垃圾焚燒爐煙氣再循環(huán)率分析

王沛麗，王 進(jìn)，許巖韋

(光大環(huán)境科技(中國)有限公司，南京 211100)

前 言

我國已初步形成了新增處理能力以焚燒為主的垃圾處理發(fā)展格局，生活垃圾焚燒比例逐年增加[1]，“十三五”期間累計在運行生活垃圾焚燒廠超過500座[2]。隨著環(huán)境問題凸顯，污染管理成為社會共識[3]，但運營成本也相應(yīng)的增加，有必要尋求合適的技術(shù)手段，以控制污染物排放——尤其是氮氧化物(NOX)的控制，并適應(yīng)當(dāng)前國情。煙氣再循環(huán)(Flue Gas Recirulation, 簡稱FGR)是一種低氮燃燒技術(shù)，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于燃煤、燃?xì)忮仩t[4]中。Arnd.I[5]等于早期提出煙氣再循環(huán)可以應(yīng)用于垃圾焚燒，陸燕寧等[6-7]表示煙氣再循環(huán)能夠減少NOX生成并改善爐內(nèi)擾動，王進(jìn)等[8-9]給出了不同煙氣再循環(huán)率時的脫硝效果。

煙氣再循環(huán)率(后簡稱再循環(huán)率)是煙氣再循環(huán)的最重要表征參數(shù)，是指再循環(huán)煙氣量與未循環(huán)的煙氣量之比[10]，其值對于焚燒系統(tǒng)的良好運行來說尤為重要。實際運行中再循環(huán)率受到很多因素限制，但是目前的研究大多側(cè)重于再循環(huán)率與脫硝效果之間的關(guān)系，而對其他因素還缺乏全面且定性的研究。本文以典型的垃圾焚燒發(fā)電系統(tǒng)為基礎(chǔ)，分析再循環(huán)率對系統(tǒng)設(shè)備負(fù)荷的影響；通過數(shù)值模擬方法，分析再循環(huán)率和低氮燃燒之間的關(guān)系；通過熱力計算方法，分析再循環(huán)率和熱效率及經(jīng)濟(jì)性的關(guān)系，從多角度深入研究以為選取合理的再循環(huán)率提供參考，確保系統(tǒng)的安全、可靠、高效和經(jīng)濟(jì)性，有助于煙氣再循環(huán)技術(shù)的研究和應(yīng)用。

1 煙氣再循環(huán)技術(shù)方案

典型生活垃圾焚燒發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示，主要設(shè)備包括焚燒爐、余熱鍋爐、煙氣凈化裝置等。工業(yè)應(yīng)用中煙氣再循環(huán)多采用從焚燒爐上部噴入的方式，將布袋除塵器后一定比例的排煙通過再循環(huán)管道、風(fēng)機(jī)返回焚燒爐內(nèi)。凈化后的煙氣清潔度高，可以保證再循環(huán)管道及部件的使用壽命，滿足系統(tǒng)長期運行需求。

圖1 含煙氣再循環(huán)的垃圾焚燒發(fā)電系統(tǒng)圖Fig.1 Diagram of waste incineration power generation system with FGR

2 煙氣再循環(huán)率分析

2.1 基于安全可靠性的分析

以一750t/d容量焚燒系統(tǒng)為研究對象，入爐垃圾燃料特性如表1所示。原始工況下，一次風(fēng)、二次風(fēng)配比為8∶2，無煙氣再循環(huán)；再循環(huán)工況下，維持一次風(fēng)量不變，二次風(fēng)換成再循環(huán)煙氣，因此總過量空氣系數(shù)(簡稱總過空)降低；改變再循環(huán)率，工況計算結(jié)果匯總于表2。

采用煙氣再循環(huán)后，煙囪排煙量減少，相應(yīng)的煙氣中各項污染物排放量也得到減少。余熱鍋爐出口煙氣量隨再循環(huán)率改變，當(dāng)再循環(huán)率較小時，煙氣量小于原始工況；當(dāng)再循環(huán)率為19.3%時，達(dá)到相同；當(dāng)再循環(huán)率繼續(xù)增大，煙氣量大于原始工況，這意味著經(jīng)過余熱鍋爐、煙氣凈化裝置等設(shè)備的煙氣量都有所增大?？紤]到安全可靠性，煙氣量不宜超過系統(tǒng)設(shè)備裕量，若按照20%的設(shè)計裕量來計算，余熱鍋爐出口煙氣量不超過15.6萬Nm3/h，由此得出再循環(huán)率應(yīng)小于50%。

