垃圾焚燒廠爐膛溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)探討
摘要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和城鎮(zhèn)化水平的提高，居民生活垃圾產(chǎn)生量呈快速增長(zhǎng)趨勢(shì)。垃圾焚燒作為生活垃圾無(wú)害化處理方式，將逐步替代垃圾填埋成為主要的垃圾處理方式，垃圾焚燒廠的建設(shè)將得到快速發(fā)展。二噁英是一種生活垃圾在焚燒過(guò)程中產(chǎn)生的致癌污染物，目前的技術(shù)手段是通過(guò)控制焚燒爐的焚燒溫度來(lái)控制二噁英的排放濃度，所以，焚燒爐爐膛的溫度在線測(cè)量就尤為重要。本文通過(guò)對(duì)比幾種溫度在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了適用于垃圾焚燒爐爐膛溫度（場(chǎng)）測(cè)量的技術(shù)，為垃圾焚燒廠爐膛溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)的選型和升級(jí)改造提供參考。
關(guān)鍵詞：垃圾焚燒；爐膛溫度；二噁英；聲波測(cè)溫
1引言
根據(jù)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)《“十三五”全國(guó)城鎮(zhèn)生活垃圾無(wú)害化處理設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》（發(fā)改環(huán)資[2016]2851號(hào)），到2020年底，直轄市、計(jì)劃單列市和省會(huì)城市（建成區(qū)）生活垃圾無(wú)害化處理率達(dá)到100%；其他設(shè)市城市、縣城（建成區(qū)）、建制鎮(zhèn)的生活垃圾無(wú)害化處理率分別達(dá)到95%以上、80%以上和70%以上。作為政策扶持性產(chǎn)業(yè)，預(yù)計(jì)到2022年我國(guó)垃圾發(fā)電裝機(jī)容量將達(dá)到1190萬(wàn)千瓦。
在生活垃圾焚燒工藝中，二噁英作為一種主要控制的污染物，目前沒(méi)有較好的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)和脫除手段，而是靠控制爐膛的焚燒溫度來(lái)控制二噁英的排放。2019年生態(tài)環(huán)境部發(fā)布《生活垃圾焚燒發(fā)電廠自動(dòng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)用于環(huán)境管理的規(guī)定（試行）》，規(guī)定垃圾焚燒廠要確保正常工況下焚燒爐爐膛內(nèi)焚燒的平均溫度不低于850℃，否則可以認(rèn)定為垃圾焚燒工藝不正常運(yùn)行。由此可見(jiàn)垃圾焚燒爐爐膛溫度監(jiān)測(cè)的重要性。
而現(xiàn)有的爐膛溫度測(cè)量，多采用熱電偶式的接觸式點(diǎn)測(cè)量技術(shù)。由于垃圾焚燒爐膛內(nèi)屬于高溫、高煙塵、高濕度、大截面焚燒工況，傳感器工作環(huán)境較為惡劣，所以該技術(shù)在運(yùn)行中存在測(cè)量值不能代表實(shí)際焚燒溫度、傳感器易結(jié)焦、更換頻繁、維護(hù)工作量大等實(shí)際工程應(yīng)用問(wèn)題。因此，探索一種能連續(xù)、穩(wěn)定、準(zhǔn)確、可靠并能充分反應(yīng)爐膛焚燒情況的溫度（場(chǎng)）監(jiān)視技術(shù)，無(wú)論對(duì)于提升焚燒爐運(yùn)行管理水平還是二噁英排放的控制都具有較為深遠(yuǎn)的意義。
2垃圾焚燒廠爐膛溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀
2.1熱電偶法溫度測(cè)量技術(shù)
兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B組成一個(gè)回路，兩端相互連接，當(dāng)兩接點(diǎn)處的溫度不同時(shí)，回路中將產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢(shì)，該電動(dòng)勢(shì)的方向和大小與導(dǎo)體的材料及兩接點(diǎn)的溫度有關(guān)。熱電動(dòng)勢(shì)與兩接點(diǎn)的溫度遵從一定的函數(shù)關(guān)系，可通過(guò)測(cè)量熱電動(dòng)勢(shì)計(jì)算出待測(cè)介質(zhì)的溫度。
