大型城市生活垃圾焚烧炉焚烧过程仿真及控制

论文摘要

近年来,随着城市化进程的加快,使用焚烧发电法处理垃圾逐渐在国内兴起。由于我国目前垃圾低热值、高水分的特性与发达国家差距较大,所以国外发达国家成熟的自动燃烧控制技术在国内多地均无法正常运行。因此,充分了解我国当前垃圾在焚烧炉内的特性对于建立适合我国垃圾的自动燃烧控制策略有重要意义。垃圾焚烧难于控制的根源在于垃圾。首先,分析了垃圾组分及组分分布特性。按垃圾组分低位热值重新进行了垃圾分类,得出了研究样本所在地区的垃圾组分概率分布密度函数。进行了垃圾含水率的线性相关性分析,认为垃圾含水率与厨余的相关性最大。根据分析结果,建立了组分参数可调的垃圾模块模型。其次,分析了垃圾模块在垃圾焚烧炉内的蒸发过程,主要包括对流换热和辐射换热过程。根据垃圾中水分的质量变化,提出了起燃界面的概念。根据收集到的历史数据,进行了起燃界面的软测量。以起燃界面为界,将通常认为的静态干燥区变为随起燃界面变化的动态干燥区。给出了起燃界面在垃圾水分含量、一次风、干燥炉排速度和一次燃烧室温度输入下的阶跃响应。仿真结果表明,炉排上的干燥区域是一个不断变化的区域,水分含量、干燥炉排速度和一次燃烧室温度对起燃界面位置影响较大,而一次风温度和压力的直接影响有限。此结果与实际焚烧过程较吻合。通过起燃界面的软测量数据,可以对燃烧室温度进行一定程度的解释。再次,按照一次风量与析出挥发分质量的比例,提出了挥发分燃烧过程存在反应受限模式、非充分燃烧模式和充分燃烧模式3种模式,并分别列出了在这3种模式下的化学反应方程式。得出了挥发分燃烧的反应物和产物沿炉排方向的分布规律。结果表明,提供足够的风量可避免垃圾料层工作在反应受限模式；应合理调整炉排速度,使垃圾稳定燃烧。然后,介绍了使用Flash技术实现仿真模型的方法,展示了建模和仿真的新思路。建立的仿真模型可以仿真焚烧炉多种燃烧工况,如料层堆积和料层的未燃烬等。最后,介绍了焚烧炉的控制策略。提出了增加了起燃界面修正的自动燃烧控制策略。还介绍了已经成功应用的焚烧炉启动和停止的分层顺序控制方案。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 我国城市生活垃圾的产生及处理现状
• 1.2 我国城市生活垃圾焚烧发电现状
• 1.2.1 城市生活垃圾焚烧发电的适用地区
• 1.2.2 城市生活垃圾焚烧发电的环境问题
• 1.2.3 城市生活垃圾焚烧发电前景
• 1.3 炉排垃圾焚烧炉
• 1.3.1 垃圾焚烧发电的炉型比较
• 1.3.2 炉排垃圾焚烧炉的特点
• 1.4 国内外垃圾焚烧炉建模及控制研究现状
• 1.4.1 燃烧过程分析的难点
• 1.4.2 我国垃圾投入自动燃烧控制的难点
• 1.4.3 垃圾焚烧过程分析目前研究的不足
• 1.4.4 国外垃圾焚烧炉建模及控制研究现状
• 1.4.5 国内垃圾焚烧炉建模及控制研究现状
• 1.5 本文的研究内容
• 1.5.1 本文的研究背景
• 1.5.2 研究内容
• 第2章 垃圾组分分布特性及垃圾模块模型
• 2.1 我国城市生活垃圾的特点
• 2.2 垃圾的物理组成
• 2.3 垃圾的组分分布
• 2.4 垃圾物理组分分布的正态性检验
• 2.4.1 W检验
• 2.4.2 直方图检验
• 2.4.3 各主要物理组分概率密度函数
• 2.5 含水率与垃圾组分的线性相关性分析
• 2.6 垃圾堆酵
• 2.7 垃圾热值模型
• 2.8 垃圾模块的仿真
• 2.8.1 类有限元的垃圾模块模型
• 2.8.2 垃圾模块的组分变化仿真
• 2.8.3 垃圾模块高度计算
