电磁加热在易腐垃圾多相分解惰质化系统中的应用分析

熊香春

（深圳龙澄高科技环保股份有限公司，广东 深圳 518000）

近年来，我国积极推行垃圾分类制度。目前，全国46个重点城市基本建成生活垃圾分类处理系统，其中以厨余垃圾为主的易腐垃圾处理是垃圾后端处理中最为复杂和重要的组成部分。深圳龙澄高科技环保股份有限公司利用多相分解惰质化技术对生活垃圾中有机质易腐垃圾进行低温热解碳化处理，物料被分解为相对稳定的水和碳质物。这些产品具有相对较容易处理、较理想的回收利用价值，易储存、易运输，为生物质废弃物和干湿分类后的湿垃圾的减量化、稳定化、无害化、资源化提供了有效途径。

电磁加热是通过电流产生磁场，使得铁质金属管道自身发热，再加上隔热材质，防止管道热量散发，热利用率超过95%，理论节电率可大于50%。将电磁加热创新性地应用在易腐垃圾多相分解惰质化系统中，相对于传统的电加热油炉及燃煤燃气锅炉加热，极大地提高能源利用效率，降低设备前期投资及运行维护成本。本文结合深圳市宝安区福凤厨余垃圾干湿分离转运站示范项目，分析了电磁加热在易腐垃圾多相分解惰质化系统中的应用。

1 易腐垃圾多相分解惰质化系统概述

1.1 基本原理

多相分解惰质化技术是利用生物质的热不稳定性，在无氧和210 ℃以上温度、饱和压力、催化剂综合作用下，使生物质细胞破碎溶析和有机物根据其碳氢比例发生脱羧脱水和水解，形成具有资源回收利用价值的固相、液相和微量气相。易腐垃圾多相分解惰质化系统是针对生活垃圾等经过干湿分离后的湿组分、厌氧沼液及市政污泥创新研发的，其处理对象包括污泥、厨余垃圾和其他生物质废弃物（园林、农业等）。

1.2 电磁加热装置

电磁加热是利用电磁感应原理将电能转换为热能，当高速变化的交流电流通过线圈时，线圈会产生高速变化的磁场，磁场内的交变磁力线通过金属管道时，管壁体内产生无数的小涡流，使管壁自行发热与内部物料进行热交换，达到加热物料的目的。本项目采用电磁加热装置，装置主要包含加热管、加热线圈、温度探头、电磁加热控制器和智能温控表[1]。

在易腐垃圾多相分解惰质化系统中，利用多台电磁加热装置，将物料温度从150 ℃提升至大于210 ℃。换热计算公式为

式中：Q为换热能量；S为换热面积；K为综合换热系数；Δtm为换热温差。

从式（1）可知，换热器换热能量与换热面积、综合换热系数及换热温差成正比。在具体项目应用中，换热面积一般为固定值；换热温差受到管道材质最高耐温极限限制，考虑管壁散热损失，换热温差一般控制在40～60 ℃，即管壁温度比物料目标温度高40～60 ℃；综合换热系数根据加热管内壁物理特性、物料流速、内部结焦情况等因素确定。易腐垃圾浆料在高温下容易结焦，在本项目中，综合换热系数受物料流速和结焦厚度显著影响，无法具体计算。

2 自动控制系统分析

自动控制系统主要包含可编程逻辑控制器（PLC）、工控机监控平台、控制柜及底层仪表，用以控制电磁加热装置、惰质化进料、出料等工艺过程，监控主要工作环节的状态信息，记录和处理关键数据信息。要想实现上述功能，必须选择合适的硬件、采集仪表和通信方式，编制实用、可靠且安全的软件程序，开发友好的组态操作控制界面。

2.1 电磁加热装置出口物料温度控制

电磁加热装置由多台电磁加热器组成，通过插入式温度探头准确测量进出口物料温度。出口物料温度代表物料进入反应器的工作温度，其目标值控制在210 ℃以上，通过调整电磁加热管壁基准设定温度及管内物料流速来控制。

2.2 加热管管壁温度梯度控制

在实际项目控制中，多台电磁加热器将物料温度从进口温度提升到出口物料温度，控制策略考虑多台电磁加热器平均输出功率。假定温度梯度设定为10 ℃，电磁加热管壁基准设定温度为210 ℃，总共6 台电磁加热器，在物料流速稳定不变的情况下，从入口到出口，6 台电磁加热器管壁温度设定值依次为180 ℃、190 ℃、200 ℃、210 ℃、220 ℃、230 ℃[2]。

