基于元素分析的垃圾焚燒煙氣計算與研究

殷　科

（上海電氣集團股份有限公司中央研究院，上海200070）

基于元素分析的垃圾焚燒煙氣計算與研究

殷科

（上海電氣集團股份有限公司中央研究院，上海200070）

以垃圾燃料的元素分析為依據，系統分析了垃圾焚燒的煙氣成分含量，推出了煙氣量、空氣量、N2、O2、H2O、CO2、SO2、HCl、NOx、顆粒物等煙氣成分的簡化計算公式。重點討論元素成分對各煙氣成分濃度的影響作用，可知2者之間存在著較大的線性相關系數。增大過量空氣系數后，煙氣量和O2含量會隨之大幅增加，H2O和CO2含量會相應程度減少。設計不同的入爐垃圾比重時，將顆粒物、SO2、HCl、NOx含量的簡化計算公式再引入相應的修正系數之后，可以保證簡化計算結果與常規計算結果的誤差僅控制在6%的范圍內。

煙氣成分；垃圾燃料；簡化計算；過量空氣系數

目前，國內雖有提出針對煙氣的近似計算公式［1-4］，但這些經驗公式大多只是關于燃煤電站鍋爐的煙氣量或是某單一煙氣成分的歸納，并沒有系統地針對生活垃圾的物料性質作出全面的煙氣成分分析。因此，筆者采用基于生活垃圾元素分析的數據來模擬實際燃燒所生成的煙氣量及煙氣成分含量，推出了相應的簡化計算公式，并歸納總結了過量空氣系數、入爐垃圾密度對污染物成分濃度的影響規律，結合分析法得出的精確數值進行誤差比較，得出一套可靠的經驗公式推導流程，為實際工程中對煙氣成分的快速估算提供優化指導。

1　煙氣成分

根據我國城市生活垃圾的性質，垃圾中的含碳量與含硫量均比煤低，含水率則遠高于煤（含量40%～60%），同時垃圾中還有有毒鹵元素存在（Cl、F、Br，含量0.1%～1.0%），其它元素成分含量基本與煤相近［5］。針對化學特性，垃圾焚燒煙氣的主要無害成分是N2、O2、H2O、CO2，約占煙氣體積的99%；有害成分為顆粒物、SO2、HCl、NOx等其它污染物，約占1%。

2　計算公式

鍋爐中燃燒產物的計算包括煙氣量和煙氣成分的計算。出口煙氣量的大小可參照燃料燃燒公式［6］：

式中：Vfg0為理論煙氣量，m3/kg；Vair0為理論空氣量，m3/kg；α為過量空氣系數。

而煙氣中各氣體成分的計算方法如下［5］：

式中：φ為入爐燃料中N元素生成NOx的轉化率；Car、Har、Nar、Sar、Clar、Mar、Aar分別為入爐燃料中的收到基元素成分和水分、可燃分含量，%。

3　原始數據

由于我國生活垃圾具有物理成分復雜和不穩定的特點，因此在計算的過程中，需選取多種垃圾特性作為計算依據。

如表1所示，編號1～13的數據為我國常見的幾種垃圾燃料的元素成分及相應熱值［7］，編號14的數據為垃圾焚燒過程中摻燒煤的元素成分及相應熱值，垃圾與煤的摻燒質量比為81.5∶18.5。

4　簡化計算方法

4.1煙氣量分析

在不同的垃圾熱值情況下，燃燒過程中的理論空氣量和理論煙氣量會發生變化，若引入垃圾燃料的折算成分概念，即單位發熱量所對應的燃料成分，則折算煙氣量與折算空氣量的值將基本保持不變。規定相對于每4 182 kJ/kg收到基低位發熱量的燃料所含的收到基元素成分稱為垃圾燃料的折算成分［8］，計算方法如下：

式中：Xar為垃圾摻煤后燃料的收到基元素含量，%；Xar，zs為相應的折算成分，%；Qar為垃圾摻煤后燃料的收到基低位發熱量，kJ/kg。

同理，將式（1）用燃料的折算特性表示，可得：

根據表1數據，可得折算理論空氣量和折算理論煙氣量與折算水分之間的關系，如圖1所示。

圖1　折算理論空氣量、理論煙氣量與折算水分的關系

從圖1中可以看出，垃圾燃燒的折算理論空氣量、理論煙氣量與折算水分呈線性關系，隨著折算水分的增加而增大，進行線性擬合后可得：

再將上述擬合公式代入到式（11）中，可得出折算實際煙氣量。一般，在過量空氣系數為1.4的情況下，根據折算成分的定義反推，可得鍋爐出口實際煙氣量的簡化計算方法為：

4.2煙氣主要成分分析

垃圾在燃燒過程中，N2與O2主要是由送入爐膛燃燒的空氣以及物料中的N、O元素轉化而成，一般情況下，N2占煙氣量的60%～80%，O2占煙氣量的4.6%～9.2%；煙氣中的H2O主要由垃圾中的水分組成，占煙氣量的15%～25%；垃圾在充分燃燒的情況下，垃圾中的C元素幾乎全部轉化為煙氣中的CO2，占煙氣量的7.1%～8.4%［5］。

