陸子葉

（上海環(huán)境衛(wèi)生工程設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200237）

二噁英作為一類劇毒物質(zhì)，會(huì)使長(zhǎng)期暴露在其環(huán)境下的人出現(xiàn)頭痛、失聰，嚴(yán)重者可能會(huì)出現(xiàn)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(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)于環(huán)境中二噁英來源的研究調(diào)查結(jié)果來看，焚燒設(shè)施所產(chǎn)生的二噁英占比較高[1]。近年來，焚燒發(fā)電項(xiàng)目數(shù)量上漲迅速，人們對(duì)生態(tài)環(huán)境的日益重視，國(guó)家和地方政府對(duì)于焚燒設(shè)施的污控監(jiān)管也越來越嚴(yán)格。根據(jù)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(cè)定限值為0.1ng/m3。2019年11月21日，中華人民共和國(guó)生態(tài)環(huán)境部發(fā)布10號(hào)令，《生活垃圾焚燒發(fā)電廠自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)用管理規(guī)定》[3]于2020年1月1日起正式施行，其中第七條明確規(guī)定，“垃圾焚燒廠應(yīng)該按照國(guó)家規(guī)定，確保正常工況下焚燒爐爐膛內(nèi)熱電偶測(cè)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(xiàn)狀與計(jì)算方法

行業(yè)內(nèi)對(duì)煙氣在850℃以上溫度區(qū)停留2s的控制和監(jiān)管要求來自歐洲，日本、美國(guó)也都采用這個(gè)“標(biāo)準(zhǔn)要求”，我國(guó)早期出臺(tái)的焚燒技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，同樣也是采用此標(biāo)準(zhǔn)，但都未對(duì)“850℃、2s”的計(jì)算有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。另外，各焚燒爐排爐技術(shù)所采用的關(guān)于850℃/2s的計(jì)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(jì)算法，斯坦米勒和西格斯運(yùn)用第一通道頂部煙溫計(jì)算方法，基于經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。

除此之外，現(xiàn)有焚燒爐溫度測(cè)點(diǎn)布置位置有待商榷，如測(cè)點(diǎn)高度偏低，則無法滿足監(jiān)管規(guī)定要求的煙氣停留時(shí)間不小于2s；若測(cè)點(diǎn)位置偏高則極易引起輔助燃燒器的被動(dòng)投入，增加燃料成本，中上部的位置高度差大也會(huì)引起溫度均值偏低等問題。起爐階段，為了使?fàn)t膛平均溫度達(dá)到850℃，需由燃燒器提供爐膛設(shè)計(jì)熱負(fù)荷80%以上的熱負(fù)荷，而燃燒器的火焰較集中，與正常運(yùn)行時(shí)燃燒段的均布火焰不同，因此起爐時(shí)極易導(dǎo)致爐排鑄件表面局部超溫?zé)龘p、爐排驅(qū)動(dòng)油缸超溫故障、碳排放量過高等問題。

本文通過對(duì)某主流焚燒爐技術(shù)在主控溫度區(qū)850℃/2s的算法進(jìn)行研究，以現(xiàn)有荏原焚燒爐的線性插值法作為算法基礎(chǔ)，同時(shí)引入有效容積算法，并增加爐溫計(jì)算起始點(diǎn)、二次風(fēng)位置、各區(qū)間溫度梯度、爐膛結(jié)焦情況等修正因子對(duì)公式進(jìn)行修正，形成一套爐膛主控溫度區(qū)850℃/2s的算法，以及一套基于該優(yōu)化算法下的溫度測(cè)點(diǎn)布置方案，能夠?yàn)榉贌龔S調(diào)整測(cè)點(diǎn)布置提供一定參考，從而進(jìn)一步精細(xì)化實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)要求的控制指標(biāo)，保障二噁英的去除效果，降低化石燃料的被動(dòng)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(guó)內(nèi)某生活垃圾焚燒廠為例，將焚燒爐內(nèi)的末次風(fēng)——二次風(fēng)的最上層噴嘴所在平面作為起始點(diǎn)，如圖1所示，計(jì)算煙氣在滿足850℃以上的主控溫度區(qū)，經(jīng)過2s后所在位置的溫度與標(biāo)高。

圖1 爐膛測(cè)點(diǎn)布置示意圖

2.1 爐膛煙氣量計(jì)算

在焚燒爐的基本設(shè)計(jì)過程中，物料平衡計(jì)算可以提供在基準(zhǔn)質(zhì)垃圾作為燃料，100%MCR點(diǎn)時(shí)的理論焚燒爐出口煙氣流量。然而，在實(shí)際運(yùn)行過程中，由于生活垃圾的成分復(fù)雜、熱值波動(dòng)較大，根據(jù)爐內(nèi)燃燒情況或負(fù)荷需求調(diào)整一、二次風(fēng)量、再循環(huán)風(fēng)量、系統(tǒng)漏風(fēng)量等原因，都會(huì)導(dǎo)致理論焚燒爐出口煙氣量與實(shí)際值誤差較大，因此，可采用集散控制系統(tǒng)（Distributed Control System）的各流量、溫度、壓力等傳感器數(shù)據(jù)，結(jié)合焚燒爐原始設(shè)計(jì)參數(shù)（標(biāo)高、截面積等），計(jì)算爐膛內(nèi)實(shí)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(jì)算。

