富氧燃燒技術(shù)在垃圾焚燒爐中應(yīng)用的可行性分析

單福朋，張 政，郭孝武

(上海康恒環(huán)境股份有限公司，上海 201703)

1 引 言

隨著我國城市化進(jìn)程的加快，城市生活垃圾產(chǎn)生量也在快速地增加，有效處理生活垃圾從而減緩生態(tài)環(huán)境污染受到更多重視。目前，我國生活垃圾的處理方式主要有衛(wèi)生填埋、堆肥和焚燒等幾種。衛(wèi)生填埋法在我國應(yīng)用多年，技術(shù)較為成熟，但是，由于占地面積大，分解周期較長，不是長久之計(jì)；堆肥法是把垃圾變成有機(jī)肥料從而把垃圾資源化利用，由于我國垃圾分類水平較低，成分較為復(fù)雜，垃圾中含有有毒物質(zhì)、石塊、玻璃等，堆肥法處理起來比較困難；焚燒法處理生活垃圾由于具有減量化明顯、占地面積小等優(yōu)勢，得到了快速發(fā)展[1-2]。焚燒法在我國主要面臨的問題是垃圾熱值低、燃燒不充分、尾氣污染不僅嚴(yán)重而且困難[3～5]，而燃煤電廠應(yīng)用的富氧燃燒技術(shù)不僅能夠降低燃料著火點(diǎn)、增強(qiáng)燃燒強(qiáng)度，還有利于煙氣的處理[6]，如果把這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于垃圾焚燒爐中，將使焚燒法處理生活垃圾更具有競爭力。

富氧燃燒是一種高效節(jié)能的燃燒方式，其常規(guī)定義是：燃料在燃燒過程中所使用的助燃劑氧氣的濃度大于空氣中所含氧氣的濃度。目前對富氧燃燒的研究主要集中在燃料的著火和燃燒特性，以及煙氣排放方面等，Niu[7]等人研究了干化污泥在富氧條件下的燃燒特性，發(fā)現(xiàn)在富氧氛圍下，干化污泥的著火和燃燼溫度隨著氧氣含量的增加而減小，其綜合燃燒特性大幅提高；Riaza[8]等人研究了生物質(zhì)顆粒在富氧條件下的燃燒特性，結(jié)果顯示氧氣濃度的提高使生物質(zhì)的燃燒強(qiáng)度增加以及揮發(fā)分和焦炭的燃盡時(shí)間降低；Riaza[9]、Arias[10]等人的研究表明：煤和生物質(zhì)的混合物在富氧條件下著火溫度降低、燃燼率提高，額外的生物質(zhì)有利于NOx排放的減小；國內(nèi)外關(guān)于富氧燃燒技術(shù)的基礎(chǔ)研究日趨成熟，預(yù)計(jì)到2020年該技術(shù)將進(jìn)入商業(yè)示范階段[5]。

本文以生活垃圾在爐排爐中的燃燒過程為研究對象，分析了一次風(fēng)中增加氧量對垃圾燃燒特性的影響，同時(shí)對富氧燃燒技術(shù)在焚燒爐中應(yīng)用的優(yōu)勢及存在問題進(jìn)行了探討，最后分析了富氧燃燒技術(shù)在爐排爐中應(yīng)用的可行性。

2 理論計(jì)算基本資料

2.1 研究對象

本研究以圖1所示的爐排爐為基礎(chǔ)，一次風(fēng)由爐墻冷卻風(fēng)、來自垃圾坑的氣體和富氧空氣組成，一次風(fēng)從爐排下面進(jìn)入爐膛，分區(qū)域配風(fēng)；二次風(fēng)

圖1 典型爐排爐Fig.1 Typical grate stove

噴嘴放置在前后拱鼻狀結(jié)構(gòu)附近；爐排是三段式結(jié)構(gòu)：即干燥段、燃燒段和燃燼段；燃燒段爐墻采用空冷墻。

2.2 燃料特性

本研究使用的材料是某城市的生活垃圾，焚燒爐設(shè)計(jì)點(diǎn)入爐垃圾特性如表1所示。

表1 垃圾的成分Tab.1 Composition of waste

注：ar即as received basis (表示收到基)；LHV表示低位熱值。

2.3 計(jì)算方法

本研究使用的焚燒爐規(guī)模是500t/d。在模擬計(jì)算過程中假定爐渣熱灼減率、飛灰率和焚燒爐出口氧氣含量不變，通過調(diào)整一次風(fēng)中氧氣含量，利用能量平衡分析不同的一次風(fēng)氧氣含量對焚燒爐的影響，能量平衡公式見下式：

