一种生活垃圾焚烧炉自动燃烧垃圾料层厚度控制系统

摘要

本发明涉及生活垃圾焚烧领域，尤其是针对关于三段式机械炉排式生活垃圾焚烧炉自动燃烧垃圾料层厚度控制系统。通过在炉膛上安装垃圾厚度测量仪表来测量炉排上的垃圾厚度，根据蒸汽控制回路中计算出来的需要的垃圾的重量，得出垃圾的体积，根据炉排和推料器的尺寸得出垃圾给料的基准速度，进而得出推料器和各段炉排的基准速度；根据垃圾厚度的设定值与测量值的偏差，若测量的厚度值偏高，此时就要减慢推料器和干燥炉排的速度，同时增加燃烧炉排的速度；若测量的厚度值偏低，此时就要加快推料器和干燥炉排的速度，同时减慢燃烧炉排的速度。实现在生活垃圾热值偏低，热值变化时焚烧炉能够自动调节并稳定运行，提高焚烧炉自动燃烧控制，大幅减少运行人员的工作强度的目标。

说明书

本发明申请是申请号为201210495704.1，申请日为2012年11月28日，名称是一种 生活垃圾焚烧炉自动燃烧控制系统的分案申请。

技术领域

本发明涉及生活垃圾焚烧领域，尤其是针对关于三段式机械炉排式生活垃圾焚烧炉 的自动燃烧控制方法。

背景技术

当前我国的城市生活垃圾成分复杂，热值比较低，造成了垃圾焚烧炉燃烧工况不稳 定，国内大部分焚烧厂每台焚烧炉都配备一个专职的操作人员，和垃圾焚烧控制相关的各设 备大部分都运行在手动操作模式，焚烧炉的稳定运行完全依靠操作人员的个人经验，来调节 炉排各段的风量、配风比、给料速度、炉排各段速度等参数。燃烧工况稍有变化，运行人员 就需要不停地进行相关操作，如果操作不合理或者不及时会造成燃烧工况更大的波动，所以 有关焚烧炉燃烧自动控制的自动化程度急需提高，很多设备厂家都投入了大量人力来研究有 关生活垃圾焚烧炉自动燃烧控制系统，以期实现在垃圾热值变化时能自动调节使焚烧炉的稳 定运行的目标。

发明内容

本发明的目的是，为实现在生活垃圾热值偏低，热值变化时焚烧炉能够自动调节并 稳定运行，提高焚烧炉自动燃烧控制，大幅减少运行人员的工作强度的目标。

本发明技术方案是：一种生活垃圾焚烧炉自动燃烧控制系统，以下简称ACC控制系 统，以热量平衡和物料平衡建立如下控制模型，通过设置垃圾的低位热值X1、蒸汽流量 Fs、垃圾的密度Vr这三个基本参数，结合焚烧炉自身的设计参数或系数数据，通过调节燃 烧空气的流量Fa、炉排各段的配风比例F1、F2、F3，推料器以及各段炉排的速度FDs、 DGs、MGs、BGs，二次风的流量参数，来实现以控制锅炉蒸汽流量稳定在设定值，热灼减 率最小化，减少污染物的产生这三项主要内容为目标的自动燃烧控制系统；上述控制模型的 具体计算如下：

