垃圾焚燒煙氣再循環(huán)技術(shù)的應(yīng)用研究
——以某垃圾焚燒廠為例

龍吉生，劉 露，袁旗斌，馮淋淋，王加俊

(上?？岛悱h(huán)境股份有限公司，上海 201703)

引 言

隨著居民生活品質(zhì)的不斷提高，國(guó)家對(duì)空氣質(zhì)量的要求也日趨嚴(yán)格，各省市已逐漸出臺(tái)垃圾焚燒煙氣排放地方標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于氮氧化物的削減要求日益嚴(yán)格，海南省、河北省NOX排放要求為120mg/Nm3，深圳市更是要求NOX排放低于80mg/Nm3，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)嚴(yán)格于GB18485-2014要求的250mg/Nm3(日均值)。目前垃圾焚燒脫硝主流工藝為選擇性非催化還原(SNCR)，脫硝率僅能達(dá)到40%～60%[1]，無(wú)法滿足未來(lái)日益嚴(yán)格的NOX排放要求，各種脫硝技術(shù)及組合工藝全面發(fā)展[2]，垃圾焚燒超凈NOX處理工藝目前主要采用“SNCR+SCR”。SCR反應(yīng)塔普遍采用低溫低塵布置，煙氣需經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的除塵脫硫，并通過(guò)蒸汽加熱后才能進(jìn)入SCR系統(tǒng)。SCR催化劑壽命一般為3～4年，且在運(yùn)行期間需定期再生。因此，投資及運(yùn)行成本高，經(jīng)濟(jì)效益較差。近年來(lái)，煙氣再循環(huán)作為一種從源頭控制NOX產(chǎn)生的技術(shù)[3]，具有工藝簡(jiǎn)單、投資運(yùn)行成本低的特點(diǎn)，逐漸受到重視。

垃圾焚燒NOX中90%以上為NO，Rogaume等[4]在固定床內(nèi)燃燒模化垃圾的研究表明，過(guò)量空氣系數(shù)在1.1～3.1范圍內(nèi)，NO的產(chǎn)生量與過(guò)量空氣系數(shù)呈正相關(guān)。因此，降低過(guò)量空氣系數(shù)，控制爐內(nèi)氧含量能夠有效的抑制NO的產(chǎn)生。傳統(tǒng)焚燒工藝中，為保證充分燃燒，爐膛內(nèi)氧含量控制在6%～12%，過(guò)量空氣系數(shù)較大，NO的產(chǎn)生量較高。煙氣再循環(huán)技術(shù)是將凈化之后的潔凈煙氣再循環(huán)至焚燒爐內(nèi)，代替部分二次風(fēng)，在爐內(nèi)部分區(qū)域形成還原性氣氛，降低爐內(nèi)氧含量，抑制氮氧化物產(chǎn)生，同時(shí)減少煙氣熱損失，提高鍋爐蒸發(fā)量[5]。目前，國(guó)內(nèi)煙氣再循環(huán)技術(shù)在垃圾焚燒發(fā)電廠的工程應(yīng)用逐漸增加，但關(guān)于該技術(shù)對(duì)鍋爐及煙氣凈化系統(tǒng)運(yùn)行的影響評(píng)估較為缺乏。為了進(jìn)一步探索適用于國(guó)內(nèi)垃圾焚燒的煙氣再循環(huán)技術(shù)路線，本研究設(shè)計(jì)了一套煙氣再循環(huán)系統(tǒng)并在國(guó)內(nèi)某垃圾焚燒發(fā)電廠進(jìn)行了工程試驗(yàn)，論證了煙氣再循環(huán)系統(tǒng)的脫硝效果及其對(duì)鍋爐效率、燃燒穩(wěn)定性的影響。

1 材料與方法

1.1 研究材料

煙氣再循環(huán)技術(shù)主要是通過(guò)低氧燃燒抑制NOX產(chǎn)生，同時(shí)提高鍋爐蒸發(fā)量，且能夠代替部分二次風(fēng)形成湍流，從而減少CO生成。煙氣再循環(huán)應(yīng)用效果的主要影響因素包括以下幾點(diǎn)。