焚燒爐總熱輸入:Qi，[kw]

Qi=Qr+Qp+Qs+Ql

(1)

其中，Qr為垃圾帶入熱量，Qp為一次風(fēng)帶入熱量，Qs為二次風(fēng)帶入熱量，Ql為漏入空氣帶入的熱量。

焚燒爐總熱輸出:Qo，[kw]

Qo=Qd+Qa+Qu+Qb+Qr+Qe

(2)

其中，Qd為飛灰?guī)ё叩臒崃浚琎a為爐渣帶走的熱量，Qu為未燃物質(zhì)損失的熱量，Qb為鍋爐吸收的熱量，Qr為爐體輻射散失的熱量，Qe為煙氣帶走的熱量。

根據(jù)焚燒爐熱平衡：則Qi=Qo，當(dāng)該等式不成立的時(shí)候，重新檢查程序并完成焚燒爐的熱平衡。

下文中的氧氣含量均為一次風(fēng)中的氧氣含量。為了獲得直觀的數(shù)據(jù)以及便于分析，選擇了21%、23%、25%、27%、30%、32%、35%、37%和40%的氧氣濃度進(jìn)行計(jì)算。由于本文數(shù)據(jù)是理論計(jì)算所得，且獲得的是工藝參數(shù)的變化規(guī)律，因此相關(guān)的誤差可以忽略。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同氧氣含量對一次風(fēng)量的影響

垃圾燃燒主要分為兩個(gè)過程，即揮發(fā)分和固定碳的燃燒，兩者燃燒速率及燃燼受到氧濃度的影響，氧濃度升高，有利于加快燃燒速率和提高燃盡率。垃圾焚燒爐中的氧氣主要來自于一次風(fēng)，因此一次風(fēng)量的多少取決于其所含的氧氣量。如圖2所示，在垃圾燃燒的過程中，一次風(fēng)量隨著其所含氧氣量的增加而減少，這與上述分析過程相符。

圖2 一次風(fēng)量與其含氧量之間的關(guān)系Fig.2 The relationship between primary air volume and its oxygen content

3.2 不同氧氣含量對二次風(fēng)量的影響

在垃圾焚燒爐中二次風(fēng)主要有以下幾個(gè)作用，促進(jìn)煙氣中可燃物充分燃燒、調(diào)節(jié)焚燒爐出口溫度、控制煙氣中氧含量。因?yàn)楦谎蹩諝膺M(jìn)入爐內(nèi)時(shí)，會(huì)促進(jìn)揮發(fā)分的燃燒，使得煙氣中可燃分降低，這與生物質(zhì)在富氧條件下的燃燒相似[11]，因此，當(dāng)一次風(fēng)中氧氣含量增加的時(shí)候，二次風(fēng)是減少的。如圖3所示，二次風(fēng)量隨著一次風(fēng)中氧氣含

圖3 二次風(fēng)量與一次風(fēng)中氧氣含量之間的變化關(guān)系Fig.3 The relationship between the secondary air volume and the oxygen content in primary air

量的增加而減小，這種現(xiàn)象的出現(xiàn)是和焚燒爐的實(shí)際運(yùn)行過程相符的。

3.3 不同氧氣含量對焚燒爐出口煙氣量的影響

焚燒爐出口煙氣量主要包含燃燒產(chǎn)物、過量的空氣，氧氣含量的增加使得垃圾燃燒的更加充分，一次風(fēng)和二次風(fēng)使用量減少，焚燒爐出口煙氣量減少。如圖4所示，焚燒爐出口煙氣量隨著一次風(fēng)中氧氣含量的增加而減小。煙氣量減少，在相同排煙溫度的情況下，排煙損失會(huì)降低；同時(shí)污染物濃度增加，可更有效處理污染物。

圖4 煙氣量與一次風(fēng)中氧氣含量之間的變化關(guān)系Fig.4 The relationship between flue gas volume and oxygen content in primary air