1、Fs×C1÷X1=Y1；其中：

Fs：蒸汽流量设定值（单位：t/h）；

C1：产生每吨蒸汽需要的热量（单位：MJ/t）；

X1：垃圾的低位热值设定值（单位：MJ/kg）；

Y1：需要的垃圾量（单位：kg/h）；

2、Y1÷Vr÷W÷H=Fr；其中：

Vr：垃圾的密度设定值（单位：t/m³）；

W：推料器宽度（单位：m）；

H：推料器进料高度（单位：m）；

Fr：给料基准速度（单位：m/h）；

3、Fr×C2=FDs；Fr×C3=DGs；Fr×C4=MGs；Fr×C5=BGs；其中：

C2：推料器速度修正系数；

FDs：推料器速度（单位：m/h）；

C3：干燥炉排速度修正系数；

DGs：干燥炉排速度（单位：m/h）；

C4：燃烧炉排速度修正系数；

MGs：燃烧炉排速度（单位：m/h）；

C5：燃尽炉排速度修正系数；

BGs：燃尽炉排速度（单位：m/h）；

4、Fs×C1×C6=Y2；其中：

Fs：蒸汽流量设定值（单位：t/h）；

C1：产生每吨蒸汽需要的热量（单位：MJ/t）；

C6：产生单位热量需要的燃烧的空气量（单位：km³N/MJ）；

Y2：需要的理论空气量（单位：km³N/h）；

5、Y2×Rae=Fa；其中：

Y2：需要的理论空气量（km³N/h）；

Rae：焚烧炉的过量空气系数；

Fa：基准空气流量（单位：km³N/h）；

6、Fa×C7=F1；Fa×C8=F2；Fa×C9=F3；其中：

Fa：基准空气流量（单位：km³N/h）；

C7：干燥炉排空气分配系数；

F1：干燥炉排空气流量（单位：km³N/h）；

C8：燃烧炉排空气分配系数；

F2：燃烧炉排空气流量（单位：km³N/h）；

C9：燃尽炉排空气分配系数；

F3：燃尽炉排空气流量（单位：km³N/h）。

通过改变蒸汽流量设定值能够平缓地调节焚烧炉设计范围内的负荷变化；垃圾热值 在小范围内波动时，此方案能自动调整炉排速度、各段的风量等数据，以适应这种变化，来 维持焚烧炉工作在稳定的状态；当垃圾的热值有较大波动时，通过改变垃圾的低位热值与密 度的设定值也能使焚烧炉自动调整炉排速度、各段的风量等数据，以适应这种变化，来维持 焚烧炉工作在稳定的状态。

上述以热量平衡和物料平衡为理论基础计算出所需要基准风量以及垃圾供应量，以 此作为对炉排的各段风量，推料器速度、各段炉排速度调节的基础。

通过改变蒸汽量的设定，本发明会相应地改变垃圾的供应量以及燃烧空气的供应 量，已达到负荷调节的目的。

通过调节燃烧炉排段的空气流量，来促进燃烧或者抑制燃烧，是炉温适当的升高或 者降低，来达到蒸汽量稳定在设定值目的。

通过在燃烬段设置温度测量装置，来监测垃圾的燃烧程度，控制相关的炉排段速度 及燃烧风量来达到热灼减率最小化的目的。

通过控制炉膛烟气温度不低于850℃2秒的要求，以及烟气含氧量保持在设定值范 围，来达到减少污染物的产生控制的目的。

根据垃圾热值的不同来设置合理的燃烧空气温度、流量，改变炉排各段的配风比 例，调节各段炉排的速度使焚烧炉工作在稳定的状态。

附图说明

图1是本发明生活垃圾焚烧炉自动燃烧控制系统的控制回路示意图。

图2、图3、图4分别是蒸汽流量控制回路、炉膛温度控制回路、垃圾料层厚度控制 回路的示意图。

图5、图6、图7、图8、图9、图10分别是ACC控制系统、蒸汽流量控制系统、 热灼减率控制系统、烟气氧含量控制系统、炉膛温度控制系统、垃圾料层厚度控制系统的示 意图。

图11、图12分别是焚烧炉负荷增加时自动燃烧控制和焚烧炉负荷减小时自动燃烧控 制的示意图。

图13、图14、图15、图16分别是主蒸汽流量、燃烬炉排上部温度、炉膛烟气温度 （滞留2秒后）、省煤器出口氧含量的24小时历史数据曲线图。

图中：

1-推料器速度控制阀；2-干扫炉排速度控制阀；3-燃烧炉排速度控制阀；4-燃尽炉排速度控 制阀；5-干燥炉排空气流量测量仪表；6-干燥炉排空气流量控制阀；7-燃烧炉排一段空气流 量测量仪表；8-燃烧炉排一段空气流量测量控制阀；9-燃烧炉排二段空气流量测量仪表； 10-燃烧炉排二段空气流量控制阀；11-燃烧炉排三段空气流量测量仪表；12-燃烧炉排三段空 气流量控制阀；13-燃尽炉排一段空气流量测量仪表；14-燃尽炉排一段空气流量控制阀， 15-燃尽炉排二段空气流量测量仪表；16-燃尽炉排二段空气流量控制阀；17-燃尽炉排上部温 度测量仪表；18-垃圾层厚测量仪表；19-二次风流量控制阀；20-二次风流量测量仪表；21- 炉膛温度测量仪表；22-烟气含氧量测量仪表；23-正气流量测量仪；24-ACC操作站；25- ACC控制站。