第一種是根據(jù)MCR設(shè)計(jì)工況下，鍋爐蒸發(fā)量與鍋爐一通道煙氣量的比例關(guān)系[5]。

其中，QMCR為MCR設(shè)計(jì)工況下鍋爐一通道煙氣量，m3（標(biāo)）/h；GMCR為額定蒸發(fā)量，t/h；G1為蒸發(fā)量測(cè)量值，t/h。

鍋爐蒸發(fā)量受爐膛、鍋爐煙道結(jié)焦以及過熱器等影響較大，需結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行情況，選取修正系數(shù)。

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(tǒng)漏風(fēng)量等參數(shù)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(biāo)）/h；F1為石灰漿液氣化流量，m3（標(biāo)）/h；F2為減溫水氣化流量，m3（標(biāo)）/h；F3為消石灰噴射噴入風(fēng)量，m3（標(biāo)）/h；F4為活性炭噴射噴入流量，m3（標(biāo)）/h；F5為SNCR噴入氨水/尿素水氣化流量，m3（標(biāo)）/h；F6為SNCR噴入稀釋水氣化流量，m3（標(biāo)）/h；F7為系統(tǒng)漏風(fēng)量，m3（標(biāo)）/h；Q4為煙氣再循環(huán)風(fēng)流量，m3（標(biāo)）/h；F8為濕法塔減濕水蒸汽流量，m3（標(biāo)）/h；

通過讀取煙囪處的在線監(jiān)測(cè)儀流量，計(jì)算焚燒爐出口煙氣量也存在一定誤差：①時(shí)間上的誤差，與爐膛內(nèi)實(shí)時(shí)煙氣流量與熱電偶溫度數(shù)據(jù)不匹配；②煙氣處理系統(tǒng)噴射的藥劑氣化流量、系統(tǒng)漏風(fēng)量等導(dǎo)致誤差。因此，建議在省煤器出口處直接測(cè)得實(shí)時(shí)煙氣量數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)修正。

2.2 爐內(nèi)溫度衰減分區(qū)

本算法以線性插值法為基礎(chǔ)，設(shè)置三個(gè)溫度梯度，如圖2所示，分別為焚燒爐出口溫度測(cè)點(diǎn)T1至鍋爐一通道下層測(cè)點(diǎn)T2、鍋爐一通道下層測(cè)點(diǎn)T2至中層測(cè)點(diǎn)T3、鍋爐一通道中層測(cè)點(diǎn)T3至上層測(cè)點(diǎn)T4三個(gè)溫度梯度，每個(gè)溫度梯度區(qū)間內(nèi)溫度差與高度差的比值是一定的。

圖2 溫度梯度分區(qū)

2.3 煙氣流速及標(biāo)高計(jì)算

由于焚燒爐內(nèi)橫截面積和余熱鍋爐一通道橫截面積不同，焚燒爐內(nèi)及鍋爐一通道內(nèi)的煙氣流速可分為兩段計(jì)算，分別為最上層二次風(fēng)噴嘴標(biāo)高至焚燒爐出口對(duì)應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)工況下的煙氣流量，應(yīng)根據(jù)理想氣體定律，轉(zhuǎn)化為實(shí)際工況下的煙氣流量。二次風(fēng)噴嘴斷面平均溫度Tin指該處所在平面熱電偶測(cè)量值的算術(shù)平均值，℃；Tout為焚燒爐出口平均溫度，℃；T3為鍋爐一通道中層測(cè)點(diǎn)平均溫度，℃；由于Tin和Tout所在斷面未安裝測(cè)點(diǎn)，故v01的煙氣量的修正溫度分別取T1和T2的算術(shù)平均值；而v01的煙氣量的修正溫度取T2和T3的算術(shù)平均值是因?yàn)門3測(cè)點(diǎn)所在斷面標(biāo)高是按100%基準(zhǔn)質(zhì)負(fù)荷的工況計(jì)算停留時(shí)間所得；焚燒爐內(nèi)壓力p，焚燒爐出口壓力修正，則考慮了爐內(nèi)負(fù)壓對(duì)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(biāo)高H2s。

其中，Hout為焚燒爐出口標(biāo)高，m；Hin為二次風(fēng)噴嘴標(biāo)高，m。

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

為了提高對(duì)各爐型的適用性，規(guī)避公式中焚燒爐截面積取值對(duì)流速計(jì)算的影響，結(jié)合工程實(shí)際，綜合考慮爐墻結(jié)焦、水冷壁吸熱效果降低等因素，引入修正系數(shù)A、B，參考有效容積法，對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行優(yōu)化。

