雙回路熱解爐垃圾焚燒NOx排放特性研究

陳國(guó)艷，曾紀(jì)進(jìn)，段翠九

(1.福建省豐泉環(huán)?？毓捎邢薰?，福州 350007;2.中德 (中國(guó))環(huán)保有限公司，北京 100142;3.清華大學(xué)熱能工程系，北京 100083)

1 引言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)及城市建設(shè)的發(fā)展，居民生活水平的提高，城市生活垃圾產(chǎn)生量與日俱增，已經(jīng)危及到人們賴以生存的自然環(huán)境和生活環(huán)境，危及到人類自身的安全，已到非治不可的地步。為此，人們迫切希望對(duì)這些固體廢棄物進(jìn)行減量化、無害化和資源化的綜合處理，變廢為寶。焚燒法是垃圾無害化處置技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，所以目前發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)逐步采用焚燒法實(shí)現(xiàn)對(duì)垃圾的無害化、減量化和資源化的處理［1～3］。而垃圾焚燒必將產(chǎn)生廢氣污染，因此有必要對(duì)垃圾焚燒煙氣中的有害氣體NOx進(jìn)行研究。

NOx是主要的大氣污染物之一，它不僅危害人體健康、破壞大氣環(huán)境，而且能夠形成光化學(xué)煙霧、酸雨，并對(duì)高空臭氧層產(chǎn)生很大的破壞作用，這對(duì)人類可持續(xù)性發(fā)展造成嚴(yán)重的威脅［3］。

NOx的種類很多，主要有 NO、NO2、N2O、N2O4、N2O3等，其中造成大氣污染的主要是NO、NO2和N2O。NO進(jìn)入大氣后，在日光照射下會(huì)緩慢氧化為NO2，其毒性為NO的4～5倍。NO2參與形成的光化學(xué)煙霧毒性更強(qiáng)。另外，N2O和CO2一樣，可以使地球氣溫上升，從而會(huì)引起溫室效應(yīng)。為此，許多國(guó)家制定了非常嚴(yán)格的NOx排放法規(guī)，在新建項(xiàng)目中，不僅要求采用低NOx燃燒技術(shù)，而且很多項(xiàng)目都要求安裝脫NOx系統(tǒng) (簡(jiǎn)稱脫硝)，并已經(jīng)投入運(yùn)行［3～5］。

近幾十年來，對(duì)于煤燃燒過程中NOx的生成特性方面，專家們已做了大量的工作［3～6］。但有關(guān)垃圾焚燒過程中N0x的生成特性的報(bào)道則很少，同時(shí)，由于垃圾成分及燃燒過程比煤的情形復(fù)雜得多，生成氮氧化物的危害性更大［7］。因?yàn)槔贌裏煔庵?，有大量的重金屬成分，容易?dǎo)致后續(xù)的SCR脫硝催化劑中毒而失效，因此有必要對(duì)垃圾焚燒過程中NOx生成的特性進(jìn)行深入研究，為找出相應(yīng)的降低NOx的措施提供理論指導(dǎo)。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備與方法

圖1 雙回路立式熱解焚燒爐Fig.1 Double loop vertical garbage pyrolysis furnace

本試驗(yàn)所用的兩臺(tái)焚燒爐為福建省豐泉環(huán)保控股有限公司自主研發(fā)的SLR—100雙回路立式熱解爐。如圖1所示，該焚燒系統(tǒng)可不間斷地、連續(xù)地、穩(wěn)定地運(yùn)行2400小時(shí)以上;年運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間8000小時(shí)以上;單臺(tái)爐處理能力100t/d。該焚燒系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 焚燒系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of combustion system

