生活垃圾焚燒煙氣再循環(huán)率影響因素研究及應(yīng)用

張 政，郭孝武，周 升

(上海康恒環(huán)境股份有限公司,上海 201703)

1 前 言

隨著我國(guó)垃圾焚燒行業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展期，NOx是城市生活垃圾焚燒產(chǎn)生的主要污染物之一，其排放對(duì)環(huán)境和人體健康造成嚴(yán)重的危害。垃圾焚燒煙氣中NOx一部分來源于垃圾中含氮有機(jī)質(zhì)的分解轉(zhuǎn)化，另一部分來源空氣中的氮在氧化氣氛和高溫條件下經(jīng)過一系列的化學(xué)反應(yīng)生成的。隨著環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的提高和人們環(huán)保意識(shí)的日益增強(qiáng)，垃圾焚燒過程中產(chǎn)生的污染物必須受到嚴(yán)格的控制[1]。

目前垃圾焚燒NOX的去除主要通過后續(xù)的煙氣凈化系統(tǒng)中選擇性催化還原反應(yīng)(SCR)和選擇性非催化還原反應(yīng)(SNCR)這兩種脫硝方法；但無論采用哪種方法，都會(huì)消耗一定量的原材料(如尿素或氨水等)；但NOX的排放需從源頭和燃燒過程中加以控制。采用煙氣再循環(huán)技術(shù)可降低一定量的NOX，減少原材料消耗，同時(shí)降低排煙損失，提高經(jīng)濟(jì)效益。

2 煙氣再循環(huán)技術(shù)簡(jiǎn)介

煙氣再循環(huán)系統(tǒng)工藝流程如圖1：在垃圾焚燒系統(tǒng)中，再循環(huán)煙氣(約150℃)從袋式除塵器和引風(fēng)機(jī)之間管道部位引出，通過循環(huán)風(fēng)機(jī)和循環(huán)煙氣管道引至焚燒爐內(nèi)。通過焚燒爐上設(shè)置的集氣集箱和噴嘴，由將循環(huán)煙氣均勻分配并高速噴入焚燒爐內(nèi)，與爐內(nèi)煙氣充分?jǐn)_動(dòng)、混合，形成還原性氛圍。同時(shí)，如圖2在回流煙氣噴嘴上方相應(yīng)位置處設(shè)置二次風(fēng)噴嘴，引入一定量的二次風(fēng)，為未完全燃盡產(chǎn)物提供氧氣，保證煙氣中CO等可燃物的完全燃燒。該系統(tǒng)主要設(shè)備包括：循環(huán)風(fēng)機(jī)、回流煙氣噴嘴、集氣集箱、二次風(fēng)噴嘴以及回流煙氣管道及管道上的流量計(jì)、煙氣擋板、熱電偶、壓力表、變送器等，各設(shè)備的選型參數(shù)與設(shè)計(jì)工況下煙氣再循環(huán)率有關(guān)，需根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)計(jì)算進(jìn)行選型。

圖1 煙氣再循環(huán)工藝流程圖Fig.1 Flow chart of flue gas recycling process

圖2 二次風(fēng)噴嘴和循環(huán)煙氣噴嘴布置示意圖Fig.2 Schematic diagram of secondary air nozzle and circulating flue gas nozzle arrangement

煙氣再循環(huán)的基本原理：因再循環(huán)煙氣具有含氧量低和溫度低的特點(diǎn)，可以起到代替全部或部分二次風(fēng)的作用；將循環(huán)煙氣噴入焚燒爐合適部位，可以調(diào)節(jié)煙氣溫度，防止?fàn)t膛溫度過高而產(chǎn)生結(jié)焦；同時(shí)，在局部形成還原性氛圍，從而抑制NOX的生成，降低NOX的排放量。另外，煙氣再循環(huán)技術(shù)可通過降低過量空氣系數(shù)來提高再循環(huán)率，在保證垃圾完全燃燒、燃燼的前提下，盡可能的降低過量空氣系數(shù)(如降低過量空氣系數(shù)至1.2～1.4)，提高煙氣再循環(huán)率，可進(jìn)一步減少NOX的生成[2～4]。

3 煙氣再循環(huán)率的影響因素

雖然增大煙氣再循環(huán)率，NOX的排放就會(huì)越低，但循環(huán)率并不是越高越好，它與垃圾熱值、過量空氣系數(shù)、余熱鍋爐出口煙氣中氧氣濃度以及二噁英的控制措施等諸多因素有關(guān)。因此，控制合理的循環(huán)煙氣量就顯得尤為重要。下面以單臺(tái)垃圾處理規(guī)模600t/d的焚燒爐為研究對(duì)象，來研究垃圾熱值、過量空氣系數(shù)、余熱鍋爐出口煙氣中氧氣濃度以及二噁英的控制措施對(duì)煙氣再循環(huán)率的影響。

