船用焚烧炉三维数值模拟及其模糊控制技术研究

1、上海交通大学硕士学位论文船用焚烧炉三维数值模拟及其模糊控制技术研究学 校：上海交通大学院 系：船舶海洋与建筑工程学院专 业：轮机工程学 号：1060109076姓 名：韩小波导 师：徐筱欣 副教授上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院2009年1月A Dissertation Submitted to Shanghai Jiao Tong University for Master Degree3D Numerical Simulation of the Marine incinerator and Research of Fuzzy Control Candidate: Han XiaoboSu

2、pervisor: Associate Professor Xu XiaoxinSpecialty: Marine Engine EngineeringSchool of Naval Architecture, Ocean & Civil EngineeringShanghai Jiao Tong UniversityJanuary 11, 2009上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均

3、已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 上海交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在 年解密后适用本授权书。本学位论文属于 不保密。（请在以上方框内打“”）学位论文作者签名： 指导教师签名：日期： 年 月 日 日期： 年 月 日船用焚烧炉三维数值模拟及其模糊控制

4、技术研究摘 要船用焚烧炉是船舶的重要防污染设备之一。随着全球经济的发展和船舶数量的增加，船舶垃圾对海洋环境的污染也越来越严重，垃圾焚烧处理技术在减容化、无害化方面的综合效果，作为一种比较成熟的处理方式在远洋船舶上得到广泛应用。由于船舶垃圾本身的特殊性，造成船舶垃圾成分多变，影响焚烧的稳定性。船舶垃圾焚烧炉的焚烧过程是强耦合的多输入多输出非线性系统，使得传统的焚烧过程自动控制难以实现垃圾稳定焚烧的要求，大大限制了垃圾焚烧处理技术的应用和发展。本文针对船用焚烧炉的技术发展现状和焚烧炉的特殊结构，从焚烧过程稳定性控制的角度出发，对焚烧炉炉膛结构的优化和垃圾焚烧过程中炉膛压力的稳定性进行了深入研究。这

5、在目前我国船用相关领域的研究尚属首次。本文首先分析了垃圾焚烧过程的物理化学特性，阐述了稳定燃烧的重要性和影响焚烧效果的关键参数，结合船用焚烧炉的运行特点，对垃圾焚烧的燃烧机理和污染物生成机理进行了研究。应用数值分析方法对船用焚烧炉的内部流场进行数值模拟，通过对计算结果分析研究，改进并优化了焚烧炉的炉膛结构，可望大大提高垃圾焚烧效率，降低污染排放。通过对垃圾焚烧过程特性进行分析研究，在影响垃圾焚烧效率的众多因素中，风门挡板的调节最为重要。风门挡板的调节虽然并不直接影响垃圾的焚烧，但却直接影响进入炉膛内部的空气量、炉膛压力、炉膛温度和废气排放温度，进而对垃圾的焚烧效果产生影响。因此风门调节直接关系

6、到垃圾焚烧的稳定性、燃尽率、二次污染物排放、低温腐蚀、高温结渣、运行的经济性等，为在整个垃圾焚烧过程中保持稳定、高效焚烧，必须稳定风门挡板的波动，使炉膛压力、炉膛温度和排气温度相互协调，稳定在一个比较理想的状况。为了进一步提高焚烧炉的燃烧稳定性，利用现代计算机技术和现代智能控制理论，研究开发了适用于船舶垃圾焚烧炉调风门的稳定性控制系统，并将现代智能控制方法模糊控制方法引入到无精确数学模型的船舶垃圾焚烧炉控制系统中，在数值分析的基础上设计了船舶垃圾焚烧炉炉膛压力的模糊控制器，并对模糊控制器进行了仿真研究。关键词：船用焚烧炉 调风门 炉膛压力 数值模拟 模糊控制3D Numerical Simul

7、ation of the Marine incinerator and Research of Fuzzy Control ABSTRACTThe marine incinerator is one of the most important antipollution equipments in ships. With the development of the global economy and the increased number of ships, ship waste pollution to the marine environment is also becoming m

8、ore and more serious. The technology for dealing with solid waste in the reduction, elimination of hazards aspects, becoming a more mature measure and is widely used in ships. Because of its particularity, the ship waste has a complicated component which has a great effect on the stability of burnin

9、g. The process of waste burned in the marine incinerator is coupling with multiple-input and multiple-output nonlinear system, which makes the traditional control system cant meet the requirements and restrain the development of the marine incinerator technology. This thesis aims at the marine incin

