一种垃圾处理调控系统及方法与流程

1.本发明涉及垃圾处理技术领域，具体涉及一种垃圾处理调控系统及方法。


背景技术：

2.目前，对城市生活的垃圾处置方式都以资源化、减量化、无害化为原则，以此达到真正意义上的可持续发展。大中型城市垃圾产生区域集中、产量大，同时规模效应使得焚烧发电效益显著，因此焚烧设施的大型化趋势明显。但是受困于投资、运行成本、占地、环境等要素，村镇中小规模的垃圾处理设施存在较大缺口。研究适用于规模小、投入资金少、运行维护成本低的垃圾处理工艺及处理设施成为当前垃圾处理领域的热点问题。
3.有研究采用热解/气化一二燃室的垃圾处理工艺路线，使垃圾中不挥发的可燃物完全分解并气化，生成可燃气体和固体灰渣。可燃气体从一燃室进入二燃室，进行第二阶段的过氧燃烧，最后排出进入烟气处理系统，固体灰渣则落入出灰室，通过出渣机排出。
4.在该垃圾处理工艺路线中，温度、垃圾入炉量及风量的控制尤为关键。关于垃圾处理过程中参数的调节和控制的有以下的研究：如专利cn111842399a公开了一种垃圾处理方法、生化降解设备及相关产品，生化降解设备包括舱体、设置于舱体上侧的舱盖、设置于舱体侧边的垃圾桶牵引系统和冷凝口、设置于冷凝管道入口的水蒸气引流系统和冷凝系统、设置于舱体内部的降解槽、设置于降解槽的搅拌系统、降解剂投料装置和导热油加热系统、设置于舱体的热风装置、设置于舱体侧边的人机交互系统，降解槽中装有通过垃圾桶牵引系统和舱盖的入料口倾倒的待降解垃圾，垃圾处理方法则是：接收用户终端发送的控制信息；根据控制信息执行与控制信息对应的预设操作。
5.专利cn216115008u公开了一种用于垃圾处理的空气加热温控系统，包括进气模块、加热模块、处理模块和循环模块，其中进气模块用于向系统中提供动力，加热模块用于加热空气，处理模块用于对垃圾进行处理。空气加热温控系统能够提升控温温度的精确性，减少对环境的污染；能够实现气体循环，节约能源的损耗，提升能源的利用率。
6.但是，以上方案仍存在自动化程度不高、人工干预程度高、调控不精确等问题，影响垃圾热解气化工艺的运行管理。
7.因此，如何消除实时对垃圾处理过程中参数波动进行精准调控，以实现垃圾处理过程的自动化和智能化是本领域技术人员亟待解决的问题。


技术实现要素：

8.针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明提供了一种垃圾处理调控系统及方法，系统包括垃圾处理设备、监测组件及控制设备，监测组件包括温度传感器组、压力传感器、测氧仪以及风量流量计组，分别监测垃圾处理设备内相应组件的温度、压力、氧含量和风机风量，控制设备则通过控制垃圾入炉量和风量流量计组的数据使得温度传感器组、压力传感器和测氧仪的数据均维持在预设区间。本方案通过对垃圾处理设备参数和处理工况的联
动控制，实现垃圾处理过程的自动化和智能化的精准调控。
9.第一方面，本发明提供一种垃圾处理调控系统，包括：垃圾处理设备、监测组件及控制设备，垃圾处理设备包括垃圾分解炉、一次风机、二次风机及引风机，垃圾分解炉为包括一燃室及二燃室的一体式炉，一次风机连通一燃室并对其供氧，二次风机连通二燃室并对其供氧，引风机引导垃圾分解炉内的烟气排出；监测组件包括分别监测一燃室及二燃室的温度传感器组、监测一燃室的压力传感器、监测二燃室出气中氧含量的测氧仪以及分别监测一次风机、二次风机及引风机的风量流量计组；控制设备通过控制垃圾入炉量和风量流量计组的数据使得温度传感器组、压力传感器和测氧仪的数据均在预设区间；其中，风量流量计组的数据通过一次风机、二次风机及引风机的风量进行控制。
10.进一步的，风量流量计组包括第一风量流量计、第二风量流量计和第三风量流量计，第一风量流量计设置在一次风机和一燃室连通的管道上，第二风量流量计设置在二次风机和二燃室连通的管道上，第三风量流量计设置在连接引风机的管道上。
11.进一步的，一次风机、二次风机和引风机的运行控制关系如下：其中，z
min
为垃圾处理设备运行经济性最小值，h为垃圾处理设备运行时间，f
1额
、f
2额
和f
3额
分别为一次风机、二次风机和引风机的风机额定频率，f1、f2和f3分别为一次风机、二次风机和引风机的运行频率实时值，w1、w2和w3分别为一次风机、二次风机和引风机的运行功率。