熱電偶是目前垃圾焚燒爐爐膛溫度測(cè)量普遍應(yīng)用的技術(shù)，該技術(shù)屬于接觸式溫度測(cè)量方法，其電極必須與待測(cè)物質(zhì)接觸，才能測(cè)出待測(cè)物質(zhì)的溫度。在垃圾焚燒爐爐膛溫度測(cè)量上，由于爐膛溫度太高，熱電偶電極插入深度有限，以致熱電偶只能測(cè)量貼近爐膛壁區(qū)域的溫度。該溫度值屬于單點(diǎn)測(cè)量，不能反映爐膛內(nèi)部實(shí)際的焚燒溫度值。再者，垃圾焚燒爐內(nèi)焚燒工況惡劣，熱電偶電極插入爐膛內(nèi)，易結(jié)焦附著在傳感器上，從而導(dǎo)致溫度測(cè)量不準(zhǔn)，傳感器更換和維護(hù)工作量大，影響測(cè)量的持續(xù)穩(wěn)定性。
2.2紅外法溫度測(cè)量技術(shù)
紅外法溫度測(cè)量技術(shù)的原理是黑體輻射定律，遵循普朗克公式。物體的溫度越高，所發(fā)出的紅外輻射能力越強(qiáng)，可通過(guò)測(cè)量物體的紅外輻射強(qiáng)度計(jì)算出待測(cè)物體的溫度。
紅外法測(cè)溫技術(shù)屬于非接觸式光學(xué)測(cè)溫技術(shù)，傳感器無(wú)需接觸待測(cè)物質(zhì)，可適用于較高溫度介質(zhì)的測(cè)量。但由于光線是直線傳播，波長(zhǎng)很短（0.3-3μm），該技術(shù)容易受物體發(fā)射率、測(cè)溫距離、煙塵和水蒸氣等外界因素的影響，對(duì)工況環(huán)境要求較高。尤其是在垃圾焚燒爐內(nèi)應(yīng)用，光在直線路徑上傳播容易受爐膛內(nèi)的煙塵或其他物質(zhì)遮擋干擾，從而影響測(cè)量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。所以，該技術(shù)在垃圾焚燒爐上應(yīng)用較少。
3聲波法溫度測(cè)量技術(shù)的原理
聲波法溫度測(cè)量技術(shù)基于聲速與介質(zhì)溫度的關(guān)系，介質(zhì)中聲波的傳播速率與介質(zhì)的溫度呈某種函數(shù)關(guān)系，可通過(guò)測(cè)量聲波的速率計(jì)算出該路徑的介質(zhì)溫度。
在垃圾焚燒爐中，在爐墻兩側(cè)分別安裝聲波發(fā)聲和接收裝置，如圖1所示。左側(cè)聲波發(fā)射器發(fā)出脈沖波，聲波經(jīng)過(guò)爐膛，被另一側(cè)聲波接收器接收。由于兩者之間的距離是已知并且固定的，所以測(cè)出該路徑聲波的速率，即可計(jì)算出該路徑介質(zhì)的平均溫度。
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圖1單路徑聲波測(cè)溫示意圖
聲波法溫度測(cè)量技術(shù)屬于非接觸式線或者面測(cè)量技術(shù)。聲波屬于球面波，向四面八方傳播；波長(zhǎng)較長(zhǎng)（0.017-17m），且有較強(qiáng)的衍射效應(yīng)。所以聲波測(cè)溫技術(shù)不受爐膛內(nèi)煙塵和其他雜物的干擾影響，可實(shí)現(xiàn)一條線或者一個(gè)截面的溫度（場(chǎng)）測(cè)量，這是熱電偶和紅外技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的。聲波測(cè)溫技術(shù)完成了溫度測(cè)量技術(shù)從接觸式到非接觸式、從點(diǎn)到線、從線到面的跨越發(fā)展，在大容量、高參數(shù)、運(yùn)行控制要求較高的燃煤發(fā)電鍋爐已有較好的應(yīng)用。
4聲波法溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)在爐膛測(cè)溫上的應(yīng)用
4.1單路徑溫度監(jiān)測(cè)