3.4 不同氧氣含量對焚燒爐出口煙氣溫度的影響

如圖5所示，焚燒爐出口煙氣溫度隨著一次風(fēng)中氧氣含量的增加而增加。氧氣含量的增加使得垃圾的燃燒強(qiáng)度增強(qiáng)，焚燒爐內(nèi)溫度增加。焚燒爐內(nèi)溫度的增加，會(huì)提高垃圾的干燥速度和揮發(fā)分的析出速度，有利于促進(jìn)高水分低熱值垃圾燃燒。同時(shí)，高的氧氣含量以及焚燒溫度可使煙氣中的CO及其它可燃物充分燃燒。

圖5 煙氣溫度與一次風(fēng)中氧氣含量之間的變化關(guān)系Fig.5 The relationship between flue gas temperature and oxygen content in primary air

從上面的分析結(jié)果中可以看出，一次風(fēng)中氧氣含量的增加，使得垃圾燃燒強(qiáng)度增強(qiáng)，有利于垃圾的充分燃燒。

4 案例、優(yōu)勢及存在問題分析

4.1 相關(guān)案例

4.1.1 在高海拔、低氧地區(qū)可以采用在一次風(fēng)中增加氧氣的方式彌補(bǔ)當(dāng)?shù)乜諝庵醒鹾康牟蛔恪Ｄ壳霸谶\(yùn)行的拉薩某項(xiàng)目是通過加大配風(fēng)量來保證垃圾完全燃燒所需要的氧氣量，這對爐排面積和爐膛容積形狀的選擇和工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)增加了難度，一次風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)的電能消耗較多；目前該項(xiàng)目存在一定的超溫和減溫水較大的情況。針對這種情況，如果采用富氧燃燒技術(shù)，可以靈活控制一次風(fēng)中氧氣濃度，從而減少設(shè)計(jì)上的困難和增加燃燒的穩(wěn)定性，有效減小焚燒爐及鍋爐負(fù)荷的波動(dòng)。

4.1.2 在奧地利，有一個(gè)生活垃圾焚燒廠使用了富氧燃燒技術(shù)，平均氧含量約為26%，通過煙氣再循環(huán)降低燃燒室溫度[12]，這也說明只要控制得當(dāng)，該項(xiàng)技術(shù)是可以成功應(yīng)用的。

4.2 優(yōu)勢分析

4.2.1 從技術(shù)角度

富氧燃燒技術(shù)的基礎(chǔ)性研究已經(jīng)相當(dāng)成熟，且目前已有燃煤鍋爐實(shí)驗(yàn)平臺(tái)成功搭建運(yùn)行以及該技術(shù)在冶金等工業(yè)領(lǐng)域有較好的應(yīng)用，這對富氧燃燒技術(shù)在垃圾焚燒領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了技術(shù)理論基礎(chǔ)。

4.2.2 從運(yùn)行角度

調(diào)節(jié)方便：富氧空氣是在一次風(fēng)道母管形成，然后通過各支管分區(qū)域送到爐膛，可以設(shè)一氧量計(jì)并根據(jù)主燃燒區(qū)域燃燒情況調(diào)節(jié)一次風(fēng)中氧氣量，同時(shí)使主燃燒區(qū)域垃圾燃燒均勻穩(wěn)定，燃燼段垃圾燃燒完全；尤其處在高原地區(qū)的垃圾焚燒廠，可以使一次風(fēng)中氧氣量穩(wěn)定在一定的范圍，以使其它設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。

4.2.3 從經(jīng)濟(jì)角度

本小節(jié)以垃圾處理量500t/d的焚燒廠規(guī)模，氧產(chǎn)量4 000Nm3/h的設(shè)備為例進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益分析：

4.2.3.1 投資成本：制氧設(shè)備、附屬設(shè)備、管道以及占地等固定投資大概為7 000萬元。假如一次風(fēng)中氧氣量維持在26%，一次風(fēng)可以減少20%左右，煙氣量可以減少16%左右，風(fēng)機(jī)設(shè)備可減少投資20萬左右，煙氣設(shè)備的投資略減少。

