CN116625433A - 一种适用于危废焚烧急冷塔监测的***及方法 - Google Patents

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CN116625433A CN202310593599.3A CN202310593599A CN116625433A CN 116625433 A CN116625433 A CN 116625433A CN 202310593599 A CN202310593599 A CN 202310593599A CN 116625433 A CN116625433 A CN 116625433A
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吕宜廉
崔灵丰
刘浩
董光辉
涂勇
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Abstract

本发明公开了一种适用于危废焚烧急冷塔监测的***及方法，包括：热工数据采集仪表、急冷塔断面温度测量模块、数据采集模块和智能监测***服务器；热工数据采集仪表包括流量传感器、压力传感器、温度传感器和湿度传感器；断面温度测量模块包括：断面温度传感器和温度取样装置，断面温度传感器包括红外探头和多点电偶探头，温度取样装置包括取样套筒、传动装置、气封单元和密封连接件；数据采集模块包括数据采集器、网络服务器、网关、数据传输线和交换机；智能监测***服务器与数据采集模块连接；本方案具有抗干扰、监测精度高，可对急冷塔烟气工况实现实时监测和可视化展示，便于控制危废焚烧***烟气中的二噁英排放的特点。

Description

一种适用于危废焚烧急冷塔监测的***及方法
技术领域
本发明涉及危废焚烧二次污染控制技术领域，特别涉及一种适用于危废焚烧急冷塔监测的***及方法。
背景技术
二噁英是“三致”物质，即致癌、致畸、致突变，同时还具有生殖毒性、免疫毒性和内分泌毒性。短期暴露于过量二噁英环境会引起发育初期的胎儿死亡、流产、生长发育迟缓或畸形；人体免疫功能降低，同时抑制体液免疫和细胞免疫；干扰性激素的代谢，引起生殖***功能障碍等严重危害。二噁英常以微小的颗粒存在于大气、土壤和水中，其主要工业来源包含化工行业、冶金工业、金属生产、废弃物处理、造纸以及生产杀虫剂等产业。因此，二噁英工业排放控制早已成为工业关注焦点，受到各国政府及相关部门的重视，危废处置行业尤其如此，我国也相继出台了危废焚烧二噁英排放污染控制标准及规范。
目前危废焚烧***通常采用以下三种手段控制二噁英的最终排放：(1)危险废物应完全焚烧，并严格控制燃烧室烟气的温度、停留时间和流动工况；(2)焚烧废物产生的高温烟气应采取急冷处理，使烟气温度在1.0s内降到200℃以下，减少烟气在200～500℃温区的滞留时间；(3)在中和反应器和袋式除尘器之间可喷入活性炭或多孔性吸附剂，也可在布袋除尘器后设置活性炭或多孔性吸附剂吸收塔。
以上三种二噁英控制措施中，前两种控制方式为源头控制方式，最后一种为燃烧后尾气控制方式。从经济性角度考虑，二噁英应以源头控制为主，后部尾气处理控制为辅，即应在焚烧***前端最大限度的减少其生成量，尽量减少尾气活性炭吸附喷射量。GB18484及HJ/T 176两则标准对相关设备中烟气停留时间及冷却时间做出了明确规定，要求烟气在二燃室中停留时间不得小于2s，在急冷装置内烟气需从1s内降低至200℃以下，实际运行经验表明这两种二噁英前端控制手段对二噁英生成有很好的抑制作用，因此，二燃室及急冷塔运行工况是否达标将在二噁英控制过程起到关键性作用。通过设置二燃室高温段进出口热电偶可以监测二燃室内烟气停留时间，但由于急冷塔内存在大梯度温度场且为气液固三相流态，烟气冷却时间难以监测，对急冷塔急冷时间的监测并无有效实际手段。目前危废焚烧过程存在缺少智能化监测平台，关键设备运行状态难于判断、缺乏先进有效的监测手段等问题，尤其缺少急冷塔这一核心设备三维烟气流场参数及急冷时间的监测技术。因此，有必要开发急冷装置温度及停留时间等自动监控***及方法，以确保急冷塔急冷时间时刻达标及方便企业运行管理。
发明内容
为实现上述目的，发明人提供了一种适用于危废焚烧急冷塔监测的***，包括：热工数据采集仪表、急冷塔断面温度测量模块、数据采集模块和智能监测***服务器；
所述热工数据采集仪表包括流量传感器、压力传感器、温度传感器和湿度传感器，分别设于急冷塔的进口和出口烟道处；
所述断面温度测量模块包括：断面温度传感器和温度取样装置，分别设于急冷塔沿高程方向，所述断面温度传感器包括红外探头和多点电偶探头，所述温度取样装置包括取样套筒、传动装置、气封单元和密封连接件；