1.1.1 煙氣再循環(huán)比例

煙氣再循環(huán)比例與焚燒爐的燃燒控制及脫硝效果關(guān)系密切[6]。由于煙氣中的含氧量較低，因此煙氣再循環(huán)比例越高，在爐膛內(nèi)形成的局部低氧燃燒區(qū)域中的溫度和氧含量越低，對(duì)氮氧化物的抑制作用越明顯。但是，當(dāng)煙氣再循環(huán)比例過(guò)大時(shí)，爐膛溫度和含氧量過(guò)低，不利于燃燒控制，還存在達(dá)不到“850℃、2S” 的環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)。因此，適宜的煙氣再循環(huán)比例至關(guān)重要。國(guó)內(nèi)典型項(xiàng)目煙氣再循環(huán)設(shè)計(jì)概況調(diào)研結(jié)果如表1。

表1 國(guó)內(nèi)典型項(xiàng)目煙氣再循環(huán)設(shè)計(jì)概況Tab.1 Overview of flue gas recycling design in typical domestic projects

由表1可知，不同回流比例對(duì)脫硝效果的影響非常顯著，較大的回流比例能夠達(dá)到更好的脫硝效率。

1.1.2 取風(fēng)口位置

煙氣再循環(huán)取風(fēng)口位置主要分為袋式除塵器出口和引風(fēng)機(jī)出口兩種。兩種取風(fēng)口的優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)如表2所示。

表2 不同取風(fēng)口優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比Tab.2 Comparison of advantages and disadvantages of different extraction position

袋式除塵器出口取風(fēng)，部分煙氣再循環(huán)至焚燒爐內(nèi)，半干反應(yīng)塔及袋式除塵器煙氣量增大，對(duì)長(zhǎng)流程的煙氣凈化系統(tǒng)來(lái)說(shuō)(比如下游還設(shè)有SCR反應(yīng)塔、濕法洗滌塔等)，下游煙氣凈化系統(tǒng)煙氣量減少，下游系統(tǒng)負(fù)荷降低。但再循環(huán)風(fēng)機(jī)需克服除塵器出口負(fù)壓，再循環(huán)系統(tǒng)阻力增大，且控制難度提高。根據(jù)以上分析，取風(fēng)口的位置可根據(jù)項(xiàng)目的工藝配置情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.2 研究方法

1.2.1 設(shè)計(jì)方案

本研究針對(duì)國(guó)內(nèi)某項(xiàng)目進(jìn)行了煙氣再循環(huán)方案設(shè)計(jì)。該項(xiàng)目日處理生活垃圾2 250t/d，設(shè)置三臺(tái)(#1、#2、#3)750t/d的機(jī)械爐排爐，煙氣凈化采用“SNCR+半干法(旋轉(zhuǎn)霧化半干反應(yīng)塔)+干法(噴射消石灰)+活性炭噴射+袋式除塵器+煙氣再循環(huán)+SCR”的凈化工藝?；谝陨显O(shè)計(jì)要點(diǎn)，并結(jié)合項(xiàng)目情況，本研究采用的煙氣再循環(huán)設(shè)計(jì)方案如下。

1.2.1.1 煙氣再循環(huán)比例

本研究采用計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)模擬對(duì)煙氣再循環(huán)比例進(jìn)行了分析。由圖1可知，煙氣再循環(huán)比例15%時(shí)，再循環(huán)煙氣的注入已明顯增強(qiáng)了喉口區(qū)域的煙氣擾動(dòng)，能夠有效的降低煙氣溫度。綜合考慮設(shè)計(jì)余量及國(guó)內(nèi)典型項(xiàng)目運(yùn)行情況等因素，本研究在該項(xiàng)目的煙氣再循環(huán)設(shè)計(jì)比例為20%，實(shí)際運(yùn)行時(shí)可根據(jù)燃燒工況調(diào)整煙氣再循環(huán)比例。

圖1 爐膛溫度分布切面圖(煙氣再循環(huán)比例15%)Fig.1 Cross-section diagram of furnace temperature distribution(Reflux ratio 15%)

