垃圾焚燒爐SNCR-煙氣再循環(huán)技術(shù)的設(shè)計研究

劉洪福， 宋國軍， 許留建， 蘇黎寧， 崔燕平

(洛陽城市建設(shè)勘察設(shè)計院有限公司，河南 洛陽 471000)

2018年中國城市生活垃圾產(chǎn)生量為21 147.3萬t，其成分復(fù)雜，占用大量土地，污染生態(tài)環(huán)境，成為社會關(guān)注的焦點(diǎn)問題[1-2]。爐排焚燒是目前處理垃圾的主要方式[3]。由于垃圾灰分較高、水分高、熱值低，且組成其成分不穩(wěn)定，造成垃圾燃燒不穩(wěn)定，SO2、NOX等污染物超標(biāo)排放[4]。若在滿足煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下，又存在其污染物排放控制成本較高的問題[5]。目前，在國內(nèi)外NOX排放控制技術(shù)主要體現(xiàn)在燃燒和脫硝技術(shù)層上，其中就包含了煙氣再循環(huán)和SNCR(Selective Non-Catalytic Reduction)脫硝技術(shù)[6]。YU等[7]通過試驗(yàn)得出煙氣再循環(huán)可以降低NOX的生成；張政等[8]通過理論分析與實(shí)際運(yùn)行得出煙氣再循環(huán)率為20%時，NOX排放量較低，余熱鍋爐蒸發(fā)量最高；梁秀進(jìn)等[9]以氨氣還原劑得出了各溫度下NH3與NOX反應(yīng)途徑；王智化等[10-11]通過模擬研究，得出了SNCR脫硝技術(shù)氨水噴射時的氨水溫度范圍(850～1 100 ℃)、停留時間(0.8 s)、氨氮摩爾比(1.5～3)；李艷麗[12]模擬出SNCR在焚燒爐10～32 m區(qū)域處反應(yīng)；王進(jìn)等[13]通過數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究得出煙氣再循環(huán)和SNCR同時運(yùn)用時，可穩(wěn)定地將NOX控制在100 mg·m-3之下；但難以降低煙氣再循環(huán)和SNCR設(shè)備和運(yùn)行成本，使得生活垃圾發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益較低。本研究通過優(yōu)化設(shè)計和試驗(yàn)研制出一種SNCR-煙氣再循環(huán)技術(shù)，旨在解決目前生活垃圾排煙損失大、污染物排放量較高、設(shè)備成本和運(yùn)行成本高等問題，為生活垃圾焚燒發(fā)電工程的推廣應(yīng)用提供技術(shù)和理論依據(jù)。

1 設(shè)計依據(jù)

1.1 生活垃圾煙氣排放特性

垃圾焚燒煙氣的主要成分為N2、O2、CO2、H2O，其含量占煙氣容積的99%，其余還主要包括HCl、HF、SOX、NOX等酸性污染物以及一些煙塵顆粒物。參照與某市市域內(nèi)其他縣生活垃圾成分及熱值，某市轄縣生活垃圾性質(zhì)和組分、化學(xué)元素分析數(shù)值見表1。

從表1可以看出，氯元素含量高，氮元素含量較高，硫元素含量相對較低。以樣品中均值為計算標(biāo)準(zhǔn)，通過理論計算分析可得污染物排放原始質(zhì)量濃度(表2)。煙氣排放物中HCl是占比較多的一部分，SOX質(zhì)量濃度為737 mg·m-3，NOX質(zhì)量濃度為421 mg·m-3，可見HCl、SOX、NOX在生活垃圾焚燒爐爐膛出口煙氣中含量最高，是主要的煙氣排放污染物。煙氣中的顆粒物含量相對較高，且具有強(qiáng)磨琢性和沖擊性；煙氣中含氧量一般為6%～12%，具有很強(qiáng)的氧化性，水分一般為15%～25%具有水解性，飛灰中低熔點(diǎn)的成分略多。