所述数据采集模块包括数据采集器、网络服务器、网关、数据传输线和交换机，所述数据采集器分别与热工数据采集仪表、断面温度测量模块相连接；
所述智能监测***服务器与数据采集模块连接，所述智能监测***服务器用于将烟气的三维温度流场信息及烟气进出口总流量参数进行数据计算，转化获得塔内温度分布切片、三维温度分布及烟气急冷时间，并进行可视化展示。
作为本发明的一种优选方式，所述流量传感器包括速度测量模块和压差变送器；
所述速度测量模块包括全压取压管、静压取压管和反吹压缩空气管，所述全压取压管包括一根轴向干管和若干根横向支管，各横向支管两端开口设计，开口处设有角度为30°-45°的切口，任意相邻两根横向支管两端所在位置形成的以进风管道横截面中心为圆心的两个圆构成的圆环面积相等，所述轴向干管垂直于烟气流动方向设置，轴向干管与各横向支管相连接且垂直平分，所述静压取压管呈L型设于全压取压管一侧，其顶端设有开口弯头，所述弯头的开口处平行且背向于烟气流动方向设置，所述反吹压缩空气管与全压取压管的轴向干管下端开口处垂直连接；
所述压差变送器与速度测量模块相连，用于将速度测量模块测定得到的烟气总压力与静压力之差值传输至数据采集模块。
作为本发明的一种优选方式，所述取样套筒的一端端部通过密封连接件与急冷塔的侧壁转动连接，所述取样套筒与急冷塔内部连通，所述传动装置的输出端与取样套筒侧壁连接，所述气封单元设于取样套筒的中部；
所述密封连接件包括软接头和连接法兰，所述软接头的一端与急冷塔侧壁固定连接，另一端与连接法兰固定连接，所述连接法兰与取样套筒侧壁固定连接；
所述传动装置包括旋转舵机、固定支架和转动连杆，所述旋转舵机通过固定支架与急冷塔侧壁固定连接，所述旋转舵机的输出端通过转动连杆与取样套筒侧壁连接；
所述气封单元包括除油稳压件、阀门和气封管道，所述气封管道一端设有除油稳压件，另一端与取样套筒连通，所述阀门设于除油稳压件与取样套筒之间；
所述断面温度传感器设于取样套筒远离急冷塔的一端端部，位于断面温度传感器外侧的金属壳体上设有排气口。
作为本发明的一种优选方式，所述红外探头设于急冷塔中上部高温湿态区域，并根据急冷塔烟气温度轴向分布将急冷塔高温湿态区域划分为上层大温度梯度区域和下层温度变化平缓区域，所述红外探头在大温度梯度区域分布相对密集设置，在温度变化平缓区域相对稀疏设置，使相邻两层红外探头测定断面温差保持一致，每层分别设置四个红外探头，沿急冷塔横截面中心对称分布设置；
所述多点电偶探头设于急冷塔下部低温干态区域，每层设置两个，相邻两层多点电偶探头等距分布。
作为本发明的一种优选方式，所述数据采集器与红外探头分别通过数据传输线连接交换机，所述交换机携带北斗定时器，使采集数据带有时间记号以实时获取等时间间隔的数据，再依次通过数据传输线与网络服务器、网关相连，并接入智能监测***服务器。
为实现上述目的，发明人还提供了一种适用于危废焚烧急冷塔监测的方法，包括以下步骤：
S1，烟气从急冷塔入口进入急冷塔，并与急冷塔内低温喷淋水接触后，从塔出口流出；
S2，布置在急冷塔进出口烟道和急冷塔上的热工数据采集仪表和各断面温度测量模块获取塔内烟气的三维流场信息、烟气进出口总流量、压力和温湿度参数；
S3，急冷塔监测***通过数据采集器及交换机，将步骤S2中获取的信息和参数传输至智能监测***服务器内，并通过智能监测***服务器的温度分布求解算法、烟气急冷小室模型算法计算初塔内温度分布切片、三维温度分布及烟气急冷时间；
S4，智能监测***服务器通过数据可视化算法对步骤S3中的计算结果进行数据可视化展示。
作为本发明的一种优选方式，步骤S2中，通过智能监测***服务器的温度分布求解算法，获取烟气塔内温度分布切片以及三维温度分布包括以下步骤：通过相邻两层温度探头将急冷塔划分为若干个小室，编号为1，2，……N，每层红外探头通过温度取样装置的传动装置按照预设的角度持续旋转测定得到该截面上不同路径的线温度，并采用傅里叶函数法进行温度场重构，通过一维线温度转化得到二维截面温度进行二维温度场重构，并通过三维傅里叶展开进行三维温度重构，即将一维线温度转化为柱体温度，得到整个急冷塔内部温度分布数据。
作为本发明的一种优选方式，所述二维温度重构包括步骤：设每条测量路径上的温度值为Tk，k为被测路径编号，设整个测量截面的温度函数为f(x,y)，在整个测量截面上共有M条测温路径，k＝1，2，3，…M，则每条测温路径所测温度值的表达式为：
f(x,y)是关于x轴和y轴对称且周期分别是2Lx和2Ly的周期函数，f(x,y)由有限个余弦函数正交级表示，则其傅里叶展开式为：
其中，i＝1，2，3，…，Nd；j＝1，2，3，…，Np；ai，j为函数f(x,y)的待求解系数；依次测量M条测温路径的平均温度，得到线性方程组：
将其表达成矩阵形式，则超定方程为：
Ax＝b