12.进一步的，在第一风量流量计和第二风量流量计的前端分别设有第一阀门和第二阀门，第一阀门及第二阀门分别布置在一次风机和一燃室连通的管道上以及二次风机和二燃室连通的管道上；风量流量计组的数据通过一次风机、二次风机及引风机的风量进行控制，具体包括：根据预定的垃圾处理所需理论空气量，以及入炉垃圾量、一次风和二次风的过剩系数，得到一次风机的实际一次风量和二次风机的实际二次风量；根据一次风机和二次风机的固有频率系数，以及一次风机和二次风机的运行频率实时值，得到一次风机和二次风机的实时送风量；根据一次风机的实际一次风量和二次风机的实际二次风量、以及一次风机和二次风机的实时送风量，得到实际一次风量和实际二次风量分别占一次风机和二次风机实时送风量的百分比，进而得到第一阀门和第二阀门的开度理论值，并调整相应的阀门开度。
13.进一步的，理论空气量与第一阀门和第二阀门的开度理论值、一次风机和二次风机的固有频率系数之间的具体的计算公式，如下：机的固有频率系数之间的具体的计算公式，如下：
其中，和为第一风量流量计、第二风量流量计所监测到的实际一次风量和实际二次风量，和分别为一次风机和二次风机的实时送风量，和分别为实际一次风量和实际二次风量占一次风机和二次风机实时送风量的百分比，和分别为第一阀门开度理论值和第二阀门开度理论值，和分别为一次风机和二次风机的固有频率系数，f1和f2分别为一次风机和二次风机的运行频率实时值，为每小时入炉垃圾量，为理论空气量，和分别为一次风和二次风的过剩系数，且20%≤m1≤30%，140%≤m2≤200%。
14.进一步的，垃圾分解炉为同心夹套炉，二燃室套设于一燃室外侧，垃圾分解炉炉内下部设置炉排；温度传感器组包括第一温度传感器组、第二温度传感器组及第三温度传感器组，第一温度传感器组设置于炉排上方，监测一燃室下部的温度，第二温度传感器组设置于一燃室顶部，监测一燃室顶部温度，第三温度传感器组设置于二燃室上，监测二燃室的室内温度；一燃室下部的温度和一燃室顶部的温度通过实际一次风量进行控制，二燃室的室内温度通过实际二次风量进行控制。
15.进一步的，一燃室的压力范围为-50pa-100pa，一燃室下部的温度范围为300℃-400℃，一燃室顶部的温度范围为600℃-800℃，二燃室的室内温度范围为850℃-1100℃，二燃室出气氧含量的范围为7%-10%。
16.进一步的，第一温度传感器组包括至少两个第一温度传感器，第三温度传感器组
包括至少两个第三温度传感器，所有第一温度传感器沿垃圾分解炉周向布置，所有第三温度传感器沿垃圾分解炉纵向布置；所有第一温度传感器的温度数值满足如下关系：所有第一温度传感器的温度数值满足如下关系：其中，t1为所有第一温度传感器的平均温度数值，t
11
为编号1的第一温度传感器的温度数值，t
1i
为编号i的第一温度传感器的温度数值，n为第一温度传感器的数量，为一燃室第i个第一温度传感器的误差；所有第三温度传感器的温度数值满足如下关系：所有第三温度传感器的温度数值满足如下关系：其中，t3为所有第三温度传感器的平均温度数值，t
31
为编号1的第三温度传感器的温度数值，t
3j
为编号j的第三温度传感器的温度数值，m为第三温度传感器的总量，为二燃室第j个第三温度传感器的误差。
17.进一步的，将所有第一温度传感器的平均温度数值t1、第二温度传感器组监测的温度数值分别与预设的温度优化区间进行对比判断；若所有第一温度传感器的平均温度数值t1和第二温度传感器组监测的温度数值均高于温度优化区间，则增加垃圾入炉量；垃圾分解炉还包括在炉内下部设置的搅拌轴，若一燃室内任一第一温度传感器的误差超过5%，控制炉排和搅拌轴转动，调节垃圾分解炉内垃圾分布。
18.第二方面，本发明还提供垃圾处理调控方法，采用以上任一垃圾处理调控系统，包括如下步骤：启动垃圾调控系统；向垃圾分解炉的一燃室添加预定量垃圾；监测一燃室及二燃室的温度、一燃室的压力、二燃室出气中氧含量以及一次风机、二次风机和引风机的风量；通过控制垃圾入炉量和风量流量计组的数据使得温度、压力和出气中氧含量的数据均维持在预设区间。
