等雜質，以保護鋯池及測量部件。為保證分析儀的工作環境及檢修維護方便，一般選用分體式氧化鋯分析儀。圖2 為廠家樣本中氧化鋯分析儀系統圖。

圖2 氧化鋯分析儀系統配置圖

(3)安裝位置及安裝方式

由于回轉窯和二燃室出口煙氣組分復雜、工況環境惡劣，煙氣中含有大量粉塵、酸性氣體等污染物，并且煙氣溫度高達1100 ℃。為保證氧含量分析儀的長周期運行同時兼顧采購成本，通常將氧化鋯分析儀安裝在余熱鍋爐出口煙道上，此處煙氣中大顆粒物、未燃盡物由于自身重力而沉降，同時煙氣溫度在500～600 ℃，為氧含量分析儀提供了一個相對理想的工作環境，可有效提高氧含量分析儀的可靠性。氧化鋯分析儀安裝位置應避免管道震動，因為氧化鋯內鋯池比較脆弱，在震動過程中容易斷裂；安裝接口及安裝法蘭需進行密封處理，避免因漏風導致測量結果異常；氧化鋯開口位置不宜在煙道拐彎處或底部，氧化鋯探桿長度應至少達到煙道直徑的1/3，以免影響測量精度，同時需預留安裝及檢修空間。

氧化鋯分析儀宜選用直插式元件，采用原位式安裝方式，安裝簡單、方便。

3.氧含量控制方案

(1)氧含量控制影響因素

①氧含量分析儀安裝在余熱鍋爐出口煙道上，對于焚燒過程中氧含量測量具有一定的滯后性；

②余熱鍋爐的漏風對氧含量控制的影響；

③危廢種類多，成分復雜且抓斗進料量的隨機性，影響氧含量的控制；

④二次風機、引風機風量對氧含量控制的影響。

(2)控制方案

在危廢焚燒過程中，正常氧含量需維持在6%左右，通常采用余熱鍋爐出口煙氣中氧含量來調節一次風機的變頻，通過一次風機的運行頻率變化，調節回轉窯的進風量，從而控制煙氣中氧含量。由于氧含量測量的滯后性、進料量的不確定性、進料成分的變化等因素，此控制方案在實際投用過程中不穩定，氧含量控制波動范圍大，造成尾氣指標控制難度加大，經常出現尾氣超標排放工況。

本次控制方案采用智能控制模型、氧含量分析儀AT4001、尾氣CO 分析儀AT4002 及一次風機變頻器SCB2001 構成串級調節回路。如圖3 所示，通過人工合理配伍、統計分析進料量與氧含量之間的對應關系，構建數學模型，建立數據庫，形成智能控制模塊AS4001。針對每次進料量，提前調節一次風機變頻器頻率，提前調節氧含量，再根據鍋爐出口氧含量及尾氣CO 濃度進行修正，微調一次風機頻率，從而避免氧含量大幅波動，實現氧含量精準、實時控制，降低焚燒殘渣熱酌減率及含碳量，保證系統的平穩運行，實現最佳燃燒效果及尾氣達標排放[3-5]。

圖3 氧含量控制回路圖

4.結束語

危廢焚燒是一個非常復雜的燃燒反應過程，存在多變量耦合、純滯后等非線性問題。智能控制模塊需依托實驗室對危廢物料的分析數據、人工配伍方案、理論計算及工程經驗。只有深度了解并掌握影響氧含量的準確數據，修正數學模型，完善數據庫，才可實現氧含量的有效控制。

危廢焚燒工程氧含量分析儀的合適選擇及可靠的氧含量自動控制方案，能有效地提高危廢焚燒裝置運行的可靠性和經濟性，保障系統平穩運行及尾氣達標排放，同時為裝置的長周期運行創造了條件。