其中，为M×N维权因子矩阵，x＝f1、f2、f3、…、fN，b＝[T1、T2、T3、…、TM]T，为M×1的矩阵；
采用Tikhonov正则化方式解算该超定方程，得出x，将所得x值带入二维温度重构的傅里叶展开式中，计算得出f(x,y)，即该测量面截面的温度分布函数；
所述三维温度重构包括步骤：
设每条测量路径上的温度值为Tu,v，u，v表示不同横截面、不同高度上的二维测温路径，设整个测量柱面的温度函数为f(x,y,z)，则每条二维测温路径所测温度值的表达式为：
f(x,y,z)是关于x轴、y轴和z轴对称且周期分别是2Lx、2Ly和2Lz的周期函数，f(x,y,z)由有限个余弦函数正交级表示，则其傅里叶展开式为：
其中，i＝1，2，3，…，Nd；j＝1，2，3，…，Np；s＝1，2，3，…，Nq；ai，j，k为函数f(x,y,z)的待求解系数；令：
则：
其中，N＝Nd+NP+Nq，bm为将buv，ijk展开后的第m个元素，以矢量表示为：Ba＝C；其中，该表达式为超定方程，B为U×V×N的矩阵，C为U×V的矩阵；
采用Tikhonov正则化方式解算该超定方程，得出：
a＝(BTB+λI)-1BTC
将所得a值带入三维温度重构的傅里叶展开式中，计算得出f(x，y，z)，即整个柱面的温度分布函数。
作为本发明的一种优选方式，步骤S2中，智能监测***服务器的温度分布求解算法、烟气急冷小室模型算法计算烟气急冷时间包括以下步骤：通过温度分布求解算法得到各层红外探头所在截面温度，将其看作是第一个小室至第N个小室平均温度T1，T2，……TN，通过能量守恒方程和理想气体状态方程，依次求解出烟气经过各小室所需的冷却时间，当第X小室平均断面温度为200℃时，确认其为蒸发冷却最终出口断面，将第一个小室至第X小室冷却时间进行求和，得到烟气总冷却时间。
作为本发明的一种优选方式，步骤S2中，智能监测***服务器的温度分布求解算法、烟气急冷小室模型算法计算烟气急冷时间还包括步骤：
通过流量传感器、压力传感器、温度传感器测定得到烟气体积流量为Qv0、进风压力P、进风温度T0，烟气质量流量Qmo的表达式为：
Qmo＝ρ0QV0
其中，ρ0为烟气密度，取空气密度1.293g/cm3；
由每个小室内烟气损失的热量和水蒸气吸收的热量能量守恒方程得到下式：
其中，C0-N为烟气从与冷却水开始接触流经第N个小室平均比热容，比热容是与温度有关的函数，通过现场拟合得到；T0为烟气进风温度；TN为第N个小室的平均温度；r1为水蒸汽热焓；为烟气从与冷却水开始接触流经第N个小室的冷却水损失总质量，则烟气从与冷却水开始接触流经第N个小室冷却水损失总体积的表达式为：
其中，为烟气从与冷却水开始接触流经第N个小室冷却水损失总体积，1.244为水蒸气密度；
结合理想气体状态方程，计算第N个小室标准状态下烟气冷却时间tN，tN的表达式为：
其中，VN为第N个小室体积，Qvw为冷却水体积流量，P为烟气进风压力；P0为标准大气压。
区别于现有技术，上述技术方案所达到的有益效果有：
(1)本***适用于急冷塔复杂工况的温度取样、流量测量，***通过热工数据采集仪表、急冷塔断面温度测量模块、数据采集模块和智能监测***服务器可有效实现对烟气的三维温度流场信息及烟气进出口总流量参数的监测和计算，且在监测过程中，通过新型的流量传感器和温度取样装置的特殊设计，可有效避免烟气和水蒸气对测温结果的干扰以及烟尘对流量测定结果的干扰，其监测精度高；
(2)本方法开发了危废焚烧急冷塔三维温度场显示算法，该算法基于二维和三维傅里叶转换，将断面测温装置测定得到的急冷塔沿高程方向各横截面不同路径的线温度转化为急冷塔柱体温度，从而得到整个急冷塔内部温度分布情况，并通过可视化直观反映和监测急冷塔三维温度场变化情况，有效的实现了对急冷塔烟气工况的实时监测、数据处理和可视化展示的全流程，具有极大的应用前景。
(3)本方法开发了危废焚烧急冷塔急冷时间求解算法，该算法通过计算急冷塔沿高程方向划分的多个温度小室的平均温度并进行求和，最终准确地得到烟气急冷时间，从而有效的实现了间接监测和控制危废焚烧***烟气中的二噁英排放。
附图说明
图1为具体实施方式所述***框架图；
图2为具体实施方式所述急冷塔结构示意图；
图3为具体实施方式所述流量传感器安装结构示意图；
图4为具体实施方式所述流量传感器信号传输流程图；
图5为具体实施方式所述速度测量模块结构示意图；
图6为具体实施方式所述全压取压管结构示意图；
图7为具体实施方式所述温度取样装置结构示意图；
图8为具体实施方式所述红外探头测点排布示意图；
图9为具体实施方式所述方法框架图。
附图标记说明：
