垃圾發電廠煙氣再循環技術經濟性分析

王育波

（龍凈能源發展有限公司，福建 廈門 361000）

與燃煤電廠一樣，垃圾焚燒煙氣中的氮氧化物（NOx）可劃分為3 類[1,2]：第一類是由垃圾中含氮有機質分解轉化生成的，稱為燃料型NOx；第二類是空氣中的氮在氧化氣氛和高溫條件下經過一系列化學反應生成的，稱為熱力型NOx；第三類是空氣中的氮氣與燃料中的碳氫離子團等反應而生成的，稱為快速型NOx。

當前大多垃圾焚燒發電廠的脫硝工藝只有選擇性非催化還原法（SNCR），在垃圾焚燒量和NOx排放指標提高后，面臨著NOx排放總量高、脫硝效率低的問題。采用選擇性催化還原法（SCR），脫硝效率高（>90%），但投資運行成本高，而且占地面積大，存在廠址受限問題。當前部分項目開始考慮采用固態高分子干法脫硝（PNCR）來解決NOx排放提標的問題，投資運行成本低于SNCR，脫硝效率略高于SNCR，但該技術尚不成熟。以上幾種方法都是從消除的角度入手，需要消耗一定量的脫硝劑，將已經生成的NOx轉化為無毒害的氣體，保證達標排放。而NOx的排放控制還可以從產生源頭入手。鍋爐煙氣再循環是一種從源頭上抑制NOx的形成、降低NOx初始濃度的低氮燃燒技術[2,3]，已被廣泛應用于燃氣、燃煤鍋爐。該技術具有投資低、無脫硝原材料（如尿素或氨水等）消耗、經濟效益高的特點，在垃圾焚燒領域具有一定的推廣價值。

1 技術簡介

煙氣再循環（FGR）的原理是將燃燒產生的低溫、低氧的部分煙氣通入爐內燃燒區，降低爐膛火焰的溫度和燃燒區氧量，增強還原性氣氛，從而起到改變鍋爐傳熱特性和燃燒工況的作用。煙氣再循環技術不僅可從抑制熱力型NOx的生成，還可遏制酰胺（NCO）、氰化氫（HNO）等NOx前驅物向NOx的轉化，降低燃料型NOx的轉化率，是一種在燃燒過程中控制NOx生成的低氮燃燒技術[3]。

煙氣再循環技術具有以下優點：

（1）降低NOx的產生量：煙氣再循環技術可有效降低爐膛的溫度和爐膛氧量，從而減少NOx的生成，進而減少脫硝還原劑使用量。

（2）提高系統對垃圾熱值的適應性：在垃圾熱值較高、爐膛溫度高時，可通過煙氣再循環技術的降溫作用使爐膛溫度保持在合適水平，提高焚燒系統對垃圾的適應性。

（3）有效減少爐膛結焦：再循環煙氣進入爐膛后，可降低爐膛的局部高溫，防止高溫火焰貼壁沖刷爐墻，減緩爐膛的結焦。

采用煙氣再循環技術前后，爐膛及鍋爐各受熱面溫度分布、煙氣流量、停留時間都會有所變化，運行人員需要根據實際情況調整二次風量、SNCR 的溫度窗口等，以保證焚燒系統和余熱鍋爐的穩定性。

2 實施方案的選擇

煙氣再循環技術的應用可分為內部煙氣再循環與外部煙氣再循環。內循環方式一般由燃燒器廠家根據燃燒器特點，通過燃燒器本體設計并與爐膛配合形成回流區，通過壓差將煙氣抽至燃燒器內部形成煙氣內循環。外部煙氣再循環技術是指將部分煙氣與助燃空氣混合后，通入爐膛內參與燃燒，工程中更多考慮外部煙氣再循環。

對于外部煙氣再循環系統，煙氣有不同的抽取方式和入爐方式。

2.1 抽取方式的比選

當前，垃圾焚燒發電廠大多采用“SNCR+半干法+干法+活性炭噴射+除塵器”煙氣凈化工藝系統。針對這一典型工藝，選擇垃圾焚燒爐系統中的余熱鍋爐、除塵器、引風機等設備后設置煙氣抽取點，進行煙氣抽取方案的比較分析，分析結果見表1。

由表1 可知：（1）余熱鍋爐出口抽氣具有抽氣距離近、循環煙道短、不增加煙氣凈化系統阻力的特點，但由于煙氣未凈化、煙溫高，容易造成再循環煙道和風機的腐蝕，對再循環風系統的設備配置要求較高。（2）在引風機入口處抽氣，系統負壓運行，設備安全性高，但此處煙氣壓力低，循環風機電耗最大，而且引風機入口負壓波動，影響煙氣再循環系統的穩定性。（3）在引風機出口處抽氣，雖然抽氣距離長，但費用增加小（煙道和支架）。該抽氣方式具有煙氣清潔度高、抽氣點壓力穩定、抽氣克服壓力小的特點，在做好防結露措施時，是最合適的抽氣方式。