表1 生活垃圾的工業(yè)分析、元素分析和發(fā)熱量

表2 生活垃圾焚燒爐膛煙出口氣污染物原始質(zhì)量濃度

1.2 煙氣再循環(huán)特點(diǎn)

煙氣再循環(huán)工藝系統(tǒng)見圖1。煙氣再循環(huán)是指垃圾焚燒系統(tǒng)中設(shè)置煙氣回流系統(tǒng)，利用二次風(fēng)機(jī)從布袋除塵器至煙氣引風(fēng)機(jī)之間煙道上抽取經(jīng)過煙氣凈化系統(tǒng)凈化后的煙氣(稱為潔凈煙氣)，在二次風(fēng)機(jī)入口處與新鮮空氣按需配比混合后經(jīng)過二次風(fēng)蒸汽預(yù)熱器預(yù)熱后再有二次風(fēng)噴嘴噴入焚燒爐。

煙氣再循環(huán)可降低焚燒爐爐膛燃燒溫度，而且也降低了氧氣濃度，進(jìn)而減少了煙氣燃燒過程中NOX的生成量，達(dá)到減少NOX排放質(zhì)量濃度的目的。經(jīng)驗(yàn)表明，煙氣再循環(huán)率為10%～15%時，鍋爐的NOX排放質(zhì)量濃度可降低40%以上。NOX的降低率隨著煙氣再循環(huán)率的增加而增加，燃燒溫度越高，煙氣再循環(huán)率對NOX降低率的影響越大。余熱鍋爐的煙氣再循環(huán)率一般控制在10%～20%。當(dāng)采用更高的煙氣再循環(huán)率時，會導(dǎo)致鍋爐內(nèi)部煙氣燃燒不穩(wěn)定，未完全燃燒熱損失會增加，也不利于通過控制燃燒溫度來控制二噁英的排放濃度。采用煙氣回流技術(shù)通過控制煙氣回流風(fēng)的擋板門來調(diào)節(jié)煙氣回流量，滿足鍋爐不同工況下自動控制NOX濃度在合理范圍內(nèi)。

1．再循環(huán)風(fēng)機(jī)；2．布袋除塵器；3．空氣預(yù)熱器；4．焚燒爐爐膛；5．噴槍。

1.3 SNCR特點(diǎn)

SNCR是在煙氣溫度850～1 100 ℃，在O2共存條件下，垃圾焚燒爐出口的鍋爐第一煙道上設(shè)置SNCR系統(tǒng)氨水或尿素等脫硝劑溶液噴嘴，將一定濃度的氨水或尿素溶液噴入高溫的鍋爐煙氣中進(jìn)，其快速分解成NH3，同時與NOX發(fā)生反應(yīng)，使NOX還原成N2，降低煙氣中的NOX質(zhì)量濃度并確保余熱鍋爐出口煙氣中氮氧化物的濃度控制一定范圍之內(nèi)，SNCR工藝系統(tǒng)見圖2。

采用SNCR法對氮氧化物之去除率約在50%以下。其脫硝反應(yīng)效率高的溫度總區(qū)間為800～1 000 ℃，但不同的脫硝劑對應(yīng)總區(qū)間不同的溫度區(qū)域，如800～870 ℃是氨水反應(yīng)率較高的區(qū)域，870～970 ℃是尿素反應(yīng)率較高的區(qū)域。脫硝劑溶液與煙氣的混合程度是脫硝關(guān)鍵的一個關(guān)鍵因素，混合越均勻，反應(yīng)越徹底，脫硝效率越高，這需要高霧化性能、分布均勻、滲透力強(qiáng)的噴射器。

1．還原劑溶液制備罐；2．還原劑溶液儲罐；3．除鹽水模塊；4．還原劑溶液輸送泵；5．壓縮空氣罐；6．焚燒爐爐膛；7．噴槍；8．還原劑溶液分配模塊；9．壓縮空氣分配模塊。

2 SNCR-煙氣再循環(huán)技術(shù)設(shè)計

2.1 SNCR-煙氣再循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計

在滿足或優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)排放的要求下，為降低煙氣凈化的設(shè)備成本和運(yùn)行成本，作者設(shè)計了SNCR-煙氣再循環(huán)系統(tǒng)，如圖3所示。