1000、热工数据采集仪表；1100、流量传感器、1110速度测量模块；1111、全压取压管；1111-1、轴向干管；1111-2、横向支管；1112、静压取压管；1112-1、弯头；1113、反吹压缩空气管；1120、压差变送器；1200、压力传感器；1300、温度传感器；1400、湿度传感器；2100、断面温度传感器；2110、红外探头；2111、排气口；2120、多点电偶探头；2210、取样套筒；2220、传动装置；2221、转动连杆；2222、旋转舵机；2223、固定支架；2230、气封单元；2231、除油稳压件；2232、阀门；2233、气封管道；2240、密封连接件；2241、软接头；2242、连接法兰；3000、数据采集模块；3100、数据采集器；3200、网络服务器；3300、网关；3400、数据传输线；3500、交换机；3501、北斗定时器；4000、智能监测***服务器。
具体实施方式
为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。
如图1和图2所示，本实施例提供了一种适用于危废焚烧急冷塔监测的***，包括：热工数据采集仪表1000、急冷塔断面温度测量模块、数据采集模块3000和智能监测***服务器4000；
在本实施例中，热工数据采集仪表1000包括流量传感器1100、压力传感器1200、温度传感器1300和湿度传感器1400，分别设于急冷塔的进口和出口烟道处，分别用于采集得到烟气进出急冷塔总流量、压力、温度、含水率等工况数据；
急冷塔的断面温度测量模块包括：断面温度传感器2100和温度取样装置，分别设于急冷塔沿高程方向，用于获得塔内烟气的三维温度流场信息，断面温度传感器包括红外探头2110和多点电偶探头2120，温度取样装置包括取样套筒2210、传动装置2220、气封单元2230和密封连接件2240。
数据采集模块3000包括数据采集器3100、网络服务器3200、网关3300、数据传输线3400和交换机3500，所述数据采集器分别与热工数据采集仪表、断面温度测量模块相连接，用于将热工数据采集仪表以及断面温度测量模块测定得到的数据实时传输至智能监测***服务器；数据采集器与热工数据采集仪表以及多点电偶探头相连，用于将两者测量得到的数据电信号转化为数字信号；
智能监测***服务器4000与数据采集模块3000连接，智能监测***服务器包含开发的温度分布求解算法、烟气急冷小室模型算法、数据可视化算法应用程序，用于将烟气的三维温度流场信息及烟气进出口总流量参数进行数据计算，转化获得塔内温度分布切片、三维温度分布及烟气急冷时间，并进行可视化展示。
在上述实施例中，数据采集器3100与红外探头2110分别通过数据传输线3400连接交换机3500，交换机3500携带北斗定时器3501，使采集数据带有时间记号以实时获取等时间间隔的数据，避免时间误差导致数据逐渐出现偏差，再依次通过数据传输线与网络服务器、网关相连，并接入智能监测***服务器，再通过智能监测***服务器算法进一步计算得到急冷塔温度分布和急冷时间并在后台界面进行可视化展示。
在上述实施例中，流量传感器1100包括速度测量模块1110和压差变送器1120；如图3至图6所示，在本实施例中，速度测量模块1110包括全压取压管1111、静压取压管1112和反吹压缩空气管1113，全压取压管1111用于测定烟气总压力，其由一根轴向干管1111-1和若干根横向支管1111-2，各横向支管1111-2两端开口设计，开口处设有角度为30°-45°的切口，任意相邻两根横向支管两端所在位置形成的以进风管道横截面中心为圆心的两个圆构成的圆环面积相等，以保证烟气流量测定准确性；轴向干管1111-1垂直于烟气流动方向设置，轴向干管1111-1与各横向支管1111-2相连接且垂直平分，静压取压管1112呈L型设于全压取压管一侧，其顶端设有开口弯头1112-1，弯头1112-1的开口处平行且背向于烟气流动方向设置，防止烟尘进入并堵塞静压取压管，反吹压缩空气管1113与全压取压管1111的轴向干管1111-1下端开口处垂直连接，用于间歇性对压力传感器进行反吹；压差变送器1120与速度测量模块1110相连，用于将速度测量模块测定得到的烟气总压力与静压力之差值传输至数据采集模块；如图3所示，在本实施例中，速度测量模块设有三组，三组速度测量模块分别与压差变送器连接，取每组速度测量模块测定平均值，用于采集得到烟气进出急冷塔总流量工况数据，并通过压差变送器1120传输至数据采集模块3000。在本实施例中，压差变送器型号可采用：jyb-3151型，数据采集模块可采用：kl-hs型。
