基于比例调节的船用焚烧炉系统研发

施耀新 刘红飞

（1.上海卓创热能设备有限公司 上海 202155；2.国核工程有限公司 上海 200233）

0 引 言

海洋环境保护国际公约MARPOL73/78规定，船上产生的固体垃圾和污油严禁直接向海洋倾倒，需按公约规定进行处置。船上固体垃圾和污油的减量处理常用方法有两种［1］:一是船舶靠港后岸送至港口的集中回收处理；另一种有效途径就是在船上安装垃圾焚烧炉系统，对船上产生的固体垃圾和污油进行减量化、无害化焚烧处理。尤其在远洋船上，因受船上储存空间、靠港岸送时间和费用方面的限制，以及生活垃圾会因储存时间过长产生次生污染方面的考虑，都配备垃圾焚烧炉［2］。因此，船用焚烧炉就成了船舶上重要防污染设备之一。但是，在船上焚烧垃圾和污油，要求采用的船用焚烧炉结构具有微型、小型化且集成度高的特点。

为满足上述要求，项目课题组在上海市科委创新基金资助下，完成了对船用焚烧炉炉体结构设计、系统设计、燃烧配风量和运行控制方法策略及等方面的系统化研究工作。课题组还特别针对固体垃圾和污油存在热值波动大的实际状况，独创了船用焚烧炉的污油入炉流量、配风和炉内温度进行同比例调节的一体化燃烧器，从而实现了在低助燃油耗下减量处理船舶固体垃圾和污油的目的。

1 输入条件研究

因船舶种类、大小和不同国籍海员的生活习惯差异，船上产生的固体垃圾热值差别很大，船上污油的成份也不固定，尤其含水率波动范围很大（20%～50%）。另外船舶的烟气排放，在MARPOL73/78公约附则V《防止船舶造成空气污染规则》中有严格要求。

1.1 船舶产生固体垃圾及污油的成分

在 MEPC.76（40）“船用焚烧炉技术条件”中，其依据美国焚烧炉研究所的废弃物分类，把船上废弃物看作为Ⅱ类废弃物，其发热量如表1所示。

表1 废弃物发热量

作为船用焚烧炉设计基准的固体废弃物成分如下:50%食物废弃物；50%废弃包装物（包括30%纸、40%硬纸板、10%破布、20%塑料）；混合物的水分可达50%；不燃固态物质可达7%。固体垃圾混合物的热值为2388 kcal/kg。

作为船用焚烧炉设计基准的污油成分如下:75%重燃油、5%废润滑油、20%是乳化水。

1.2 烟气排放指标要求

船用焚烧炉烟气的排放必须满足MEPC.76（40）“船用焚烧炉技术条件”中的如下要求:

1.3 操作要求

燃烧室的预热温度为650℃，对于分批装料的焚烧炉，无预热要求，但焚烧炉应设计成炉膛内实际燃烧的温度，在启动后5 min内达到600℃。

2 焚烧炉运行控制

船上固体垃圾和污油的焚烧，是强烈的氧化结果，所以为了维持稳定而持续的焚烧过程，必须对燃烧的三个要素（可燃物、空气量、着火温度）进行控制。

通过对国际公约MARPOL73/78和MEPC.76（40）“船用焚烧炉的技术要求”和输入条件的研究和归纳，在船用焚烧炉运行过程中，需要控制的关键参数是炉膛温度、炉膛压力、进气量和排烟温度。

2.1 控制参数

2.1.1 炉膛温度

固体垃圾和污油的焚烧在船用焚烧炉炉膛内进行，炉膛温度的高低直接影响固体垃圾和污油的焚烧效果，合适的炉膛温度不仅可以保证固体垃圾和污油得到充分焚烧，而且可以避免焚烧过程中产生有害气体。公约要求正常焚烧情况下，炉膛温度维持在850℃～1200℃。

2.1.2 炉膛压力

公约中规定，船用焚烧炉运行中，炉膛必须保持一定的负压。这一方面可保证炉膛内高温气体不外泄，确保焚烧炉操作员和船舶安全；另一方面也便于外部空气进入炉膛，增加焚烧过程所需的空气量。

