一种飞灰处置的局部富氧燃烧装置及控制方法
阅读说明：本技术 一种飞灰处置的局部富氧燃烧装置及控制方法 (Local oxygen-enriched combustion device for treating fly ash and control method ) 是由 王开兵 刘继雄 滕飞 徐亚军 钟小禹 于 2021-07-26 设计创作，主要内容包括：本发明属于垃圾焚烧技术领域,更具体地,涉及一种飞灰处置的局部富氧燃烧装置及控制方法。本发明在焚烧炉烟道口周围内壁上间隔设置多个温度传感器,并在烟道口周围间隔布置多个高速氧枪,设置PID控制系统,温度传感器、控制阀组等均与PID控制系统电性连接；PID控制系统对温度传感器的温度信号进行实时采集,对烟道口附近的温度进行实时监测,PID控制系统根据采集到的温度信号并进行处理,与预设值进行比较,发出信号控制控制阀组和控制器,以分别控制富氧气体、助燃气体、助燃燃料的供给量,从而控制烟道口附近的温度,实现烟道口的局部富氧燃烧。本发明在烟道口进行局部富氧燃烧,提高了燃烧效率,同时降低了能源消耗。(The invention belongs to the technical field of waste incineration, and particularly relates to a local oxygen-enriched combustion device for treating fly ash and a control method. The invention arranges a plurality of temperature sensors on the inner wall around the flue opening of the incinerator at intervals, arranges a plurality of high-speed oxygen lances around the flue opening at intervals, arranges a PID control system, and electrically connects the temperature sensors, the control valve set and the like with the PID control system; the PID control system collects temperature signals of the temperature sensor in real time, monitors the temperature near the flue port in real time, processes the collected temperature signals, compares the processed temperature signals with a preset value, and sends out signals to control the control valve group and the controller so as to respectively control the supply amounts of oxygen-enriched gas, combustion-supporting gas and combustion-supporting fuel, thereby controlling the temperature near the flue port and realizing the local oxygen-enriched combustion of the flue port. The invention carries out local oxygen-enriched combustion at the flue opening, improves the combustion efficiency and reduces the energy consumption at the same time.)