如图7所示，在一些实施例中，取样套筒2210的一端端部通过密封连接件2240与急冷塔的侧壁转动连接，取样套筒与急冷塔内部连通，传动装置2220的输出端与取样套筒侧壁连接，气封单元2230设于取样套筒的中部；在本实施例中，密封连接件2240包括软接头2241和连接法兰2242，软接头的一端与急冷塔侧壁固定连接，另一端与连接法兰固定连接，连接法兰与取样套筒侧壁固定连接。传动装置2220包括旋转舵机2222、固定支架2223和转动连杆2221，旋转舵机2222通过固定支架2223与急冷塔侧壁固定连接，旋转舵机2222的输出端通过转动连杆2221与取样套筒2210侧壁连接。气封单元2230包括除油稳压件2231、阀门2232和气封管道2233，气封管道一端设有除油稳压件，另一端与取样套筒连通，阀门设于除油稳压件与取样套筒之间。断面温度传感器2100设于取样套筒2210远离急冷塔的一端端部，位于断面温度传感器2100外侧的金属壳体上设有排气口2111。
在上述实施例的具体实施过程中，取样套筒采用温度取样装置柱状主体，通过密封连接件安装在急冷塔侧壁，并与急冷塔内部连通。软接头的设置在保证装置密封性的同时还可便于取样套筒的旋转。通过取样套筒的旋转舵机带动转动连杆、进而带动取样套筒中的断面温度传感器的红外探头可连续水平旋转一定角度测定得到该截面上不同路径的线温度；在本实施例中，传动装置的旋转角度为0°-150°。气封单元可以采用三级气封单元，除油稳压件可以采用除油稳压三联件，在本实施例中，阀门开启后，压缩空气通过除油稳压三联件进行除湿除油干燥稳压，经过气封管道进入取样套筒，使取样套筒内气压大于急冷塔内的烟气压强，从而阻止急冷塔内的水蒸气和烟气进入到取样套筒内干扰断面温度传感器的温度测定。在一些实施例中，取样套筒末端连接的断面温度传感器金属外壳侧壁还设有排气口，以排出进入金属套筒内的压缩空气。
如图2和图8所示，在上述实施例中，红外探头2110设于急冷塔中上部高温湿态区域，通过基于CO2特征峰红外光谱信号的红外线测温，避免高温湿态区域烟气水蒸气对测温结果的干扰，并根据急冷塔烟气温度轴向分布将急冷塔高温湿态区域进一步划分为上层大温度梯度区域和下层温度变化平缓区域，为保证相邻两层红外探头测定断面温差基本保持一致，红外探头在大温度梯度区域分布相对密集设置，在温度变化平缓区域相对稀疏设置，使相邻两层红外探头测定断面温差保持一致，每层分别设置四个红外探头，沿急冷塔横截面中心对称分布设置，各探头测定温度可进行相互校对，保证温度测定的准确性；多点电偶探头2120设于急冷塔下部低温干态区域，每层设置两个，相邻两层多点电偶探头等距分布，多点热电偶的热电动势将随着测量端温度升高而增长，把温度信号转换成热电动势信号直接进行温度测定。
如图9所示，本实施例还提供了一种适用于危废焚烧急冷塔监测的方法，包括以下步骤：
S1，烟气从急冷塔入口进入急冷塔，并与急冷塔内低温喷淋水接触后迅速降温，从塔出口流出；
S2，通过布置在急冷塔进出口烟道和急冷塔上的热工数据采集仪表和各断面温度测量模块获取塔内烟气的三维流场信息、烟气进出口总流量、压力和温湿度参数；
S3，急冷塔监测***通过数据采集器及交换机，将步骤S2中获取的信息和参数传输至智能监测***服务器内，并通过智能监测***服务器的温度分布求解算法、烟气急冷小室模型算法计算初塔内温度分布切片、三维温度分布及烟气急冷时间；
S4，智能监测***服务器通过数据可视化算法对步骤S3中的计算结果进行数据可视化展示。
在上述实施例的步骤S2中，通过智能监测***服务器的温度分布求解算法，获取烟气塔内温度分布切片以及三维温度分布包括以下步骤：通过相邻两层温度探头将急冷塔划分为若干个小室，编号为1，2，……N，每层红外探头通过温度取样装置的传动装置按照预设的角度持续旋转测定得到该截面上不同路径的线温度，并采用傅里叶函数法进行温度场重构，通过一维线温度转化得到二维截面温度进行二维温度场重构，并通过三维傅里叶展开进行三维温度重构，即将一维线温度转化为柱体温度，得到整个急冷塔内部温度分布数据。
对于上述实施例中的二维温度重构包括以下步骤：设每条测量路径上的温度值为Tk，k为被测路径编号，设整个测量截面的温度函数为f(x,y)，在整个测量截面上共有M条测温路径，k＝1，2，3，…M，则每条测温路径所测温度值的表达式为：
f(x,y)是关于x轴和y轴对称且周期分别是2Lx和2Ly的周期函数，f(x,y)由有限个余弦函数正交级表示，则其傅里叶展开式为：
其中，i＝1，2，3，…，Nd；j＝1，2，3，…，Np；ai，j为函数f(x,y)的待求解系数；依次测量M条测温路径的平均温度，得到线性方程组：
将其表达成矩阵形式，则超定方程为：
Ax＝b
其中，为M×N维权因子矩阵，x＝f1、f2、f3、…、fN，b＝[T1、T2、T3、…、TM]T，为M×1的矩阵。
采用Tikhonov正则化方式解算该超定方程，得出x，将所得x值带入二维温度重构的傅里叶展开式中，计算得出f(x,y)，即该测量面截面的温度分布函数；
所述三维温度重构包括步骤：