19.本发明提供的一种垃圾处理调控系统及方法，至少包括如下有益效果：（1）通过垃圾处理设备参数和处理工况的联动控制、调节，实现了垃圾处理过程的自动化和智能化，提高了垃圾处理的效率，且有效的降低了维护成本。
20.（2）控制设备接收监测组件中的数据，分析操作变量（如垃圾入炉量、一次风量、二
次风量及引风量）的调节量度，调整优化变量（如温度、氧含量及压力）能够满足其优化区间，从而最终达到整个垃圾处理调控系统运行的经济性。
21.（3）通过在不同区位设置多个温度传感器，并根据监测到的温度传感器数据分析垃圾处理的进程，调控相应的组件，提高垃圾处理的均匀度和效率。
附图说明
22.图1为本发明提供的一种垃圾处理调控系统框架示意图；图2为本发明提供的一种垃圾处理调控系统结构示意图；图3为本发明提供的一种垃圾处理调控系统控制模拟示意图；图4为本发明提供的一种垃圾处理调控方法流程图；附图标记说明：1-一燃室，2-二燃室，3-出渣机，4-炉排，5-搅拌轴，6-第一温度传感器组，7-第二温度传感器组，8-第三温度传感器组，9-压力传感器，10-一次风机，11-二次风机，12-引风机，13-垃圾分解炉，14-测氧仪，151-第一风量流量计，152-第二风量流量计，153-第三风量流量计。
具体实施方式
23.为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案做详细的说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
24.在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种。
25.还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者装置中还存在另外的相同要素。
26.如图1-2所示，本发明提供一种垃圾处理调控系统，包括垃圾处理设备、监测组件以及控制设备。
27.通过垃圾处理设备参数和处理工况的联动控制、调节，实现了垃圾处理过程的自动化和智能化，提高了垃圾处理的效率，且有效的降低了维护成本。
28.其中，垃圾处理设备包括垃圾分解炉13、一次风机10、出渣机3、二次风机11、引风机12等设备，垃圾分解炉13为包括一燃室1和二燃室2的一体式炉，垃圾分解炉13的类型可为同心圆或同心矩形或其他的同心夹套炉，垃圾分解炉13下方设置出灰口，垃圾分解炉13内的下部设置炉排4、搅拌轴5，起到承托垃圾进行垃圾分解和出灰的作用，优选地，垃圾分解炉13可以是热解气化炉，也可以是生化降解炉等，在此不做具体的限定。
29.一次风机10通过空气管道连接一燃室1，并对一燃室1进行供氧。出渣机3上设置炉渣进口和出口，进口和垃圾分解炉13的出灰口连通。二次风机11通过管道和垃圾分解炉13
的二燃室2连通，输送通过高温烟气预热后的空气，并对二燃室2进行供氧。引风机12引导垃圾分解炉13内的烟气进入后端烟气处理系统，并维持垃圾分解炉13内的负压环境。
30.监测组件包括分别监测一燃室及二燃室的温度传感器组、监测一燃室的压力传感器9、监测二燃室出气中氧含量的测氧仪14以及分别监测一次风机、二次风机及引风机的风量流量计组。
31.其中，温度传感器组包括温度传感器组包括第一温度传感器组6、第二温度传感器组7及第三温度传感器组8，风量流量计组包括第一风量流量计151、第二风量流量计152和第三风量流量计153。
32.包括上述组件的监测组件用来监测垃圾处理设备的工况数据。监测组件所监测到的工况数据传送到控制设备，控制设备调用优化调控函数模型将监测到的数据进行计算处理，从而对垃圾分解系统发出操作指令，调控垃圾分解炉内工况。
33.具体来说，第一温度传感器组6在一燃室内设置于炉排4的上方40~60 cm高度，并沿垃圾分解炉13的周向设置不少于3个第一温度传感器，以监测垃圾分解炉13一燃室1炉排4的上方温度；在一燃室1顶部设置第二温度传感器组7，以监测一燃室1的顶部温度；沿二燃室的纵向设置不少于3个的第三温度传感器，以监测二燃室2内烟气温度。
34.压力传感器9设置于一燃室1的顶部，以监测垃圾分解炉内压力环境；第一风量流量计151、第二风量流量计152和第三风量流量计153分别设置于一次风机10和一燃室1连通的管道上、二次风机11和二燃室2连通的管道上、引风机12和二燃室2出口连通的管道上，分别监测送入一燃室1、二燃室2的空气量和引风机12引出的烟气量。