2.3 进出料流速稳定控制

进料泵通过变频控制，采用独立PLC，其与主控S7-300 PLC 通过PUT/GET 通信实现数据交换。电磁加热管的物料流速稳定，有利于提高电磁加热的热利用率和系统稳定性。惰质化反应器配有在线压力及液位检测仪表，可以有效控制进料泵运行频率。系统出料管道安装有电磁流量计，可设定固定出料速度，调节出料平衡装置开度，保证出料速度稳定。理论上，可以实现反应器液位及进出料流速稳定控制。

2.4 电能数据收集与统计

电磁加热装置是易腐垃圾多相分解惰质化系统的主要耗能设备。智能电表采集数据后通过Modbus/Tcp 协议转换器传输到上位机VINCC 监控平台。上位机软件同时采集并记录电磁加热进出口温度、管壁温度、出口物料流速等数据，用于加热管换热系数及热效率计算[3]。

3 电磁加热装置运行数据分析

本项目安装6 台电磁加热器，串联布置，每台电磁加热器额定功率为30 kW。工艺控制目标是将流速2.0 m3/h 的物料从150 ℃加热到大于210 ℃。项目投入实际运行后，对电磁加热运行数据进行收集和分析。物料在高温环境下容易结焦，电磁加热装置换热系数会缓慢降低[4]。电磁加热装置已经应用在易腐垃圾多相分解惰质化系统中，项目现场实物图如图1 所示。

图1 项目现场实物图

经数据分析，在本项目实际运行中，电磁加热的热效率可以控制在88%～92%，热效率很高；本项目采用外层碳钢、内层316 不锈钢的复合管作为加热管，流速为0.88～2.30 m3/h时，该加热管换热系数为98.0～208.9 W/（m2·℃），流速越大，换热系数越高；易腐垃圾多相分解惰质化系统应用中，碳钢不锈钢复合管的理想加热温度控制在200～300 ℃，控制温度越高，热利用率越低；物料结焦会影响电磁加热装置换热系数，在本项目工艺运行条件下，5～6 个月后，热利用率会降低至小于60%，电磁加热在易腐垃圾多相分解惰质化系统中应用，应努力降低物料结焦速度；本项目中，电磁加热装置的加热线圈及控制器故障率低，因管道结焦而定期清理加热管是主要维护事项，总体维护成本较低。

4 几种加热方式的优缺点对比

随着科学技术的不断发展，工业加热方式逐渐增多，目前有三大主流加热方式，即电加热油炉加热、燃煤燃气蒸汽锅炉加热、电磁加热。其中，电加热油炉加热、燃煤燃气蒸汽锅炉加热是传统加热方式，电磁加热是新型加热方式。下面分析3 种加热方式在易腐垃圾多相分解惰质化系统中应用的优缺点。

4.1 电加热油炉加热

电加热油炉加热的导热油温度一般保持在230～250 ℃，通过换热器给物料加热，加热热效率偏低，热利用率为80%左右。其优点是物料加热均匀，但如果易腐垃圾多相分解惰质化系统使用该加热方式，加热温度偏低，换热温差小，势必增加换热面积和设备投资。另外，导热油在高温条件下容易氧化，寿命为2～4年，定期更换导热油增加使用成本。

4.2 燃煤燃气蒸汽锅炉加热

我国拥有丰富的煤炭资源，使得煤炭价格较为低廉，使用燃煤锅炉是最为经济的加热方式。但是，在我国经济发展进程中，能源利用率低，环境污染日益突出，未来环境污染治理成本超乎想象。燃煤燃气蒸汽锅炉加热的热利用率为85%左右，但是设备投资大，占地面积大，维护费用高。

4.3 电磁加热

综合本项目实际运行数据，经分析，电磁加热效率能超过90%，其升温速度快。电磁加热圈本身不会产生热量，而且采用绝缘材料和高温电缆制造，具有使用寿命长、无须维修等优点，减少维护时间和资金投入。电磁加热适用温度范围广，最高加热温度可超过1 000 ℃，行业适用范围广，占地面积小，清洁环保[5]。

5 结论

目前，电磁加热已经应用在易腐垃圾多相分解惰质化系统中，但是物料高温结焦导致加热管热阻加大，电磁加热热效率会随运行时间增加而减小。因此，要适当增加换热面积，降低管壁加热温度，延缓结焦速度；提高加热管内物料流速，充分利用正向影响因素，适当延缓物料结焦速度；可以通过机械搅拌，阻止物料结焦，控制结焦在较低水平。近几年，电磁加热开始应用于垃圾处理行业，目前还处于起步阶段，针对垃圾处理行业特点，电磁加热配套工艺设备还需要不断完善升级。易腐垃圾多相分解惰质化系统适用于土地资源稀缺的中大型城市的中小型垃圾处理站改造，其环境要求高。电磁加热应用于易腐垃圾多相分解惰质化系统的优势明显，综合热利用率大于90%，其应用环境清洁，占地面积小，投资较少，维护成本低。