垃圾焚烧厂炉膛温度监测技术探讨

摘要：随着我国经济社会的发展和城镇化水平的提高，居民生活垃圾产生量呈快速增长趋势。垃圾焚烧作为生活垃圾无害化处理方式，将逐步替代垃圾填埋成为主要的垃圾处理方式，垃圾焚烧厂的建设将得到快速发展。二噁英是一种生活垃圾在焚烧过程中产生的致癌污染物，目前的技术手段是通过控制焚烧炉的焚烧温度来控制二噁英的排放浓度，所以，焚烧炉炉膛的温度在线测量就尤为重要。本文通过对比几种温度在线监测技术的优缺点，提出了适用于垃圾焚烧炉炉膛温度（场）测量的技术，为垃圾焚烧厂炉膛温度监测技术的选型和升级改造提供参考。

关键词：垃圾焚烧；炉膛温度；二噁英；声波测温

1 引言

根据国家发展和改革委员会《“十三五”全国城镇生活垃圾无害化处理设施建设规划》（发改环资[2016]2851号），到2020年底，直辖市、计划单列市和省会城市（建成区）生活垃圾无害化处理率达到100%；其他设市城市、县城（建成区）、建制镇的生活垃圾无害化处理率分别达到95% 以上、80% 以上和70% 以上。作为政策扶持性产业，预计到2022年我国垃圾发电装机容量将达到1190万千瓦。

在生活垃圾焚烧工艺中，二噁英作为一种主要控制的污染物，目前没有较好的在线监测技术和脱除手段，而是靠控制炉膛的焚烧温度来控制二噁英的排放。2019年生态环境部发布《生活垃圾焚烧发电厂自动监控数据用于环境管理的规定（试行）》，规定垃圾焚烧厂要确保正常工况下焚烧炉炉膛内焚烧的平均温度不低于850℃，否则可以认定为垃圾焚烧工艺不正常运行。由此可见垃圾焚烧炉炉膛温度监测的重要性。

而现有的炉膛温度测量，多采用热电偶式的接触式点测量技术。由于垃圾焚烧炉膛内属于高温、高烟尘、高湿度、大截面焚烧工况，传感器工作环境较为恶劣，所以该技术在运行中存在测量值不能代表实际焚烧温度、传感器易结焦、更换频繁、维护工作量大等实际工程应用问题。因此，探索一种能连续、稳定、准确、可靠并能充分反应炉膛焚烧情况的温度（场）监视技术，无论对于提升焚烧炉运行管理水平还是二噁英排放的控制都具有较为深远的意义。

2 垃圾焚烧厂炉膛温度监测技术现状

2.1 热电偶法温度测量技术

两种不同的导体或半导体A和B组成一个回路，两端相互连接，当两接点处的温度不同时，回路中将产生一个电动势，该电动势的方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关。热电动势与两接点的温度遵从一定的函数关系，可通过测量热电动势计算出待测介质的温度。

热电偶是目前垃圾焚烧炉炉膛温度测量普遍应用的技术，该技术属于接触式温度测量方法，其电极必须与待测物质接触，才能测出待测物质的温度。在垃圾焚烧炉炉膛温度测量上，由于炉膛温度太高，热电偶电极插入深度有限，以致热电偶只能测量贴近炉膛壁区域的温度。该温度值属于单点测量，不能反映炉膛内部实际的焚烧温度值。再者，垃圾焚烧炉内焚烧工况恶劣，热电偶电极插入炉膛内，易结焦附着在传感器上，从而导致温度测量不准，传感器更换和维护工作量大，影响测量的持续稳定性。

2.2红外法温度测量技术

红外法温度测量技术的原理是黑体辐射定律，遵循普朗克公式。物体的温度越高，所发出的红外辐射能力越强，可通过测量物体的红外辐射强度计算出待测物体的温度。

红外法测温技术属于非接触式光学测温技术，传感器无需接触待测物质，可适用于较高温度介质的测量。但由于光线是直线传播，波长很短（0.3-3μm），该技术容易受物体发射率、测温距离、烟尘和水蒸气等外界因素的影响，对工况环境要求较高。尤其是在垃圾焚烧炉内应用，光在直线路径上传播容易受炉膛内的烟尘或其他物质遮挡干扰，从而影响测量的准确性和稳定性。所以，该技术在垃圾焚烧炉上应用较少。

