焚燒殘渣熱灼減率自動測定儀的研制

羅建明，曾 麟，陳岳飛

(1.湖南省計量檢測研究院，湖南 長沙 410014;2.中國計量科學(xué)研究院，北京 100029)

0 引 言

焚燒殘渣熱灼減率是評定廢物焚燒和廢物焚燒發(fā)電效果及檢驗(yàn)焚燒爐運(yùn)行正常與否的重要指標(biāo)[1]，是項(xiàng)目建設(shè)單位和行政管理部門實(shí)施監(jiān)察和監(jiān)督的重要參數(shù)[2]。為應(yīng)對氣候變化的國際公約，防止廢物對環(huán)境造成第二次污染，切實(shí)實(shí)現(xiàn)廢物資源化、減量化、減容化、無害化管理，國家制定了一系列的資金配套政策與獎勵激勵機(jī)制大力支持廢物焚燒和廢物焚燒發(fā)電項(xiàng)目的建設(shè)[3]，社會上已建成的廢物焚燒及廢物焚燒發(fā)電項(xiàng)目有近千家。為保障廢物焚燒和廢物焚燒發(fā)電項(xiàng)目節(jié)能減排、綠色環(huán)保、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和安全生產(chǎn)，有必要開展焚燒殘渣熱灼減率測定。

國外關(guān)于焚燒殘渣熱灼減率測定的標(biāo)準(zhǔn)主要有日本的《焚燒試驗(yàn)法》、美國的D7348—08ε1《固體焚燒殘渣熱灼減量的標(biāo)準(zhǔn)測定方法》、英國的EN1744—7《市政焚燒殘渣集料熱灼減率測定》，由于各國經(jīng)濟(jì)發(fā)展、技術(shù)水平和地域等方面差異，國外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)不適合我國采用。

國內(nèi)關(guān)于焚燒殘渣熱灼減率測定還沒有國家標(biāo)準(zhǔn)，主要依據(jù)環(huán)保部門頒發(fā)的HJ 1024—2019《固體廢物 熱灼減率測定 重量法》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。測定原理為將廢物焚燒殘余物樣品經(jīng)110 ℃干燥箱烘干2 h 冷卻至室溫進(jìn)行衡重確認(rèn)再經(jīng)600 ℃馬弗爐灼燒3 h 冷卻至室溫進(jìn)行衡重確認(rèn)，以灼燒前后焚燒殘余物樣品減少的質(zhì)量除以灼燒前焚燒殘余物樣品的質(zhì)量計算得焚燒殘余物熱灼減率[4-5]，以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)表示。依此標(biāo)準(zhǔn)開展焚燒殘渣熱灼減率測定存在設(shè)備分立、全程人工操作、控溫稱量誤差大、溫度波動與稱量重復(fù)性沒有嚴(yán)格要求、衡重確認(rèn)繁瑣時間長、記錄和計算全靠人工、人員接觸樣品次數(shù)多及樣品轉(zhuǎn)運(yùn)次數(shù)多測定結(jié)果得不到有效保障、人員多次接觸高溫環(huán)境下樣品燃燒產(chǎn)生的有毒有害氣體影響身體健康等問題，難以滿足現(xiàn)代工業(yè)對安全高效準(zhǔn)確開展試驗(yàn)分析的需要?；诖?，本文研制一種焚燒殘渣熱灼減率自動測定儀。

1 測定原理及儀器構(gòu)成

1.1 測定原理

基于熱重分析原理[6-7]，儀器控制器控制通氣保溫機(jī)構(gòu)、加熱機(jī)構(gòu)、樣盤旋轉(zhuǎn)升降機(jī)構(gòu)、稱量機(jī)構(gòu)、通信系統(tǒng)及計算機(jī)將焚燒殘渣樣品經(jīng)110 ℃溫度下烘干2 h 至恒重稱量并記錄傳輸保存后，于600 ℃溫度下灼燒3 h 至恒重稱量并記錄傳輸保存，計算機(jī)根據(jù)焚燒殘渣樣品灼燒前后樣品稱量質(zhì)量計算出焚燒殘渣熱灼減率，以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)表示。

