龍吉生, 劉志偉. 紅外熱成像管理系統在垃圾焚燒爐自動燃燒控制中的應用[J]. 環境衛生工程, 2022, 30(2): 1-8.LONG J S, LIU Z W. Application of infrared thermal imaging management system in automatic combustion control of waste incinerator[J]. Environmental Sanitation Engineering, 2022, 30(2): 1-8. 首次在生活垃圾焚燒爐上應用紅外成像管理系統。利用黑體輻射理論、CCD探測器、紅外成像技術同時將火焰畫面、火焰溫度同時分區域且精準的在垃圾焚燒爐上應用，在國內少有先例。論文中涉及的技術已實際應用于我國單爐垃圾處理量750 t/d的三段式列動順推爐排爐中，此焚燒爐屬大型焚燒爐，運用此形式爐排的焚燒爐在我國爐排爐總數量的占比達40%以上，方案和數據具有一定推廣和參考價值。生活垃圾焚燒爐自動燃燒控制（ACC）系統對各種焚燒爐運行參數的測量要求較高，需要進一步優化和提升各輔助測量裝置的適應性和準確性。對紅外熱成像管理系統和傳統攝像機成像監視系統的性能進行了比較，并對其嵌入ACC系統的方式，以及對整個ACC系統的提升和運行效果進行了闡述。紅外熱成像管理系統以適當方式嵌入ACC系統后，可靈活實現焚燒爐內火焰和煙氣溫度的分區精準顯示，作為輔助手段對ACC系統的穩定運行有明顯提升作用。當前生活垃圾焚燒爐廣泛采用的爐膛火焰監視系統基本上都是由早期應用在水泥廠、鋼鐵廠的加熱爐、退火爐和氧化鋁廠等行業內的高溫看火工業電視演變升級而來。內窺式數字高清爐膛火焰監視系統成像裝置主要由耐高溫針孔電動鏡頭、寶石物鏡、光學濾光片、光圈焦距調節器等組成，配有電控推進器、氣源控制柜、光端機等輔助設備。其核心問題是如何在生活垃圾焚燒爐的高溫、多塵、強腐蝕環境中長周期穩定運行，保證火焰畫面不丟包、不失真。1）優勢特性分析。一是技術成熟、運行穩定。隨著我國近一二十年間生活垃圾發電廠的興建，爐膛火焰監視系統的技術也處于不停地優化和迭代之中，目前已能滿足穩定、可靠的要求。其中常規配置參數為攝像頭300 萬像素，響應時間2 s，光圈（F數）1.6，焦距2.4 mm。二是工作環境好。爐膛火焰監視器探頭通常安裝于焚燒爐后墻，所處位置是垃圾燃燒最末端，常規工況下探頭周圍煙氣溫度通常<600 ℃。較之焚燒爐其他高溫環境已算“宜居地帶”。三是維護量小。焚燒爐后墻幾乎沒有結焦現象，常規爐膛火焰監視探頭開孔位置僅存有因爐膛偶爾正壓時煙氣外冒造成的積灰，積灰量不大，清理工作較為輕松。2）劣勢特性分析。一是參數單一。因垃圾焚燒行業爐型構造和燃燒成分的特殊性，垃圾焚燒爐長期采用的火焰探頭利用的是光學成像原理，運行人員僅能通過觀察火焰形狀和位置來判斷焚燒爐工況，無法得到多維度參數。二是視角局限。爐膛火焰探頭通常位于焚燒爐后墻，安裝角度朝向爐內成斜向上方向，與水平線夾角15°左右，探頭視場角通常＞60°。以某大型列動順推爐排焚燒爐為例，在此仰視角度下可以看到爐排燃燒段尾部、燃燼段前部兩面明顯的火焰幕墻，由于火焰鋒面遮擋，很難觀察到燃燒段中前部的火焰狀況。 以某單臺750 t/d大型列動順推爐排焚燒爐中爐膛火焰監視器安裝位置和顯示畫面為實例，具體分析火焰成像狀態。