表1 抽氣方式比選表

2.2 入爐方式的比選

再循環煙氣返回爐內時，可選取現有風管，或者在爐墻上重新開孔布置噴嘴作為煙氣再循環的入爐位置。入爐方式的比較見表2。

由表2 可知：（1）一次風口入爐會影響爐排垃圾的燃燒，降低鍋爐效率，不適宜作為煙氣再循環的入爐點。（2）對于改造項目，可將再循環煙氣從二次風管口通入爐膛（摻混或替代二次風），技改工程量較小，也可達到降低NOx產生和排放的目的。（3）對于新建項目，可在爐墻上預設再循環煙氣的接口，鍋爐受熱面及流場設計考慮再循環煙氣，低氮燃燒效果好，對鍋爐影響小。

表2 入爐方式比選表

2.3 推薦煙氣再循環設計路線

根據上述對比分析，對于新建的垃圾焚燒發電項目，推薦的最佳設計路線見圖1，將引風機出口的煙氣通過再循環風機增壓后，經過再循環風道，從焚燒爐前后拱的煙氣噴嘴（二次風附近）通入爐內。

圖1 推薦煙氣再循環技術設計路線圖

需要說明的是，由于從引風機出口煙道回流至焚燒爐輸送距離長，輸送過程中容易導致再循環煙氣溫度降低至酸露點，造成循環風機、煙道等的腐蝕，因此需在煙道設計上設置疏水點，并做好保溫及防腐措施，從而保證系統穩定運行。

2.4 設備材料清單

采用推薦的煙氣再循環設計路線實施煙氣再循環技術所需要的設備材料見表3。

表3 煙氣再循環技術設備、材料構成

3 煙氣再循環率選取

煙氣再循環率是再循環煙氣量與原始煙氣排放總量的比值，是煙氣再循環技術的核心控制參數。理論上，煙氣再循環率越高，NOx的排放量就會越低[4]，但循環率并不是越高越好，煙氣再循環率的選擇還需要綜合考慮垃圾熱值、爐膛溫度、爐內含氧量等諸多因素。

3.1 垃圾熱值

當生活垃圾熱值較低時，爐內燃燒溫度一般也較低，若采用煙氣再循環會進一步降低爐溫，可能會影響垃圾的充分燃燒，增加二噁英類、一氧化碳（CO）等污染物的排放濃度。因此，垃圾熱值低的項目需慎重采用煙氣再循環技術。在生活垃圾熱值較高時，焚燒爐內煙溫高，可通過煙氣再循環降低爐內溫度水平，抑制NOx生成，降低爐膛結焦風險。因此，垃圾熱值高的項目適宜采用煙氣再循環技術，而且垃圾熱值越高，可循環煙氣量越多。一般建議入爐垃圾熱值高于6700kJ/kg 時才考慮采用煙氣再循環技術。

3.2 爐膛溫度

再循環煙氣進入爐膛時可降低爐膛局部高溫，避免高溫火焰沖刷爐壁。再循環煙氣與爐內煙氣形成強烈擾動，使爐內溫度分布更加均勻，燃燒更穩定，從而有效降低二噁英類污染物的濃度。但煙氣再循環比例過大、爐溫降低過多時易造成燃料燃燒不完全，增加不完全燃燒熱損失，從而導致煙氣在爐內無法達到850℃以上且停留2s 的要求，嚴重時會造成鍋爐燃燒不穩定，引發熄火等安全事故。

3.3 焚燒爐內含氧量

煙氣再循環量與二次風量的配比主要會影響焚燒爐助燃區域的含氧量。在保證燃燒的情況下，煙氣再循環量越大，二次風量越小，焚燒爐助燃區域含氧量越低，抑制NOx生成的效果越明顯。但煙氣再循環量過大，會過多的降低爐內含氧量，導致燃燒不充分，對燃燒造成負面影響，造成CO 等污染物濃度超標、鍋爐蒸發量下降等狀況。對于爐排爐焚燒爐，采用煙氣再循環技術后，爐內氧含量為4%—6%。

3.4 小結

綜上，對于垃圾熱值低的項目需慎重采用煙氣再循環技術，再循環率的選取應先考慮加入再循環煙氣后，焚燒爐內溫度滿足850℃且停留2s 的前提條件。在實際運行中，需根據垃圾燃燒狀況和爐膛含氧量，實時調整煙氣再循環率，在保證完全燃燒和環保要求的情況下，可盡量增加煙氣再循環量，以降低NOx的排放。一般可將煙氣再循環量的控制納入焚燒爐自動控制，通過鍋爐的蒸噸和含氧量協同控制。

