垃圾焚燒循環流化床鍋爐污染物控制工業測試

張紅霞，王玉召，張建生，趙春剛，王勁松

(1．承德石油高等專科學校 a.紀監審辦公室；b.熱能工程系，河北 承德 067000；2．承德環能熱電有限責任公司，河北 承德 067000)

中國每年的生活垃圾產量在1億t左右，其中無害處理率僅為3%，對環境造成了不可估量的破壞。因此對生活垃圾進行資源化、減量化、無害化的處理是必要的[1]。從世界范圍看，目前比較成熟的城市生活垃圾處理方法主要有衛生填埋、堆肥和焚燒。其中，垃圾焚燒技術具有占地面積小、處理時間短、垃圾減量化顯著、能量利用率高等優點，是目前世界上應用比較普遍的垃圾處理方法[2]。我國目前的焚燒廠以機械爐排焚燒爐技術和循環流化床焚燒爐技術為主[3]。京津冀地區垃圾資源化利用已經具有一定的規模，但總體資源化利用率不夠高，資源化利用以焚燒發電為主[4]。我國在“十二五”期間大力推廣垃圾焚燒技術，但是垃圾焚燒帶來的二次污染不容忽視。城市生活垃圾焚燒后的煙氣中不僅含有顆粒物和重金屬(如Pb、Cd、Hg、Cr)，還包括大量酸性氣體(如HCl、SO2、NOx)和CO、二噁英等有毒化合物[2]。為了降低污染物排放，各國都對垃圾焚燒產生的污染物的排放制定了嚴格的標準和規范，我國在2014年重新修訂了《生活垃圾焚燒污染控制標準》，規定了生活垃圾焚燒廠HCl、SO2、NOx、重金屬和二噁英類等污染物排放限值[5]，大大推動了垃圾焚燒二次污染物形成機理的研究和煙氣處理技術的發展。本文介紹了垃圾焚燒循環流化床鍋爐的煙氣處理技術，對一臺日焚燒垃圾300 t的循環流化床鍋爐的主要污染物排放進行了測試，并對測試結果進行了對標分析。

1 鍋爐設備和煙氣處理系統

1.1 鍋爐簡介

承德環能熱電有限責任公司的垃圾焚燒循環流化床鍋爐，型號為UG-400-75/3.82/450-F，鍋爐結構簡圖(見圖1)。該鍋爐采用單鍋筒、自然循環、膜式水冷壁、蝸殼式絕熱旋風分離器、U型返料器、外置高溫過熱器等技術。設計蒸發量為75 t/h，焚燒垃圾量為300 t/d，不足熱量由煤補充。

1.2 煙氣處理系統

通常，垃圾焚燒污染物控制有兩種方式：燃燒控制和燃燒后凈化處理。目前，普遍認為保持爐膛溫度大于850 ℃，煙氣停留時間達到2 s，加強混合擾動，控制過量空氣系數，即遵循“3T+E”原則，能夠改善燃燒工況，使垃圾燃燒徹底，完全氧化分解廢物及垃圾中原有的二噁英，減少不完全燃燒產物、CO和前驅物的生成量[6]。但是，單純改進燃燒工藝，并不能完全實現污染物的達標排放，其中一個重要原因是燃燒參數控制對污染物往往有“此消彼長”的效果。如：提高爐溫和含氧量有助于去除二噁英，但對NOx的生成卻有促進作用。因此，越來越多的研究人員把目光轉向燃燒后凈化處理，這也成為垃圾焚燒煙氣污染控制的關鍵[2]。

承德環能熱電有限責任公司垃圾焚燒循環流化床鍋爐的煙氣處理系統為：半干法脫酸+活性炭吸附+布袋除塵器除塵(見圖2)。

半干法脫酸系統主要包括：反應器、霧化噴嘴和相關連接煙道。該技術根據循環流化床理論和噴霧干燥原理，采用懸浮方式使吸收劑Ca(OH)2在吸收塔內懸浮、反復循環，與煙氣中的SO2、HF、HCl等酸性氣體充分接觸、反應來實現脫除酸性氣體。設計HCI+HF脫除效率為90%，SOx脫除效率為90%。

活性炭吸附是為保證汞等重金屬和二噁英達標排放。活性炭噴射位置設在袋式除塵器前的煙氣管道中，經活性炭給料機在流化風機作用下噴入，在煙道中活性炭與煙氣強烈混合，從而達到對重金屬和二噁英的吸附凈化。設計Hg脫除效率為99.2%，二噁英脫除效率為99%。

采用的低壓噴吹脈沖布袋除塵器主要由上箱體、灰斗、支架、濾袋及清灰裝置組成。在布袋除塵器內增設了沉降室，采用壓縮空氣脈沖清灰。在設備外表實施保溫措施外，在灰斗上還設置了電加熱裝置，使灰斗表面溫度控制在100 ℃以上，以保證灰斗不結露。為保證純燃煤工況因煤種變化造成煙氣量減少，從尾部引入煙氣再循環系統以增加煙氣量。底部灰斗中的灰經空氣斜槽排出，煙氣除塵后經煙道由引風機引入煙囪后排放。除塵效率>99.995%，除塵器出口排放濃度≤30 mg/Nm3。