其實際火焰成像畫面見圖1。成像角度是由焚燒爐后墻探頭位置向上仰視爐膛。因焚燒工況十分良好，靠近后墻的燃燼段區域幾乎沒有明火，燃燒段尾部成一面豎直、光亮的黃紅色火焰鋒面，高度約為2.5 m。對應的爐膛火焰監視器安裝示意如圖2所示。爐膛火焰探頭安裝在焚燒爐后墻，安裝位置與后墻觀火平臺地面距離為C（m）。開孔傾角與水平方向夾角為B（°），有效視場角為A（°）。圖2中由黃色填充的三角形區域代表正常燃燒火焰，其中標注高度2.5 m的區域為燃燒爐排尾部火焰，即為圖1所顯示的火焰鋒面。顯然，從爐膛火焰監視器向上望去，燃燒段前部、中部火焰為視野盲區。由于被燃燒段尾部火焰鋒面遮擋，通過火焰監視器通常只能看到燃燒段尾部、燃燼段前部這兩個區域的火焰。
紅外熱成像管理系統采用了高溫成像、熱輻射、紅外輻射檢測及計算機圖像處理等技術，為運行人員提供高清的爐膛內火焰視頻分區監視和燃燒火焰溫度場監測。系統由耐高溫防腐紅外攝像儀、自動回縮保護裝置、安裝套件、氣路和電氣控制箱、圖像數據服務器等組成，紅外熱成像監視系統見圖3。該系統的重點構成要素為與生活垃圾焚燒爐燃燒特性相匹配的圖像數據服務器系統。每臺探頭支持自定義設置64個ROI區，可編程最小、最大和平均溫度的測量，可自定義觸發測量/報警監視和閾值監視。火焰發光通常包含兩種機制：①黑體輻射發光（連續光譜）；②化學發光（表現為帶狀或者線狀光譜）。本紅外熱成像系統利用的是火焰中的黑體輻射發光機制。而垃圾焚燒中黑體輻射發光來源又包括兩部分：①垃圾表面受熱發光；②懸浮在火焰中的微小炭黑顆粒受熱發光。以下將對紅外熱成像系統采集的光譜范圍進行解析。
根據普朗克（Plank）黑體輻射定律，自然界的任何物體只要溫度高于絕對零度（-273.15 ℃），就會以電磁輻射的形式在非常寬的波長范圍內發射能量，產生電磁波（輻射能）。不同的材料、溫度、表面光度及顏色，發出的紅外輻射強度都不同，大氣電磁光譜示意見圖4。普朗克輻射定律給出了黑體輻射的具體譜分布，在一定溫度下，單位面積的黑體在單位時間、單位立體角內和單位波長間隔內輻射出的能量見公式（1）：式中：B(λ,T)為黑體的光譜輻射亮度（W?m-2?Sr-1?μm-1）；T為黑體的絕對溫度（K）；c為光速，c=2.998×108 m/s；h為普朗克常數，h=6.626×10-34 J?s；K為波爾茲曼常數，K=1.380×10-23 J/K。在一定溫度下，黑體的光譜輻射亮度存在一個極值，這個極值的位置與溫度有關，這就是維恩位移定律（Wien）：式中：λmax為最大黑體光譜輻射亮度處的波長（μm）；T為黑體的絕對溫度（K）；b為維恩常量，b=0.002 897 m·K（2.897×103μm·K）。根據Wien定律，我們可以估算，當T=6 000 K時，λmax為0.48 μm（綠色），這就是太陽輻射中大致的最大光譜輻射亮度處。當T=300 K，λmax=9.6 μm，這就是地球物體輻射中大致最大光譜輻射亮度處。普朗克定律描述的黑體輻射在不同溫度下的頻譜見圖5。根據圖5中數據，可以得到如下結論：隨著溫度升高，輻射能量增加，這是紅外輻射理論的出發點，也是單波段紅外測溫設計的依據。隨著溫度升高，輻射峰值波長向短波方向移動，其規律符合Wien定律，即λmax?T=2 897.8 μm?K。這個公式解釋了為什么“高溫測溫儀”多采用短波，“低溫測溫儀”多采用長波。