其中，V為二次風(fēng)噴嘴所在平面至焚燒爐出口區(qū)域的體積，m3；A為溫度修正因子，以貼近更真實(shí)的區(qū)間平均溫度；B為爐墻結(jié)焦煙氣量修正因子。為了求得前文圖1所示的區(qū)域1平均溫度，對(duì)于溫度修正系數(shù)的確定，需借助熱電偶的合理布置來實(shí)現(xiàn)。在理論情況下，可借助設(shè)計(jì)階段對(duì)爐膛內(nèi)此區(qū)域溫度場(chǎng)的模擬，選取平均溫度的熱電偶布置點(diǎn)，或者在二次風(fēng)噴嘴所在平面布置熱電偶，取此溫度點(diǎn)與焚燒爐出口測(cè)溫點(diǎn)的算術(shù)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(cè)點(diǎn)標(biāo)高，m；H2為鍋爐一通道下層標(biāo)高，m。

3 溫度測(cè)點(diǎn)布置

焚燒爐爐膛內(nèi)在線監(jiān)測(cè)溫度點(diǎn)的布置通常是根據(jù)不同負(fù)荷的設(shè)計(jì)運(yùn)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(shí)間不小于2s。生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)（GB18485—2014）第5.3條規(guī)定，爐膛內(nèi)焚燒溫度≥850℃，檢驗(yàn)方法為在二次空氣噴入點(diǎn)所在斷面、爐膛中部斷面和爐膛上部斷面中至少選擇兩個(gè)斷面分別布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，實(shí)行熱電偶實(shí)時(shí)在線測(cè)量。此外，在生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《生活垃圾焚燒發(fā)電廠自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)標(biāo)記規(guī)則》中，明確定義爐膛溫度指焚燒爐爐膛內(nèi)中部和上部?jī)蓚€(gè)斷面各自熱電偶測(cè)量溫度中位數(shù)算術(shù)平均值的5min平均值。

除了在二次風(fēng)噴入點(diǎn)所在斷面布設(shè)熱電偶，考慮到焚燒爐正常熱負(fù)荷運(yùn)行范圍60%~100%，本文取60%和100%負(fù)荷基準(zhǔn)質(zhì)垃圾工況下的設(shè)計(jì)參數(shù)值，計(jì)算鍋爐一通道850℃煙氣所在標(biāo)高及煙氣停留時(shí)間，作為爐膛中部斷面和上部斷面在線監(jiān)測(cè)點(diǎn)的標(biāo)高。

這里介紹一種簡(jiǎn)易的溫度區(qū)間劃分計(jì)算模型：計(jì)算中，煙氣從主控溫度區(qū)起始點(diǎn)至鍋爐一通道出口的溫度變化與高度線性相關(guān)，溫度變化速率均勻，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)可估算得測(cè)點(diǎn)標(biāo)高。

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

基于本文中的850℃/2s計(jì)算模型，熱電偶在線監(jiān)測(cè)點(diǎn)的標(biāo)高計(jì)算如下。

本模型中，對(duì)于溫度修正因子、爐墻結(jié)焦煙氣量修正因子，可通過設(shè)計(jì)階段的熱力計(jì)算、爐膛溫度場(chǎng)模擬和實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)等綜合判斷。

4 結(jié)束語

生活垃圾焚燒爐有處理對(duì)象成分復(fù)雜、熱值波動(dòng)大、爐內(nèi)燃燒工況不穩(wěn)定等特點(diǎn)，因此，合理布置溫度測(cè)點(diǎn)高度對(duì)于設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。溫度測(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)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(huán)保要求。本文通過合理選用計(jì)算模型，采用插值法和有效容積法，利用焚燒爐出口區(qū)域有效容積和鍋爐一通道內(nèi)溫度隨高度線性變化，引入溫度修正因子與爐膛結(jié)焦修正因子，優(yōu)化了算法，確保煙氣在850℃區(qū)域內(nèi)停留時(shí)間2s，使溫度測(cè)點(diǎn)高度的布置更合理。此外，爐內(nèi)SNCR系統(tǒng)脫氮藥劑、滲濾液、減溫水的噴入、煙道結(jié)焦、爐膛耐火厚度、含氧量、熱電偶插入深度等諸多因素都會(huì)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(diǎn)建議：①設(shè)計(jì)時(shí)考慮短時(shí)超負(fù)荷110%工況，煙氣流速增大時(shí)，溫度測(cè)點(diǎn)標(biāo)高仍高于H2s的標(biāo)高；②由于煙囪出口數(shù)據(jù)的滯后性與煙氣系統(tǒng)帶來的誤差，建議在省煤器出口處直接測(cè)得實(shí)時(shí)煙氣量數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)修正。③煙氣溫度修正要建立在合理選取實(shí)時(shí)溫度測(cè)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，同時(shí)，適當(dāng)?shù)臏囟人p分區(qū)也有利于溫度場(chǎng)更趨近于真實(shí)值，要針對(duì)各項(xiàng)目水冷壁敷設(shè)、耐火高度和厚度的不同進(jìn)行調(diào)整。④根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，某些鍋爐一通道前后墻、兩側(cè)墻都有不同程度的結(jié)焦，尤其是輔助燃燒器附近結(jié)焦嚴(yán)重，其超溫影響應(yīng)納入計(jì)算。