焚燒殘渣熱灼減率計算公式[8]為：

式中：P——焚燒殘渣熱灼減率；

m1——焚燒殘余物與坩堝烘干后的質(zhì)量，g；

m2——焚燒殘余物與坩堝灼燒后的質(zhì)量，g；

m0——坩堝的質(zhì)量，g。

1.2 儀器構(gòu)成

儀器由控制系統(tǒng)和主機(jī)兩部分組成，主機(jī)在控制器控制下按技術(shù)要求完成測定流程。

1.2.1 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)示意圖如圖1 所示，主要由USB 通信接口、以太網(wǎng)通TCP/IP 協(xié)議通信、試驗(yàn)流程模塊、日志管理模塊、用戶管理模塊、人工檢測模塊、狀態(tài)監(jiān)視模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、計算模塊及Windows7標(biāo)準(zhǔn)操作界面計算機(jī)組成。系統(tǒng)可自動接收和發(fā)送下位機(jī)指令，完成稱量、烘干、灼燒測試流程，通過以太網(wǎng)通和數(shù)據(jù)管理模塊自動完成數(shù)據(jù)傳輸、保存及計算，通過日志管理模塊和用戶管理模塊復(fù)現(xiàn)測試流程和結(jié)果，通過人工檢測模塊完成控溫誤差、稱量誤差及熱灼減率誤差量值溯源檢測，通過狀態(tài)監(jiān)視模塊實(shí)現(xiàn)自動報警停機(jī)，同時系統(tǒng)具有自檢、故障自診斷、故障恢復(fù)及停機(jī)后開機(jī)自動連接下位機(jī)功能。

圖1 控制系統(tǒng)示意圖

1.2.2 主機(jī)

主機(jī)結(jié)構(gòu)示意如圖2 所示，主要由坩堝樣盤升降旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、稱量機(jī)構(gòu)、通氣機(jī)構(gòu)、加熱機(jī)構(gòu)及外殼組成。其中坩堝樣盤升降旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)包含升降裝置、旋轉(zhuǎn)裝置、樣盤及坩堝架；稱量機(jī)構(gòu)包含天平及天平頂桿；加熱保溫模塊包含上爐膛、下爐膛、溫度傳感器、通氣裝置及安裝在上爐膛內(nèi)的加熱器；外殼由上蓋和機(jī)體殼組成。應(yīng)用上下爐膛隔熱設(shè)計方案將稱量環(huán)境與加熱通氣保溫環(huán)境分隔成兩個區(qū)域，通過適時通氮和樣盤勻速旋轉(zhuǎn)保障稱量環(huán)境和加熱環(huán)境控溫精確；應(yīng)用溫度傳感器對上爐膛加熱溫度實(shí)時監(jiān)測確保烘干灼燒溫度準(zhǔn)確；將烘干灼燒放置在同一加熱保溫爐膛內(nèi)以便形成相同的分析氣氛條件省去樣品環(huán)冷卻環(huán)節(jié)；應(yīng)用熱天平浮力效應(yīng)校正技術(shù)完成稱量質(zhì)量修正；應(yīng)用光電伺服技術(shù)實(shí)現(xiàn)樣盤精準(zhǔn)定位；應(yīng)用偏心轉(zhuǎn)軸偏心性實(shí)現(xiàn)樣盤升降，并在樣盤降落過程中稱量機(jī)構(gòu)稱量頂桿頂起坩堝或盛樣坩堝自動完成稱量。

圖2 主機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.3 技術(shù)要求

依據(jù)JJG 1036—2008《電子天平》和DL/T 1030—2006《煤的工業(yè)分析 自動儀器法》，稱量環(huán)境溫度要求–10～40 ℃；烘干溫度在110 ℃時要求控溫誤差不超過±3.0 ℃，穩(wěn)定度不超過±2.0 ℃；灼燒溫度在600 ℃時要求控溫誤差不超過±10.0 ℃，穩(wěn)定度不超過±5.0 ℃；稱量要求示值誤差不超過±1.0 mg，重復(fù)性不大于1.0 mg；坩堝定位誤差要求≤2 mm；樣盤升降誤差要求≤2 mm；熱灼減率測定要求示值誤差不超過±0.7%，重復(fù)性不大于0.2%。