设每条测量路径上的温度值为Tu,v，u，v表示不同横截面、不同高度上的二维测温路径，设整个测量柱面的温度函数为f(x,y,z)，则每条二维测温路径所测温度值的表达式为：
f(x,y,z)是关于x轴、y轴和z轴对称且周期分别是2Lx、2Ly和2Lz的周期函数，f(x,y,z)由有限个余弦函数正交级表示，则其傅里叶展开式为：
其中，i＝1，2，3，…，Nd；j＝1，2，3，…，Np；s＝1，2，3，…，Nq；ai，j，k为函数f(x,y,z)的待求解系数；令：
则：
其中，N＝Nd+NP+Nq，bm为将buv，ijk展开后的第m个元素，以矢量表示为：Ba＝C；其中，该表达式为超定方程，B为U×V×N的矩阵，C为U×V的矩阵；
采用Tikhonov正则化方式解算该超定方程，得出：
a＝(BTB+λI)-1BTC
将所得a值带入三维温度重构的傅里叶展开式中，计算得出f(x，y，z)，即整个柱面的温度分布函数。
如图9所示，步骤S2中，智能监测***服务器的温度分布求解算法、烟气急冷小室模型算法计算烟气急冷时间包括以下步骤：通过温度分布求解算法得到各层红外探头所在截面温度，将其看作是第一个小室至第N个小室平均温度T1，T2，……TN，通过能量守恒方程和理想气体状态方程，依次求解出烟气经过各小室所需的冷却时间，当第X小室平均断面温度为200℃时，确认其为蒸发冷却最终出口断面，将第一个小室至第X小室冷却时间进行求和，得到烟气总冷却时间。
在上述实施例的步骤S2中，通过智能监测***服务器的温度分布求解算法、烟气急冷小室模型算法计算烟气急冷时间还包括步骤：
通过流量传感器、压力传感器、温度传感器测定得到烟气体积流量为Qv0、进风压力P、进风温度T0，烟气质量流量Qmo的表达式为：
Qmo＝ρ0QV0
其中，ρ0为烟气密度，取空气密度1.293g/cm3；
由每个小室内烟气损失的热量和水蒸气吸收的热量能量守恒方程得到下式：
其中，C0-N为烟气从与冷却水开始接触流经第N个小室平均比热容，比热容是与温度有关的函数，通过现场拟合得到；T0为烟气进风温度；TN为第N个小室的平均温度；r1为水蒸汽热焓；为烟气从与冷却水开始接触流经第N个小室的冷却水损失总质量，则烟气从与冷却水开始接触流经第N个小室冷却水损失总体积的表达式为：
其中，为烟气从与冷却水开始接触流经第N个小室冷却水损失总体积，1.244为水蒸气密度；
结合理想气体状态方程，计算第N个小室标准状态下烟气冷却时间tN，tN的表达式为：
其中，VN为第N个小室体积，Qvw为冷却水体积流量，P为烟气进风压力；P0为标准大气压。
下述为具体实施例：结合70t/d危险废物生产线急冷塔监测***运行情况为例，具体的设计工况及结构主要参数如下：
标准大气压：101325Pa；当地大气压：100000Pa；
标方烟气量：23000Nm3/h；
烟气压力：-400Pa；
烟气温度：550℃；
工况烟气量：69975.8m3/h；
急冷塔内半径：3.35m；
分段总高度：6m，分段总体积：52.86m3，共分为8段，烟气冷却总时间：2.77s；
第一分段高度、体积、平均温度、液滴蒸发体积、烟气流量、烟气停留时间分别为0.5m、4.4m3、405.8℃、1930.2Nm3/h、62555.2Nm3/h、0.253s；
第二分段高度、体积、平均温度、液滴蒸发体积、烟气流量、烟气停留时间分别为0.5m、4.4m3、388.5℃、7022.0Nm3/h、73416.5Nm3/h、0.216s；
第三分段高度、体积、平均温度、液滴蒸发体积、烟气流量、烟气停留时间分别为0.5m、4.4m3、382.0℃、7051.6Nm3/h、72769.6Nm3/h、0.218s；
第四分段高度、体积、平均温度、液滴蒸发体积、烟气流量、烟气停留时间分别为0.5m、4.4m3、378.4℃、7068.2Nm3/h、72406.7Nm3/h、0.219s；
第五分段高度、体积、平均温度、液滴蒸发体积、烟气流量、烟气停留时间分别为0.5m、4.4m3、372.5℃、7095.2Nm3/h、71819.9Nm3/h、0.221s；
第六分段高度、体积、平均温度、液滴蒸发体积、烟气流量、烟气停留时间分别为0.5m、4.4m3、356.2℃、7171.4Nm3/h、70178.8Nm3/h、0.226s；
第七分段高度、体积、平均温度、液滴蒸发体积、烟气流量、烟气停留时间分别为1.5m、13.2m3、337.7℃、7259.1Nm3/h、68316.8Nm3/h、0.696s；
第八分段高度、体积、平均温度、液滴蒸发体积、烟气流量、烟气停留时间分别为1.5m、13.2m3、318.6℃、7351.6Nm3/h、66379.1Nm3/h、0.717s
流量计半径：2218.50mm、取样套筒长600mm；