10、erator technology and the special structure of the incinerator, which starts from the stability of the burning process, researching the stability of the pressure in the furnace and optimizing the structure of the waste incinerator. This thesis first analyzes the waste incineration process, the physi

11、cal and chemical characteristics, and then explains the importance of burning stability and the key parameters that effect the burning. Combined with the incinerators operational features, it has researched on the mechanism of the combustion and the contamination.This thesis has applied numerical an

12、alysis methods to have a numerical simulation to the marine incinerator in the internal field. From the analysis of the results, we improved and optimized the structure of the chamber. The incinerator is expected to increase greatly in efficiency and reduce a lot in pollution emissions.Through the p

13、rocess analysis of waste incineration, the air damper adjustment is the most important factor that impacts the efficiency of waste incineration in a number of factors. Although the air damper adjustment does not directly affect the burning of garbage, it has a direct impact on the internal air that

14、get into the furnace, the pressure in the chamber, temperature and the exhaust gas temperature, the efficiency of waste burning. Therefore air damper adjustment has directly worked on the stability of the garbage burning, burning efficiency, the second emission, low-temperature corrosion, high tempe

15、rature slagging. This is economy, such as the entire waste incineration process to maintain stability, the burning of high-performance, stability must be lower in fluctuations for the air damper, so the pressure in the chamber, temperature and the furnace exhaust temperature must be coordinated, and

16、 stay in a more ideal situation.In order to improve the stability of incinerators burning, this thesis used the modern computer technology and modern theory of intelligent control, researched and developed an applicable control system to the marine incinerator air damper, introduced the fuzzy contro

17、l methods and modern intelligent control methods to the marine incinerator control system without precise mathematical model. A fuzzy controller with numerical simulation for the marine incinerator was designed based on the numerical analysis. Key words: Marine incinerator Air damper Pressure in the

18、 chamber Numerical simulation Fuzzy controlV目 录摘 要IABSTRACTIII1. 绪论11.1 研究背景11.2 船用焚烧炉技术特点21.3 国内外船用焚烧炉技术发展现状41.3.1 国外船用焚烧炉简介41.3.2 国产焚烧炉简介61.4 本文主要研究内容111.4.1 船用焚烧炉存在的技术问题111.4.2 本文的主要研究内容122. 船用焚烧炉基本原理及控制策略研究132.1 船舶垃圾焚烧过程及机理研究132.2 焚烧废气污染形成机制172.3 船舶垃圾焚烧过程控制参数分析212.4 固体垃圾焚烧过程控制策略242.5 小结273. 基于SC

19、/Tetra的船用焚烧炉三维数值模拟283.1 CFD分析的基本原理283.2 船用焚烧炉三维数值模拟313.3 本章小结394. 船用焚烧炉调风门模糊控制系统设计研究414.1 船用焚烧炉调风门模糊控策略424.2 模糊控制器设计的基本原理及设计方法424.2.1模糊控制器的基本原理424.2.2 模糊控制器设计的一般过程444.3 焚烧炉炉膛压力模糊控制系统设计534.3.1 基本模糊控制器的设计544.3.2 带加权因子的模糊控制器594.4 船用焚烧炉调风门模糊控制器在Mat lab仿真614.5 本章小结665全文总结和展望675.1 全文总结675.2 下一步工作与展望68参考文献

20、69致谢72攻读硕士学位期间发表的学术论文73攻读硕士学位期间申请专利74上海交通大学硕士学位论文 第1章 绪论1. 绪论1.1 研究背景人类生活中不可避免的产生各种各样的固体废弃物垃圾，这些垃圾在输送、贮存与燃烧过程中均存在产生二次污染的可能，对大气、土壤、水等造成污染，不仅影响人类的居住环境，而且威胁人类的健康。在早些时候，垃圾主要通过寻找一定的空间进行贮存或进行专门的掩埋，这都需要占用相当大的空间或较大的土地，因此有人不断的开发出各种各样的焚烧炉来处理这些固体废弃物，实现垃圾的减容和无害化处理。船上环境与陆地环境很相似，船舶垃圾根据来源不同可分为生活垃圾和生产垃圾两大类12。其中生活垃圾