技术领域
本发明属于垃圾焚烧技术领域，更具体地，涉及一种飞灰处置的局部富氧燃烧装置及控制方法。
背景技术
垃圾焚烧过程中会产生大量的飞灰，飞灰产生量占生活垃圾总量的3％～5％。飞灰是指生活垃圾焚烧后在烟气净化、热回收利用等系统中收集的焚烧残余物，一般包括吸收塔飞灰和除尘器飞灰，其中含有烟道灰、加入的化学药剂及化学反应物等。焚烧飞灰中含有重金属、二噁英和氯元素，氯含量可高达20％。有研究表明[3]，存在大量的氯会为二恶英的合成提供氯源，促进二噁英有毒物质的生成，同时，还会促进重金属的挥发性。其中，二噁英是一类性质非常稳定的亲脂性剧毒固体化合物，其对土壤环境亲和，易在生物体中积累，具有很高的持久性和累积性，经食物链的放大可对人类健康造成严重的危害，其毒性相当于砒霜的900倍，具有较高的致癌、致畸、致突作用。国际癌症中心已将二噁英列为人类一级致癌物。飞灰中所含重金属主要有铅、镉、铬、铜、锌等，相关研究表明这些重金属主要以可交换态和碳酸盐结合态的形态存在，在环境中遇水浸沥，或酸性条件下很容易被浸出，如此将对自然环境和人体健康产生深远的影响。因此，加强对飞灰处理处置方式及资源化利用途径的研究，抑制和减少飞灰中的二噁英的形成和加强飞灰中的重金属的固化效果，对保护自然环境和维护人体健康具有重要的意义。
目前，针对飞灰中的二噁英和重金属的处置，多采取高温处理技术，将垃圾焚烧飞灰经高温处理，二噁英等有机污染物被彻底分解，重金属被熔融固化。研究认为，二噁英在850℃以上高温、停留时间大于2s的条件下就会完全被分解并不易再转化和成。采用富氧燃烧方法可以提高焚烧炉燃烧温度，对彻底分解二恶英，可以起到重要作用。针对这个特点，研究学者们利用富氧燃烧技术的方法焚烧垃圾并开展相应的应用。
中国专利CN104006391B，公开了一种应用富氧燃烧技术的医疗垃圾焚烧炉，采用的是第一燃烧室和第二燃烧室相结合的方式，通过分别对第一第二燃烧室的温度检测，以及分别控制第一第二燃烧室的助燃气体、富氧气体和助燃燃料的供给量，在第一燃烧室(主燃烧室)实现对垃圾初步燃烧，然后在第二燃烧室(副燃烧室)实现烟气的富氧燃烧。这种方法对二噁英的分解有比较好的分解作用，但在一定程度上也增加了焚烧系统的复杂程度。首先，两个燃烧室需要两套温控系统和燃料助燃剂供给系统。而且，对于单一焚烧炉的焚烧系统，采取第一第二燃烧室协同工作的方法，需要在焚烧炉内部增加一个隔层，也会增加燃烧炉的加工难度。其次，为了实现富氧燃烧，需要增加富氧气体、助燃气体和助燃燃料，使整个燃烧室处于富氧燃烧的状态，燃烧室在工作时间内一直处于高温状态(950℃-1000)，虽然这种方法可以增加垃圾焚烧的效率，但从能源的角度，绿色经济的角度来看，富氧气体和助燃燃料会有一定程度的资源浪费，同时也增加了垃圾焚烧的成本。
发明内容
本发明为克服上述现有技术中的缺陷，提供一种飞灰处置的局部富氧燃烧装置及控制方法，有效提高了焚烧效率，且降低了资源浪费。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种飞灰处置的局部富氧燃烧装置，包括焚烧炉、用于输送压缩空气的压缩空气管道、用于输送氧气的氧气管道、用于往焚烧炉内添加助燃燃料的助燃燃料加料机构、用于往焚烧炉内添加助燃气体的助燃气体加料机构以及用于分别控制助燃燃料加料机构和助燃气体加料机构加料情况的控制器；在所述的焚烧炉上设有与排烟管道连通的烟道口；其中，还包括PID控制系统、多个温度传感器、多个高速氧枪以及控制阀组；所述的温度传感器设于焚烧炉内，多个温度传感器间隔分布于烟道口周围；多个高速氧枪间隔分布于烟道口周围，用于向焚烧炉内喷射富氧空气，压缩空气管道和氧气管道汇聚后通过控制阀组分别与多个高速氧枪连接；所述的温度传感器、控制阀组、控制器均与PID控制系统电性连接。