1.2.1.2 取風(fēng)口位置

該項(xiàng)目的煙氣凈化工藝為六步法，袋式除塵器后設(shè)SCR系統(tǒng)，為節(jié)約整體能耗，煙氣再循環(huán)取風(fēng)口設(shè)計(jì)為袋式除塵器出口。同時(shí)考慮煙氣再循環(huán)停運(yùn)時(shí)煙氣冷凝將造成腐蝕，煙氣再循環(huán)系統(tǒng)設(shè)有空氣旁路。

圖2為本研究的煙氣再循環(huán)工藝流程圖，從袋式除塵器出口煙道取風(fēng)，通過(guò)再循環(huán)風(fēng)機(jī)將煙氣回流至焚燒爐前后拱，在二次風(fēng)附近注入。再循環(huán)風(fēng)機(jī)入口設(shè)置空氣旁路，在再循環(huán)系統(tǒng)停運(yùn)時(shí)啟用。

圖2 煙氣再循環(huán)工藝流程圖Fig.2 Process flow diagram of EGR

1.2.2 工程試驗(yàn)方案

基于上述設(shè)計(jì)方案，本研究在該項(xiàng)目開(kāi)展了工程試驗(yàn)。試驗(yàn)選取#1、#3焚燒線作為研究對(duì)象，試驗(yàn)時(shí)間29天。

工程試驗(yàn)期間，#1、#3兩條焚燒線垃圾處理量基本保持一致；垃圾來(lái)源相同，熱值相同；一/二次風(fēng)配風(fēng)方式相同，配風(fēng)量基本一致；其中，#3焚燒線為試驗(yàn)組，煙氣再循環(huán)投運(yùn)比例～15%，再循環(huán)風(fēng)機(jī)電機(jī)頻率30～40 Hz，再循環(huán)風(fēng)量均值21 450 Nm3/h，脫硝工藝為“SNCR+EGR”；#1焚燒線作為對(duì)照組，煙氣再循環(huán)系統(tǒng)不投運(yùn)，脫硝工藝為SNCR。#3爐投運(yùn)EGR，蒸發(fā)量略高于#1爐，兩條焚燒線具體運(yùn)行概況見(jiàn)表3。

表3 兩條焚燒線運(yùn)行概況Tab.3 Operation situation of 1# and 3# incinerator

2 結(jié)果與討論

2.1 鍋爐效率

鍋爐效率的影響因素包括鍋爐運(yùn)行時(shí)間、垃圾成分和熱值、爐排料層厚度、爐膛溫度、一/二次風(fēng)配風(fēng)方式、鍋爐排煙溫度、省煤器出口氧濃度等，難以直觀的進(jìn)行定量分析。因此，本研究采用噸垃圾產(chǎn)汽量(定義為鍋爐蒸發(fā)量與入爐垃圾量的比值)來(lái)反映鍋爐效率。兩臺(tái)爐運(yùn)行的參數(shù)如表4及圖3～圖6所示。

圖3 噸垃圾產(chǎn)汽量(日均值)Fig.3 Steam yield of per ton waste (daily average )

圖4 入爐垃圾量(日均值)Fig.4 Waste treatment quantity of each incinerator(daily average )

圖5 省煤器出口煙氣含氧量(日均值)Fig.5 Oxygen content in flue gas of economizer (daily average )

圖6 省煤器出口煙氣溫度(日均值)Fig.6 Flue gas temperature of economizer (daily average)

表4 鍋爐運(yùn)行參數(shù)表Tab.4 Boiler operation parameters

由表4及圖3～圖6可知，#1爐與#3爐入爐垃圾量基本保持一致，#3爐的鍋爐排煙溫度(均值181℃)比#1爐(均值196℃)低，主要原因?yàn)樵擁?xiàng)目#1爐已連續(xù)運(yùn)行7個(gè)月，#3爐剛剛運(yùn)行2個(gè)月，#3爐運(yùn)行時(shí)間短，在煙氣量一定時(shí)#3爐鍋爐效率更高。#3爐的省煤器出口氧量(均值3.4%)比#1爐(均值4.5%)低，主要在于#3爐的再循環(huán)煙氣代替二次風(fēng)，降低了爐內(nèi)含氧量，是煙氣再循環(huán)和低氧燃燒相結(jié)合的耦合作用；#1爐則未采用煙氣再循環(huán)，僅通過(guò)燃燒控制降低氧含量，為保證充分燃燒，氧含量不宜控制在更低的水平。