2 測試方案

2.1 測試工況

鍋爐在實際運行中，垃圾供應存在不確定性，入爐垃圾量經常發生變化，為了測試鍋爐全工況的污染物排放數據，根據入爐垃圾量不同，選定5個典型工況，入爐垃圾量分別為0、5、7.5、10 和12.5 t/h。每個工況下，爐膛溫度均高于850 ℃，負荷率均穩定在80%～100%，不足熱量由煤提供。每次試驗鍋爐的穩定運行均在4 h以上，DCS系統記錄每一工況的運行數據。試驗時顆粒物、NOx、SO2、HCl和CO等5種污染物的數據來自環保CEMS(煙氣排放連續監測系統)。由于二噁英無法實現連續在線監測，而未進行測試。

2.2 燃料分析

測試過程中，對入爐垃圾和煤進行爐前取樣，并對其進行元素分析、工業分析和發熱量測定，結果見表1。與煤相比，垃圾的灰分、水分含量高，含硫量低，熱值低。此外，垃圾中含有氯元素，會使燃燒產物中有HCl氣體。

3 污染物排放濃度

3.1 測試結果

5個工況下，顆粒物、NOx、SO2、HCl和CO等5種污染物排放濃度隨時間的變化曲線見圖3～圖7，排放1 h均值見表2。

表1 垃圾和煤的成分

表2 不同工況污染物排放均值與標準限值

污染物排放1h均值/(mg/Nm3)標準限值?/(mg/Nm3)0t/h5t/h7.5t/h10t/h12.5t/h1h均值24h均值顆粒物9.610.311.410.011.03020氮氧化物46.038.647.340.932.9300250二氧化硫53.340.223.322.411.310080氯化氫—5.920.019.219.96050一氧化碳30.743.954.762.577.710080

*注：標準限值來源于GB 18485—2014生活垃圾焚燒污染控制標準

3.2 結果分析

由圖3和表2可見，各工況下，顆粒物濃度在8.5～13 mg/Nm3波動，顆粒物濃度均值略有不同，純煤工況為9.6 mg/Nm3，其它工況在10.3 ～11.4 mg/Nm3，均低于排放標準。由于垃圾的折算灰分高于煤的折算灰分，因此，垃圾與煤摻燒時顆粒物排放物濃度比純燒煤時有所升高，但由于垃圾成分不穩定，垃圾量對顆粒物排放物濃度影響不明顯。

由圖4可見，各工況下，NOx濃度在25～75 mg/Nm3波動。由表2可見，不同工況下，NOx濃度均值不同，純煤工況為46.0 mg/Nm3，其它工況在32.9～47.3 mg/Nm3，說明NOx排放量與垃圾量關系不大。循環流化床鍋爐屬于低溫燃燒，NOx生成主要是燃料型NOx，在合理配風并良好混合的情況下，其生成量主要取決于爐膛氧量，并隨氧量增多而升高[7]。本文測試的鍋爐運行中氧量始終維持在7%左右，該氧量下NOx排放均低于排放標準。

由圖5可見，各工況下，SO2濃度在5～100 mg/Nm3波動。由表2可見，不同工況下，SO2濃度均值不同，純煤工況的均值為53.3 mg/Nm3，其余工況的SO2濃度均值在11.3～40.2 mg/Nm3，均低于排放標準；隨著垃圾量的增多，SO2濃度有減低的趨勢，這是垃圾的硫分含量比煤低的緣故。

垃圾不同于其它燃料的重要特性之一就在于垃圾中含有塑料等含氯物質，這些含氯物質熱解會生成HC1氣體，另外垃圾中的無機氯化物如KCl與其它物質反應生成HC1氣體。圖6中，由于純煤工況未檢測到HCl數據未繪制其曲線，垃圾與煤摻燒后，HCl的濃度在5～21mg/Nm3波動，并且同一工況下，波動很小。由表2可見，垃圾量為5 t/h時HCl均值約5.9 mg/Nm3，其余工況在19.2 ～20 mg/Nm3，均符合排放標準。

CO的濃度受爐膛溫度、氧量和燃料與空氣的混合程度影響很大。爐膛溫度降低、氧量過低、燃料與空氣混合不好均會使CO的濃度升高。由圖7可見，各工況下，CO濃度波動極大，最小值為10 mg/Nm3，最大值達232 mg/Nm3，出現這種情況的主要原因是皮帶式給煤機間歇性清掃皮帶上粘附有細煤，清掃期間給煤量瞬間增大而造成氧量不足導致。由表2可見，各工況CO排放均值在30.7～77.7 mg/Nm3，均低于排放標準，而且隨著垃圾量的增多，CO濃度呈升高的趨勢，這是由于隨著垃圾量的增多，爐膛溫度降低、燃料與空氣混合變差所致。

綜上所述，在“3T+E”的燃燒控制原則下，采用半干法脫酸+活性炭吸附+布袋除塵器除塵的煙氣處理系統，能夠使垃圾焚燒循環流化床鍋爐各項污染物排放濃度在不同工況下均能達到現行國家標準。

4 結論

1)垃圾焚燒循環流化床鍋爐的NOx排放濃度隨入爐垃圾量變化不大，但CO的排放濃度隨入爐垃圾量的增大而增大。在保證爐膛溫度高于850 ℃，爐膛氧量維持在7%左右時，二者的排放濃度均低于現行排放標準；

2)采用半干法脫酸+活性炭吸附+布袋除塵器的煙氣處理系統后，隨著入爐垃圾量的增多，顆粒物排放濃度變化不大，SO2排放濃度有降低趨勢，HCl排放濃度有升高趨勢，三者排放濃度在任何工況下均低于現行排放標準。