1．還原劑罐；2．還原劑輸送泵；3．混合輸送風(fēng)機(jī)；4．蒸汽空預(yù)器；5．還原劑接入裝置；6．噴槍；7．靜態(tài)混合器；8．壓縮空氣模塊；9．流量計；10．調(diào)節(jié)風(fēng)門；11．閥門。

SNCR-煙氣再循環(huán)系統(tǒng)主要由還原劑罐、還原劑輸送泵、調(diào)節(jié)閥、流量計、混合輸送風(fēng)機(jī)、靜態(tài)混合器、混合氣噴槍、還原劑接入器等結(jié)構(gòu)組成。處于還原劑罐的還原劑溶液在還原劑輸送泵的推送下，經(jīng)輸液管進(jìn)入還原劑接入器，還原劑溶液在還原劑接入器里均勻分布后被噴入到煙氣再循環(huán)抽氣管道，從煙氣引風(fēng)機(jī)后抽出的潔凈煙氣與還原劑均勻混合后在混合輸送風(fēng)機(jī)的作用下經(jīng)靜態(tài)混合器進(jìn)入混合器噴槍，混合器噴槍將混合氣噴入到焚燒爐爐膛。

本系統(tǒng)將還原劑溶液與煙氣再循環(huán)抽出的潔凈煙氣提前預(yù)混合，會使噴入到爐膛中的混合氣與爐膛煙氣混合充分均勻，起到還原劑能與煙氣的NOX充分接觸和反應(yīng)的作用；它省去了SNCR系統(tǒng)中的壓縮空氣和除鹽水輸送工藝，減少了軟水儲存單元、軟水輸送泵單元、安全噴淋等結(jié)構(gòu)和設(shè)備，減少了SNCR工藝的復(fù)雜性，收到工藝簡單實(shí)用脫氮效率又高的效果。

2.2 還原劑接接入裝置的設(shè)計

在SNCR-煙氣再循環(huán)系統(tǒng)中，還原劑接入裝置完成還原劑溶液與潔凈煙氣的混合。還原劑接入裝置主要由6個還原劑溶液噴頭組成(圖4)。還原劑溶液噴頭方向與煙氣流動方向設(shè)置為15°夾角，這樣可以減少潔凈煙氣對還原劑溶液噴頭的摩擦，延長還原劑溶液噴頭壽命；也盡可能避免還原劑溶霧滴與潔凈煙氣管道內(nèi)壁接觸面積較大而造成對其的腐蝕；同時，減小還原劑溶液對潔凈煙氣流動方向上的阻力，使得煙氣軸向流動的波動較小。

1．假想圓；2．還原劑溶液噴頭；3．潔凈煙氣管道；4．煙氣流動方向。1．Imaginary circle；2．Spray gun of reducing agent solution；3．Clean flue gas duct；4．Flue gas flow direction.

為增強(qiáng)還原劑溶液凈化煙氣能力，在潔凈煙氣流動方向截面上，設(shè)置6個還原劑溶液噴頭與煙氣管道切線方向夾角分別為46°，還原劑溶液經(jīng)過還原劑溶液噴頭噴出時，能在噴射截面的近處形成一個圓，并在煙氣流動方向截面上螺旋式擴(kuò)散，使其有更強(qiáng)的擾動和混合能力，可以使還原劑霧滴與煙氣混合充分均勻。通過還原劑溶液噴頭夾角的特殊設(shè)置，使得潔凈煙氣與還原劑溶液提前充分均勻混合。

2.2.1 還原劑溶液與潔凈煙氣流量的參數(shù)設(shè)計 通過還原劑與爐膛煙氣的配比和煙氣再循環(huán)與爐膛煙氣的配比得出潔凈煙氣與還原劑溶液的關(guān)系，以單位垃圾燃料為準(zhǔn)計算公式為：

V0=0.088 9(Car+0.375Sar)+0.265Har+0.008Nar×ɑN-0.033Oar

(1)