具体实施方式

如图1所示，是本发明生活垃圾焚烧炉自动燃烧控制系统的控制回路示意图。图 5是ACC控制系统的示意图。简明扼要地描述了ACC的控制理论模型，以热量平衡和物料 平衡为理论基础，通过在操作站上设置垃圾的垃圾的低位热值、蒸汽流量、垃圾的密度这三 个基本参数，根据热量平衡和物料平衡的理论分别得出各段炉排所需要的基准燃烧空气量和 以及推料器、各段炉排的基准速度，通常调节各个现场设备控制阀，实现对各段风量、推料 器、炉排速度的控制，最终实现锅炉蒸汽流量稳定化，热灼减率最小化，减少污染物的产生 这三项主要控制目标。

通过改变蒸汽流量设定值能够平缓地调节焚烧炉设计范围内的负荷变化；垃圾热值在小范围 内波动时，此方案能自动调整炉排速度、各段的风量等数据，以适应这种变化，来维持焚烧 炉工作在稳定的状态；当垃圾的热值有较大波动时，通过改变垃圾的低位热值与密度的设定 值也能使焚烧炉自动调整炉排速度、各段的风量等数据，以适应这种变化，来维持焚烧炉工 作在稳定的状态。

本控制模型的具体计算如下：

1、Fs×C1÷X1=Y1；其中：

Fs：蒸汽流量设定值（单位：t/h）；

C1：产生每吨蒸汽需要的热量（单位：MJ/t）；

X1：垃圾的低位热值设定值（单位：MJ/kg）；

Y1：需要的垃圾量（单位：kg/h）；

2、Y1÷Vr÷W÷H=Fr；其中：

Vr：垃圾的密度设定值（单位：t/m³）；

W：推料器宽度（单位：m）；

H：推料器进料高度（单位：m）；

Fr：给料基准速度（单位：m/h）；

3、Fr×C2=FDs；Fr×C3=DGs；Fr×C4=MGs；Fr×C5=BGs；其中：

C2：推料器速度修正系数；

FDs：推料器速度（单位：m/h）；

C3：干燥炉排速度修正系数；

DGs：干燥炉排速度（单位：m/h）；

C4：燃烧炉排速度修正系数；

MGs：燃烧炉排速度（单位：m/h）；

C5：燃尽炉排速度修正系数；

BGs：燃尽炉排速度（单位：m/h）；

4、Fs×C1×C6=Y2；其中：

Fs：蒸汽流量设定值（单位：t/h）；

C1：产生每吨蒸汽需要的热量（单位：MJ/t）；

C6：产生单位热量需要的燃烧的空气量（单位：km³N/MJ）；

Y2：需要的理论空气量（单位：km³N/h）；

5、Y2×Rae=Fa；其中：

Y2：需要的理论空气量（km³N/h）；

Rae：焚烧炉的过量空气系数；

Fa：基准空气流量（单位：km³N/h）；

6、Fa×C7=F1；Fa×C8=F2；Fa×C9=F3；其中：

Fa：基准空气流量（单位：km³N/h）；

C7：干燥炉排空气分配系数；

F1：干燥炉排空气流量（单位：km³N/h）；

C8：燃烧炉排空气分配系数；

F2：燃烧炉排空气流量（单位：km³N/h）；

C9：燃尽炉排空气分配系数；

F3：燃尽炉排空气流量（单位：km³N/h）。

关于控制回路的计算说明：

图2中的蒸汽流量控制回路，热酌减量控制回路，烟气氧量控制回路；图3中的炉膛温度控 制回路；图4中的垃圾层厚控制回路；每个控制回路的计算都是应用PID控制器进行计算， 每个控制回路根据设定值SV与测量值PV的偏差，进行PID运算，根据运算的输出来调节 相关的推料器、各段炉排的速度、各段炉排的风量，达到稳定燃烧的目的。