在其中一个实施例中，所述的控制阀组包括流量阀和控制阀；所述的压缩空气管道上和氧气管道上均设有流量阀，所述的压缩空气管道和氧气管道均与混合管道的一端连接，混合管道的另一端分别通过分支管道一一与高速氧枪连接；在每一个分支管道上均设有控制阀；所述的流量阀、控制阀均与PID控制系统电性连接。
在其中一个实施例中，所述的助燃燃料加料机构包括燃料罐、油泵，油泵的一端通过燃料管道与燃料罐连通，另一端通过燃料管道连通焚烧炉的助燃燃料加料口连通；所述的助燃气体加料机构包括燃气罐、和风机，所述的燃气罐通过燃气管道与焚烧炉的燃气加料口连通，所述的风机设于燃气管道内；所述的油泵和风机均与控制器电性连接。
在其中一个实施例中，所述的PID控制系统包括PID控制器、数据处理器、PLC控制器以及驱动电路；所述的温度传感器与PID控制器的一端电性连接，所述的PID控制器的另一端与数据处理器的一端电性连接，所述的数据处理器的另一端与PLC控制器电性连接；所述的PLC控制器的另一端与驱动电路电性连接；所述的驱动电路分别与流量阀、控制阀以及控制器电性连接；在所述的PID控制器中通过粒子群优化算法对比例调节系数KP、积分调节系数KI、和微分调节系数KD进行调节。
本发明还提供一种飞灰处置的局部富氧燃烧装置的控制方法，使用以上所述的局部富氧燃烧装置，包括以下步骤：
S1.焚烧炉启动进行常规的焚烧操作；在焚烧过程中，通过温度传感器实时监测烟道口附近的温度，并将温度信息反馈给PID控制系统；
S2.PID控制系统根据采集到的温度信号并进行处理，与预设值进行比较，若低于富氧燃烧的温度，则PID控制系统发出信号给控制阀组和控制器，通过控制器分别控制助燃燃料加料机构和助燃气体加料机构想焚烧炉中进行加料；通过控制阀组控制高速氧枪向焚烧炉及烟道口附近喷射富氧气体；通过分别控制富氧气体、助燃气体、助燃燃料的供给量，从而控制烟道口附近的温度以及氧气含量，实现烟道口的局部富氧燃烧。
在本发明中，针对现有的焚烧系统相对复杂以及能源消耗较大的问题，提出了一种灰处置的局部富氧燃烧方法，在焚烧炉靠烟道口附近，进行局部富氧燃烧，通过射入富氧度为21-100％的富氧空气，捕捉未充分燃烧的有机物。根据燃烧炉内部的温度，特别是烟道口附近的温度，通过PID控制系统控制射入富氧度不同的富氧空气，以及对助燃气体的风量调节和助燃燃料的供给调节，在烟道口处实现局部富氧燃烧。在富氧燃烧的条件下，烟道口处的温度处于较高的温度(900℃-1000)，达到了二噁英的热分解温度(850℃)，从而实现了对飞灰中的二噁英抑制和降解，实现了对飞灰的处置。其次，现有的富氧燃烧方法，在第二燃烧室(副燃烧室)采取整体富氧燃烧的方法，为实现这目的，需要增大富氧气体和助燃气体的供给，才能使整个燃烧室维持在高温的条件下。而采取局部的富氧燃烧，可以避免了整个燃烧室长期处于富氧燃烧的状态，减少富氧气体和助燃燃料的供给量，对于能源利用率会有所提升，对发展绿色经济也会有所帮助。
在其中一个实施例中，控制阀组根据PID控制系统传递的电信号进行阀门的开、关以及换向操作，控制阀组能够分别单独控制某一个高速氧枪的工作状态，根据控制信号，高速氧枪能够在烟道口附近进行局部喷氧或全局喷氧；同时，根据烟道口附近的温度，结合压缩空气调整高速氧枪内富氧空气的富氧浓度，根据不同的烟道口温度喷射不同富氧浓度的富氧空气。
在其中一个实施例中，控制器根据PID控制系统传递的电信号，分别控制助燃燃料加料机构的油泵的转速、和助燃气体加料机构的风机的转速，进而对助燃气体和助燃燃料的供给量进行控制。当焚烧炉开始工作时，增大风机和油泵转速，可以加入更多助燃气体和助燃燃料以快速提升焚烧炉的温度。
在其中一个实施例中，压缩空气管道、氧气管道均连接有流量阀；通过分别控制两个流量阀的开度大小，从而控制流入高速氧枪中的富氧气体的富氧浓度；每一个高速氧枪均连接有一个控制阀，通过分别控制每一个控制阀以单独控制高速氧枪的开启或关闭。