Vy=0.018 67Car+0.111Har+0.007Sar+0.008Nar+0.003 15Clar+(1.016 1α-0.21)V0+0.012 4W

(2)

VNO=1.016×β×Nar

(3)

VNH3=δ×VNO

(4)

VZ=γ×Vy

(5)

mh=VNH3/c

(6)

式中：Car為碳占燃料全部成分的百分比；Sar為硫占燃料全部成分的百分比；Har為氫占燃料全部成分的百分比；Oar為氧占燃料全部成分的百分比；Nar為氮占燃料全部成分的百分比；Clar為氯占燃料全部成分的百分比；W為水占燃料全部成分的百分比；V0為理論空氣量，m3·kg-1；Vy為焚燒爐出口實(shí)際煙氣量，m3·kg-1；VNH3為氨氣供應(yīng)量，m3·kg-1；VNO為一氧化氮生成量，m3·kg-1；β為NO生成率；δ為氨氮摩爾比；VZ為再循環(huán)抽氣量，m3·kg-1；γ為循環(huán)倍率；c為氨氣所占還原劑比；mh為還原劑溶液質(zhì)量，kg。

2.2.2 還原劑溶液噴嘴的設(shè)計 為保證還原劑能夠與潔凈煙氣充分接觸又不能噴射到煙氣管道內(nèi)壁上，需要采用霧化性能高、分布均勻、滲透力強(qiáng)的噴射裝置。該還原劑溶液噴嘴選擇引射性噴射器，主要依據(jù)噴嘴的直徑d、長度L以及溶液噴射速度V。其計算公式為：

(7)

F1=A[Bmn-C(m-1)(n-1)]

(8)

(9)

(10)

式中：F1為混合管與還原劑溶液噴嘴的最佳面積比；A為修正系數(shù)，取A=1；B為引射器內(nèi)空氣、還原劑溶液的沿程阻力；m為體積噴射比；n為重量噴射比；C為引射器內(nèi)空氣沿程流動阻力；ε為噴嘴噴頭阻力系數(shù)，取ε=0.2；ΔPc為噴嘴內(nèi)混合體壓力增高值，Pa；ΔP煙為潔凈煙氣管道內(nèi)溶液為空氣混合物壓力升高值，Pa；dA為擴(kuò)張管的最粗直徑，m；β為燒嘴的收縮角，取14°；T1、T2為煙氣與溶液混合物混合溫度、空氣溫度，K；α為引射器過量空氣系數(shù)；選定參數(shù)后，依次帶入上式，即可計算出噴嘴的直徑、長度以及混合氣體噴出的速度。

2.3 混合輸送風(fēng)機(jī)的設(shè)計

混合輸送風(fēng)機(jī)用于輸送還原劑、水蒸氣、空氣和潔凈煙氣的混合氣。它的選型應(yīng)保證在生活垃圾正常焚燒狀態(tài)下，滿足煙氣脫硝時還原劑持續(xù)均勻供應(yīng)的需要?；旌陷斔惋L(fēng)機(jī)選型需依據(jù)混合氣體量和全壓降。由于風(fēng)機(jī)理論計算和運(yùn)行之間存在一定的差別，在選擇混合輸送風(fēng)機(jī)時，需用儲備系數(shù)來修正。主要由管道流量、壓頭及風(fēng)機(jī)功率確定風(fēng)機(jī)的選型。

(11)

Hj=β′2ΔH

(12)

(13)

Nd=N(1+KC)

(14)