如图2所示，是蒸汽流量控制回路的示意图。图6是蒸汽流量控制系统的示意 图。说明了蒸汽流量控制回路的原理。

通过在ACC操作站上设定蒸汽流量值和垃圾的低位热值，热量平衡理论得出产生 这么多热量需要的垃圾量，以及垃圾燃烧需要的基准燃烧空气量，根据经验把总的燃烧空气 量分配到每段炉排下面。其中燃烧炉排下面的空气流量的多少主要影响着垃圾燃烧的剧烈程 度，影响着炉温和产生的蒸汽流量。在蒸汽管道上设置蒸汽测量仪表，根据测量得到的蒸汽 流量值与设定值的偏差，若测量值偏高，就减少燃烧段的空气流量供应，若测量值偏低，就 增加燃烧段的空气流量供应。

如图3所示，是炉膛温度控制回路的示意图。图9是炉膛温度控制系统的示意 图。说明了炉膛温度控制回路的原理。

通过在炉膛上安装温度测量仪表来测量炉膛温度，在ACC操作站上设置合适的温度 值，根据设定值与测量值的偏差，若测量的温度值偏高，此时就要增加二次风的流量；若测 量的温度值偏低就要减少二次风的流量。

如图4是垃圾料层厚度控制回路的示意图。图10是垃圾料层厚度控制系统的示意 图。说明了垃圾层厚控制回路的原理。

通过在炉膛上安装垃圾厚度测量仪表来测量炉排上的垃圾厚度，在ACC操作站上 设置合适的厚度值以及垃圾的密度。根据蒸汽控制回路中计算出来的需要的垃圾的重量，得 出垃圾的体积，根据炉排和推料器的尺寸得出垃圾给料的基准速度，进而得出推料器和各段 炉排的基准速度。根据垃圾厚度的设定值与测量值的偏差，若测量的厚度值偏高，此时就要 减慢推料器和干燥炉排的速度，同时增加燃烧炉排的速度；若测量的厚度值偏低，此时就要 加快推料器和干燥炉排的速度，同时减慢燃烧炉排的速度。

如图7是热灼减率控制系统的示意图。此图说明了热酌减率控制回路的原理。

通过在燃尽炉排上部设置温度测量仪表来反映热酌减率的情况，在ACC操作站上设 置合适的温度值，根据设定值与测量值的偏差，若此处测量温度偏高说明垃圾在前面燃烧的 不充分，要保证热酌减率就要增加燃尽段的空气流量，同时燃烧炉排和燃尽炉排的速度也要 变慢；如果温度偏低，说明垃圾在前面燃烧的已经很充分，此时可以减少燃尽段的空气流 量，同时燃烧炉排和燃尽炉排的速度也可以变快一些。

如图8是烟气氧含量控制系统的示意图。此图说明了烟气含氧量控制回路的原 理。

通过在省煤器出口安装氧量测量仪表来测量烟气含氧量，在ACC操作站上设置合适 的含氧量值，根据设定值与测量值的偏差，若测量的烟气含氧量偏高，此时就要减少二次风 的流量和燃尽炉排段的风流量；若含氧量偏低就要增加二次风的流量和燃尽炉排段的风流 量。

如图11是焚烧炉负荷增加时自动燃烧控制的示意图。通过增加蒸汽蒸发量设定， 会使燃烧炉排段的空气量增加，燃烧空气的增加会促进垃圾燃烧，炉温上升，达到蒸汽量增 加的目的；垃圾燃烧的加剧使得垃圾层厚变薄，要维持合适的层厚就增加垃圾的供应，加快 推料器和干燥炉排的速度；垃圾燃烧的加剧会使垃圾主要燃烧位置向前上游移动，燃尽炉 排上部温度降低，此温度的降低ACC会调整燃烧炉排和燃尽炉排速度加快，减少燃尽炉排 燃烧空气的供应；燃烧的加剧也会使烟气含氧量降低，ACC通过增加二次风的供应，使含 氧量维持在合理的浓度；炉温的上升，ACC也会增加二次风的供应使炉温维持在合理的温 度。

如图12是焚烧炉负荷减小时自动燃烧控制的示意图。通过减少蒸汽流量的设定， 会使燃烧炉排段的空气量减少，燃烧空气的减少会抑制垃圾燃烧，炉温下降，达到蒸汽量减 少的目的；垃圾燃烧的抑制使得垃圾层厚变厚，要维持合适的层厚就减少垃圾的供应，ACC 会减慢推料器和干燥炉排的速度；垃圾燃烧的抑制会使垃圾主要燃烧位置向前下游移动，燃 尽炉排上部温度增高，此温度的增高ACC会减慢燃烧炉排和燃尽炉排速度，增加燃尽炉排 燃烧空气的供应，使垃圾完全燃烧；燃烧的抑制也会使烟气含氧量降增大，ACC通过减少 二次风的供应，使含氧量维持在合理的浓度；炉温的降低，ACC也会减少二次风的供应使 炉温维持在合理的温度。