21、主要来源于厨房垃圾，如食品残渣、骨头、空瓶、罐头盒、塑料盒、塑料食品袋等；另一部分是舱室垃圾，如包装用塑料袋和木箱、废纸、空瓶、破布等，多为固体垃圾；还有一部分污泥水，如厕所、厨房、浴室、洗衣房等处的泥渣，其含水量较大，属于液体垃圾。生产垃圾也包括两类，第一类是船舶正常运营产生的垃圾，如废油、污油及油泥，破旧的滤芯、木料、橡胶、金属，清洁用的棉纱头和抹布等；另一类是清扫货舱产生的扫舱垃圾，如垫舱物料、衬料、包装材料、陶瓷碎片等。船舶作为主要的货运工具其绝大部分空间都用来存放货物，所以空间极其有限，而船舶在运行过程中如果不及时将这些垃圾处理而直接排出船外将会严重污染海洋环境。鉴于船舶垃圾对海洋环

22、境造成的污染，国际海事组织（IMO）制订了MARPOL73/78防污染公约附则V防止船舶垃圾污染规则，根据附件V规定：一切塑料制品均不得入海，新增加的附则VI中规则16规定船上的垃圾焚烧只允许在船用焚烧炉中进行。我国国内法规也作了相应的规定，1983年4月5日我国颁布了船舶污染物排放标准（GB355282）,并于1983年10月开始实施，该“排放标准”规定禁止任何船舶垃圾在内河排放，塑料制品禁止投放入沿海水域。目前国内外常用处理船舶垃圾的技术有以下三种：（1）船上粉碎、压实、贮存处理 最简单的废弃物处理方法是在船上贮存废弃物，目前已有许多船上保存废弃物的方法，如用垃圾集装箱存放，用专用垃圾舱存

23、放，用垃圾袋存放以及用带粉碎、压碎装置的垃圾箱存放等。 该方法虽然经济、简单，但最大的问题在于储存废弃物需要占有船上有效空间，尤其是长时间存放需要保证卫生要求，特别是夏天或高温地区就更有一定困难了，难免会影响船舶环境，造成空气污染。另外对于废弃物箱的尺度、结构目前国际上没有统一标准，就给口岸卸下废弃物带来困难。（2）岸上设置船舶废弃物接收或处理设施 MARPOL73/78公约要求在岸上设置船舶废弃物接收或处置设施，是解决无焚烧炉船舶垃圾处理的一个重要方法，一般由垃圾接收船接收后，送岸上焚烧处理，也可以纳入城市垃圾处理渠道。但是交岸上处理需要交付一定的处理费用。（3）船上焚烧处理船舶废弃物最好的

24、处理方法，既不是保存，也不是送岸，而是消除。消除的方法有机械的、化学的、生物的。实践证明，在船上进行焚烧处理是最佳的方法。近年来，世界各国研制成的焚烧装置有50多种，并在很多船上安装应用。将可燃的垃圾送入焚烧炉内焚烧，燃烧后的残渣几乎没有污染，可以在任何海域自由排放，因此，船上就不需要设有专门垃圾箱和很大的空间存放垃圾，也不存在垃圾变质发臭的污染问题。但焚烧处理垃圾需要消耗一定量的燃油，而且燃烧产生的热能目前还没有得到很好的利用，焚烧废弃物造成的烟尘无疑会造成大气污染，但其燃烧量相对锅炉和主机很小，危害也小，而且航行中焚烧产生的污染成分容易扩散。同时也应看到，长期使用焚烧炉时，也存在这烟尘清洗

25、的问题。在船上最经济的焚烧方法，是在辅助锅炉上安装能焚烧废油和垃圾的燃烧装置，即能烧油渣，也能焚烧固体垃圾，但目前船舶仍倾向于采用专门焚烧废弃物的焚烧炉。虽然船舶焚烧炉技术可以很好的解决船舶垃圾处理难的问题，但焚烧炉同样面临着一个如何提高焚烧炉的监控水平、运行管理水平、燃烧稳定性以及在垃圾处理过程中的可靠性，最终实现安全、环保、经济优化运行的关键问题。现代科学技术的飞速发展给传统的船用焚烧技术、燃烧过程控制带来了新的活力并向它展示了一个广阔的前景，通过数据库技术、网络技术、数值模拟、模糊控制技术和和专家系统，构建起船用焚烧炉垃圾处理的智能化平台。1.2 船用焚烧炉技术特点 垃圾的焚烧可以分为直