在其中一个实施例中，所述的PID控制系统包括PID控制器、数据处理器以及PLC控制器和驱动电路；温度传感器实时监测烟道口附近区域的温度，并将温度传感器传递给PID控制器，PID控制器对温度传感器的采样进行一次获取，插值计算获得采样的温度值，并在固定时间内间隔循环采样；PID控制器将需要控制的温度量数据输入到数据处理器，数据处理器将需要控制的温差转化为流量阀的开启量，通过PLC控制器和驱动电路控制流量阀的开启程度，得到不同含氧量的富氧空气，经过多次的反馈控制，使烟道口附近始终保持在富氧燃烧的状态。
在其中一个实施例中，PID控制系统中的温度控制模块采用粒子群优化算法结合PID算法相结合的方式进行自适应温度调节；采用粒子群优化算法对PID控制器的参数进行调节，参数包括比例调节系数KP、积分调节系数KI、和微分调节系数KD；所述的粒子群优化算法具体包括以下步骤：
初始化粒子群，设置类聚数目和粒子数目；
初始化粒子群具有随机位置X0和初始速度V0，粒子的适应度初始化为0，进行适应度评估，得到粒子的当前位置；如果适应度优于最佳全局位置，则更新全局最优位置；如果适应度优于个体最优位置，则更新个体最优位置，由此得到粒子个体最优位置和全局最优位置；
设置随机数矩阵更新所有粒子的速度和位置，再次更新适应度值，再次评估更新粒子的个体最优位置和全局最优位置，判断迭代次数，达到迭代次数后算法运行结束，此时全局最优位置作为参数的最优解输出。
本发明还提供
与现有技术相比，有益效果是：
1、本发明采用温度传感器采取温度信号，结合PID控制系统、控制器和控制阀组，可以对整个焚烧系统实现闭环的反馈控制，无需人工干预助燃气体、助燃燃料和富氧气体的供给调节，减少劳动强度；
2、本发明的焚烧系统相对简单，不需要两套燃剂控制和温度监测装置，对焚烧炉的内部结构要求也比较低，可以降低焚烧系统的制造成本；
3、本发明采用局部富氧燃烧的方法，避免了燃烧室整体富氧燃烧的方式，而且，根据烟道口附近的温度，采取不同富氧浓度的富氧气体供给，减少富氧气体的消耗。而对于整个焚烧室而言，局部的富氧燃烧，也能减少助燃燃料的消耗，因此，本发明相对于现有技术，在富氧气体和助燃燃料上起到提高其利用率和减少消耗的作用，节约能源10％以上，可降低垃圾焚烧的成本。
附图说明
图1是本发明局部富氧燃烧装置的整体结构示意图。
图2是本发明温度传感器和高速氧枪在烟道口附近的分布示意图。
图3是本发明高速氧枪、压缩空气管道、氧气管道以及控制阀组的连接关系示意图。
图4是本发明中PID控制系统的控制流程示意图。
图5是本发明中PID控制系统的连接关系示意图。
图6是本发明PID控制系统中温度控制模块的连接关系示意图。
图7是本发明粒子群优化算法流程示意图。
附图标记：1、焚烧炉；2、烟道口；3、温度传感器；4、高速氧枪；5、控制阀组；6、压缩空气管道；7、氧气管道；8、控制器；9、PID控制系统；10、油泵；11、风机；12、燃料罐；13、氧气罐；14、压缩空气；15、流量阀；16、控制阀；17、混合管道。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。
如图1和图2所示，提供一种飞灰处置的局部富氧燃烧装置，包括焚烧炉1、用于输送压缩空气14的压缩空气管道6、用于输送氧气的氧气管道7、用于往焚烧炉1内添加助燃燃料的助燃燃料加料机构、用于往焚烧炉1内添加助燃气体的助燃气体加料机构以及用于分别控制助燃燃料加料机构和助燃气体加料机构加料情况的控制器8；在所述的焚烧炉1上设有与排烟管道连通的烟道口2；其中，还包括PID控制系统9、多个温度传感器3、多个高速氧枪4以及控制阀组5；所述的温度传感器3设于焚烧炉1内，多个温度传感器3间隔分布于烟道口2周围；多个高速氧枪4间隔分布于烟道口2周围，用于向焚烧炉1内喷射富氧空气，压缩空气管道6和氧气管道7汇聚后通过控制阀组5分别与多个高速氧枪4连接；所述的温度传感器3、控制阀组5、控制器8均与PID控制系统9电性连接。