對(duì)于溫度分辨率要求不高的測(cè)溫環(huán)境，一條或者兩條相互獨(dú)立路徑上的測(cè)溫單元就足夠了。聲波收發(fā)裝置布置如圖1所示，即可測(cè)得該路徑的平均溫度。圖2是人機(jī)界面，實(shí)時(shí)顯示的溫度即為兩個(gè)收發(fā)裝置之間的平均溫度。圖3是所監(jiān)測(cè)的爐膛溫度與機(jī)組負(fù)荷的歷史曲線對(duì)比圖。可見(jiàn)，聲波法測(cè)溫裝置所測(cè)溫度與機(jī)組負(fù)荷的變化呈對(duì)應(yīng)關(guān)系，能反應(yīng)爐膛焚燒溫度的實(shí)際情況。
對(duì)于垃圾焚燒爐的爐膛溫度監(jiān)測(cè)，可在原安裝熱電偶的上、中、下三層的位置，改裝三對(duì)聲波收發(fā)裝置，即可分別測(cè)得上、中、下三層各三條線的平均溫度，其測(cè)量值比熱電偶所測(cè)得的點(diǎn)溫度值更能反應(yīng)爐膛溫度的實(shí)際情況。
4.2多路徑溫度監(jiān)測(cè)
對(duì)溫度分辨率要求較高的測(cè)溫環(huán)境，可在爐膛截面四周的爐墻上布置多組聲波收發(fā)裝置，即可測(cè)得多條路徑的平均溫度。圖4列舉出了不同布置的聲波收發(fā)系統(tǒng)形成的多路徑測(cè)量圖。
圖4幾種多路徑聲波收發(fā)裝置布置圖
圖5是多路徑溫度測(cè)量方式中的4條路徑溫度監(jiān)測(cè)值歷史曲線對(duì)比圖？梢(jiàn)，在同一截面，不同路徑的溫度平均值是不同的，但其變化趨勢(shì)是一致的。多路徑溫度監(jiān)測(cè)方式比單路徑更能反應(yīng)爐膛焚燒溫度的分布情況。
圖5同截面多路徑溫度監(jiān)測(cè)值歷史曲線對(duì)比圖
4.3截面溫度（場(chǎng)）監(jiān)測(cè)
對(duì)于需實(shí)時(shí)掌握截面溫度分布的工況，則需在獲取多條路徑溫度信息的基礎(chǔ)上重建算法，建立這個(gè)平面的二維溫度場(chǎng)，再通過(guò)聲學(xué)CT技術(shù)顯示各區(qū)塊溫度，如圖6所示；以及使截面溫度場(chǎng)呈等溫線顯示，如圖7所示。
圖8是溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的人機(jī)界面。
聲波法溫度場(chǎng)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)截面溫度的可視化和數(shù)字化，可任意調(diào)取任一個(gè)區(qū)塊和等溫線的歷史溫度曲線和畫面，對(duì)鍋爐燃燒控制有重要的指導(dǎo)意義。大型燃煤鍋爐的爐膛溫度分布關(guān)系到鍋爐燃燒的安全、煤耗、NOX排放等多個(gè)生產(chǎn)工藝的控制，通過(guò)對(duì)爐膛溫度場(chǎng)的在線監(jiān)測(cè)，可較好的實(shí)現(xiàn)鍋爐運(yùn)行調(diào)整控制，使鍋爐實(shí)時(shí)在最佳工況下運(yùn)行。
5結(jié)論與展望
（1）熱電偶為接觸式單點(diǎn)測(cè)量技術(shù)，在垃圾焚燒爐的應(yīng)用中存在測(cè)量不準(zhǔn)、更換維護(hù)工作量大、持續(xù)穩(wěn)定性差等問(wèn)題。
（2）紅外測(cè)溫屬于非接觸式測(cè)量技術(shù)，但由于其對(duì)測(cè)量的工況環(huán)境要求較高，制約了其在垃圾焚燒領(lǐng)域的應(yīng)用推廣。
（3）聲波測(cè)溫屬于非接觸式面測(cè)量技術(shù)，可使?fàn)t膛焚燒溫度可視化和數(shù)字化，既有利于燃燒調(diào)整控制，又有利于環(huán)境執(zhí)法取證，較為適合垃圾焚燒爐爐膛溫度（場(chǎng)）的監(jiān)測(cè)。
（4）隨著垃圾焚燒發(fā)電廠的不斷建設(shè)，二噁英控制形勢(shì)嚴(yán)峻，亟需更先進(jìn)、更穩(wěn)定的溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)爐膛焚燒溫度進(jìn)行監(jiān)管。
（5）聲波為球面波，可進(jìn)一步探索開(kāi)發(fā)三維立體的爐膛溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量從點(diǎn)到線、線到面、面再到體的技術(shù)進(jìn)步。
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