26、接焚烧和热解气化焚烧两种。直接焚烧是将垃圾的脱水干燥、热解气化、挥发份蒸发燃烧和固定碳燃烧均在同一焚烧设备中来完成，又称为单段燃烧，是已发展100多年的成熟技术，其主要特点是：为保证垃圾脱水干燥、热解气化、挥发份蒸发燃烧和固定碳燃烧进行并完成，设备较为复杂；要求炉排具有较好性能，使垃圾能够与空气有良好的接触；一般必须送入大量的空气，即较大的过量空气系数，同时需要较长的时间才能将未燃的碳粒完全燃烧。而热解气化焚烧也即垃圾脱水干燥、热解气化、挥发份燃烧和固定碳燃烧分段进行，其特点为：一次燃烧过程在缺氧条件下进行，完成垃圾的蒸发干燥、热解气化燃烧反应，产生大量的碳颗粒、CO与碳氢化合物气体；在第二次

27、、三次燃烧过程中，逐次进行氧化燃烧反应，它的优点在于逐次阶段性反应，燃烧必须提供的气体量不大，一燃室内送风量小，不易将底灰带出，产生颗粒物的可能性较小。一般燃料的燃烧目标主要是热能利用，而船舶垃圾的燃烧目标主要是减量化、无害化处理，追求的是船舶垃圾能在船用焚烧炉中充分燃烧，一方面要提高焚烧炉的燃烧效率，减小环境污染，使燃烧过程中的各项参数都符合相关法规的规定，另一方面要降低燃油消耗，节省成本。此外，焚烧过程的安全、稳定也是船用焚烧炉技术中重要的一环。因此，对船用焚烧炉的设计和运行都提出了更高的要求。（1）含有固体杂质和较多水分的污油能可靠的完全燃烧，能将污油水充分搅拌均匀并加热到适当温度，油、

28、水比例在一定范围内（一般不超过50）且不含太多杂质，污油柜与焚烧炉的距离不是太远；选用对杂质不敏感且雾化效果良好的污油燃烧器；（2） 要有适当高的炉内温度，温度太低（小于600摄氏度）不利于污油完全燃烧，并且使固体垃圾燃烧困难，温度太高（大于1200摄氏度）会对炉体造成伤害。焚烧炉必须设有烧柴油或重油的辅助燃烧器，其作用是：1、预热炉膛；2、点燃污油燃烧器；3当污油含水量过多（超过50）或仅烧固体垃圾时投入工作，以维持炉内足够高的温度，当污油含水少时，炉内温度最高可达1400摄氏度左右，这就需要在污油中掺水或减少喷油量即减少单位时间污油燃烧量来限制炉温；（3）燃烧运行时，在炉内必须保持适当的负

29、压，这样既可防止气味外泄，也能防止烟气或火焰外漏，打开投料口投放固体垃圾时保证不致造成高温燃气外泄而危及工作人员的安全，所以系统应设引风设备；（4）焚烧炉外壁温度不宜太高，废气排放温度须在250350摄氏度之间，排气含灰量通常不应超过4克/立方米，同时应尽量减少排烟中有害物质的浓度，以防止对大气造成二次污染。为此，焚烧炉除炉壁设有良好的隔热材料外，还常设有鼓风机供风或形成自然流动的空气冷却夹层，并在炉内设有耐火隔墙，延长燃气在炉内的停留时间，以保证完全燃烧和减少带走的烟尘；同时应使排烟与部分供风混合后再排出，从而使排烟能够得到稀释和降温。此外，焚烧炉还应具有运行安全，点火容易，体积小，环境适应

30、性强和能耗少等要求。在不停炉的情况能够安全地扫除不能燃烧的物体和除掉灰渣，及保证所有排除物均无毒。表11是船用焚烧炉技术条件所要求的焚烧炉必须满足的各项参数3。表11 船用焚烧炉各项参数标准序号项目单位 额定值备注1处理热量MJ/h5002平均焚烧量a.固体废物Kg/h由式（1）定指固体可燃垃圾b.液体废物L/h由式（2）定指处理后的污水污泥3辅助燃料消耗量Kg/h轻柴油或重质燃油4燃烧室工作温度7005排烟温度4006电能耗量/处理热量KW·h/MJ不包括污泥柜7机组噪声dB(A)908本体外壳温度60炉门局部温度区域709废油污泥含水率%6010电机及控制箱电制电压V220或38

31、0频率Hz5011烟气排量林格曼黑度级1在0、760mmHg状态下烟尘200二氧化硫Kg/h1.5氮氧化合物Kg/h0.5硫化氢Kg/h0.071.3 国内外船用焚烧炉技术发展现状 各种防止船舶垃圾污染的规定和法规促进了船用焚烧炉技术的不断发展，近年来，世界各国研制的焚烧炉已有50多种，其中大部分为专用废弃物焚烧炉，极少数为锅炉联合焚烧炉。目前，船舶仍倾向于安装专用废弃物焚烧炉4。1.3.1 国外船用焚烧炉简介（1）英国哈姆沃西公司HAMWORTHY型焚烧炉该焚烧炉采用单燃烧室结构，船上的污油、生活污水处理装置产生的污泥及固体垃圾等均可以送入同一燃烧室焚烧。辅助燃烧器采用高低式燃烧器，自备燃油