但是，若僅采用煙氣再循環(huán)技術(shù)，不結(jié)合低空氣比燃燒，則余熱鍋爐總煙氣量增大，且再循環(huán)煙氣溫度約150℃而鍋爐排煙溫度為180～200℃，鍋爐出口排煙損失會(huì)有所增加；若僅通過(guò)燃燒控制降低鍋爐出口氧含量，則產(chǎn)生煙氣量更小，煙氣帶走熱量更少。

綜合考慮上述影響因素，#3爐比#1爐噸垃圾產(chǎn)汽量增加3.29%，說(shuō)明煙氣再循環(huán)結(jié)合低空氣比燃燒對(duì)余熱鍋爐效率的提高有一定作用。Tomoki等[7]的研究中，采用EGR的鍋爐燃燒空氣系數(shù)為1.39，與常規(guī)鍋爐相比，其發(fā)電量增加5.4%，也印證了煙氣再循環(huán)結(jié)合低空氣比燃燒對(duì)鍋爐效率的正向作用。

2.2 脫硝效果

#1爐未投運(yùn)煙氣再循環(huán)，僅采用SNCR脫硝；#3爐投運(yùn)煙氣再循環(huán)，采用“SNCR+EGR”脫硝，兩臺(tái)爐脫硝效果相關(guān)參數(shù)對(duì)比如表5及圖7所示。#1爐煙囪出口NOX排放值控制在160 mg/Nm3以下，主要波動(dòng)區(qū)間為120～150 mg/Nm3之間。#3爐煙囪出口NOX排放值控制在100 mg/Nm3(11% O2，干基)以下，且氨水消耗量(2.55 kg/t垃圾)比#1爐(3.35 kg/t垃圾)減少30%。綜上所述，煙氣再循環(huán)結(jié)合低空氣比燃燒能夠有效的抑制NOX的生成，“SNCR+EGR”組合脫硝工藝，能夠?qū)OX控制在較低水平且節(jié)約氨水消耗量。Hiroki等[8]以及Kohei等[9]的研究也均表明，SNCR+EGR工藝能夠?qū)OX控制在30 ppm(12% O2)以下，印證了煙氣再循環(huán)的脫硝作用。但是，從上述數(shù)據(jù)也可知，通過(guò)煙氣再循環(huán)難以將NOX濃度降低至50mg/Nm3以下，主要原因是爐膛內(nèi)氧濃度需控制在適宜范圍，從而保證爐內(nèi)燃燒充分，CO濃度穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

表5 NOX排放濃度相關(guān)參數(shù)Tab.5 Relevant parameters of NOX emission concentration

注：數(shù)據(jù)為日均值，11%O2，干基。圖7 引風(fēng)機(jī)出口NOX濃度Fig.7 NOX concentration at the outlet of induced draft fan

2.3 脫酸情況

圖8為兩臺(tái)爐煙囪出口HCl及SO2濃度對(duì)比，圖9為兩臺(tái)爐消石灰消耗量對(duì)比。由圖8可知，#1爐HCl濃度高于#3爐、SO2濃度低于#3爐，#3爐投運(yùn)煙氣再循環(huán)后HCl濃度控制較好，SO2濃度存在波動(dòng)，但均滿足排放指標(biāo)。物料消耗方面，#1爐消石灰平均耗量11.42kg/t垃圾，#3爐平均消石灰耗量10.81kg/t垃圾，#3爐消石灰耗量略低與#1爐，整體的趨勢(shì)較為平穩(wěn)。

圖8 引風(fēng)機(jī)出口HCl、SO2濃度Fig.8 HCl and SO2 concentration at the outlet of induced draft fan