本系統(tǒng)沒有給出進(jìn)料裝置以及熱解、氣化氣經(jīng)冷卻去除水后進(jìn)入引風(fēng)機(jī)的裝置等。該系統(tǒng)的運(yùn)行步驟是，垃圾經(jīng)給料裝置送入回轉(zhuǎn)窯內(nèi)，經(jīng)過回轉(zhuǎn)窯干燥后，進(jìn)入立式爐熱解、氣化，熱解、氣化后的氣體一部分進(jìn)入二燃室燃燒，一部分由引風(fēng)機(jī)抽吸進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯干燥垃圾，并經(jīng)除水后，與一次風(fēng)匯合，從立式爐底部進(jìn)入立式爐內(nèi)燃燒。二燃室排出的煙氣經(jīng)過除酸、除塵后進(jìn)入氣體分析儀測(cè)量。為了研究及表述方便，一、二次風(fēng)機(jī)的風(fēng)量用過量空氣系數(shù)α1、α2表示，引風(fēng)機(jī)的風(fēng)量Q1占總熱解、氣化氣的比例用α3表示，進(jìn)入二燃室的風(fēng)量Q2占總熱解、氣化氣的比例用α4表示。立式爐內(nèi)的熱解、氣化溫度一般在700℃ ～750℃，二燃室內(nèi)的溫度大于850℃。

立式熱解爐產(chǎn)生的熱解氣體在二燃室內(nèi)繼續(xù)充分燃燒。二燃室安裝有進(jìn)口二段式柴油燃燒機(jī)，燃燒機(jī)的開啟幅度或關(guān)閉由設(shè)定溫度自動(dòng)控制。在起爐階段，由于爐溫較低，需要開啟燃燒機(jī)對(duì)二燃室進(jìn)行加熱升溫，熱解氣體自燃時(shí)，爐溫會(huì)迅速上升并達(dá)到設(shè)定溫度 (850℃左右)，助燃裝置則自動(dòng)關(guān)閉。燃燒裝置具有安全保護(hù)裝置，如果發(fā)生點(diǎn)火失敗或故障熄滅，安全保護(hù)裝置能自動(dòng)切斷燃料供應(yīng)，燃燒機(jī)自動(dòng)退出機(jī)構(gòu)作用，自動(dòng)將燃燒機(jī)退出，以避免燃燒機(jī)高溫?zé)龎摹Ｓ捎诙稳紵覂?nèi)溫度達(dá)到850℃左右，煙氣在此溫度停留時(shí)間2秒以上，故煙氣中的各種有害成份 (包括劇毒氣體二惡英)，都會(huì)在二次燃燒室內(nèi)得到充分的分解和消除。二燃室助燃風(fēng)采用加熱后的循環(huán)煙氣，既可以降低含氧量，控制NOx產(chǎn)生，同時(shí)還可以降低二燃室助燃燃料消耗。

二燃室采用特殊結(jié)構(gòu)形式，能使煙氣在二燃室內(nèi)激烈湍流，使煙氣充分混合無死角，滿足了垃圾焚燒的“3T”原則。系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)集中控制，整個(gè)系統(tǒng)為一個(gè)微負(fù)壓系統(tǒng)。燃燒供風(fēng) (氧)量根據(jù)燃燒狀況參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)，以達(dá)到熱解爐和二燃室空氣量的自動(dòng)控制，主、輔風(fēng)雙回路原理如圖2所示。

圖2 雙回路立式熱解焚燒爐流程圖Fig.2 Double loop vertical garbage pyrolysis furnace flow chart

2.2 試驗(yàn)樣品

本試驗(yàn)所用的生活垃圾具體成分如表2所示。

表2 本試驗(yàn)的垃圾成分分析Tab.2 Composition characteristics of experimental waste

3 NOx產(chǎn)生機(jī)理

NOx從形成機(jī)理上可以分為熱力型NOx、燃料型NOx和快速型NOx。垃圾焚燒爐膛溫度不超過1200℃，因此煙氣中NOx的來源主要是燃料中的氮化合物在高溫燃燒的條件下，與氧氣反應(yīng)生成的燃料型NOx。

垃圾中氮化合物的C-N結(jié)合鍵能比空氣中氮分子的N=N鍵能小得多，在燃燒時(shí)很容易發(fā)生分解。因此，從氮氧化物的生成角度看，氧更容易首先破壞C-N鍵而與氮原子反應(yīng)生成NOx。通常燃料中氮的化合物首先被熱分解成HCN、NH3和CN等中間產(chǎn)物，它們隨揮發(fā)分一起從垃圾中析出。

