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摘要：隨著我國經(jīng)濟社會的發(fā)展和城鎮(zhèn)化水平的提高，居民生活垃圾產(chǎn)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(fā)展。二噁英是一種生活垃圾在焚燒過程中產(chǎn)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(jiān)測技術的優(yōu)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(jiān)測技術的選型和升級改造提供參考。
1 引言
根據(jù)國家發(fā)展和改革委員會《“十三五”全國城鎮(zhèn)生活垃圾無害化處理設施建設規(guī)劃》（發(fā)改環(huán)資[2016]2851號），到2020年底，直轄市、計劃單列市和省會城市（建成區(qū)）生活垃圾無害化處理率達到100%；其他設市城市、縣城（建成區(qū)）、建制鎮(zhèn)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(chǎn)業(yè)，預計到2022年我國垃圾發(fā)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(jiān)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(tài)環(huán)境部發(fā)布《生活垃圾焚燒發(fā)電廠自動監(jiān)控數(shù)據(jù)用于環(huán)境管理的規(guī)定（試行）》，規(guī)定垃圾焚燒廠要確保正常工況下焚燒爐爐膛內(nèi)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(jiān)測的重要性。
而現(xiàn)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(nèi)屬于高溫、高煙塵、高濕度、大截面焚燒工況，傳感器工作環(huán)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(jié)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(xù)、穩(wěn)定、準確、可靠并能充分反應爐膛焚燒情況的溫度（場）監(jiān)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(jiān)測技術現(xiàn)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(chǎn)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(shù)關系，可通過測量熱電動勢計算出待測介質(zhì)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(zhì)接觸，才能測出待測物質(zhì)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(qū)域的溫度。該溫度值屬于單點測量，不能反映爐膛內(nèi)部實際的焚燒溫度值。再者，垃圾焚燒爐內(nèi)焚燒工況惡劣，熱電偶電極插入爐膛內(nèi)，易結(jié)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(xù)穩(wěn)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(fā)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(zhì)，可適用于較高溫度介質(zhì)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(fā)射率、測溫距離、煙塵和水蒸氣等外界因素的影響，對工況環(huán)境要求較高。尤其是在垃圾焚燒爐內(nèi)應用，光在直線路徑上傳播容易受爐膛內(nèi)的煙塵或其他物質(zhì)遮擋干擾，從而影響測量的準確性和穩(wěn)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(zhì)溫度的關系，介質(zhì)中聲波的傳播速率與介質(zhì)的溫度呈某種函數(shù)關系，可通過測量聲波的速率計算出該路徑的介質(zhì)溫度。
在垃圾焚燒爐中，在爐墻兩側(cè)分別安裝聲波發(fā)聲和接收裝置，如圖1所示。左側(cè)聲波發(fā)射器發(fā)出脈沖波，聲波經(jīng)過爐膛，被另一側(cè)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(zhì)的平均溫度。
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(nèi)煙塵和其他雜物的干擾影響，可實現(xiàn)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(xiàn)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(fā)展，在大容量、高參數(shù)、運行控制要求較高的燃煤發(fā)電鍋爐已有較好的應用。
4 聲波法溫度監(jiān)測技術在爐膛測溫上的應用
4.1單路徑溫度監(jiān)測
對于溫度分辨率要求不高的測溫環(huán)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(fā)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(fā)裝置之間的平均溫度。圖3是所監(jiān)測的爐膛溫度與機組負荷的歷史曲線對比圖?？梢?，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(jiān)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(fā)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(jiān)測
對溫度分辨率要求較高的測溫環(huán)境，可在爐膛截面四周的爐墻上布置多組聲波收發(fā)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(fā)系統(tǒng)形成的多路徑測量圖。
圖4 幾種多路徑聲波收發(fā)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(jiān)測值歷史曲線對比圖?？梢姡谕唤孛?，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(jiān)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(jiān)測值歷史曲線對比圖
4.3截面溫度（場）監(jiān)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(qū)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(jiān)測技術的人機界面。
聲波法溫度場在線監(jiān)測技術，可實現(xiàn)截面溫度的可視化和數(shù)字化，可任意調(diào)取任一個區(qū)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(chǎn)工藝的控制，通過對爐膛溫度場的在線監(jiān)測，可較好的實現(xiàn)鍋爐運行調(diào)整控制，使鍋爐實時在最佳工況下運行。
5 結(jié)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(xù)穩(wěn)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(huán)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(shù)字化，既有利于燃燒調(diào)整控制，又有利于環(huán)境執(zhí)法取證，較為適合垃圾焚燒爐爐膛溫度（場）的監(jiān)測。
（4）隨著垃圾焚燒發(fā)電廠的不斷建設，二噁英控制形勢嚴峻，亟需更先進、更穩(wěn)定的溫度監(jiān)測技術對爐膛焚燒溫度進行監(jiān)管。
（5）聲波為球面波，可進一步探索開發(fā)三維立體的爐膛溫度場監(jiān)測技術，實現(xiàn)溫度測量從點到線、線到面、面再到體的技術進步。
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