32、泵和风机，燃油器借助于火花引火，火焰监控实现全自动操作，废油燃烧器采用鸭嘴形扁管，允许油水污泥含有较大颗粒杂质，含水率不大于50情况下单独工作。整个操作过程除投放固体垃圾和出灰以外，其他均采用程序自动控制，如扫气、点火、火焰监视、故障保护、炉温控制、熄火保护以及炉门与燃烧连锁保护等。该型焚烧炉的主要技术参数为如表12所示。表12 HAMWORTHY 型焚烧炉技术参数最大发热量油水污泥处理量炉膛温度报警温度排烟温度排烟含灰量残余灰渣量功率75万 kcal*h112L/h65085010003500.32522KW（2）丹麦阿特拉斯公司ASWI-402型焚烧炉该焚烧炉用于焚烧船上的污油、污泥和固体

33、垃圾的双燃烧室焚烧炉。这种焚烧炉是将污油和水污泥经混合均化并加热到适当温度后送入主燃烧室雾化，燃烧固体垃圾放入到相邻的辅燃烧室，借助于主燃烧室的辐射，热干后着火自焚。该焚烧炉由一台鼓风机提供冷却炉壁、燃烧和排烟用的空气；烟气混合室中以空气作介质的文丘里式抽气机抽吸并冷却烟气；辅助燃烧器为全自动气流式燃烧器，并配有电点火装置和火焰监控装置；废油燃烧器为压缩空气雾化式燃烧室，适用于燃烧含有固体杂质不大于8mm的油水污泥。单独焚烧固体垃圾时，辅助燃烧器补偿燃烧及废油燃烧器工作过程中，若出现温度过高、过低、熄火、雾化压力太低等失常情况报警系统会发出报警信号。该型焚烧炉的主要技术参数如表13所示。表13

34、 ASWI-402型焚烧炉技术参数最大发电量焚烧能力炉膛温度最高报警温度排烟温度功率污油水污泥固体垃圾1674200kJ/h750kg/d1250kg/d5次/天；200L/次800100035018KW（3）日本日立造船厂HIMUT-30S型焚烧炉该焚烧炉主要用于焚烧废油，也可焚烧少量的固体垃圾。废油燃烧器采用的是蒸汽喷射雾化式燃烧器，辅助燃烧器采用的是机械雾化式燃烧器。辅助燃烧器由电子点火装置点燃，在炉温到达一定程度后废油燃烧器点火燃烧，由于供给泵的排量大于燃烧器喷射量，所以多余的废油将沿回流管流回污油柜或泵的入口再循环供入燃烧器。系统设有安全连锁装置，在炉内燃烧强度不足使炉内温度降低、雾

35、化蒸汽压力或温度下降、污油柜内废油油位过低及排烟温度超过限定值时都能切断电磁阀电源，使电磁阀关闭，污油泵停止工作，并发出警报信号。另外此系统的自动控制还包括预扫风和后扫风程序控制。1.3.2 国产焚烧炉简介（1）中船公司704研究所研制的三种系列的焚烧炉：CFZ系列多功能焚烧炉，CFY系列废油焚烧炉，CFG系列焚烧炉锅炉组合装置，基本上能满足各类船舶的需求，且有以下特点：aCFZ和CFY型焚烧炉，结构紧凑，便于船上安装。运行中无二次污染，能全自动运转，不需要燃油伴烧的液体废物最大含水率可达59。bCFG型焚烧炉，焚烧废物后的废热可得到利用，运行时可取代辅助燃油锅炉功能，节约能源同时有利于船舶动

36、力装置的布置，且运行中无二次污染，能全自动运转，焚烧油污泥的最大含水率可达3050。三种系列焚烧炉的主要技术参数如下表14、表15所示。表14 CFZ多功能焚烧炉、CFY废油焚烧炉主要技术参数 项目型号焚烧功能热容量×kJ/h×kw/h外形尺寸L×B×H(m×m×m)重量（kg）电耗（包括污泥柜）KWCEZ-15 (1) (2)油污泥、污水污泥、固体废物(多功能)15×4.1851×1.16×1.71.152×1.16×1.711007.5CEZ-30 (1) (2)油污泥、污水污泥、