4 結(jié)果與討論

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本參數(shù)為:過量空氣系數(shù)α為1.8，一次風(fēng)機(jī)過量空氣系數(shù)α1為1.2，二次風(fēng)機(jī)過量空氣系數(shù)α2為0.6;引風(fēng)機(jī)的風(fēng)量系數(shù)α3為0.2～0.3。根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，為了保證燃燒效果，設(shè)計(jì)的試驗(yàn)工況為:固定一次風(fēng)過量空氣系數(shù)為1.2和二次風(fēng)過量空氣系數(shù)0.6，調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)的風(fēng)量系數(shù)分別為0、0.1、0.2、0.3、0.4。通過調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)的風(fēng)量系數(shù)，測(cè)試立式爐和二燃室的溫度，以及煙氣中NOX和SO2含量的變化。

4.1 引風(fēng)機(jī)風(fēng)量系數(shù)對(duì)煙氣成分含量的影響

由圖3可知，煙氣中NOX的含量先增加后減少，沒有循環(huán)干燥氣化氣的時(shí)候，NOX的含量為242mg/m3，SO2的含量為442mg/m3;當(dāng)循環(huán)干燥氣化氣為0.2～0.3的時(shí)候，NOX的含量為330 mg/m3左右，SO2的含量為520mg/m3左右。隨著循環(huán)干燥氣化氣的繼續(xù)增加NOX含量開始降低。主要是由于沒有循環(huán)干燥氣化氣時(shí)，立式爐溫度較低，熱解氣含量較少，二燃室溫度相對(duì)較低，NOX和SO2生成較少;循環(huán)干燥氣化氣過大時(shí) (大于0.3)，循環(huán)干燥氣化氣由于冷卻凈化帶出熱量較多，影響到立式爐和二燃室的整體溫度，但是對(duì)立式爐影響較小，對(duì)二燃室溫度影響較大，因此影響到NOX和SO2的含量。

圖3 引風(fēng)機(jī)風(fēng)量系數(shù)對(duì)煙氣成分含量的影響Fig.3 Effect on flue gas component of induced draft fan air volume coefficient

4.2 引風(fēng)機(jī)風(fēng)量系數(shù)對(duì)立式爐及二燃室溫度的影響

圖4 引風(fēng)機(jī)風(fēng)量系數(shù)對(duì)溫度的影響Fig.4 Effect on temperature of induced draft fan air volume coefficient

由圖4可知，二燃室的溫度波動(dòng)范圍為850℃～890℃之間。隨著循環(huán)干燥氣化氣的增加二燃室溫度是先升高后降低。立式爐內(nèi)的溫度波動(dòng)范圍為620℃ ～710℃之間。隨著循環(huán)干燥氣化氣的增加溫度是先升高較快后趨平。主要是由于，沒有循環(huán)干燥氣化氣時(shí)，立式爐溫度較低，熱解氣含量較少，二燃室溫度相對(duì)較低;循環(huán)干燥氣化氣過大時(shí)(大于0.3)，循環(huán)干燥氣化氣由于冷卻凈化帶出的熱量較多，影響到立式爐和二燃室的整體溫度。

5 結(jié)論

(1)生活垃圾立式雙回路熱解爐能滿足垃圾處理“3T”的要求。即燃燒區(qū)溫度高于850℃，停留時(shí)間大于2秒，在二燃室能充分的擾動(dòng)，達(dá)到混合的目的。

(2)采用SLR-100雙回路立式熱解焚燒爐試驗(yàn)，隨著循環(huán)干燥氣的增加，煙氣中NOX的含量先增加后減少;沒有循環(huán)干燥氣化氣的時(shí)候，NOX的含量為242mg/m3，SO2的含量為442mg/m3，當(dāng)循環(huán)干燥氣化氣為0.2～0.3的時(shí)候，NOX的含量為330mg/m3左右，SO2的含量為520mg/m3左右，隨著循環(huán)干燥氣化氣的繼續(xù)增加NOX含量開始降低。循環(huán)干燥氣化氣過大時(shí) (大于0.3)，循環(huán)干燥氣化氣由于冷卻凈化帶出熱量較多，影響到立式爐和二燃室的整體溫度，但是對(duì)立式爐影響較小，對(duì)二燃室溫度影響較大，因此影響到NOX和SO2的含量。

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