3 声波法温度测量技术的原理

声波法温度测量技术基于声速与介质温度的关系，介质中声波的传播速率与介质的温度呈某种函数关系，可通过测量声波的速率计算出该路径的介质温度。

在垃圾焚烧炉中，在炉墙两侧分别安装声波发声和接收装置，如图1所示。左侧声波发射器发出脉冲波，声波经过炉膛，被另一侧声波接收器接收。由于两者之间的距离是已知并且固定的，所以测出该路径声波的速率，即可计算出该路径介质的平均温度。

图1 单路径声波测温示意图

声波法温度测量技术属于非接触式线或者面测量技术。声波属于球面波，向四面八方传播；波长较长（0.017-17m），且有较强的衍射效应。所以声波测温技术不受炉膛内烟尘和其他杂物的干扰影响，可实现一条线或者一个截面的温度（场）测量，这是热电偶和红外技术难以实现的。声波测温技术完成了温度测量技术从接触式到非接触式、从点到线、从线到面的跨越发展，在大容量、高参数、运行控制要求较高的燃煤发电锅炉已有较好的应用。

4 声波法温度监测技术在炉膛测温上的应用

4.1单路径温度监测

对于温度分辨率要求不高的测温环境，一条或者两条相互独立路径上的测温单元就足够了。声波收发装置布置如图1所示，即可测得该路径的平均温度。图2是人机界面，实时显示的温度即为两个收发装置之间的平均温度。图3是所监测的炉膛温度与机组负荷的历史曲线对比图。可见，声波法测温装置所测温度与机组负荷的变化呈对应关系，能反应炉膛焚烧温度的实际情况。

对于垃圾焚烧炉的炉膛温度监测，可在原安装热电偶的上、中、下三层的位置，改装三对声波收发装置，即可分别测得上、中、下三层各三条线的平均温度，其测量值比热电偶所测得的点温度值更能反应炉膛温度的实际情况。

4.2多路径温度监测

对温度分辨率要求较高的测温环境，可在炉膛截面四周的炉墙上布置多组声波收发装置，即可测得多条路径的平均温度。图4列举出了不同布置的声波收发系统形成的多路径测量图。

图4 几种多路径声波收发装置布置图

图5是多路径温度测量方式中的4条路径温度监测值历史曲线对比图。可见，在同一截面，不同路径的温度平均值是不同的，但其变化趋势是一致的。多路径温度监测方式比单路径更能反应炉膛焚烧温度的分布情况。

图5 同截面多路径温度监测值历史曲线对比图

4.3截面温度（场）监测

对于需实时掌握截面温度分布的工况，则需在获取多条路径温度信息的基础上重建算法，建立这个平面的二维温度场，再通过声学CT技术显示各区块温度，如图6所示；以及使截面温度场呈等温线显示，如图7所示。

图8是温度场监测技术的人机界面。

声波法温度场在线监测技术，可实现截面温度的可视化和数字化，可任意调取任一个区块和等温线的历史温度曲线和画面，对锅炉燃烧控制有重要的指导意义。大型燃煤锅炉的炉膛温度分布关系到锅炉燃烧的安全、煤耗、NOX排放等多个生产工艺的控制，通过对炉膛温度场的在线监测，可较好的实现锅炉运行调整控制，使锅炉实时在最佳工况下运行。

5 结论与展望

（1）热电偶为接触式单点测量技术，在垃圾焚烧炉的应用中存在测量不准、更换维护工作量大、持续稳定性差等问题。

（2）红外测温属于非接触式测量技术，但由于其对测量的工况环境要求较高，制约了其在垃圾焚烧领域的应用推广。

（3）声波测温属于非接触式面测量技术，可使炉膛焚烧温度可视化和数字化，既有利于燃烧调整控制，又有利于环境执法取证，较为适合垃圾焚烧炉炉膛温度（场）的监测。

（4）随着垃圾焚烧发电厂的不断建设，二噁英控制形势严峻，亟需更先进、更稳定的温度监测技术对炉膛焚烧温度进行监管。

（5）声波为球面波，可进一步探索开发三维立体的炉膛温度场监测技术，实现温度测量从点到线、线到面、面再到体的技术进步。