1.2.4 儀器功能

在控制器控制下，儀器上蓋自動打開，樣盤隨升降機(jī)構(gòu)自動升起，在樣盤坩堝架中放置空坩堝后，儀器上蓋自動關(guān)閉，樣盤隨升降機(jī)構(gòu)自動下降，空坩堝脫離樣盤落在稱量天平頂桿上，自動稱量和記錄空坩堝的質(zhì)量；空坩堝稱量后，儀器上蓋自動打開，樣盤隨升降機(jī)構(gòu)自動升起，在樣盤空坩堝中加入焚燒殘渣測定樣，上蓋自動關(guān)閉，樣盤隨升降機(jī)構(gòu)自動下降，盛樣坩堝脫離樣盤落在稱量天平頂桿上，自動稱量和記錄盛樣坩堝的質(zhì)量；盛樣坩堝稱量后，樣盤隨升降機(jī)構(gòu)自動升起并勻速旋轉(zhuǎn)，進(jìn)入自動烘干程序，烘干后，樣盤隨升降機(jī)構(gòu)自動下降，烘干后的盛樣坩堝脫離樣盤落在稱量天平頂桿上，進(jìn)入自動恒重確認(rèn)程序，自動稱量和記錄烘干后的盛樣坩堝質(zhì)量；烘干稱量后，樣盤隨升降機(jī)構(gòu)自動升起并勻速旋轉(zhuǎn)，進(jìn)入自動灼燒程序，灼燒后，樣盤隨升降機(jī)構(gòu)自動下降，灼燒后的盛樣坩堝脫離樣盤落在稱量天平頂桿上，進(jìn)入自動恒重確認(rèn)程序，自動稱量和記錄灼燒后的盛樣坩堝質(zhì)量，測定完成后，儀器上蓋自動打開，最后控制系統(tǒng)根據(jù)以太網(wǎng)傳輸?shù)淖茻昂蠓贌龤堅鼧悠焚|(zhì)量通過計算模塊自動計算出焚燒殘渣熱灼減率。

2 性能測試

2.1 溫度測試

2.1.1 稱量環(huán)境溫度測試

在最大加熱通氣狀態(tài)，依據(jù)JJF 1101—2019《環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備溫度、濕度參數(shù)校驗(yàn)規(guī)范》[9]，選擇稱量機(jī)構(gòu)幾何中心為溫度測量點(diǎn)，用0.01 等級型號為JY82 的特穩(wěn)攜式校驗(yàn)裝置配A 級工業(yè)鉑電阻每隔2 min 重復(fù)測量10 次，記錄溫度測量值。

稱量環(huán)境溫度測試見表1，可得：稱量環(huán)境溫度測量的最高值為37.0 ℃，測量的最低值為35.5 ℃，在–10～40 ℃范圍內(nèi)，測試滿足稱量環(huán)境溫度技術(shù)要求。

表1 稱量環(huán)境溫度測試結(jié)果

2.1.2 烘干溫度測試

在烘干溫度穩(wěn)定狀態(tài)下，依據(jù)JJF 1101—2019《環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備溫度、濕度參數(shù)校驗(yàn)規(guī)范》，選擇上爐膛幾何中心點(diǎn)為溫度測量點(diǎn)。用0.01 等級型號為JY82 的特穩(wěn)攜式校驗(yàn)儀配A 級工業(yè)鉑電阻每隔2 min 重復(fù)測量10 次，記錄測量值。設(shè)定值為110 ℃，設(shè)定溫度減去10 次測量溫度的平均值為烘干溫度的示值誤差，10 次測量溫度的最大值減去最小值為烘干溫度的穩(wěn)定度。

烘干溫度測試見表2，計算可得：烘干溫度示值誤差為–1.3 ℃;烘干溫度穩(wěn)定度為1.0 ℃，測試滿足烘干溫度的技術(shù)要求。

表2 烘干溫度測試結(jié)果

2.1.3 灼燒溫度測試

在灼燒溫度穩(wěn)定狀態(tài)下，依據(jù)JJF 1101—2019《環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備溫度、濕度參數(shù)校驗(yàn)規(guī)范》，選擇上爐膛幾何中心點(diǎn)為溫度測量點(diǎn)。用0.01 等級型號為JY82 的特穩(wěn)攜式校驗(yàn)儀配S 型標(biāo)準(zhǔn)熱電偶每隔2 min 重復(fù)測量10 次，記錄測量值。設(shè)定溫度為600 ℃，設(shè)定溫度減去10 次測量溫度的平均值為灼燒溫度的示值誤差，10 次測量溫度的最大值減去最小值為灼燒溫度的穩(wěn)定度。

灼燒溫度測試見表3，計算得知：灼燒溫度示值誤差為–7.0 ℃;灼燒溫度穩(wěn)定度為6.0 ℃，測試滿足灼燒溫度的技術(shù)要求。

表3 灼燒溫度測試結(jié)果

2.2 稱量測試

在稱量狀態(tài)下，依據(jù)JJG 1036—2008《電子天平檢定規(guī)程》[10]，用質(zhì)量為20 g F1等級的標(biāo)準(zhǔn)砝碼對稱量機(jī)構(gòu)進(jìn)行6 次重復(fù)稱量，測定值減6 次測量的平均值為稱量示值誤差，6 次測量最大值減最小值為稱量重復(fù)性。