3.1 二噁英控制措施對(duì)煙氣再循環(huán)率的影響

二噁英是垃圾焚燒過程中產(chǎn)生的主要污染物之一，其生成途徑主要跟垃圾特性和燃燒工況有關(guān)。合理控制爐內(nèi)煙氣溫度、煙氣停留時(shí)間，可以減少二噁英的生成。

控制二噁英的3T原則即：保證焚燒爐出口煙氣的足夠溫度(Temperature即1T)850～1100℃，又保證煙氣在燃燒室內(nèi)停留足夠的時(shí)間(Time即2T)二次燃燒室停留時(shí)間超過2.0s，以及燃燒過程中較大的擾動(dòng)(Turbulence即3T)，可防止大量的二噁英生成[1]。

循環(huán)煙氣代替部分或全部二次風(fēng)進(jìn)入爐膛，具有調(diào)節(jié)爐膛溫度，與爐內(nèi)煙氣形成強(qiáng)烈擾動(dòng)，可有效的防止二噁英的生成。但煙氣再循環(huán)率過大，會(huì)導(dǎo)致煙氣在爐內(nèi)無法達(dá)到850℃以上，停留2s的要求。下面通過數(shù)值模式和設(shè)計(jì)計(jì)算來說明二噁英的控制措施對(duì)煙氣再循環(huán)率的影響。

單臺(tái)垃圾處理規(guī)模600t/d的焚燒爐設(shè)計(jì)邊界條件：入爐垃圾熱值7 536kJ/kg，一次風(fēng)過量空氣系數(shù)按1.3選取，二次風(fēng)完全由再循環(huán)煙氣代替，煙氣再循環(huán)率為12%；焚燒爐第一煙道平均截面積為30m2，煙氣量為116 262Nm3/h，再循環(huán)煙氣噴入點(diǎn)截面至第一煙道出口截面高度為16m，如圖3, 850℃，2s的計(jì)算簡(jiǎn)化模型所示?；谝陨显O(shè)計(jì)條件和計(jì)算模型，通過數(shù)值模擬得出爐膛溫度分布如圖4所示。

圖3 850℃，2S簡(jiǎn)化計(jì)算模型Fig.3 850℃，2S simplified computational model

由圖4溫度分布圖中可以看出，煙氣回流后，垃圾可順利著火燃燒；循環(huán)煙氣噴入點(diǎn)截面的平均溫度約為975℃，第一煙道出口截面平均溫度約為870℃。

圖4 爐膛溫度分布剖面圖Fig.4 Furnace temperature distribution profile

基于850℃，2s簡(jiǎn)化計(jì)算模型，通過以下公式計(jì)算，煙氣從循環(huán)煙氣噴入點(diǎn)截面至第一煙道出口截面，溫度由975℃降至870℃所用時(shí)間為3.5s，滿足環(huán)保要求。

其中：t-溫度由975℃降至870℃所用時(shí)間，(S)；

L-再循環(huán)煙氣噴入點(diǎn)截面至第一煙道出口截面高度，(m)；

V-煙氣平均流速，(m/s)；

Fg-煙氣量，(Nm3/h)；

T0-煙氣噴入點(diǎn)截面平均溫度，(℃)；

T1-第一煙道出口截面煙氣平均溫度，(℃)；

A-第一煙道平均截面積，(m2)。

同理，基于以上邊界條件和計(jì)算模型，多次迭代計(jì)算后得出，最大煙氣再循環(huán)率為18.6%，此時(shí)再循環(huán)煙氣噴入點(diǎn)截面溫度為950℃，即焚燒爐出口煙氣溫度最低為950℃，否則不能滿足850℃，2s的環(huán)保要求。

因循環(huán)煙氣代替部分或全部二次風(fēng)進(jìn)入爐膛，具有調(diào)節(jié)爐膛溫度的作用，控制再循環(huán)煙氣噴入點(diǎn)截面溫度，對(duì)保證環(huán)保要求的850℃，2s尤為重要，從而才能有效抑制二噁英的大量生成；煙氣再循環(huán)率越大，在循環(huán)煙氣噴入點(diǎn)截面的溫度就越低，煙氣再循環(huán)率與再循環(huán)煙氣噴入點(diǎn)截面溫度的關(guān)系如圖5所示。

圖5 煙氣再循環(huán)率與再循環(huán)煙氣噴入點(diǎn)截面溫度的關(guān)系Fig.5 Relationship between flue gas recirculation rate and cross-section temperature of the recirculating flue gas injection point

