垃圾焚燒廠爐膛溫度監測技術探討
摘要：隨著我國經濟社會的發展和城鎮化水平的提高，居民生活垃圾產生量呈快速增長趨勢。垃圾焚燒作為生活垃圾無害化處理方式，將逐步替代垃圾填埋成為主要的垃圾處理方式，垃圾焚燒廠的建設將得到快速發展。二噁英是一種生活垃圾在焚燒過程中產生的致癌污染物，目前的技術手段是通過控制焚燒爐的焚燒溫度來控制二噁英的排放濃度，所以，焚燒爐爐膛的溫度在線測量就尤為重要。本文通過對比幾種溫度在線監測技術的優缺點，提出了適用于垃圾焚燒爐爐膛溫度（場）測量的技術，為垃圾焚燒廠爐膛溫度監測技術的選型和升級改造提供參考。
關鍵詞：垃圾焚燒；爐膛溫度；二噁英；聲波測溫
1引言
根據國家發展和改革委員會《“十三五”全國城鎮生活垃圾無害化處理設施建設規劃》（發改環資[2016]2851號），到2020年底，直轄市、計劃單列市和省會城市（建成區）生活垃圾無害化處理率達到100%；其他設市城市、縣城（建成區）、建制鎮的生活垃圾無害化處理率分別達到95%以上、80%以上和70%以上。作為政策扶持性產業，預計到2022年我國垃圾發電裝機容量將達到1190萬千瓦。
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，目前沒有較好的在線監測技術和脫除手段，而是靠控制爐膛的焚燒溫度來控制二噁英的排放。2019年生態環境部發布《生活垃圾焚燒發電廠自動監控數據用于環境管理的規定（試行）》，規定垃圾焚燒廠要確保正常工況下焚燒爐爐膛內焚燒的平均溫度不低于850℃，否則可以認定為垃圾焚燒工藝不正常運行。由此可見垃圾焚燒爐爐膛溫度監測的重要性。
而現有的爐膛溫度測量，多采用熱電偶式的接觸式點測量技術。由于垃圾焚燒爐膛內屬于高溫、高煙塵、高濕度、大截面焚燒工況，傳感器工作環境較為惡劣，所以該技術在運行中存在測量值不能代表實際焚燒溫度、傳感器易結焦、更換頻繁、維護工作量大等實際工程應用問題。因此，探索一種能連續、穩定、準確、可靠并能充分反應爐膛焚燒情況的溫度（場）監視技術，無論對于提升焚燒爐運行管理水平還是二噁英排放的控制都具有較為深遠的意義。
2垃圾焚燒廠爐膛溫度監測技術現狀
2.1熱電偶法溫度測量技術
兩種不同的導體或半導體A和B組成一個回路，兩端相互連接，當兩接點處的溫度不同時，回路中將產生一個電動勢，該電動勢的方向和大小與導體的材料及兩接點的溫度有關。熱電動勢與兩接點的溫度遵從一定的函數關系，可通過測量熱電動勢計算出待測介質的溫度。
熱電偶是目前垃圾焚燒爐爐膛溫度測量普遍應用的技術，該技術屬于接觸式溫度測量方法，其電極必須與待測物質接觸，才能測出待測物質的溫度。在垃圾焚燒爐爐膛溫度測量上，由于爐膛溫度太高，熱電偶電極插入深度有限，以致熱電偶只能測量貼近爐膛壁區域的溫度。該溫度值屬于單點測量，不能反映爐膛內部實際的焚燒溫度值。再者，垃圾焚燒爐內焚燒工況惡劣，熱電偶電極插入爐膛內，易結焦附著在傳感器上，從而導致溫度測量不準，傳感器更換和維護工作量大，影響測量的持續穩定性。
2.2紅外法溫度測量技術
紅外法溫度測量技術的原理是黑體輻射定律，遵循普朗克公式。物體的溫度越高，所發出的紅外輻射能力越強，可通過測量物體的紅外輻射強度計算出待測物體的溫度。
紅外法測溫技術屬于非接觸式光學測溫技術，傳感器無需接觸待測物質，可適用于較高溫度介質的測量。但由于光線是直線傳播，波長很短（0.3-3μm），該技術容易受物體發射率、測溫距離、煙塵和水蒸氣等外界因素的影響，對工況環境要求較高。尤其是在垃圾焚燒爐內應用，光在直線路徑上傳播容易受爐膛內的煙塵或其他物質遮擋干擾，從而影響測量的準確性和穩定性。所以，該技術在垃圾焚燒爐上應用較少。
3聲波法溫度測量技術的原理