35.本实施例中的一次风机10和第一风量流量计151联锁；二次风机11和第二风量流量计152联锁；一次风机10、引风机12与压力传感器9联锁；测氧仪14设置于垃圾分解炉13的烟气出口处，监测烟气中氧含量，并与一次风机10和二次风机11联锁。
36.如图3所示，控制设备可以包括模型调用单元和指令发出单元。其中，模型调用单元嵌入垃圾分解优化调控模型，该垃圾分解优化调控模型基于系统运行经济性，进行调节操作变量，从而满足优化变量的优化区间；优化变量主要包括温度、氧含量、压力，操作变量主要包括垃圾入炉量、一次风量（一次风机的送风量）、二次风量（二次风机的送风量）和引风量（引风机的引风量）。其中，风量（一次风量、二次风量和引风量）的调节可以通过风机运行频率和阀门开度进行。
37.通过监测组件监测所得到的数据传输至模型调用单元，通过模型调用单元调用垃圾分解优化调控模型进行数据计算处理，分析得到操作变量的调节量度，通过指令发出单元对垃圾处理设备内各元件进行调控，从而通过操控变量的调整使优化变量能够满足其优化区间，从而最终达到系统运行的经济性。
38.在实际应用场景中，该优化调控模型经济性目标为使得设备运行经济性最小值，在实现该目标的前提下，实现对风机的调控，则一次风机、二次风机和引风机的风量调节关系如下：其中，z
min
为垃圾处理设备运行经济性最小值，z
min
的具体数值可以根据具体场景和能效等因素来设定，在此不对具体数值做限定，h为垃圾处理设备运行时间，f
1额
、f
2额
和f
3额
分别为一次风机、二次风机和引风机的风机额定频率，f1、f2和f3分别为一次风机、二次风机和引风机的运行频率实时值，w1、w2和w3分别为一次风机、二次风机和引风机的功率。
39.其中，在第一风量流量计和第二风量流量计的前端分别设有第一阀门和第二阀门，第一阀门及第二阀门分别布置在一次风机和一燃室连通的管道上以及二次风机和二燃室连通的管道上；风量流量计组的数据通过一次风机、二次风机及引风机的风量进行控制，具体包括：根据预定的垃圾处理所需理论空气量，以及入炉垃圾量、一次风和二次风的过剩系数，得到一次风机的实际一次风量和二次风机的实际二次风量，其中，一次风的过剩系数为一燃室的实际空气用量与理论空气用量的比值，二次风的过剩系数为二燃室的实际空气用量与理论空气用量的比值；根据一次风机和二次风机的固有频率系数，以及一次风机和二次风机的运行频率实时值，得到一次风机和二次风机的实时送风量；根据一次风机的实际一次风量和二次风机的实际二次风量、以及一次风机和二次风机的实时送风量，得到实际一次风量和实际二次风量分别占一次风机和二次风机实时送风量的百分比，进而得到第一阀门和第二阀门的开度理论值，并调整相应的阀门开度。
40.理论空气量与第一阀门和第二阀门的开度理论值、一次风机和二次风机的固有频率系数之间的具体的计算公式，如下：率系数之间的具体的计算公式，如下：率系数之间的具体的计算公式，如下：率系数之间的具体的计算公式，如下：率系数之间的具体的计算公式，如下：率系数之间的具体的计算公式，如下：率系数之间的具体的计算公式，如下：率系数之间的具体的计算公式，如下：率系数之间的具体的计算公式，如下：率系数之间的具体的计算公式，如下：
其中，和为实际一次风量和实际二次风量，即第一风量流量计、第二风量流量计所监测到的数据；和分别为一次风机和二次风机的实时送风量；和分别为实际一次风量和实际二次风量占一次风机和二次风机实时送风量的百分比，和分别为一次风机和二次风机管道上的阀门开度理论值，r2为回归方程自变量和因变量的相关系数，该值取值范围为0~1，越接近于1，吻合程度越高，模型越精确，和分别为一次风机和二次风机的频率系数（频率系数由风机的额定风量、电机电极对数和额定转速确定，在模型中视作给定值），f1和f2分别为一次风机和二次风机的运行频率实时值，为每小时入炉垃圾量，为理论空气量，和分别为一次风和二次风的过剩系数，且20%≤m1≤30%，140%≤m2≤200%。引风量为维持垃圾热解炉内负压环境为宜。