值得一提的是，采用煙氣再循環(huán)技術(shù)，還可以將循環(huán)煙氣中未分解的殘留二噁英重新帶入燃燒室內(nèi)，進(jìn)行二次分解，起到進(jìn)一步控制二噁英的作用。

3.2 垃圾熱值對(duì)煙氣再循環(huán)率的影響

同一垃圾處理規(guī)模焚燒爐，不同垃圾熱值，煙氣再循環(huán)率也不相同。單臺(tái)垃圾處理規(guī)模600t/d的焚燒爐，控制再循環(huán)煙氣噴入點(diǎn)截面的溫度為950℃(保證環(huán)保要求的850℃，2s)，一次風(fēng)過量空氣系數(shù)按1.3選取，二次風(fēng)完全由再循環(huán)煙氣代替?；谝陨显O(shè)計(jì)條件和圖4計(jì)算模型，通過數(shù)值模擬和設(shè)計(jì)計(jì)算，得出同一垃圾處理規(guī)模，不同垃圾設(shè)計(jì)低位熱值條件下，煙氣再循環(huán)率如表1所示。

表1 煙氣再循環(huán)率與垃圾熱值的關(guān)系Tab.1 Relationship between flue gas recycling rate and waste heat value

由表1可以看出，煙氣再循環(huán)率與垃圾熱值成正比，垃圾熱值越高，煙氣再循環(huán)率越大，可循環(huán)煙氣量就越多。

3.3 過量空氣系數(shù)和余熱鍋爐出口氧濃度對(duì)煙氣再循環(huán)率的影響

在同一垃圾處理規(guī)模和垃圾設(shè)計(jì)低位熱值條件下，不同的過量空氣系數(shù)和余熱鍋爐出口氧濃度，煙氣再循環(huán)率也不相同。單臺(tái)垃圾處理規(guī)模600t/d的焚燒爐，垃圾設(shè)計(jì)低位熱值為7954KJ/kg，控制再循環(huán)煙氣噴入點(diǎn)截面的溫度為950℃，二次風(fēng)完全由再循環(huán)煙氣代替。基于以上設(shè)計(jì)條件和圖4的計(jì)算模型，通過數(shù)值模擬和設(shè)計(jì)計(jì)算，得出不同過量空氣系數(shù)和不同余熱鍋爐出口氧濃度條件下，煙氣再循環(huán)率如表2所示：

表2 煙氣再循環(huán)率與過量空氣系數(shù)和余熱鍋爐出口氧濃度的關(guān)系Tab.2 Relationship between flue gas recirculation rate and excess air ratio and oxygen concentration at waste heat boiler outlet (%)

由表2可以看出，煙氣再循環(huán)率與過量空氣系數(shù)和余熱鍋爐出口氧濃度成反比，過量空氣系數(shù)和余熱鍋爐出口氧濃度越大，煙氣再循環(huán)率越小。

綜上，煙氣再循環(huán)率受諸多因素影響，具有一定的局限性，需根據(jù)以上各影響因素，綜合考慮選擇合適的煙氣再循環(huán)率。煙氣再循環(huán)率越大，NOX的生成量也會(huì)越少。但由于煙氣再循環(huán)率增加，相應(yīng)的過量空氣系數(shù)和余熱鍋爐出口氧濃度會(huì)減少，煙氣中可燃成分增加，導(dǎo)致燃燒不充分。因此，在實(shí)際運(yùn)行中，應(yīng)綜合考慮各種煙氣再循環(huán)率影響因素，在保證完全燃燒條件下，盡可能的增加循環(huán)煙氣，以降低NOX的排放。

4 煙氣再循環(huán)技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

4.1 運(yùn)行實(shí)例

某生活垃圾焚燒發(fā)電廠，建設(shè)規(guī)模為2x600t/d，日處理垃圾1 200t，設(shè)計(jì)垃圾低位熱值為7 117kJ/kg。建廠前未采用煙氣回流技術(shù)，經(jīng)改造采用煙氣再循環(huán)技術(shù)后，與未改造前的運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比如表3所示。

表3 未采用煙氣再循環(huán)和采用煙氣再循環(huán)運(yùn)行數(shù)據(jù)Tab.3 No flue gas recirculation and flue gas recirculation operational data

不同的煙氣再循環(huán)率，其運(yùn)行數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 不同煙氣再循環(huán)率，運(yùn)行數(shù)據(jù)Tab.4 Different flue gas recycling rates, operating data

從上表數(shù)據(jù)可以看出，采用煙氣再循環(huán)技術(shù)比未采用煙氣再循環(huán)技術(shù)NOX濃度降低了42%，效果明顯；同時(shí)，隨著煙氣再循環(huán)率的提高，NOX含量逐漸降低，但CO含量有小幅度升高。由此可見，采用煙氣再循環(huán)技術(shù)可有效地降低NOX的排放量。