4.2.3.2 運(yùn)行效益：該制氧設(shè)備可生產(chǎn)包括液氧、液氮和液氬在內(nèi)的氣體約300t/d, 空分設(shè)備若以電力驅(qū)動(dòng)，其負(fù)荷約為7MW，以0.65元/kW·h的供應(yīng)電價(jià)，假如空分產(chǎn)品供貨范圍較近，運(yùn)輸成本約為1元/t/km，以保守的產(chǎn)品出廠含稅價(jià)液氧700元/t、液氮600元/t、液氬1000元/t測算，每天的收益大概5萬元。

以一次風(fēng)中氧氣量維持在26%的燃燒為例，鍋爐蒸發(fā)量較常規(guī)燃燒增加約0.5t/h，發(fā)電量增加120Kwh，年運(yùn)行按8 000h計(jì)算，年增加收益約60萬；同時(shí)每天的垃圾處理量會(huì)增加，這部分會(huì)有一定的額外補(bǔ)貼；對于常規(guī)燃燒，助燃、運(yùn)行不穩(wěn)定以及耗電量等運(yùn)行成本都會(huì)增加。

4.2.3.3 用電量：空分設(shè)備的用電成本已折算在其收益中；風(fēng)機(jī)設(shè)備和煙氣凈化設(shè)備等負(fù)荷可節(jié)約大概350KW，年節(jié)約電費(fèi)大概180萬元。

考慮到設(shè)備損耗，預(yù)計(jì)3～4a可收回成本，因此從長遠(yuǎn)來看，使用富氧燃燒技術(shù)的效益要優(yōu)于常規(guī)燃燒。

4.3 存在問題

4.3.1 富氧空氣中氧氣含量不能太大，如果太大，一次風(fēng)量會(huì)減少很多，一次風(fēng)的減少會(huì)產(chǎn)生很多問題：(1)垃圾坑負(fù)壓維持受到影響，由于垃圾焚燒廠中的一次風(fēng)基本是從垃圾坑抽取，一次風(fēng)減少會(huì)造成負(fù)壓無法維持進(jìn)而造成臭氣外溢；(2)針對空冷爐排，一次風(fēng)的減少會(huì)影響爐排的冷卻效果；(3)過多的氧氣含量會(huì)使?fàn)t內(nèi)垃圾燃燒強(qiáng)度增強(qiáng)、爐溫升高，爐內(nèi)耐火材料的壽命會(huì)受影響。因此，采用該技術(shù)時(shí)，前期的計(jì)算、調(diào)研和評估是必不可少的。

4.3.2 富氧燃燒技術(shù)如果應(yīng)用于高熱值垃圾焚燒爐，會(huì)造成高溫、腐蝕性問題，如果考慮用煙氣再循環(huán)或者滲瀝液入爐來降低爐膛溫度是可行的，但是設(shè)備材料和運(yùn)行成本會(huì)增加。所以該技術(shù)不建議用于高熱值燃料或者使用空氣就可以達(dá)到很好的燃燒效果的焚燒廠。

4.3.3 目前制氧技術(shù)雖較為成熟且垃圾焚燒爐對氧氣純度要求不高，但設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮使用這種技術(shù)所產(chǎn)生的成本以及帶來的效益之間的關(guān)系。

4.3.4 該技術(shù)可以應(yīng)用于新的垃圾焚燒廠，對現(xiàn)有廠的改造會(huì)存在一些問題，比如煙氣處理設(shè)備對高濃度低煙氣量的污染物的處理效果會(huì)變差、爐內(nèi)耐火材料以及余熱鍋爐的適應(yīng)性會(huì)降低，等等。

從本節(jié)的分析來看，應(yīng)用富氧燃燒技術(shù)需從實(shí)際出發(fā)，應(yīng)用其優(yōu)勢的同時(shí)要規(guī)避其缺點(diǎn)，以避免可能帶來的負(fù)面效應(yīng)。

5 結(jié) 論

受技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益的制約，目前垃圾焚燒廠多建于經(jīng)濟(jì)較好和垃圾熱值較高的地區(qū)，垃圾焚燒廠在低熱值垃圾及高海拔地區(qū)的推廣較為緩慢。富氧燃燒技術(shù)能夠提高垃圾燃燒強(qiáng)度和降低排煙損失，是一種高效節(jié)能的燃燒方式，對于低熱值垃圾及高海拔地區(qū)的垃圾焚燒廠的設(shè)計(jì)和運(yùn)行尤為必要，該技術(shù)在垃圾焚燒領(lǐng)域?qū)?huì)有非常好的應(yīng)用前景。