基于表1中的元素分析數據，N2、O2、H2O、CO2含量的分析結果如圖2所示。

圖2　煙氣中N2、O2、H2O、CO2含量分析

從圖2中可以看出，煙氣中N2、O2含量隨著折算理論空氣量的增加而呈線性減少趨勢，H2O含量隨著折算水分的增加呈線性增長趨勢，對計算數據進行線性擬合可得相應的簡化計算公式：

由于CO2的含量與折算碳分之間沒有明顯的數據關系，因此CO2的計算公式根據式（9）進行簡化，可得：

4.3煙氣污染物成分分析

垃圾在焚燒時會產生一些污染性氣體，根據元素守恒定律可知，物料中的部分N元素將轉化成NOx，S元素轉化成SO2，Cl元素轉化成HCl，F元素轉化成HF，Br元素轉化成HBr，灰分轉化成顆粒物等等。

在研究煙氣污染物濃度時，對垃圾元素含量與污染物濃度進行相關性分析，分析結果見表2。分析過程中取過量空氣系數1.4，污染物濃度換算成標準狀態下以11%O2（干煙氣）作為基準時的排放濃度，單位為mg/m3。

表2　垃圾元素成分與污染物濃度的相關系數

由表2可知，Xar/Car與污染物濃度具有較大的相關系數，且計算簡單，可用作于簡化計算的研究條件，數據分析結果匯總于圖3中。從圖3中可知，污染物濃度隨著Xar/Car比值的增加呈線性增長，擬合結果可作為污染物含量的簡化計算公式：

以飛灰（Dust）占灰分總量的15%計算，物料中N元素生成NOx的轉化率為20%，而S元素轉化為SO2以及Cl元素轉化為HCl的轉化率均為100%［5］。

圖3　煙氣污染物含量分析

4.4簡化方法驗證

從擬合的簡化公式來看，計算過程只與物料初始元素有關，少去了復雜的煙氣量的計算過程，而針對煙氣量的計算，則忽略了燃料種類對其的影響，由此造成的誤差約為1.05%，見表3。

由于選取的13種入爐垃圾燃料，均滿足目前我國生活垃圾元素含量的一般數據范圍［5］，且基本涵蓋了常見的垃圾種類，由此分析計算的結果具有一定的普適性。根據表3可知，煙氣成分的簡化計算結果與常規計算結果的誤差最大不超過5%，基本在1.05%附近浮動，與常規分析法已無實際上的區別，可用來替代或校核常規計算方法。

表3　2種計算方法誤差比較%

4.5過量空氣系數的影響分析

在垃圾成分穩定的前提下，改變過量空氣系數的大小將直接影響實際煙氣量的大小，煙氣量隨著過量空氣系數的增大而增大，再根據式（2）～（9）可知，煙氣中污染物的濃度就會隨著煙氣量的增大而減小。若換算成以11%O2（干煙氣）含量為基準時，則污染物濃度的變化還需要考慮氧氣含量的影響作用。

如表4所示，將不同過量空氣系數下的各煙氣成分濃度與過量空氣系數為1.4時的濃度用（SO2-SO2，1.4）/SO2，1.4進行歸一化處理，可知N2、顆粒物、SO2、HCl、NOx濃度的偏差都僅在5%以內，在該偏差范圍內仍可繼續使用α=1.4時的簡化計算公式。

表4　過量空氣系數下煙氣成分的相對偏差%

然而，對于實際煙氣、O2、H2O、CO2含量而言，需要考慮過量空氣系數對它們的影響作用。根據表4的數據，可得到如下關系式：

在上述擬合公式（23）～（26）中，過量空氣系數的變化范圍為1.1～1.4，即可根據α=1.4時的值求出該范圍α為其它值時的煙氣成分含量。

4.6入爐垃圾比重的影響分析

為了提高入爐燃料的熱值，以保證鍋爐能夠達到一定的熱負荷，垃圾在焚燒過程中通常會摻燒一定量的煤用作輔助燃料使用。一般垃圾與煤的密度為4∶1～16∶1［9］，因此在研究摻煤量的影響作用時選取以下5種工況進行分析，見表5。