2.1.3 进气量

焚烧过程中所需的空气量主要通过燃烧器风机将空气送入炉膛。要使固体垃圾和污油得到充分焚烧，还必须要有一定的过剩空气，以确保炉膛出口烟气中的剩余氧含量、一氧化碳含量和林格曼黑度达到公约的规定要求。

2.1.4 排烟温度

国际防污染公约明确规定:船用焚烧炉炉膛出口温度应不高于1200℃，烟气排放温度应不高于350℃。超温运行将造成设备损坏，并威胁到船舶安全。

2.2 控制参数之间的耦合关系

在船用焚烧炉正常运行过程中，上述4个参数并不会孤立存在，它们之间存在着如表2所示相互耦合关系。控制系统的设计基于这些耦合关系。

表2 控制参数之间的耦合关系

2.3 控制逻辑

2.3.1 固体垃圾焚烧的控制逻辑

由于船舶上固体垃圾的成分、热值和含水率与设计基准存在一定偏差，据相关文献［3-4］研究表明，固体垃圾在450℃～900℃的温度下气化，产生可燃气体。因而要实现固体垃圾的持续焚烧，在过程控制上应采用如下策略:固体垃圾投入炉膛后，关闭炉门和清灰门，炉门即被系统自动锁定。当操作人员按下启动按钮并选择”焚烧固体垃圾”后，控制系统将自动完成下列步骤:

（1）启动烟气风机和燃烧器风机对炉膛进行3次吹扫。

（2）完成点火。如果点火失败，将返回步骤（1）；连续3次点火失败则停机，人工查找故障原因并恢复。

（3）5 min内炉温升至600℃。

（4）系统一旦启动，通过调节烟气风机的进风门，使炉膛产生且维持一定的负压；如果炉膛负压不能维持，则在报警后一定时间内停机。

（5）根据炉膛温度的高低，确定增加、减少或停止助燃柴油的供应。炉膛温度850℃～1150℃之间时，系统通过比例调节器自动调节助燃柴油供应量。

（6）焚烧2.5 h后，系统自动转入停机程序，继而对炉膛进行冷却。

（7）当炉膛温度低于80℃，炉门自动解锁。

（8）打开清灰门清灰。

（9）转入下一个焚烧循环。

在固体垃圾燃烧过程中，控制系统通过光敏电阻监测炉膛内的火焰，用热电偶测量炉膛内温度,用热电阻测量排烟温度，自动控制烟气风机风门开度，以调节炉膛内的负压、将温度保持在规范要求的范围内。若监测不到火焰或炉膛温度和排烟温度持续超过设定值，系统将自动停机。焚烧过程中，操作人员可随时按下紧急停止按钮，紧急停运焚烧炉，但这时炉膛的冷却程序仍然维持。

2.3.2 污油焚烧的控制逻辑

由于船上所产生污油的含水量以及成分一般都不是定值，不同含水量的污油在焚烧炉内进行焚烧时，炉膛内的工况并不相同:当污油的热值较高时，污油泥的焚烧需要较少的辅助燃料进行助燃，甚至不需要辅助燃料进行助燃，焚烧炉即可维持稳定的工作状态；当污油的热值较低时，需要一定的辅助燃料进行助燃，才可保证污油焚烧时稳定的工作状态。船用焚烧炉设计的目标是焚烧最大量的污油泥，而消耗最少量的辅助燃料。

污油焚烧的控制逻辑与固体垃圾焚烧的控制逻辑原理基本相同，当污油柜内污油温度维持在80℃～90℃时，如果操作人员按下焚烧炉启动按钮，并选择“焚烧污油”后，控制系统将自动完成下列步骤:

（1）启动烟气风机和燃烧器风机对炉膛进行3次吹扫。

（2）完成点火。若点火失败，将返回步骤（1）；连续失败3次则停机，人工查找故障原因并恢复。

（3）焚烧炉炉膛预热温升到650℃。

（4）系统一旦启动，通过调节烟气风机的进风门，使炉膛能产生和维持一定的负压；如果炉膛负压不能维持，则报警后一定时间内即停机。

（5）系统自动打开污油电磁阀，污油喷入炉膛。根据炉膛温度的高低，确定是否打开或停止助燃柴油电磁阀。在炉膛温度850℃～1150℃之间，系统将通过比例调节器自动调节污油的供给量。