37、固体废物(多功能)30×4.1851.144×1.53×1.8931.296×1.53×1.893150010CFZ-50 (1) (2)油污泥、污水污泥、固体废物(多功能)50×4.1851.284×1.7×2×1.436×1.7×2180012CFZ-50A油污泥、污水污泥、固体废物(多功能)50×4.1852.22×1.8×2.13550包括引风机16CFZ-15 (1) (2)油污泥、污水污泥、固体废物(多功能)15×4.1851

38、5;1.16×1.71.152×1.16×1.711005.5CEZ-30 (1) (2)油污泥、污水污泥、固体废物30×4.1851.144×1.53×1.8931.296×1.53×1.89315008CFZ-50 (1) (2)油污泥、污水污泥、固体废物50×4.1851.284×1.7×2×1.436×1.7×2180010表15 CFG焚烧炉锅炉组合装置系列 项目型号焚烧功能蒸发量Kg/h蒸汽压力N/cm2外形尺寸L×B×H(

39、m×m×m)干重/湿重 t电 耗 KW D SCFG0.7-7G Y多功能多污泥、污水污泥油污泥、固体废物油污700703×1.3×3.22.1×1.3×3.23×1.3×3.22.1×1.3×3.26/7.15/65.8/6.94.5/5.61414116D SCFG1-7G Y多功能多污泥、污水污泥油污泥、固体废物 油污 1000703.2×1.4×3.92.3×1.4×3.93.2×1.4×3.92.3×1.4×

40、;3.97.8/96.8/87.6/8.86.3/7.51717147D SCFG1.5-7G Y多功能多污泥、污水污泥油污泥、固体废物油污1500703.4×1.6×4.32.5×1.6×4.33.4×1.6×4.32.5×1.6×4.39.2/11.68.2/10.69/11.47.7/10.12020179D SCFG2-7G Y多功能多污泥、污水污泥油污泥、固体废物油污2000703.6×1.8×4.52.7×1.8×4.53.6×1.8×4.52

41、.7×1.8×4.512.8/1611.8/1512.7/15.911.4/14.627272414D SCFG3-7G Y多功能多污泥、污水污泥油污泥、固体废物油污3000703.8×2.1×5.23×2.1×5.23.8×2.1×5.23×2.1×5.214/1813/1713.8/17.812.5/16.530302716D SCFG4-7G Y多功能多污泥、污水污泥油污泥、固体废物油污4000704×2.4×5.63.2×2.4×5.64×

42、;2.4×5.63.2×2.4×5.616/2115/2015.8/20.814.5/19.5333330182） 中船公司绿洲机器厂引进的挪威戈拉公司技术，生产OG、GS系列船用焚烧炉，具有能焚烧船上各种废物，包括厨房垃圾，塑料及金属罐，可同时焚烧污油污泥，不需要额外添加柴油等特点，其主要参数如表16所示。表16 OG 、GS系列船用焚烧炉技术参数型号热容量（J/H）可焚烧废物量燃烧室温度功率消耗(KW)外形尺寸L×B×H(m×m×m)重量（kg）废油、污油泥(L/H)固体垃圾(L/H)OG120419×4200

43、/4611001.50.9×0.9×21350OG120502×14200/46110030.9×0.9×21350OG2001172×45200/3611005.21.79×1.212×1.82600OG4002093×80400/261100101.79×1.212×1.82600OG5002721×110200/11100142.21×1.66×2.14300表17是部分国内外船用焚烧炉比较。表17 部分国内外船用焚烧炉比较一览表项目型号焚烧的对象

44、焚 烧 能 力焚烧方式辅助燃烧器自动控制程度炉膛造型外形尺寸长×宽×高(m×m×m)耗费能量备 注废油L/h污水Kg/h固体物或袋数Kg/h处理热量×10HAMWORTRYNEPTUNE(日本)废油污水固体废物5656250kg/h或3袋/次每袋64L75.6废油、污水搅拌后注入炉膛焚烧 。固体物炉底焚烧有全自动旋风式2.15×1.7×2.5约9KW除引风机，电加热器采用引风机。含水率50可焚烧，空气雾化燃烧器。固体加料门：简单门INCYMAR（法国）废油污水固体废物15050kg/h30废油、污水搅拌后注入炉膛焚烧 。固体