輻射能量隨溫度的變化率，短波比長波大，即短波處工作的“測溫儀”相對信噪比高，抗干擾性強。由Wien定律可以得出，溫度越高，輻射峰值的波長越短。所以為了使輻射接收器有一個較理想的信噪比，對于溫度越低的物體，可測量的輻射波長越長。近年來，利用光電轉換元件（Charge Coupled Device，CCD），即“電荷耦合元件”測量和監測火焰溫度的方法受到越來越多的關注，國內外先后開展了大量研究。CCD用于將鏡頭收集到的光信號轉變為電信號從而進行進一步處理。日本因其先進的電子技術及對環保的強烈意識，最先在燃燒診斷中應用了數字圖像處理技術。法國的Renier等通過CCD相機獲得物體表面圖像，隨后通過黑體爐標定并利用輻射定律來得到輻射物體表面參數，同時他們將濾光片加在CCD相機前來提高系統的靈敏性并擴大測溫范圍。我國生活垃圾焚燒火焰產生的固體顆粒物主要為炭黑顆粒和飛灰，火焰面內部固體顆粒為炭黑顆粒，而飛灰主要彌散在火焰面外部。炭黑顆粒相較于飛灰具有更小的結構尺寸，意味著其擁有更大的比表面積，即更大的輻射表面積，進而擁有更強的發射輻射能力。因此生活垃圾焚燒火焰連續光譜強度主要由其中的炭黑顆粒主導。生活垃圾焚燒后氣體產物如H2O、CO2、CO、NO等物質的發射光譜多分布在近紫外和遠紅外區域，而在λ為0.5～0.9 μm波段上很少有發射光譜存在，對于本系統的測溫效果幾乎沒有干擾。因此，在λ=0.5～0.9 μm波段上炭黑顆?？杀徽J為是火焰發射輻射的主導者，進而將生活垃圾焚燒火焰輻射特性的研究轉變為其中炭黑顆粒輻射特性的研究。而垃圾焚燒爐內測量區域的火焰及煙氣溫度基本在700～1 200 ℃，對應的黑體絕對溫度在973～1 473 K（圖5），此溫度下黑體輻射最強的波段集中在短波區域，因此為適應垃圾焚燒爐的特性需要采取短波高溫熱成像儀。綜上所述，最終本系統選取的CCD響應光譜范圍在0.4～1.0 μm，其中0.4～0.8 μm為可見光圖像， 0.8～1.0 μm的近紅外光用于測溫。對于垃圾焚燒來說，在0.4～1.0 μm波長區間主要存在的化學發光來自于Na、K、Rb等堿金屬的特征譜線，而這些譜線的波長大都≤0.8 μm，所以對用于測溫的0.8～1.0 μm波段影響較小。針對垃圾焚燒應用環境存在爐溫波動大、閾值范圍廣的現象，可以通過軟件對爐內溫度閾值進行設置，實現超溫報警、低溫報警，以實現當爐內局部的“熱點”溫度過高或者局部爐溫降低時，分別通過降風、減料和增風、加料等操作來改善爐內工況。某項目單臺750 t/d焚燒爐紅外成像畫面見圖6。因紅外探頭由焚燒爐后拱俯視爐內，所呈現的畫面并非為整體的火焰鋒面，而是分散的柱狀火焰。同區域火焰亮度、高度有明顯差異。相比爐膛火焰監視器呈現的豎直火焰鋒面在縱向深度上有更為廣泛的視角跨度。圖6中所示藍色方框區域內綠色數字為該點區域對應的火焰實時溫度，該畫面選取了12個紅外溫度測點。圖6中第1行、第2行測點溫度值均在1 000 ℃以上，第3行溫度基本在950 ℃左右，第4行溫度在900 ℃左右。第2行的第3個測點的溫度最高，為1 204 ℃，所在測點位置的火焰也最為光亮刺眼，系統隨之發出了報警提示，溫度數字由綠色變為紅色。由實例可見，測點反饋溫度值與實際的火焰狀況可以正確關聯。對應的紅外熱成像系統探頭安裝示意如圖7所示。