41.本实施例进行调节操作变量，从而满足优化变量的优化区间时，温度、氧含量、压力等优化变量优化区间满足下述要求：上式中，和分别为一燃室压力传感器和二燃室压力传感器所监测的压力值，和分别为一燃室底部的第一温度传感器和一燃室顶部的第二温度传感器所监测到的数值，为二燃室的第三温度传感器所监测到的数值，为测氧仪所监测到的数值。
42.一燃室下部的温度和一燃室顶部的温度通过实际一次风量进行控制，二燃室的室内温度通过实际二次风量进行控制。
43.本实施例中，在调控垃圾入炉量、一次风机、二次风机及引风机的风量，从而满足优化变量的优化区间时，若入炉垃圾量为g，当一燃室内温度降低，则需要增加入炉垃圾量为g时的一次风量，即调节一次风机对应管道上的阀门开度或者增大一次风机的频率来增加一次风量，一次风量同时会对氧含量和炉内负压带来变化，通过垃圾分解优化调控模型对比分析调控各操作变量对系统经济性的影响，优选经济性高的操作指令方案，使一燃室内温度介于优化区间300~400℃，并满足其他优化变量的优化区间。
44.若二燃室内温度升高，则需要增加二次风量，即调节进风管路阀门开度或者增大二次风机的频率来增加二次风量，通过垃圾分解优化调控模型对比分析调节二次风机对
应管道上的阀门开度或者增大二次风机的频率对系统经济性的影响，优选经济性高的操作指令方案，使二燃室内温度介于优化区间850~1100℃。
45.相同的，其余情况的调控逻辑同上进行。变量的调节，以满足烟气氧含量且二燃室2温度的优化区间为第一优先级，一燃室1的温度优化区间作为第二优先级，压力控制作为第三优先级。
46.基于优化变量优化区间，本实施例利用所有第一温度传感器的平均值判断垃圾分解炉13内底部的灰层控制高度是否满足要求，并根据灰层控制高度进行判断是否进行加料，其中，所有第一温度传感器的数值分布满足如下关系：料，其中，所有第一温度传感器的数值分布满足如下关系：其中，t1为所有第一温度传感器的平均温度数值，t
11
为编号1的第一温度传感器的温度数值，t
1i
为编号i的第一温度传感器的温度数值，n为第一温度传感器的数量，为一燃室第i个第一温度传感器的误差；所有第三温度传感器的温度数值满足如下关系：所有第三温度传感器的温度数值满足如下关系：其中，t3为所有第三温度传感器的平均温度数值，t
31
为编号1的第三温度传感器的温度数值，t
3j
为编号j的第三温度传感器的温度数值，m为第三温度传感器的总量，为二燃室第j个第三温度传感器的误差。
47.在实际应用场景中，垃圾分解炉以炉排4上方设置4个第一温度传感器为例，基于优化变量优化区间，计算并利用平均值判断垃圾分解炉13内底部的灰层控制高度是否满足要求，所有第一温度传感器的数值分布如下，对其中一个第一温度传感器做误差分析，判断一燃室1内垃圾料位高度是否不均匀，以第一温度传感器为例，如下，
一燃室1炉排4上方温度传感器所监测温度，在模型调用单元进行加权平均计算，根据所得平均值判断垃圾分解炉13内底灰层控制高度是否满足要求；若所得一燃室1炉排4上方温度平均值高于温度优化区间，且一燃室1炉顶第二温度传感器组7温度超过温度优化区间，则说明垃圾分解炉13内料位过薄，需要进料；将所得到的平均值分别和一燃室各方位温度传感器进行比较并作误差分析，若所得误差超过5%，则说明一燃室1内垃圾料位高度不均匀，则发出指令，通过控制炉排4和搅拌轴5转动，调节垃圾分解炉13内垃圾分布。
48.通过在不同区位设置多个温度传感器，并根据监测到的温度传感器数据分析垃圾处理的进程，调控相应的组件，提高垃圾处理的均匀度和效率。
49.如图4所示，本发明还提供一种垃圾处理调控方法，采用上述的垃圾处理调控系统，包括如下步骤：启动垃圾调控系统；向垃圾分解炉的一燃室添加预定量垃圾；监测一燃室及二燃室的温度、一燃室的压力、二燃室出气中氧含量以及一次风机、二次风机和引风机的风量；通过控制垃圾入炉量和风量流量计组的数据使得温度、压力和出气中氧含量的数据均维持在预设区间。
50.通过以上的垃圾处理调控，可以将出渣机3设置自动间歇运行，每间隔25min，出渣机3自动运行5min，该时间可根据实际运行调整，保证将垃圾处理过程中产生的固体灰渣及时排出。
51.尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。