45、物炉底焚烧有全自动旋风式2.3×1.8×2.5约11KW采用引风机。转杯式燃烧器。固体加料门：双重门FREDRIKSSTAD(挪威)（日本）废油污水固体废物602475kg/次30废油、污水搅拌后注入炉膛焚烧 。固体物炉底焚烧有全自动旋风式2.7×2.65×2.65约4.9KW采用鼓风机。含水率50可焚烧。转杯式燃烧器。固体加料门：双重门ATLASASWI-400(丹麦)（日本）废油污水固体废物37.562.5139kg/h500L/次40废油、污水搅拌后注入炉膛焚烧 。固体物炉底焚烧有全自动多室式2.43×1.835×2.2约18K

46、W采用引风机。含水率60100可焚烧，空气雾化燃烧器。固体加料门：简单门ATLASASWI-402(丹麦)（日本）废油污水固体废物355250L/次40废油、污水搅拌后注入炉膛焚烧 。固体物炉底焚烧有全自动多室式2.42×1.44×2.18约16.5KW采用鼓风机。含水率65可焚烧，空气雾化燃烧器。固体加料门：双重门GOLARGS-500(挪威)（日本）废油污水固体废物403070kg/h100L/次50废油、污水搅拌后注入炉膛焚烧 。固体物炉底焚烧有全自动多室式2.2×1.2×2.23约20KW蒸汽：20 kg/h采用引风机。含水率50可焚烧，蒸汽雾化

47、燃烧器。固体加料门：双重门VOLCANDVWM-75（日本）废油污水固体废物784075kg/次废油、污水搅拌后注入炉膛焚烧 。固体物炉底焚烧有全自动多室式2.82×1.07×2.3约6.4KW空气：19Hm3/h采用引风机。含水率40可焚烧，空气雾化燃烧器。固体加料门：双重门京浜KD-AL（日本）废油污水固体废物4590120kg/h54L/次45废油、污水搅拌后注入炉膛焚烧 。固体物炉底焚烧有全自动单室式1.75×1.65×2.1约4.8KW空气：25Hm3/h采用鼓风机。含水率50可焚烧，空气及超声波雾化燃烧器CFZ-40(中国)废油污水固体废物4

48、0503袋/次每袋64L>40废油、污水搅拌后注入炉膛焚烧 。固体物炉底焚烧有全自动多室式2.35×2.1×2.15约6.4KW无其它能源需要采用引风机。含水率5065可焚烧，转杯式燃烧器。固体加料门：简单门鉴于国内船用焚烧炉技术还不够成熟，基本上没有完全的自主知识产权。为了弥补国内焚烧炉技术的不足，在借鉴国外已有先进技术的基础上，改进和设计船用焚烧炉是非常具有现实意义的。在改进设计过程中应考虑以下因素：（1）运行可靠、稳定，含有固体杂质和较多水分的污油能完全燃烧，排放及其它指标均满足船用要求；（2）重量、尺寸指标小，采用模块化设计原则，便于船上安装、维护；（3）对与

49、功能、性能不很密切的设计，采用简单实用的原则；（4）充分考虑试验运行阶段对某些部件，如调风门、进风口等，可能做适当调整，设计中可采用多种方案；（5）控制系统考虑了多种方案，以适应市场需要和技术发展。1.4 本文主要研究内容1.4.1 船用焚烧炉存在的技术问题 作为焚烧船舶废弃物的专用焚烧炉因每艘船的具体情况而有所不同，因为季节、船舶种类和船员的不同生活习惯而产生的废弃物，其热值处于一种极其不稳定的状态，同时作为焚烧设备的垃圾焚烧炉也会因为设备维修和长期运行而出现热力特性改变的情况，借用煤粉与煤粉炉的适应性分析理念，原来按照假定设计的垃圾焚烧炉和焚烧炉控制系统显然不能满足船用废弃物焚烧处理的需要

50、，会出现燃烧不稳定的情况，着火困难、燃烧不完全、炉膛结渣、腐蚀和二次污染加剧等问题。垃圾焚烧的效果控制、污染物生成和焚烧炉的经济性也就难以达到目标。 提高控制水平是解决两者之间不相适应问题的一个有效而且相对投入较少的方法，但是传统PID控制中要提高控制水平关键就要准确把握对象特性建立对象模型和完善的控制回路。由于船用垃圾焚烧炉炉内的燃烧过程是非常复杂的物理化学过程，是一个强耦合的多输入多输出非线性系统。而焚烧炉的安全运行与燃烧过程的稳定性密切相关，若燃烧稳定性下降会出现燃烧效率降低、焚烧污染物排放增加、二次污染和高温腐蚀加剧，甚至有可能对安全性和经济性产生严重影响。同时国际防污染公约和我国的船