• 2.8.4 垃圾模块的物理变化仿真
• 2.8.5 垃圾模块的化学变化仿真
• 第3章 焚烧炉内燃烧过程分析
• 3.1 燃料、燃烧和燃烧热
• 3.2 垃圾燃烧过程分析
• 3.3 料层燃烧斜面的形成机理分析
• 3.4 料层沿炉排运动方向的氧量分析
• 3.5 燃烧通道
• 第4章 垃圾焚烧炉内水分干燥过程分析及仿真
• 4.1 垃圾水分来源
• 4.2 水对垃圾在炉内分布的影响
• 4.3 垃圾水分蒸发过程分析
• 4.3.1 水分对流换热分析
• 4.3.2 水分辐射换热分析
• 4.4 水分质量变化
• 4.5 起燃界面
• 4.5.1 起燃界面的定义
• 4.5.2 水分含量输入下的起燃界面阶跃响应
• 4.5.3 一次风温度对起燃界面的影响
• 4.5.4 一次风压力对起燃界面的影响
• 4.5.5 干燥炉排速度输入下的起燃界面阶跃响应
• 4.5.6 一次燃烧室温度输入下的起燃界面阶跃响应
• 4.5.7 传递函数阵
• 4.6 起燃界面的软测量
• 4.6.1 水分测量
• 4.6.2 实际炉排金属温度测点的布置
• 4.6.3 起燃界面的计算
• 4.7 本章小结
• 第5章 垃圾挥发分和固定碳燃烧过程的建模与仿真
• 5.1 挥发分在炉内燃烧过程分析
• 5.1.1 挥发分析出速率计算
• 5.1.2 垃圾模块一次风风量计算
• 5.2 挥发分燃烧模式
• 5.2.1 反应受限模式
• 5.2.2 非充分燃烧模式
• 5.2.3 充分燃烧模式
• 5.2.4 仿真计算流程
• 5.3 稳定运行工况下模型数值试验与分析
• 5.3.1 燃烧模式
• 5.3.2 各组分沿炉排方向的质量变化
• 5.3.3 燃烧炉排速度阶跃变化
• 5.4 固定碳燃烧过程建模
• 5.4.1 反应受限模式
• 5.4.2 非充分燃烧模式
• 5.4.3 充分燃烧模式
• 5.4.4 仿真计算流程
• 5.5 本章小结
• 第6章 城市生活垃圾焚烧过程仿真模型
• 6.1 Flash仿真技术
• 6.2 垃圾焚烧炉仿真模型
• 6.3 场景及元件设计
• 6.3.1 程序执行结构及执行流程
• 6.3.2 舞台元件设计
• 6.3.3 数据存储与显示
• 6.3.4 仿真状态保存
• 6.3.5 垃圾模块的设计
• 6.3.6 起燃界面
• 6.3.7 垃圾焚烧炉启动
• 6.3.8 水蒸汽及燃烧火焰效果的仿真
• 6.4 仿真效果
• 6.4.1 料层厚度变化
• 6.4.2 给料器速度变化对一次燃烧室温度的影响
• 6.4.3 料层未燃尽的仿真
• 6.4.4 料层燃尽的仿真
• 第7章 焚烧炉自动燃烧控制策略
• 7.1 现有经验
• 7.2 基于专家系统的燃烧控制策略设计
• 7.2.1 起燃界面位置
• 7.2.2 利用起燃界面进行干燥炉排速度控制
• 7.2.3 燃烧炉排速度控制
• 7.3 空气流量控制
• 第8章 垃圾焚烧电厂顺序控制系统设计及实现
• 8.1 分层的设计思想
• 8.2 控制逻辑设计
• 8.2.1 顺控级基本控制功能块
• 8.2.2 变量归一接口
• 8.2.3 顺控级与驱动级的脉冲信号通信
• 8.2.4 对驱动级功能块的要求
• 8.2.5 顺序控制系统画面设计
• 8.3 分散控制系统控制器负荷分配
• 8.4 现场应用
• 第9章 结论与展望
• 9.1 结论
• 9.2 展望
• 9.3 适合我国国情的垃圾处理方法
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
• 攻读博士学位期间参加的科研工作
• 致谢
• 作者简介