在焚烧炉的自控燃烧控制系统中所有的控制回路全部投入自动时，通过观察主蒸 汽流量PV值、SV值的24小时历史数据曲线，如图13所示；燃烬炉排上部温度PV值、 SV值的24小时历史数据曲线，如图14所示；炉膛烟气温度（滞留2秒后）PV值、SV值 的24小时历史数据曲线，如图15所示；省煤器出口氧含量PV值、SV值的24小时历史数 据曲线，如图16所示。只要这4个参数的PV值曲线为能在设定值左右波动，并且不超过 高、低报警值，说明此控制系统已经达到了设计目标。

用项目工艺设计的热量平衡计算书和物料平衡计算书作为基础数据建立各控制回路 的基本数学模型，依据具体调试的情况分别确定有关给料速度、各炉排速度、一次风温度、 二次风温度、一次风流量、各段炉排的风量、二次风流量等基准数据，以及在负荷变化、垃 圾热值变化时上述各参数的变化值。这样在热值变化时，此系统会自动调节相关设备维持燃 烧工况的稳定性。

本发明中主要理论计算和各控制回路的调节如下所述：

通过设置的蒸汽流量值能够计算所需要的热量，根据垃圾的低位热值能够计算出所需要的垃 圾的重量以及需要的燃烧空气量，根据垃圾的密度计算出需要的垃圾的体积，根据垃圾进料 口的面积能够计算出需要的垃圾供应的速度，得出推料器运动的基准速度，再根据垃圾在炉 排上燃烧的情况以及垃圾层厚度分别控制各段炉排的速度，所以通过改变蒸汽流量的设定能 够非常方便地实现调节焚烧炉的负荷并能保持稳定地燃烧。

关于蒸汽流量的稳定地设定值的控制，主要通过调节燃烧炉排段空气流量调大或者 调小，剪切刀的动作速度的加快或者减慢，实现对垃圾燃烧状况的促进或者抑制，炉膛温度 的升高或者降低来达到蒸汽流量稳定的控制。

关于垃圾层厚的控制，根据焚烧炉合理层厚作为控制目标，通过调节推料器、干燥 炉排、燃烧炉排的速度使垃圾层厚维持在适合燃烧的范围内。

关于热灼减率最小化的控制，通过在燃烬炉排段设置温度测量装置，来监测垃圾的 燃烧程度，如果到了此处垃圾还有大量的可燃分，燃烧很旺盛，此处温度会变高，通过调大 此处的燃烧空气量促进燃烧，调慢燃烬炉排的速度延长垃圾在炉排上的燃烧时间，调慢燃烧 炉排的速度是垃圾在燃烧炉排上燃烧的再充分一点，最终使得垃圾的热灼减率保持在设计范 围内。

关于减少污染物的产生控制，主要有两点：一是要控制炉膛烟气温度不低于850℃2 秒，二是要控制烟气的含氧量在设计的范围内。

关于炉膛烟气温度不低于850℃2秒的控制，根据炉膛的尺寸以及烟气流量计算出烟 气在炉膛内流通2秒后的温度，一次温度作为控制目标，通过辅助燃烧器的启停以及辅助燃 烧器柴油流量大小的调节保证炉膛烟气温度不低于850℃2秒。

关于烟气的含氧量的控制，主要通过二次风的流量以及燃烬炉排段燃烧空气的流量 来控制。二次风可促进炉膛烟气中可燃分的进一步燃烧，对烟气中含氧量控制起着主要作 用，但是二次风温度较低，尤其是垃圾热值较低时，喷入二次风流量较大时会使焚烧炉温度 偏低，通过增加燃烬炉排段的燃烧空气流量可以解决这个问题。

针对垃圾热值偏低问题，要使垃圾在炉内很好地燃烧，除了上面提到的层厚控制的 方案以外，我们还要给各段炉排分配合理的风量。根据国内多个焚烧厂调试的经验，我们摸 索出了垃圾热值变化时各段炉排风量的分配比例，并在多个项目中的到了很好的应用。