在其中一个实施例中，如图3所示，所述的控制阀组5包括流量阀15和控制阀16；所述的压缩空气管道6上和氧气管道7上均设有流量阀15，所述的压缩空气管道6和氧气管道7均与混合管道17的一端连接，混合管道17的另一端分别通过分支管道一一与高速氧枪4连接；在每一个分支管道上均设有控制阀16；所述的流量阀15、控制阀16均与PID控制系统9电性连接。
在其中一个实施例中，如图1所示，所述的助燃燃料加料机构包括燃料罐12、油泵10，油泵10的一端通过燃料管道与燃料罐12连通，另一端通过燃料管道连通焚烧炉1的助燃燃料加料口连通；所述的助燃气体加料机构包括燃气罐、和风机11，所述的燃气罐通过燃气管道与焚烧炉1的燃气加料口连通，所述的风机11设于燃气管道内；所述的油泵10和风机11均与控制器8电性连接。
在其中一个实施例中，如图5所示，所述的PID控制系统9包括PID控制器、数据处理器、PLC控制器以及驱动电路；所述的温度传感器3与PID控制器的一端电性连接，所述的PID控制器的另一端与数据处理器的一端电性连接，所述的数据处理器的另一端与PLC控制器电性连接；所述的PLC控制器的另一端与驱动电路电性连接；所述的驱动电路分别与流量阀15、控制阀16以及控制器8电性连接；在所述的PID控制器中通过粒子群优化算法对比例调节系数KP、积分调节系数KI、和微分调节系数KD进行调节。
在另一个实施例中，提供一种飞灰处置的局部富氧燃烧装置的控制方法，使用以上所述的局部富氧燃烧装置，包括以下步骤：
S1.将压缩空气管道6、氧气管道7分别与压缩空气罐、和氧气罐连通；
S2.焚烧炉1启动进行常规的焚烧操作；在焚烧过程中，通过温度传感器3实时监测烟道口2附近的温度，并将温度信息反馈给PID控制系统9；
S3.PID控制系统9根据采集到的温度信号并进行处理，与预设值进行比较，若低于富氧燃烧的温度，则PID控制系统9发出信号给控制阀组5和控制器8，通过控制器8分别控制助燃燃料加料机构和助燃气体加料机构想焚烧炉1中进行加料；通过控制阀组5控制高速氧枪4向焚烧炉1及烟道口2附近喷射富氧气体；通过分别控制富氧气体、助燃气体、助燃燃料的供给量，从而控制烟道口2附近的温度以及氧气含量，实现烟道口2的局部富氧燃烧。
在本实施例中，如图1和2所示，在烟道口2附近布置了4个温度传感器3(热电偶)和5个高速氧枪4。其中温度传感器3(热电偶)对烟道口2附近的局部温度进行监测，将温度信号反馈给PID控制系统9，PID控制系统9对当前温度进行判断，并对控制阀组5和控制器8进行实时控制，调整烟道口2附近的温度，实现局部富氧燃烧。PID控制系统9对烟道口2的温度传感器3进行固定时间间隔的采样，对四个温度测量值进行插值计算获得烟道口2当前的温度作为最终值输入监测-控制系统进行判断。烟道口2温度与对应高速氧枪4开启的设定规定如下：
控制阀组5根据PID控制系统9传递的电信号进行阀门的开、关以及换向操作，控制阀组5能够分别单独控制某一个高速氧枪4的工作状态，根据控制信号，高速氧枪4能够在烟道口2附近进行局部喷氧或全局喷氧；同时，根据烟道口2附近的温度，结合压缩空气14调整高速氧枪4内富氧空气的富氧浓度，根据不同的烟道口2温度喷射不同富氧浓度的富氧空气。压缩空气管道6、氧气管道7均连接有流量阀15；通过分别控制两个流量阀15的开度大小，从而控制流入高速氧枪4中的富氧气体的富氧浓度；每一个高速氧枪4均连接有一个控制阀16，通过分别控制每一个控制阀16以单独控制高速氧枪4的开启或关闭。
如图3所示，压缩空气管道6和氧气管道7分别接入流量阀15，通过控制流量阀15的开度量，可以调配出富氧度在21％-100％的富氧控制，富氧浓度由PID控制系统9根据预设值控制。高速氧枪4前端接电磁控制阀16，常闭状态，每个高速氧枪4配备一个控制阀16，可以对高速氧枪4实现单独控制。控制阀16通电，管路接通，高速氧枪4喷射出富氧空气。控制阀16的接通与否，由PID控制系统9根据温差信号进行判断和控制。