紅外探頭安裝在焚燒爐后拱，開孔位置與鍋爐后墻延長線的距離為H（m），開孔傾角與焚燒爐后拱平面夾角為G（°），有效視場角為F（°）。圖７中黃色填充的三角形區域代表正常燃燒火焰，其中標注高度2.5 m的區域為燃燒段尾部火焰。因安裝在鍋爐后拱采用俯視角度，可避開燃燒段尾部火焰鋒面，測量到燃燒段中部、前部區域火焰狀態和溫度?，F場實景照片見圖8。1）優勢特性分析。一是視角寬廣。紅外熱成像探頭安裝在焚燒爐后拱，以俯視的角度觀察燃燒段整段區域和燃燼段前部區域。二是技術先進。紅外攝像儀系統由紅外攝像機、紅外耐高溫防腐蝕鏡頭、耐高溫防腐蝕防護罩組成，整體滿足耐高溫防腐蝕的要求；紅外高溫成像系統采用先進算法，通過基于PC設計的圖像數據服務器處理后，形成實時溫度和可視圖像。三是靈活度高。這種先進的雙波長成像系統和實時數據采集及處理系統的組合，使操作員能夠清晰地觀察燃燒區域的燃燒狀況，并能同時監測爐排上方任意感興趣區域的溫度。系統分辨率為1 440 × 1 080，響應時間≤2 s，光圈（F數）為1.6，焦距為2.4 mm，漸暈系數＜3%。2）劣勢特性分析。安裝位置環境較差，存在鍋爐結焦。因為安裝位置在焚燒爐后拱，開孔周圍溫度通常在700 ℃以上，在焚燒爐后拱開孔洞壁上，煙氣流速降低，部分粉塵分離沉積下來，多數是沿著爐墻壁向下流動，在鍋爐負荷不穩的情況下，交替結成片層狀的焦塊，在自身重力的作用下脫落，當高負荷、高煙溫時，疏松的焦塊還可能達到深度熔融狀態，爐膛溫度下降時再次凝結成更堅固密實的焦塊。長時間結焦會對紅外探頭的成像區域有一定程度的縮減。根據項目現場觀察，以每次起爐時間開始計算，6個月周期之后，因結焦造成的視野盲區比例約占總成像區域的10%～15%?，F階段處理結焦問題的主要方式如下：①只是探頭前端鏡片輕微結焦，可以通過增加清焦結構比如刮片來進行清焦工作；②探頭前端爐墻位置結焦，焦體不只在鏡片上，此時可以通過結合空氣炮清理非附著在探頭表面的焦塊。除了上述兩種運行中處理結焦的方式，每次停爐后進入爐內進行人工打焦工作也是極其有效和必要的。ACC系統是以理論計算設計為基礎，以鍋爐主蒸汽流量為核心控制目標，以垃圾料層厚度、一次風系統母管壓力、爐排下各風室一次風流量、燃燒和燃燼爐排上部溫度（熱灼減率）、氧氣濃度等參數為次要控制目標，以垃圾熱值和占比動態測量為給料量核算依據，通過改變給料量和供風量的手段，來實現運行人員的極少干預。其中供風量的調整，主要閉環調節是以主蒸汽量的變化為最高權重。而溫度控制（燃燒和燃燼段上部熱電偶溫度變化值）作為輔助的閉環調節之一，權重占比較輕，約占5%～10%。
根據工藝設計和焚燒爐結構，從燃燒段至燃燼段前部為垃圾的燃燒區域，爐排底部依次有4行風室，即圖7中所示2、3、4和5行風室，每行各有3列，共計12個風室。按照前述的項目實例，圖6中的12個紅外溫度測點，可以得到依次對應12個風室上部的火焰圖像和燃燒溫度。在傳統ACC系統中，一次風的理論供風量主要依據垃圾熱值、垃圾占比、蒸發量設定值、鍋爐熱效率等參數計算得到，在得到理論計算值后，會根據鍋爐負荷、垃圾料層厚度、垃圾濕度、燃燒和燃燼段上部溫度等參數的波動對理論計算值進行修正。其中溫度參數是由安裝在焚燒爐墻兩側的熱電偶反饋而來，爐溫熱電偶的長度一般為1.0~1.3 m，除去爐墻壁厚，熱電偶露出爐內的長度一般在250 mm左右，熱電偶材質為鎳鉻-鎳硅，熱電偶前端耐磨頭長度為250～300 mm，耐磨頭材質為鈷60。