4 應用案例簡介及經濟性分析

4.1 案例一：引風機入口抽氣，再循環風機入爐

某垃圾焚燒發電廠[5]的處理規模為1050t/d，設2 臺日處理525t 的垃圾焚燒爐，配套2×10MW 汽輪發電機組，設計煙氣量約為70 000m3/h，設計爐膛出口NOx濃度為300mg/m3。

該廠2 臺爐均做了煙氣再循環技術改造：袋式除塵器出口煙氣經再循環風機引出，從焚燒爐前拱外的17 個噴嘴和后拱外的18 個噴嘴注入，再循環煙氣量通過變頻風機調節。再循環風機設計流量為3900m3/h，設計風壓為7500Pa（袋式除塵器后抽氣需克服焚燒線全系統負壓），一段時間內不同再循環比例下對應的鍋爐出口NOx濃度（SNCR 不投運）見圖2。

圖2 不同再循環比例下對應的鍋爐出口NOx 濃度（SNCR 不投運）

由圖2 可知，在不采用SNCR 的情況下，煙氣再循環比例控制在15%—20%，鍋爐出口的NOx濃度可控制在250mg/Nm3以下，滿足《生活垃圾焚燒污染控制標準》（GB 18485—2014）的排放要求。在再循環煙氣比例達到20%時，1#爐NOx可控制在200mg/m3以內，滿足歐盟2010/75/EU 的NOx排放要求。

4.2 案例二：引風機出口抽氣，再循環風機入爐

某垃圾焚燒發電廠[6]的建設規模為2×600t/d，日處理垃圾1200t，設計垃圾低位熱值為7117kJ/kg，該廠采用再循環風從引風機出口抽取，在增加再循環風量的同時減少二次風風量。假設鍋爐出口排煙量不變，按照排放標準250mg/Nm3和提標后要求的100mg/Nm3兩種情況，分析再循環煙氣運行前后的對比數據（見表4）。

表4 煙氣再循環前后的運行數據對比（未投運SNCR）

從表4 可知，再循環率越大，鍋爐出口O2濃度越低，NOx含量越低，CO 含量小幅升高。根據上述數據，采用煙氣再循環技術（再循環率為15%），按氨水價格900 元/t、年運行8000h 計算，若NOx執行250mg/Nm3的國家排放標準，則年節省氨水費用16.5 萬元；若NOx執行100mg/Nm3的地方標準，則年節省費用33.7 萬元。該項目改造增加設備及管道等的投資費用約60 萬元（包含再循環風機）。比較可知，對于面臨NOx需提標改造和NOx排放總量過高的廠，采用煙氣再循環技術可實現NOx的減排且2 年內可收回投資成本。

4.3 案例三：引風機出口抽氣，二次風口引入

某公司為應對其多個垃圾焚燒發電廠NOx排放總量過高，對焚燒發電廠4#—6#號爐做了煙氣再循環的改造，改造從引風機出口抽氣，通過原有二次風機，將再循環煙氣導入爐膛。技改前后4#爐的運行數據見表5。

表5 4#爐技改前后各運行數據對比

由表5 可知，煙氣再循環率為13%—15%，技改后NOx的平均排放量下降13%，還原劑用量減少約34%。該項目技改投入約24 萬元（調節門利舊，利用原有二次風機），由于采用二次風機在引風機出口抽氣，爐膛出口到引風機煙氣流量變化不大，故引風機等設備電耗引起的運行成本變化不大。按照該廠最新的氨水采購價格（790 元/t）計算，月節約氨水費用約2 萬元，約12 個月即可收回成本。

綜上，采用煙氣再循環技術可有效降低NOx的產生和排放量，減少脫硝還原劑的運行成本，技術改造投資低，1—2 年可回收成本，經濟效益顯著。

5 結語

（1）煙氣再循環技術是燃燒過程中控制NOx生成的低氮燃燒技術。低溫、低氧的再循環煙氣進入爐膛后，可降低火焰溫度氧氣分壓，促進空氣與燃料的混合，進而降低NOx的產生和排放。

（2）對于新建項目，將引風機出口的煙氣通過循環風機增壓后，經過循環風管道，從焚燒爐前后拱的煙氣噴嘴（二次風下方）處通入爐內是最合適的煙氣再循環技術路線。

（3）煙氣再循環率越高，NOx的排放量越低，但再循環率過高會導致燃燒區域溫度下降，造成部分可燃物的不完全燃燒，焚燒爐出口CO 的含量增加。循環率的合理設計需綜合考慮垃圾熱值、爐膛溫度、爐內的氧氣濃度等因素的影響。

（4）煙氣再循環技術可明顯降低NOx的產生和排放量，降低還原劑的用量，特別適合需要實施NOx提標、NOx排放總量限值及垃圾熱值高的項目。煙氣再循環技改投資低，1—2 年可收回成本，經濟效益顯著，建議新建項目在鍋爐上預留接口。