另外，采用煙氣再循環(huán)技術(shù)，過量空氣系數(shù)降低，煙氣量減小，鍋爐排煙熱損失降低，蒸發(fā)量也有一定量的增加。不同的煙氣再循環(huán)率，余熱鍋爐蒸發(fā)量運(yùn)行數(shù)據(jù)如表5。

表5 不同煙氣再循環(huán)率，余熱鍋爐蒸發(fā)量運(yùn)行數(shù)據(jù)Tab.5 Different flue gas recirculation rate, waste heat boiler evaporation operating data

從表5可以看出，隨著煙氣再循環(huán)率的增加，余熱鍋爐蒸發(fā)量也逐漸增大；但余熱鍋爐蒸發(fā)量與煙氣再循環(huán)率并不是成正比的關(guān)系，煙氣再循環(huán)率對(duì)余熱鍋爐蒸發(fā)量的影響，如圖6所示。

圖6 煙氣再循環(huán)率對(duì)余熱鍋爐蒸發(fā)量的影響Fig.6 Effect of flue gas recirculation rate on evaporation of waste heat boilers

由圖6可以看出，在一定的范圍內(nèi)，增大煙氣再循環(huán)率，降低排煙損失，可以增加余熱鍋爐蒸發(fā)量。隨著煙氣再循環(huán)率逐漸增大，鍋爐蒸發(fā)量會(huì)達(dá)到一個(gè)峰值，遂逐漸下降；當(dāng)再循環(huán)煙氣量過大，焚燒爐出口煙氣溫度降低，鍋爐蒸發(fā)量降低。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

4.2.1 氨水用量：采用煙氣再循環(huán)，每天可節(jié)省氨水(20%的氨水)量1.35t，氨水價(jià)格按900元/t，年運(yùn)行8 000h計(jì)算，年節(jié)省費(fèi)用40.5萬元。

4.2.2 發(fā)電量：采用煙氣再循環(huán)，與未采用煙氣再循環(huán)相比，鍋爐蒸發(fā)量增加約1.3t/h，發(fā)電量增加約294 kwh，電價(jià)按0.65元/kwh，年運(yùn)行按8 000h計(jì)算，年增加收益153萬。

4.2.3 電量消耗：采用煙氣再循環(huán)，增加了再循環(huán)風(fēng)機(jī)的電量消耗，但引風(fēng)機(jī)風(fēng)量減小，引風(fēng)機(jī)電量消耗減少；另外，氨水用量減少，氨水泵電量消耗減少，增加的電量消耗基本與減少的電量持平。

4.2.4 投資成本：增加設(shè)備及管道等的投資約60萬元。

4.2.5 年收益：設(shè)備折舊按8年計(jì)算，年收益186萬。

5 結(jié) 論

通過數(shù)值模擬和理論分析，以及實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，得出以下結(jié)論：

5.1 采用煙氣再循環(huán)技術(shù)，可有效地降低NOX的排放，再循環(huán)率越高，NOX排放量就會(huì)越低。

5.2 采用煙氣再循環(huán)技術(shù)，并不是再循環(huán)率越大越好，煙氣再循環(huán)率與垃圾熱值、過量空氣系數(shù)、余熱鍋爐出口煙氣中氧氣濃度以及二噁英的控制等因素有關(guān)。煙氣再循環(huán)率越大，相應(yīng)的過量空氣系數(shù)、余熱鍋爐出口氧濃度就會(huì)越低，不利于煙氣中可燃成分(CO等)的完全燃燒，且會(huì)降低焚燒爐出口煙氣溫度，達(dá)不到850℃，2s的環(huán)保要求，也會(huì)造成鍋爐蒸發(fā)量降低。因此，在設(shè)計(jì)和實(shí)際運(yùn)行中需根據(jù)垃圾特性和焚燒爐燃燒工況，在保證完全燃燒和環(huán)保要求的情況下，實(shí)時(shí)調(diào)整煙氣再循環(huán)率。

5.3 采用煙氣再循環(huán)技術(shù)，可減少煙氣凈化物料消耗，降低排煙損失，提高鍋爐蒸發(fā)量，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

近年來，隨著垃圾焚燒行業(yè)環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的提高和人們環(huán)保意識(shí)的日益增強(qiáng)，超低排放標(biāo)準(zhǔn)已成為垃圾焚燒發(fā)電行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)；筆者認(rèn)為煙氣再循環(huán)技術(shù)與SNCR和SCR脫硝技術(shù)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)NOX的超低排放。