聲波法溫度測量技術基于聲速與介質溫度的關系，介質中聲波的傳播速率與介質的溫度呈某種函數關系，可通過測量聲波的速率計算出該路徑的介質溫度。
在垃圾焚燒爐中，在爐墻兩側分別安裝聲波發聲和接收裝置，如圖1所示。左側聲波發射器發出脈沖波，聲波經過爐膛，被另一側聲波接收器接收。由于兩者之間的距離是已知并且固定的，所以測出該路徑聲波的速率，即可計算出該路徑介質的平均溫度。
.jpg)
圖1單路徑聲波測溫示意圖
聲波法溫度測量技術屬于非接觸式線或者面測量技術。聲波屬于球面波，向四面八方傳播；波長較長（0.017-17m），且有較強的衍射效應。所以聲波測溫技術不受爐膛內煙塵和其他雜物的干擾影響，可實現一條線或者一個截面的溫度（場）測量，這是熱電偶和紅外技術難以實現的。聲波測溫技術完成了溫度測量技術從接觸式到非接觸式、從點到線、從線到面的跨越發展，在大容量、高參數、運行控制要求較高的燃煤發電鍋爐已有較好的應用。
4聲波法溫度監測技術在爐膛測溫上的應用
4.1單路徑溫度監測
對于溫度分辨率要求不高的測溫環境，一條或者兩條相互獨立路徑上的測溫單元就足夠了。聲波收發裝置布置如圖1所示，即可測得該路徑的平均溫度。圖2是人機界面，實時顯示的溫度即為兩個收發裝置之間的平均溫度。圖3是所監測的爐膛溫度與機組負荷的歷史曲線對比圖。可見，聲波法測溫裝置所測溫度與機組負荷的變化呈對應關系，能反應爐膛焚燒溫度的實際情況。
對于垃圾焚燒爐的爐膛溫度監測，可在原安裝熱電偶的上、中、下三層的位置，改裝三對聲波收發裝置，即可分別測得上、中、下三層各三條線的平均溫度，其測量值比熱電偶所測得的點溫度值更能反應爐膛溫度的實際情況。
4.2多路徑溫度監測
對溫度分辨率要求較高的測溫環境，可在爐膛截面四周的爐墻上布置多組聲波收發裝置，即可測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系統形成的多路徑測量圖。
圖4幾種多路徑聲波收發裝置布置圖
圖5是多路徑溫度測量方式中的4條路徑溫度監測值歷史曲線對比圖。可見，在同一截面，不同路徑的溫度平均值是不同的，但其變化趨勢是一致的。多路徑溫度監測方式比單路徑更能反應爐膛焚燒溫度的分布情況。
圖5同截面多路徑溫度監測值歷史曲線對比圖
4.3截面溫度（場）監測
對于需實時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上重建算法，建立這個平面的二維溫度場，再通過聲學CT技術顯示各區塊溫度，如圖6所示；以及使截面溫度場呈等溫線顯示，如圖7所示。
圖8是溫度場監測技術的人機界面。
聲波法溫度場在線監測技術，可實現截面溫度的可視化和數字化，可任意調取任一個區塊和等溫線的歷史溫度曲線和畫面，對鍋爐燃燒控制有重要的指導意義。大型燃煤鍋爐的爐膛溫度分布關系到鍋爐燃燒的安全、煤耗、NOX排放等多個生產工藝的控制，通過對爐膛溫度場的在線監測，可較好的實現鍋爐運行調整控制，使鍋爐實時在最佳工況下運行。
5結論與展望
（1）熱電偶為接觸式單點測量技術，在垃圾焚燒爐的應用中存在測量不準、更換維護工作量大、持續穩定性差等問題。
（2）紅外測溫屬于非接觸式測量技術，但由于其對測量的工況環境要求較高，制約了其在垃圾焚燒領域的應用推廣。
（3）聲波測溫屬于非接觸式面測量技術，可使爐膛焚燒溫度可視化和數字化，既有利于燃燒調整控制，又有利于環境執法取證，較為適合垃圾焚燒爐爐膛溫度（場）的監測。
（4）隨著垃圾焚燒發電廠的不斷建設，二噁英控制形勢嚴峻，亟需更先進、更穩定的溫度監測技術對爐膛焚燒溫度進行監管。
（5）聲波為球面波，可進一步探索開發三維立體的爐膛溫度場監測技術，實現溫度測量從點到線、線到面、面再到體的技術進步。
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環保網”