在其中一个实施例中，控制器8根据PID控制系统9传递的电信号，分别控制助燃燃料加料机构的油泵10的转速、和助燃气体加料机构的风机11的转速，进而对助燃气体和助燃燃料的供给量进行控制。当焚烧炉1开始工作时，增大风机11和油泵10转速，可以加入更多助燃气体和助燃燃料以快速提升焚烧炉1的温度。
在一些实施例中，当烟道口2温度过低(低于650℃)时，补充燃料或提高高热值垃圾的配比，加入100％的纯氧，高速射入炉内，可以捕捉未充分燃烧的有机物，同时提高炉温；当烟道口2温度适中时(在650℃～850℃之间)，射入40-60％的富氧空气，捕捉未充分燃烧的有机物，通过降低主助燃风的风量调节炉内温度，主助燃风是指助燃气体，通过改变风机11的转速控制助燃气体的风量，这里的助燃气体也可以是空气；当烟道口2温度过高时(大于850℃)，射入21-40％的富氧空气，捕捉未充分燃烧的有机物，通过降低主助燃风的风量调节炉内温度。
如图5所示，所述的PID控制系统9包括PID控制器、数据处理器以及PLC控制器和驱动电路；温度传感器3实时监测烟道口2附近区域的温度，并将温度传感器3传递给PID控制器，PID控制器对温度传感器3的采样进行一次获取，插值计算获得采样的温度值，并在固定时间内间隔循环采样；PID控制器将需要控制的温度量数据输入到数据处理器，数据处理器将需要控制的温差转化为流量阀15的开启量，通过PLC控制器和驱动电路控制流量阀15的开启程度，得到不同含氧量的富氧空气，经过多次的反馈控制，使烟道口2附近始终保持在富氧燃烧的状态。
在另一个实施例中，常规的PID算法不能满足复杂环境变化的需求，因此，在现有的PID算法的基础上，具现化分析当前烟道口2的温度，通过与现行PID算法的目标温度控制时长和非线性动态整定幅度做对比分析，构建基于粒子群优化算法PSO的PID控制器，对PID控制系统9进行优化设计，使系统达到温度控制响应速度快、收敛时间短的效果。如图6所示，PID控制系统9接收温度传感器3的信号经过模/数转换，与预先设定的烟道口2温度区间进行偏差比对分析，利用粒子群优化算法，调整PID控制器各参数的权值为最优解，实时在线自整定PID控制器的参数，并下达指令至STM32，STM32下发优化后的数据至PLC，信号经驱动电路数/模转换后调整流量阀15以及开启高速氧枪4，维持局部富氧燃烧的状态。
在本实施例中，PID控制系统9中的温度控制模块采用粒子群优化算法结合PID算法相结合的方式进行自适应温度调节；采用粒子群优化算法对PID控制器的参数进行调节，参数包括比例调节系数KP、积分调节系数KI、和微分调节系数KD；如图7所示，所述的粒子群优化算法具体包括以下步骤：
1、初始化粒子群，设置类聚数目和粒子数目；在本算法中，优化参数为三个，故设置聚类数目为3，粒子数目为300。
2、初始化粒子群具有随机位置X0和初始速度V0，粒子的适应度初始化为0，进行适应度评估，得到粒子的当前位置；如果适应度优于最佳全局位置，则更新全局最优位置；如果适应度优于个体最优位置，则更新个体最优位置，由此得到粒子个体最优位置和全局最优位置。
3、设置随机数矩阵更新所有粒子的速度和位置，再次更新适应度值，再次评估更新粒子的个体最优位置和全局最优位置，判断迭代次数，达到迭代次数后算法运行结束，此时全局最优位置作为参数的最优解输出。
在本实施例中，需要优化的参数有KP、KI、KD，对应三个类聚数。用于粒子速度更新的整体系数C1＝0.2，局部系数C2＝0.5，设置迭代次数为20次，每次迭代均会产生三个优化参数，经过20次迭代后将最优全局位置作为优化后的参数输入PID控制器做下一步计算。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
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