由于能夠反饋的溫度只能是熱電偶周圍溫度，因此會造成3點限制：①測點數量有限，若熱電偶數量增加，鍋爐開孔數量也要隨之上升，通常燃燒和燃燼區域安裝熱電偶數量為4～6支；②耦合性較高，抗干擾能力較低，其中的溫度修正系數雖然權重占比不大，但由于熱電偶數量有限，其單一溫度值對整體其他區域有連鎖影響，因此局部溫度與局部風量無法一一獨立對應；③準確性存在衰減，熱電偶的原理是溫度信號轉換成熱電動勢信號，通過二次儀表呈現被測介質溫度。而隨著磨損、腐蝕的加重，其準確性也逐漸衰減。其中鎳硅合金中的硅和鎳的優先氧化是引起鎳鉻-鎳硅熱電偶熱電動勢超差、準確性降低的主要原因。根據上述內容，我們在得到理論計算風量之后，針對每一段風室進行獨立的風量修正。圖9中：M為對應區域內溫度設定值（℃）；H為垃圾層厚度偏差百分比（%）；P為對應區域內溫度實時反饋值（℃）；K為對應區域內溫度變化率（℃/min）；√￣為速度變化率高低限范圍（℃/min）；LCUT為低切保護模塊（℃）；LAG為高階濾波模塊（℃）；A為理論計算風量（m3/h）；B為實際輸出計算風量（m3/h）。如圖9所示，X區域實時反饋溫度經過低切保護模塊LCUT和濾波模塊LAG后，與預設值M進行比較，計算的差值進入溫度-風量折算函數F（x）。同時根據溫度上升和下降的速度變化率K，對函數的輸出速率進行擾動，改變其響應速度。首先X區域的理論計算風量是耦合前原有ACC系統通過垃圾熱值、垃圾占比、鍋爐蒸發量、氧氣含量、鍋爐焓值等一系列參數計算出來的爐排下一次風支管風量，是實時變化的動態數值，而X區域的溫度預設值M與反饋值P的差值反映的是X區域內垃圾焚燒過于劇烈，還是處于未完全燃燒狀態。因為垃圾焚燒過程的復雜性，可以做出以下關系函數：一方面在爐內垃圾層厚度等于或大于理論的標準厚度前提下，當X區域溫度M大于P則風量減少，當X區域溫度M小于P則風量增加，當X區域溫度M等于P則保持原有ACC計算風量不變，此時選擇公式F1（x）內部函數；另一方面在爐內垃圾層厚度小于標準厚度前提下，此時判斷料層過薄，風量太大容易出現燒空、燒斷料的情況，因此當M與P的差值為正數或負數時都會適當減少風量，但根據溫度的高或低對應減少風量的幅度會不同，此時利用F2（x）內部函數。12個溫度劃分區域都基于此耦合邏輯，具體設定參數適時調整。通過干擾獨立配風的風量，達到改變整個焚燒爐一次風風量的效果。生活垃圾焚燒爐的排放物在滿足GB 18485—2014 生活垃圾焚燒污染控制標準的前提下，為保障焚燒爐的長期安全運行、汽機系統的穩定高效運轉，通常通過爐溫和主蒸汽流量這兩個因素來判斷鍋爐運行是否良好。以下工況為某項目單臺750 t/d生活垃圾焚燒爐在紅外熱成像管理系統應用前、應用后兩段時期的實際運行參數，以此實例來解析該系統的運行效果。該項目額定主蒸汽流量為74 t/h。如圖10所示，藍色實線為耦合前24 h變化率波動范圍，紅色實線為耦合后24 h變化率波動范圍。爐溫變化率指的是焚燒爐上、中、下3層共計9個溫度測點的熱電偶反饋溫度在每分鐘內升高或降低的溫度值，而溫度變化率波動范圍指的是單位時間內溫度變化率最高值與最低值之間的溫度差，該差值越大表明爐溫波動越大，即工況越不穩定，波動范圍越小表明工況越平穩。此期間溫度也一直未低于環保部要求的最低限（850 ℃/2 s），均介于950～1 050 ℃。