实现了在生活垃圾热值偏低，热值变化时焚烧炉能够自动调节并稳定运行的目标， 提高焚烧炉自动燃烧控制的水平，大大减少了运行人员的工作强度。

下述为本发明的具体实例：

实例1.以垃圾处理量为250t/d，余热炉蒸汽量为20t/h的焚烧炉为例，垃圾的低位热值为 6200KJ/Kg时，蒸汽设定值为20t/h，垃圾层厚设定值为0.5，燃烬炉排上部温度设定值为 550℃，炉膛温度设定值为950℃，省煤器出口氧气含量7%，推料器基准速度为5.5m/h，干 燥炉排、燃烧炉排、燃烬炉排、剪切刀的基准速度分别为75s、125s、180s、85s，一次风温 度基准值为260℃，干燥炉排、燃烧炉排、燃烬炉排三段的基准风量分别为5.8km3N/h， 19.6km3N/h，4.2km3N/h，二次风温度基准值为40℃，二次风流量基准值为6.8km3N/h。

实例2.以垃圾处理量为300t/d，余热炉蒸汽量为25t/h的焚烧炉为例，垃圾的低位 热值为6000KJ/Kg时，蒸汽设定值为22t/h，垃圾层厚设定值为0.6，燃烬炉排上部温度设定 值为550℃，炉膛温度设定值为950℃，省煤器出口氧气含量7%，推料器基准速度为 3.5m/h，干燥炉排、燃烧炉排、燃烬炉排、剪切刀的基准速度分别为45s、80s、200s、 120s，一次风温度基准值为200℃，干燥炉排、燃烧炉排、燃烬炉排三段的基准风量分别为 6.8km3N/h，24.6km3N/h，7.2km3N/h，二次风温度基准值为40℃，二次风流量基准值为7.8 km3N/h。

实例3.以垃圾处理量为350t/d，余热炉蒸汽量为35t/h的焚烧炉为例，垃圾的低位热 值为6100KJ/Kg时，蒸汽设定值为35t/h，垃圾层厚设定值为0.5，燃烬炉排上部温度设定值 为550℃，炉膛温度设定值为940℃，省煤器出口氧气含量7%，推料器基准速度为4.5m/h， 干燥炉排、燃烧炉排、燃烬炉排、剪切刀的基准速度分别为48s、90s、220s、110s，一次风 温度基准值为250℃，干燥炉排、燃烧炉排、燃烬炉排三段的基准风量分别为6.0km3N/h， 29.6km3N/h，12.2km3N/h，二次风温度基准值为40℃，二次风流量基准值为10.0km3N/h。

实例4.以垃圾处理量为400t/d，余热炉蒸汽量为45t/h的焚烧炉为例，垃圾的低位热 值为6300KJ/Kg时，蒸汽设定值为45t/h，垃圾层厚设定值为0.5，燃烬炉排上部温度设定值 为570℃，炉膛温度设定值为970℃，省煤器出口氧气含量7%，推料器基准速度为5.3m/h， 干燥炉排、燃烧炉排、燃烬炉排、剪切刀的基准速度分别为62s、89s、190s、70s，一次风 温度基准值为200℃，干燥炉排、燃烧炉排、燃烬炉排三段的基准风量分别为9.0km3N/h， 36.4km3N/h，15.4km3N/h，二次风温度基准值为40℃，二次风流量基准值为7.8km3N/h。

实例5.以垃圾处理量为500t/d，余热炉蒸汽量为54t/h的焚烧炉为例，垃圾的低位热 值为6500KJ/Kg时，蒸汽设定值为54t/h，垃圾层厚设定值为0.5，燃烬炉排上部温度设定值 为550℃，炉膛温度设定值为950℃，省煤器出口氧气含量7%，推料器基准速度为4.2m/h， 干燥炉排、燃烧炉排、燃烬炉排、剪切刀的基准速度分别为70s、115s、260s、70s，一次风 温度基准值为280℃，干燥炉排、燃烧炉排、燃烬炉排三段的基准风量分别为13km3N/h， 44km3N/h，16km3N/h，二次风温度基准值为40℃，二次风流量基准值为12km3N/h。