全压取压管横向支管数量4根，由内向外形成的圆半径依次为592.95mm、1025.10mm、1323.25mm、1564.45mm。
需要说明的是，尽管在本文中已经对上述各实施例进行了描述，但并非因此限制本发明的专利保护范围。因此，基于本发明的创新理念，对本文所述实施例进行的变更和修改，或利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，直接或间接地将以上技术方案运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于危废焚烧急冷塔监测的***，其特征在于，包括：热工数据采集仪表、急冷塔断面温度测量模块、数据采集模块和智能监测***服务器；
所述热工数据采集仪表包括流量传感器、压力传感器、温度传感器和湿度传感器，分别设于急冷塔的进口和出口烟道处；
所述断面温度测量模块包括：断面温度传感器和温度取样装置，分别设于急冷塔沿高程方向，所述断面温度传感器包括红外探头和多点电偶探头，所述温度取样装置包括取样套筒、传动装置、气封单元和密封连接件；
所述数据采集模块包括数据采集器、网络服务器、网关、数据传输线和交换机，所述数据采集器分别与热工数据采集仪表、断面温度测量模块相连接；
所述智能监测***服务器与数据采集模块连接，所述智能监测***服务器用于将烟气的三维温度流场信息及烟气进出口总流量参数进行数据计算，转化获得塔内温度分布切片、三维温度分布及烟气急冷时间，并进行可视化展示。
2.根据权利要求1所述的适用于危废焚烧急冷塔监测的***，其特征在于：所述流量传感器包括速度测量模块和压差变送器；
所述速度测量模块包括全压取压管、静压取压管和反吹压缩空气管，所述全压取压管包括一根轴向干管和若干根横向支管，各横向支管两端开口设计，开口处设有角度为30°-45°的切口，任意相邻两根横向支管两端所在位置形成的以进风管道横截面中心为圆心的两个圆构成的圆环面积相等，所述轴向干管垂直于烟气流动方向设置，轴向干管与各横向支管相连接且垂直平分，所述静压取压管呈L型设于全压取压管一侧，其顶端设有开口弯头，所述弯头的开口处平行且背向于烟气流动方向设置，所述反吹压缩空气管与全压取压管的轴向干管下端开口处垂直连接；
所述压差变送器与速度测量模块相连，用于将速度测量模块测定得到的烟气总压力与静压力之差值传输至数据采集模块。
3.根据权利要求1所述的适用于危废焚烧急冷塔监测的***，其特征在于：
所述取样套筒的一端端部通过密封连接件与急冷塔的侧壁转动连接，所述取样套筒与急冷塔内部连通，所述传动装置的输出端与取样套筒侧壁连接，所述气封单元设于取样套筒的中部；
所述密封连接件包括软接头和连接法兰，所述软接头的一端与急冷塔侧壁固定连接，另一端与连接法兰固定连接，所述连接法兰与取样套筒侧壁固定连接；
所述传动装置包括旋转舵机、固定支架和转动连杆，所述旋转舵机通过固定支架与急冷塔侧壁固定连接，所述旋转舵机的输出端通过转动连杆与取样套筒侧壁连接；
所述气封单元包括除油稳压件、阀门和气封管道，所述气封管道一端设有除油稳压件，另一端与取样套筒连通，所述阀门设于除油稳压件与取样套筒之间；
所述断面温度传感器设于取样套筒远离急冷塔的一端端部，位于断面温度传感器外侧的金属壳体上设有排气口。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的适用于危废焚烧急冷塔监测的***，其特征在于：
所述红外探头设于急冷塔中上部高温湿态区域，并根据急冷塔烟气温度轴向分布将急冷塔高温湿态区域划分为上层大温度梯度区域和下层温度变化平缓区域，所述红外探头在大温度梯度区域分布相对密集设置，在温度变化平缓区域相对稀疏设置，使相邻两层红外探头测定断面温差保持一致，每层分别设置四个红外探头，沿急冷塔横截面中心对称分布设置；
所述多点电偶探头设于急冷塔下部低温干态区域，每层设置两个，相邻两层多点电偶探头等距分布。
5.根据权利要求1至3任意一项所述的适用于危废焚烧急冷塔监测的***，其特征在于：
所述数据采集器与红外探头分别通过数据传输线连接交换机，所述交换机携带北斗定时器，使采集数据带有时间记号以实时获取等时间间隔的数据，再依次通过数据传输线与网络服务器、网关相连，并接入智能监测***服务器。
6.一种适用于危废焚烧急冷塔监测的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，烟气从急冷塔入口进入急冷塔，并与急冷塔内低温喷淋水接触后，从塔出口流出；
S2，布置在急冷塔进出口烟道和急冷塔上的热工数据采集仪表和各断面温度测量模块获取塔内烟气的三维流场信息、烟气进出口总流量、压力和温湿度参数；