焚燒爐主蒸汽流量曲線如圖11所示，左側縱坐標為主蒸汽流量，額定蒸發量74 t/h。圖中藍色實線為紅外熱成像系統與ACC系統耦合前24 h的主蒸汽流量曲線，紅色虛線為紅外熱成像系統與ACC系統耦合后24 h的主蒸汽流量曲線。表1中參數可以計算出耦合前后焚燒爐爐溫波動范圍相對縮減了24.5%，焚燒爐爐溫均值提高了1.2%，蒸發量波動幅度縮減了3個百分點，主蒸汽流量提高了1.4 t/h。經過對主要運行參數的定量分析，可以看出結合了紅外熱成像系統的ACC系統在功能性和穩定性上有顯著提升。基于目前紅外熱成像管理系統的功能，正在逐步進行焚燒爐溫度場重構工作，對于紅外探頭收集的大量溫度點實時數據進行整合并進行紅外溫度顯示。傳感器擁有1 440×1 080個像素，其中每個像素都有對應的溫度值，該溫度值隨著目標溫度的變化在800~1 600 ℃對應變化，那么我們就可以將800~1 600 ℃這個范圍內的溫度數據映射到顏色空間中特定的彩色序列，只要在程序中明確規定溫度和顏色之間的映射函數和映射表即可實現相應的偽彩顯示，即熱像圖的形式。這樣可為運行人員提供更為直觀、立體的參考依據，待溫度場重構系統成熟后，再與ACC系統進行結合，進一步提高全廠的自動化程度。紅外熱成像管理系統在生活垃圾焚燒控制領域，與傳統ACC系統經過合理的設計、安裝、邏輯耦合后，對焚燒自動化有以下幾個方面的改變和提升。1）視野擴大。改變探頭安裝位置后，成像角度由仰視變為俯視，拓寬了爐內火焰視場角度?；鹧娉上裥螤钣伞耙幻婊饓Α?提升為“一片火?！?。在具備最基本的“遠程看火”功能前提下，為運行人員提供更強有力的參考依據。2）測溫準確。紅外熱成像原理相比傳統光學成像原理，增加了溫度反饋功能。利用軟件管理系統，將溫度信號解析，并與實際區域一一對應。3）靈活性高。溫度測點的選定可通過管理軟件任意選擇，調試結束后仍可根據實際工況進行設置和改變。4）耦合性強。紅外熱成像管理系統除現有功能外更像是一個平臺，可以對現有溫度參數和火焰狀態的大量數據進行進一步提升和利用，例如正在進行的溫度場成像功能優化和升級工作。5）效益提升。紅外熱成像管理系統融入ACC系統后，對焚燒爐溫度、鍋爐主蒸汽流量的穩定性有顯著提升。對減少運行人員工作量、增加產汽量、發電量等焚燒廠經濟效益方面有不同程度提升。
撰稿：原文作者
責任編輯：王雅楠
博士，上?？岛悱h境股份有限公司董事長兼首席科學家、國務院政府特殊津貼專家、浙江大學校外導師、華中科技大學兼職教授、重慶大學名譽教授、福岡大學客座教授。1994年獲日本東京農工大學博士學位，1998年任原國家教委“春暉計劃”海外環保專家，1999年獲日本技術士資質（衛生工學和綜合技術監理，NO.40558），2017年入選上海市領軍人才?，F為國家發改委及財政部PPP專家，住建部科技委城市環境衛生專委會委員和可持續發展與資環專委會委員、中國城市環衛協會副會長。專注垃圾焚燒發電與污染物控制技術研發及應用近30年。近5年來，作為負責人先后承擔國家重點研發計劃子課題、國家重點研發計劃項目、上海市服務業發展引導資金項目10余項。獲得授權專利151項，其中發明專利14項。發表各類學術論文50多篇，參編著作4部。參與編制或修編標準規范9項。
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