51、用焚烧炉技术条件也对垃圾焚烧炉运行的垃圾焚烧温度、烟气排放温度、烟气排放污染物含量等一系列指标作了严格的规定，因此着眼于实现稳定燃烧过程，研究有效的垃圾焚烧过程控制策略及控制系统对于提高运行安全性和经济性具有非常重要的现实意义。1.4.2 本文的主要研究内容本文在分析船舶垃圾焚烧机理和燃烧稳定性研究的基础上，以某船用焚烧炉为研究对象，建立了焚烧炉的三维实体模型，利用流体分析软件SC/Tetra在冷态下对焚烧炉内部空间进行了三维数值模拟，分析和研究了焚烧炉在运行过程中炉膛和气冷壁内气体流动状况，在此基础上，对模型炉膛结构进行优化设计；同时通过对船用焚烧炉数值分析的数值模拟，提出了基于模糊控制理论

52、的船用焚烧炉调风门模糊控制策略，建立了调风门模糊控制模型，设计了调风门的模糊控制器，并在Matlab中进行仿真分析和研究。本文通过理论分析和研究，建立船用焚烧炉调风门模糊控制器，可以很好的改进现有的船用焚烧炉控制系统，促进船用焚烧炉技术的发展，不仅可以保证焚烧炉安全、稳定运行提供保证，而且为实现垃圾的高效焚烧、降低污染排放等方面都具有非常重要的现实意义。12上海交通大学硕士学位论文 第2章 船用焚烧炉基本原理及控制策略研究2. 船用焚烧炉基本原理及控制策略研究 作为船舶固体垃圾和污油污泥的主要处理方式，焚烧法是一种高温热处理技术，即以一定的过剩空气量与被处理的垃圾在焚烧炉进行氧化燃烧反应，废物

53、中的有害有毒物质在高温下氧化、热解而被破坏，是一种可同时实现船舶垃圾无害化、减量化的处理技术。 船舶固体垃圾以及污油污泥是成分极其复杂的燃料，所以其焚烧过程也是异常复杂，要提高垃圾焚烧效率，总体结构的优化和焚烧炉燃烧系统的稳定控制是关键，而成功的控制策略必须建立在正确掌握焚烧过程热力特性、焚烧炉运行性能的基础之上，良好的焚烧状况直接影响垃圾处理的效果以及在燃烧过程中各项参数指标是否符合国际防污染公约和焚烧炉技术条件的规定。 本章主要通过对船用焚烧炉垃圾的焚烧过程及技术原理和污染物生成机制进行分析研究，在相关的评判指标下，为确定稳定燃烧过程的重要性以及采用的相关的稳定性控制方式提供依据。本章首先

54、介绍垃圾焚烧原理和污染物生成机制，接着论述稳定燃烧的重要性，在此分析的基础上提出控制建议，并对垃圾焚烧的控制参数进行详尽分析讨论，最后通过综合各种因素提出船用焚烧炉调风门控制策略。2.1 船舶垃圾焚烧过程及机理研究焚烧是通过燃烧处理垃圾的一种热力技术，现有的船用焚烧炉炉型结构相差较大，但燃烧原理也基本类似，只是具体的燃烧情况有所不同而已。 如图21是一种典型的船用垃圾焚烧炉结构示意图，主要部件包括燃烧器、抽风机、风门挡板机构、焚烧炉本体、燃烧室、炉排以及相关的传感器部件。船上的固体垃圾可以定期投入燃烧室内进行焚烧，一般情况下，污油污泥经过收集后储存在污油柜中，当需要焚烧时经过粉碎搅拌即可喷入焚烧炉内进行焚烧。垃圾在焚烧炉内焚烧时，空气通过底脚的进气口进入焚烧炉本体内部，一部分空气通过炉排和本体上的通风孔进入燃烧室，提供焚烧垃圾所需的空气；另一部分空气从气冷壁空间流过后直接从烟囱排出，这部分空气可以冷却焚烧炉本体，使本体外壁温度不至于过高，同时稀释冷却从燃烧室内排出的燃烧废气，冷却烟囱排放废气的温度。焚烧炉本体上所带的燃烧器有一个污油泥喷嘴和两个燃油喷嘴，以适应不同工况下污油泥和垃圾的焚烧。在烟囱出口安装有抽风机，对燃烧室和气冷壁进行抽风，保持炉膛和气冷壁负压状况，保证焚烧炉正常的焚烧状况和运行过程中的安全性。图