S3，急冷塔监测***通过数据采集器及交换机，将步骤S2中获取的信息和参数传输至智能监测***服务器内，并通过智能监测***服务器的温度分布求解算法、烟气急冷小室模型算法计算初塔内温度分布切片、三维温度分布及烟气急冷时间；
S4，智能监测***服务器通过数据可视化算法对步骤S3中的计算结果进行数据可视化展示。
7.根据权利要求6所述的适用于危废焚烧急冷塔监测的方法，其特征在于，步骤S2中，通过智能监测***服务器的温度分布求解算法，获取烟气塔内温度分布切片以及三维温度分布包括以下步骤：通过相邻两层温度探头将急冷塔划分为若干个小室，编号为1，2，……N，每层红外探头通过温度取样装置的传动装置按照预设的角度持续旋转测定得到该截面上不同路径的线温度，并采用傅里叶函数法进行温度场重构，通过一维线温度转化得到二维截面温度进行二维温度场重构，并通过三维傅里叶展开进行三维温度重构，即将一维线温度转化为柱体温度，得到整个急冷塔内部温度分布数据。
8.根据权利要求7所述的适用于危废焚烧急冷塔监测的方法，其特征在于，所述二维温度重构包括步骤：设每条测量路径上的温度值为Tk，k为被测路径编号，设整个测量截面的温度函数为f(x,y)，在整个测量截面上共有M条测温路径，k＝1，2，3，…M，则每条测温路径所测温度值的表达式为：
f(x,y)是关于x轴和y轴对称且周期分别是2Lx和2Ly的周期函数，f(x,y)由有限个余弦函数正交级表示，则其傅里叶展开式为：
其中，i＝1，2，3，…，Nd；j＝1，2，3，…，Np；ai，j为函数f(x,y)的待求解系数；依次测量M条测温路径的平均温度，得到线性方程组：
将其表达成矩阵形式，则超定方程为：
Ax＝b
其中，为M×N维权因子矩阵，x＝f1、f2、f3、…、fN，b＝[T1、T2、T3、…、TM]T，为M×1的矩阵；
采用Tikhonov正则化方式解算该超定方程，得出x，将所得x值带入二维温度重构的傅里叶展开式中，计算得出f(x,y)，即该测量面截面的温度分布函数；
所述三维温度重构包括步骤：
设每条测量路径上的温度值为Tu,v，u，v表示不同横截面、不同高度上的二维测温路径，设整个测量柱面的温度函数为f(x,y,z)，则每条二维测温路径所测温度值的表达式为：
f(x,y,z)是关于x轴、y轴和z轴对称且周期分别是2Lx、2Ly和2Lz的周期函数，f(x,y,z)由有限个余弦函数正交级表示，则其傅里叶展开式为：
其中，i＝1，2，3，…，Nd；j＝1，2，3，…，Np；s＝1，2，3，…，Nq；ai，j，k为函数f(x,y,z)的待求解系数；令：
则：
其中，N＝Na+NP+Nq，bm为将buv，ijk展开后的第m个元素，以矢量表示为：Ba＝C；其中，该表达式为超定方程，B为U×V×N的矩阵，C为U×V的矩阵；
采用Tikhonov正则化方式解算该超定方程，得出：
a＝(BTB+λI)-1BTC
将所得a值带入三维温度重构的傅里叶展开式中，计算得出f(x,y,z)，即整个柱面的温度分布函数。
9.根据权利要求6所述的适用于危废焚烧急冷塔监测的方法，其特征在于，步骤S2中，智能监测***服务器的温度分布求解算法、烟气急冷小室模型算法计算烟气急冷时间包括以下步骤：通过温度分布求解算法得到各层红外探头所在截面温度，将其看作是第一个小室至第N个小室平均温度T1，T2，……TN，通过能量守恒方程和理想气体状态方程，依次求解出烟气经过各小室所需的冷却时间，当第X小室平均断面温度为200℃时，确认其为蒸发冷却最终出口断面，将第一个小室至第X小室冷却时间进行求和，得到烟气总冷却时间。
10.根据权利要求9所述的适用于危废焚烧急冷塔监测的方法，其特征在于，步骤S2中，智能监测***服务器的温度分布求解算法、烟气急冷小室模型算法计算烟气急冷时间还包括步骤：
通过流量传感器、压力传感器、温度传感器测定得到烟气体积流量为Qv0、进风压力P、进风温度T0，烟气质量流量Qmo的表达式为：
Qmo＝ρ0QV0
其中，ρ0为烟气密度，取空气密度1.293g/cm3；
由每个小室内烟气损失的热量和水蒸气吸收的热量能量守恒方程得到下式：
其中，C0-N为烟气从与冷却水开始接触流经第N个小室平均比热容，比热容是与温度有关的函数，通过现场拟合得到；T0为烟气进风温度；TN为第N个小室的平均温度；r1为水蒸汽热焓；为烟气从与冷却水开始接触流经第N个小室的冷却水损失总质量，则烟气从与冷却水开始接触流经第N个小室冷却水损失总体积的表达式为：
其中，为烟气从与冷却水开始接触流经第N个小室冷却水损失总体积，1.244为水蒸气密度；
结合理想气体状态方程，计算第N个小室标准状态下烟气冷却时间tN，tN的表达式为：
其中，VN为第N个小室体积，Qvw为冷却水体积流量，P为烟气进风压力；
P0为标准大气压。
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