圖9 消石灰消耗量對(duì)比Fig.9 Comparison of lime consumption

2.4 燃燒穩(wěn)定性

圖10為兩臺(tái)爐煙囪出口CO濃度對(duì)比，圖11為兩臺(tái)爐爐膛平均溫度對(duì)比。由圖10可知，#1爐CO濃度低于#3爐且穩(wěn)定性更好，#3爐投運(yùn)煙氣再循環(huán)后爐內(nèi)含氧量降低，CO濃度略有升高，但仍能夠保證穩(wěn)定燃燒，使CO濃度控制在較低水平(CO均值為3.92mg/Nm3)。由圖11可知，#3爐的爐膛平均溫度比#1爐約50℃，煙氣再循環(huán)系統(tǒng)的投運(yùn)能夠明顯加強(qiáng)湍流[10]，降低爐膛溫，一定程度減少熱力型NOX的生成，且能夠減少一煙道結(jié)焦，延長(zhǎng)耐火材料使用壽命，有利于長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

注：數(shù)據(jù)為日均值，11%O2，干基。圖10 引風(fēng)機(jī)出口CO濃度Fig.10 CO concentration at the outlet of induced draft fan

注：數(shù)據(jù)為日均值。圖11 爐膛平均溫度Fig.11 Average temperature of furnace

2.5 運(yùn)行難點(diǎn)分析

2.5.1 煙氣倒灌

本研究中煙氣再循環(huán)系統(tǒng)取風(fēng)口為袋式除塵器出口煙道，負(fù)壓為-2～-3kPa，再循環(huán)風(fēng)機(jī)從此處吸風(fēng)需克服較大的阻力。再循環(huán)風(fēng)機(jī)出口需達(dá)到一定的正壓，才能使除塵器出口煙氣能夠回流至焚燒爐內(nèi)，否則易導(dǎo)致焚燒爐內(nèi)高溫?zé)煔獾构嘀猎傺h(huán)煙道內(nèi)，從而損壞設(shè)備及煙道。本研究工程試驗(yàn)期間，始終保證循環(huán)風(fēng)機(jī)出口壓力>1kPa，從而避免了煙氣倒灌問(wèn)題。但生活垃圾焚燒運(yùn)行工況波動(dòng)大，因此，煙氣再循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)節(jié)難度較大，對(duì)運(yùn)行人員操作水平要求較高。

2.5.2 設(shè)備及煙道腐蝕

煙氣再循環(huán)系統(tǒng)煙道長(zhǎng)度超過(guò)80m，系統(tǒng)停運(yùn)時(shí)，煙氣易在煙道內(nèi)冷凝為酸露，從而導(dǎo)致設(shè)備及煙道腐蝕。因此，煙氣再循環(huán)系統(tǒng)應(yīng)盡量保持連續(xù)運(yùn)行，避免頻繁啟停，停運(yùn)時(shí)需采用潔凈空氣吹掃完全。同時(shí)，需在煙道最低點(diǎn)設(shè)置疏水口，以便及時(shí)將冷凝水排出。通過(guò)以上措施，能夠有效減少設(shè)備及煙道腐蝕。

3 結(jié) 論

3.1 采用“SNCR+EGR”工藝可以將NOX控制在100 mg/Nm3(11% O2，干基)以下，相比于“SNCR+SCR”工藝，“SNCR+EGR”具有低投入、高效益的顯著特征，符合目前垃圾焚燒行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)

3.2 采用EGR工藝時(shí)，HCl和SO2均能夠穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，對(duì)煙氣凈化脫酸系統(tǒng)無(wú)明顯影響，但由于爐內(nèi)氧含量降低，CO濃度略有升高。再循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，再循環(huán)風(fēng)量及氧量控制需結(jié)合CO濃度綜合考慮。

3.3 EGR結(jié)合低空氣比燃燒能夠提高噸垃圾產(chǎn)汽量，且降低爐膛溫度，減少一煙道結(jié)焦，延長(zhǎng)耐火材料使用壽命。

3.4 EGR系統(tǒng)能夠從源頭抑制氮氧化物產(chǎn)生，脫硝效果顯著且對(duì)于鍋爐及其他煙氣凈化系統(tǒng)無(wú)明顯負(fù)效應(yīng)，“SNCR+EGR”、“SNCR+EGR+SCR”等組合脫硝工藝的研究與應(yīng)用為垃圾焚燒脫硝工藝的選擇提供了新的方向。