式中：Qj為風(fēng)機(jī)流量，m3·h-1；β1為風(fēng)機(jī)風(fēng)量系數(shù)；β2為風(fēng)機(jī)壓頭裕量系數(shù)；V為粉體流量，m3·h-1；b0為當(dāng)?shù)卮髿鈮?，Pa；H′為機(jī)入口截面處的負(fù)壓，Pa；Hj為風(fēng)機(jī)全壓降，Pa；β2′為風(fēng)機(jī)全壓降修正系數(shù)；ΔH為風(fēng)機(jī)全壓，Pa；Ψ為風(fēng)機(jī)的介質(zhì)壓縮修正系數(shù)；g為重力加速度，m·s-2；η為風(fēng)機(jī)效率，%；Nd為通過混合氣體時的功率，kW；N為通過凈空氣時的功率，kW；C為還原劑溶液質(zhì)量濃度，kg·m-3；K為系數(shù)，當(dāng)風(fēng)機(jī)葉片為6時，K=1.2；當(dāng)風(fēng)機(jī)葉片為24時，K=0.7。將參數(shù)代入上述公式中即可計算出混合輸送風(fēng)機(jī)流量及壓頭。根據(jù)風(fēng)機(jī)制造廠產(chǎn)品目錄選擇出混合輸送風(fēng)機(jī)類型。

3 SNCR-煙氣再循環(huán)試驗(yàn)系統(tǒng)

3.1 試驗(yàn)物料

試驗(yàn)材料取自上述市縣生活垃圾，工業(yè)分析和元素分析數(shù)據(jù)按表1樣品均值取值；脫硝還原劑使用氨水溶液，氨水質(zhì)量指標(biāo)見表3。

3.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)采用上述某市生活垃圾焚燒發(fā)電工程，其日處理能力為1 000 t·d-1，模式為2×500 t·d-1的焚燒線，年運(yùn)行時間不少于8 000 h。汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組為1×20 MW，焚燒爐膛在正常工況運(yùn)行時過量空氣系數(shù)為2.0，一次風(fēng)機(jī)效率為75%。生活垃圾焚燒系統(tǒng)如圖5所示。

表3 氨水溶液質(zhì)量指標(biāo)

垃圾在垃圾坑存放發(fā)酵后，通過垃圾吊車抓斗進(jìn)入焚燒爐給料斗，經(jīng)溜槽進(jìn)入焚燒爐內(nèi)燃燒。一次風(fēng)空氣采用蒸汽式空氣預(yù)熱器加熱到220 ℃，從爐排下分段送風(fēng)。煙氣再循環(huán)風(fēng)機(jī)從布袋除塵器后抽取的潔凈煙氣經(jīng)蒸汽式空氣預(yù)熱器加熱后從焚燒爐的前后拱噴入以加強(qiáng)煙氣的擾動，使空氣與煙氣充分混合。一次風(fēng)空氣從垃圾儲坑內(nèi)抽取(可使垃圾儲坑內(nèi)壓力維持在負(fù)壓狀態(tài)，防止臭氣外逸)。被抽取的潔凈煙氣經(jīng)噴槍加壓后進(jìn)入爐膛，使?fàn)t膛煙氣產(chǎn)生強(qiáng)烈湍流，用于消除化學(xué)不完全燃燒損失，有利于飛灰顆粒的燃盡，一次風(fēng)的空氣量和再循環(huán)倍率可根據(jù)垃圾性質(zhì)及其在焚燒爐內(nèi)的實(shí)際燃燒情況通過風(fēng)機(jī)變頻器進(jìn)行調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)合理配風(fēng)，保證垃圾的充分燃燒。當(dāng)垃圾熱值偏低、水分較高，爐膛出口煙氣溫度不能維持在850 ℃以上時，為保證爐溫，用0號輕柴油作為輔助燃料，啟動輔助燃燒器。垃圾在爐排上通過干燥、燃燒、燃盡3個區(qū)域，充分完全燃燒。垃圾燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔饨?jīng)余熱鍋爐回收熱能產(chǎn)生蒸氣供汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。煙氣冷卻后進(jìn)入煙氣凈化系統(tǒng)處理后通過煙囪排放至大氣。

3.3 試驗(yàn)方法

該生活垃圾焚燒發(fā)電工程共有2條焚燒線，每條焚燒線處理量為20.83 t·h-1。

工況A為一條正常的焚燒線(SNCR系統(tǒng)與煙氣再循環(huán)系統(tǒng)分開的)；工況B為另一條焚燒線(SNCR-煙氣再循環(huán)系統(tǒng))。兩者在焚燒爐進(jìn)料量、一次風(fēng)量、煙氣凈化設(shè)備和運(yùn)行參數(shù)等保持相同的數(shù)值。