稱量測試結(jié)果見表4，計算得知：稱量示值誤差為–0.3 mg;稱量重復(fù)性為0.7 mg，滿足稱量的技術(shù)要求。

表4 稱量測試結(jié)果

2.3 坩堝定位與樣盤升降測試

在人工操作模式下，點(diǎn)動樣盤旋轉(zhuǎn)和升降，用杠桿百分表重復(fù)10 次測量樣盤坩堝架內(nèi)壁和樣盤外圓上平面固定點(diǎn)，以首次測量點(diǎn)為零點(diǎn)，內(nèi)壁10次測量的最大值減去最小值結(jié)果的二分之一為樣盤定位誤差，上平面點(diǎn)10 次測量的最大值減最小值為樣盤升降誤差。

坩堝定位與樣盤升降測試見表5，計算得知：定位誤差為0.68 mm，升降誤差為0.8 mm，測試滿足坩堝定位與樣盤升降的技術(shù)要求。

表5 坩堝定位與樣盤升降測試結(jié)果

2.4 熱灼減率測試

依據(jù)CJ/T 313—2009《生活垃圾采樣和分析方法》[11]、HJ 1024—2019《固體廢物 熱灼減率的測定 重量法 》[12]、GB/T 212—2008《煤的工業(yè)分析方法》[13]和DL/T 1030—2006《煤的工業(yè)分析 自動儀器法》[14]，制備粒度為1 mm 質(zhì)量不少于3.0 kg的焚燒殘渣熱灼減率分析樣，充分?jǐn)嚢杈鶆?，稱取20 個質(zhì)量約20 g 的分析樣放入稱量好的空坩堝中稱量，將其中10 個樣用重量法測定其熱灼減率，將其余10 個樣用儀器法測定其熱灼減率，以重量法10 次測定結(jié)果的平均值作為參比值，參比值減儀器法10 次測定的平均值為測定儀熱灼減率的示值誤差，儀器法10 次測定的最大值減最小值為測定儀的重復(fù)性。

重量法測試見表6，儀器法測試如表7 所示，計算得知：熱灼減率測定儀示值誤差為0.25%，重復(fù)性為0.15%，滿足熱灼減率測定的技術(shù)要求。

3 重量法與儀器法技術(shù)對比

依據(jù)HJ 1024—2019《固體廢物 熱灼減率的測定 重量法 》、儀器法技術(shù)要求及熱灼減率測試結(jié)果，重量法與儀器法的技術(shù)指標(biāo)對比見表8，結(jié)果表明儀器法技術(shù)指標(biāo)高于重量法技術(shù)指標(biāo)。根據(jù)表6和表7 結(jié)果分別計算熱灼減率的測量精密度與極差，重量法測量精密度為0.16%，極差為0.30%；儀器法測量精密度為0.08%，極差為0.15%。結(jié)果表明儀器法分析水平優(yōu)于重量法分析水平，其測量精密度提高了50%。

表6 重量法測試結(jié)果

表7 儀器法測試結(jié)果

表8 技術(shù)指標(biāo)對比

4 不確定度評定

焚燒殘渣熱灼減率自動測定儀不確定度來源主要為稱量測量示值誤差不確定度、烘干溫度測量示值誤差不確定度、熱灼溫度測量示值誤差不確定度及熱灼減率測量示值誤差不確定度。采用A 類評定方法評定重復(fù)測量引入的不確定度，采用B 類評定方法評定讀數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)器引入的不確定度。依據(jù)性能測試方法和測量結(jié)果，用實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差求重復(fù)測量引入的不確定度分量，視讀數(shù)誤差和標(biāo)準(zhǔn)器允許誤差為均勻分布，求讀數(shù)誤差和標(biāo)準(zhǔn)器允許誤差引入的不確定度分量，將分量合成，取置信概率p=95%時，包含因子k=2，求擴(kuò)展不確定度。依據(jù)溫度測試、稱量測試及熱灼減率測試結(jié)果，不確定度評定見表9。

表9 不確定度評定

5 結(jié)束語

本文研制的焚燒殘渣熱灼減率自動測定儀，實(shí)現(xiàn)了測定過程樣品自動放置、樣品烘干灼燒溫度自動控制、樣品烘干灼燒自動完成、樣品自動測量、數(shù)據(jù)自動存儲和測定結(jié)果的自動計算及省去了冷卻恒重確認(rèn)循環(huán)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)焚燒殘渣熱灼減率測定自動化和測定設(shè)備一體化，降低了勞動強(qiáng)度，避免了安全風(fēng)險，提升了分析效率，提高了分析技術(shù)水平和測量精密度。同時通過調(diào)節(jié)適配參數(shù)可廣泛用于高純氧化銦、氯化稀土、碳酸輕稀土等樣品的熱灼減率測定，通過增配智能機(jī)器人和自動加樣裝置可實(shí)現(xiàn)熱灼減率測定無人值全自動化，其適應(yīng)性和技術(shù)水平可擴(kuò)展，滿足焚燒殘渣熱灼減率測定的社會需求。