（6）待污油柜内液位到达低液位时，系统自动转入停机程序，继而对炉膛进行冷却。

（7）当炉膛温度低于80℃后，炉门自动解锁。

（8）打开炉门可对炉内进行必要的检查。

（9）转入下一个焚烧循环。

在污油燃烧过程中，控制系统通过光敏电阻监测炉膛内的火焰，用热电偶测量炉膛内温度、用热电阻测量排烟温度，自动控制烟气风机风门开度，以调节炉膛内的负压、温度保持在规范要求的范围内。如果监测不到火焰或炉膛温度和排烟温度持续超过设定值，系统将自动停机。在焚烧过程中，操作人员可以随时按下紧急停止按钮，使得焚烧炉紧急停止运行。但这时炉膛的冷却程序仍然维持。

2.4 系统监控报警点

系统监控报警点，如表3所示。

表3 系统监控报警点

2.5 PLC控制单元

工业控制中采用PLC技术已经非常普遍，船舶上也不例外，曾经就有过国外船舶焚烧炉继电接触控制系统成功改造的报道［5］。本项目船用焚烧炉控制系统使用PLC作为系统的控制核心，它体积小、功能强且可靠性高，由以下几部分组成:

（1）CPU模块，是船用焚烧炉PLC的运算和控制中心。PLC依靠CPU实现逻辑和数字运算，协调和控制系统各部件的正常工作。

（2）开关量输入模块，有多个开关量输入通道。主要用于接受各种控制信号，例如船用焚烧炉起停按钮、炉膛温度、炉膛负压、污油柜高温等。

（3）开关量输出模块，有多个开关量输出通道。主要将控制信号输送到各执行电器和指示灯，如烟气风机接触器、燃烧器接触器、泵接触器和电磁阀等。

（4）人机对话的显示控制屏，用于船用焚烧炉的参数显示和人机对话。

3 船用焚烧炉系统构成

船用焚烧炉配备耐高温的燃烧炉膛、空气（氧气）输入系统、助燃系统、污油连续给送系统、烟气冷却系统和使这些系统协调一致地工作的控制系统。

3.1 船用焚烧炉的热容量

热容量代表船用焚烧炉的处理固体垃圾和污油的能力。不同大小、种类的船只，需要配备不同热容量的船用焚烧炉。船舶设计者会根据船员的数量、船舶主机功率的大小来选择合适规格的船用焚烧炉。本项目已研发出热容量为 18、20、40、50、60（万 kcal）的5种规格船用焚烧炉，所有规格的焚烧炉既能焚烧固体垃圾也能焚烧污油，以满足不同船舶的需要。

3.2 系统结构组成

本课题所研究的船用焚烧炉系统的主要结构和系统组成如图1所示。

图1 船用焚烧炉系统构成

船用焚烧炉有以下几个主要部件组成:焚烧炉本体、烟气风机、燃烧器、污油柜、控制柜、一次仪表、相关的管道阀门泵组等。

（1）焚烧炉本体:其核心部件为一个耐高温的炉膛，炉膛由耐1300℃高温并能有效抵抗热冲击的耐火砖砌筑而成，用来装载固体垃圾并作为燃烧室。炉体上带有投料门和清灰门，在焚烧炉工作期间以及在炉膛温度冷却到设定温度前，投料门和清灰门控制系统通过炉门闭锁装置，始终保持两个门处于闭锁状态。炉体外壳是一个夹层式钢构外壳。当烟气离开燃烧室时，吸入冷态空气与烟气混合，使烟气迅速降温；距炉膛出口2.5 m处的烟气温度已降至350℃以下，同时也确保炉壳外壁温度不高于环境温度再加20℃后的限值。炉膛的大小决定了焚烧炉的热容量和烟气排放指标，因此炉膛的大小一般需经过热力计算并通过型式试验后最终确定。