煙氣停留時間測量：采用垃圾焚燒爐爐內(nèi)煙氣850 ℃條件下停留時間的實(shí)時測量方法，主要公式為：

t=ΔH/u=|Hmax-H850|/u

(15)

(16)

式中：t為煙氣停留時間，s；u為爐膛煙氣流速，m·s-1；ΔH為爐膛煙氣溫度最高點(diǎn)位置與爐膛煙氣溫850 ℃位置的豎直方向的差值，m；Hmax為爐膛煙氣溫度為最高點(diǎn)的位置，m；H850為爐膛煙氣溫度為850 ℃的位置，m；Qy為實(shí)際煙氣流量，Nm3·s-1；F為爐膛截面積，m2；T為爐膛內(nèi)實(shí)際煙氣溫度，℃；Tsj為爐膛內(nèi)煙氣設(shè)計溫度，℃。

1．SNCR-煙氣再循環(huán)系統(tǒng)；2．SNCR與煙氣再循環(huán)分開系統(tǒng)；3．SNCR管道接頭；4．引風(fēng)機(jī)；5．脫硫塔；6．消石灰噴射裝置；7．活性炭噴射裝置；8．布袋除塵器；9．刮板輸送機(jī)；10．煙囪；11．焚燒爐；12．進(jìn)料斗；13．SNCR還原劑溶液噴頭；14．一次風(fēng)機(jī)；15．空氣預(yù)熱器；16．余熱鍋爐；17．飛灰輸送機(jī)。

4 試驗(yàn)結(jié)果及投資成本分析

4.1 試驗(yàn)結(jié)果

于2019年11月對生活垃圾焚燒工程進(jìn)行熱性能及環(huán)保指標(biāo)試驗(yàn)。試驗(yàn)地點(diǎn)為某市生活垃圾焚燒發(fā)電廠，試驗(yàn)日焚燒線每天正常運(yùn)行24 h，持續(xù)7 d。試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 垃圾焚燒爐SNCR-煙氣再循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表4 Continuing table 4

4.2 設(shè)備投資成本分析

該試驗(yàn)項(xiàng)目A工況下SNCR建設(shè)成本約為300萬元， B工況下建設(shè)成本約為260萬元，B工況較A工況節(jié)省約為13.3%，這是由于A、B工況的工藝主要差別在于SNCR噴槍數(shù)量減少和工藝管道簡化，其中SNCR噴槍較為昂貴，一只價格為15萬元左右。因此，B工況下的設(shè)備建設(shè)更為節(jié)約資源。

5 結(jié)論

(1)試驗(yàn)得出，工況B燃燒效率98.38%、爐膛平均溫度為1 045 ℃、爐膛出口溫度931 ℃、爐膛內(nèi)煙氣停留時間為5.3 s，滿足生活垃圾充分完全焚燒、煙氣在爐膛850 ℃區(qū)域內(nèi)停留時間大于2 s,符合國家煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)GB 18485—2014，證明了該設(shè)計方法的正確性和科學(xué)性。

(2)工況B的NOX排放質(zhì)量濃度為185.60 mg·m-3，脫氮效率為52.2%優(yōu)于工況A的41.3%，同時氨的逃逸質(zhì)量濃度3.2 mg·m-3遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于工況A的6.7 mg·m-3；說明了氨氣與氮氧化物接觸面積大，混合均勻，反應(yīng)充分完全。

(3)工況B的氨水輸送泵耗電量比工況A低0.35 kW·h-1；這是由于工況B不需要除鹽水氨水輸送泵功率得到降低，同時SNCR-煙氣再循環(huán)技術(shù)簡化脫氮工藝減少了管道復(fù)雜性進(jìn)而降低了管道阻力。使得煙氣再循環(huán)-SNCR系統(tǒng)設(shè)備和運(yùn)行成本得到良好的控制，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。