從表5可知，在不同的入爐垃圾密度工況下，通過簡化計算的N2、O2、H2O、CO2濃度以及實際煙氣量的大小與常規方法計算的數值偏差僅在5%以內，在該偏差范圍內可繼續使用簡化公式。然而，對于以下污染物（顆粒物、SO2、HCl、NOx）濃度就必須要進行修正，將公式（19）～（22）乘上相應的修正系數β，則簡化計算結果與常規計算結果的偏差都控制在6%以內，在該偏差范圍內可使用修正后的公式進行計算，如表6所示。

表5　入爐垃圾密度對煙氣成分的影響偏差%

表6　引入β后的入爐垃圾密度對煙氣成分的影響偏差%

5　結論

1）歸納總結了簡化計算公式，以垃圾為輸入燃料，系統分析了垃圾特性與煙氣成分之間的相互關系。在垃圾性質多變的情況下，能夠合理分析出焚燒煙氣的成分含量，為實際工程中的現場快速估算提供一套優化計算方法。

2）簡化計算分析從元素成分分析著手，引入元素守恒概念和折算成分概念，詳細描述了簡化分析的推導方法及推導公式，并與常規計算方法進行比較驗證，兩者的誤差在1.05%左右。由此，得出的簡化計算公式（12）～（22）能夠合理代替常規計算方法，且具有快速、簡單、準確的計算特點。

3）改變過量空氣系數值對煙氣量的大小以及O2、H2O、CO2的濃度會產生較大影響。通過對過量空氣系數在1.1～1.4范圍內分析，以α=1.4為基準，結合擬合公式（23）～（26），可方便地計算出其他過量空氣系數下的煙氣成分含量。

4）以垃圾與煤的密度在4∶1～16∶1的變化范圍內分析，改變入爐垃圾的密度會對顆粒物、SO2、HCl、NOx的濃度產生較大影響。在引入修正系數β之后，并結合公式（19）～（22），可將簡化計算的誤差控制在6%以內，以入爐垃圾密度為81.5%為基準，再乘上修正系數之后就可方便計算出其它密度情況下的煙氣成分含量。

［1］邢德山，閻維平.基于燃煤元素分析數據的煙氣SO2濃度計算與分析［J］.電力科學與工程，2006，22（3）：38-40.

［2］胡智榮.簡化燃料燃燒計算的研究［J］.硅酸鹽通報，1982，1（3）：49-57.

［3］劉詩詞.煙氣含塵濃度簡化計算法［J］.華中電力，1990，3（2）：19-22.

［4］田潤連.煙氣量的簡易計算［J］.城市煤氣，1981，1（2）：26.

［5］白良成.生活垃圾焚燒處理工程技術［M］.北京：中國建筑工業出版社，2009.

［6］丁立新.電站鍋爐原理［M］.北京：中國電力出版社，2006.

［7］生活垃圾流化床焚燒工程技術導則（RISN-TG016-2014）［M］.北京：住房和城鄉建設部標準定額研究所，2014.

［8］張建中.使用國際單位制對燃料折算特性定義及煙氣露點溫度計算公式選擇的影響［J］.熱機技術，2004，9（3）：30-33.

［9］徐德軍，王政，毛軍華，等.提高流化床垃圾焚燒爐中垃圾與煤摻燒比例的對策［C］.中國動力工程學會第九屆鍋爐專業委員會第一次學術交流會議論文集，2008：284-288.

Calculation and Research of Flue Gas from Municipal Solid Waste Incineration Based on Element Analysis

Yin Ke
（Central Academe，Shanghai Electric Group Co.Ltd.，Shanghai200070）

The flue gas components from municipal solid waste incineration were systematically analyzed based on soild waste element analysis.Several simplified calculation formulas about flue gas volume，combustion air volume，flue gas componentsconcentration involving N2，O2，H2O，CO2，SO2，HCl，NOx，dust were deduced.The impacts of element composition on the flue gas components concentration were emphatically discussed.Results showed that there was a larger linear correlation coefficient between them.With excessair coefficient increasing，the flue gasvolume and O2concentration will also increase significantly，but both H2O and CO2concentration will decrease by a corresponding degree.Under different proportions waste，the calculation error about dust，SO2，HCl，NOxconcentrations between simplified method and general method will be controlled within 6%when considering the correction coefficient.

flue gascomponents；solid waste；simplified calculation；excessair coefficient

TK16；X701；X799.3；

A

1005-8206（2016）05-0044-05

2016-03-22

殷科（1989—），碩士研究生，從事固體廢物處理研究。