（2）烟气风机:采用耐350℃高温的离心风机，为了避免风机噪声干扰焚烧炉操作人员，烟气风机不可与焚烧炉安装在同一平台。按照MEPC.76（40）要求，炉膛在整个焚烧阶段必须一直维持在负压状态。所以烟气风机既用于抽吸炉膛内烟气，将炉膛内生成的高温烟气排出，同时保持炉膛处于负压状态。烟气风机的进风管道上还装有风量调节装置，当出现炉膛内燃烧工况波动时，通过控制系统自动调节开度大小，使得焚烧炉维持在规定的参数范围内运行。烟气管道上还安装有膨胀节，以补偿因热胀冷缩而引起的烟气管道长度变化量。烟气风机的流量必须与焚烧炉的热容量相匹配，风压需要与排烟总阻力损失相适应，除了焚烧炉制造厂标配外，排烟总阻力最好由船舶设计院根据实际烟道阻力提供。

（3）燃烧器:燃烧器是本项目的核心部件，是针对污油连续焚烧而自主研发的一体化燃烧器，同时还适用于对固体垃圾焚烧时的助燃。燃烧器的能力与炉膛热容量相匹配。其集合了助燃喷嘴、特殊设计的低压介质雾化的污油喷嘴、点火系统、火焰监测系统、助燃风机、风门、比例调节器，通过比例调节器可以实时调节喷入炉膛的污油量和空气量。

（4）污油柜:作为污油送入焚烧炉前的临时储存、沉淀水份、加热备用等作用。它自身带有加热器、温度控制器、循环泵、液位控制和显示器、放水阀和外保温。温度控制器用来控制加热器，确保污油柜内的温度维持在设定范围内（80℃～90℃），为污油稳定燃烧提供保证。两个放水阀装于污油柜上，用来检测污油柜中沉淀出的水量。如果处于高位的放水阀放出的是水，则表明污油柜内水量需要排放，要打开处于低位的一个阀，来泄放沉淀出的水。一部分污油被循环泵输送到焚烧炉上的供应泵时，另一部分则通过回流管道返回到污油柜，促使污油与水在柜内充分混合。液位控制器的作用是当输送泵将污油送入污油柜时，如果液位达到高液位，输送泵自动停止；当液面降低到设定的最低液位时，污油柜上的低液位开关将关闭循环泵并启动输送泵，向污油柜加入污油。当污油柜内温度跌至设置的最低点时，加热器自动打开，自动对污油加热。

污油柜通常以常压容器进行设计。由于污油中含有水分，水分被加热到100℃以上后产生蒸汽并产生压力。所以一旦污油柜内温度超过100℃，污油柜有带压的危险，继而引起污油柜破裂，造成污油溢出污染。所以必须在污油柜顶部设置一个排空管。排空管线上不允许装设阀门。为防止高液位报警失灵，污油柜上设有溢流口，直接引入污油舱。

（5）控制柜:是焚烧炉运行指挥系统，采用PLC控制技术，有一对外接口引出综合报警到机舱集控室。

（6）一次仪表:有负压传感器、电眼、温度传感器、压力传感器等。

（7）管道阀门泵组:是系统各部件相联接的纽带，有污油泵、轻油泵、电磁阀等。

3.3 焚烧炉系统原理

焚烧炉系统原理如图2所示。

图2 焚烧炉系统原理图

4 型式认可

因船用焚烧炉属于国际公约产品，公约中明确规定，每种规格的焚烧炉都需要通过船级社的型式认可，并持有IMO型式认可证书，才可在船舶上安装和使用。在当前各船级社没达成互相认可的情况下，可能导致同一型号的焚烧炉持有多个船级社或欧盟的EC型式认可证书。此时型式认可的步骤和具体要求除了满足MEPC.76（40）中的相关规定外，同时还需遵守认可船级社的要求。这也是公约产品和一般船舶产品的区别所在。

5 结 论

作为上海市科委的创新基金资助项目，研发的基于比例调节的船用焚烧炉其各项性能指标满足MARPOL73/78和MEPC.76（40）的要求。尤其是针对固体垃圾和污油存在热值波动大的实际状况，完成了船用焚烧炉的污油入炉流量、助燃空气量与炉内温度进行同比例调节装置的研发，并形成自主知识产权，实现了在低燃油耗下，减量处理船舶固体垃圾和污油。

［1］姚寿广.船舶辅机［M］.哈尔滨工程大学出版社，2007:335-338.

［2］王金业.船舶及平台用焚烧炉［J］.江苏船舶，1989，6（2）:33-37.

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［4］徐嘉，严建华，肖刚，等.城市生活垃圾气化处理技术［J］.科技通讯，2004，20（6）:560-564.

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