表1 入爐垃圾收到基特性Tab.1 The receiving base characteristics of the furnace waste

表2 垃圾焚燒爐運行工況參數(shù)Tab.2 Working conditions parameters of waste incinerator

續(xù)表2

2.2 基于低氮燃燒效果的分析

對焚燒爐進(jìn)行三維全尺寸建模，通過數(shù)值模擬方法，分析不同再循環(huán)率時爐內(nèi)燃燒及NOX污染物生成情況。床層氣固相和爐膛氣相燃燒單獨建模、耦合計算的方式在同類研究中已得到大量應(yīng)用和驗證[6，11]，本文亦采用此方法。首先對原始工況進(jìn)行數(shù)值模擬，與某生活垃圾焚燒項目運行數(shù)據(jù)作對比于表3，運行數(shù)據(jù)為監(jiān)測值，項目運行有采用SNCR脫硝工藝以滿足排放標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)工藝脫硝率反算原始NOX濃度?？傮w來看，模擬結(jié)果與實際較為吻合，由此驗證數(shù)值模擬方法的可靠性。

表3 原始工況運行數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果對比Tab.3 Comparison between original operation data and simulation results

數(shù)值計算得到的流線分布如圖2所示，原始工況下，煙道內(nèi)煙氣整體偏向后墻，前墻附近存在回流。煙氣再循環(huán)工況下，較小的再循環(huán)率如10%時，煙道內(nèi)流線分布與原始工況相似，煙氣偏斜和回流現(xiàn)象明顯。當(dāng)再循環(huán)率較大，如圖2(c)、2(d)所示，由于再循環(huán)射流動量大，氣體擾動作用增強(qiáng)，煙道內(nèi)煙氣偏斜現(xiàn)象得到改善，氣流充滿度提高，可能還有利于爐后SNCR脫硝的混合反應(yīng)，提高整體脫硝效率。

觀察爐內(nèi)溫度分布如圖3所示，煙氣再循環(huán)不影響爐排上方料層燃燒，對焚燒爐喉部燃燒區(qū)作用明顯，當(dāng)再循環(huán)率較大，如圖3(c)、3(d)所示，焚燒爐喉部高溫區(qū)被打散，局部高溫減弱或消失，可能對緩解爐內(nèi)結(jié)焦有作用。

圖2 爐膛中心斷面的流線分布Fig.2 Path lines on the central section of the incinerator

圖3 爐膛中心斷面的溫度分布Fig.3 Temperature distribution on the central section of incinerator

表4統(tǒng)計了各再循環(huán)工況焚燒爐和一煙道出口兩個特征截面的組分信息，并與原始工況對比。

表4 數(shù)值模擬結(jié)果統(tǒng)計對比Tab.4 Comparison of numerical simulation results between different working conditions

(1)在完全燃燒方面，再循環(huán)率較小如10%時，焚燒爐出口CO體積分?jǐn)?shù)高于原始工況；隨著再循環(huán)率的增大，焚燒爐出口CO體積分?jǐn)?shù)逐漸降低，甚至可以低于原始工況，這是因為盡管再循環(huán)煙氣氧含量低于二次風(fēng)空氣，但是再循環(huán)煙氣體積流量較大，入爐后氣流擾動增強(qiáng)，再循環(huán)煙氣與燃燒煙氣混合更加充分，有助于氣相可燃物的燃燒，促進(jìn)氣相燃燼率。一煙道出口CO體積分?jǐn)?shù)均為零，表明煙氣再循環(huán)工況下可以滿足完全燃燒。

(2)在NOX脫除方面，再循環(huán)工況NOX濃度均低于原始工況，如圖4所示。將煙氣再循環(huán)與原始工況一煙道出口NOX濃度之比作為脫硝率，計算可得再循環(huán)率為10%～40%時，脫硝率為23%～47%，這是由于低溫低氧的再循環(huán)煙氣代替二次風(fēng)空氣入爐后，降低主燃區(qū)局部氧含量以及溫度。還原性氣氛遏制NOX前驅(qū)物(NCO、NHx、HNO等)向NOX的轉(zhuǎn)化，降低燃料型NOX的生成；溫度降低有利于減少熱力型NOX的生成。當(dāng)再循環(huán)率增大，NOX排放濃度降低，但再循環(huán)率繼續(xù)增大，NOX濃度下降速度變緩，這與宋少鵬等人[12-13]的研究結(jié)果類似。

圖4 煙氣再循環(huán)率對NOX排放濃度影響Fig.4 Influence of FGR ratio on NOX emission

采用煙氣再循環(huán)后，煙氣污染物排放可以滿足我國最新標(biāo)準(zhǔn)[14](NOX日均值<250mg/Nm3)以及歐盟2010標(biāo)準(zhǔn)[15](NOX日均值<200mg/Nm3)，若配合爐后SNCR脫硝工藝將可以滿足更低排放標(biāo)準(zhǔn)。

(3)在爐溫控制方面，國家標(biāo)準(zhǔn)要求燃燒所產(chǎn)生的煙氣處于高溫段((850℃)要持續(xù)2s以上，再循環(huán)率越大，燃燒所產(chǎn)生的煙氣溫度越低，850℃主控溫度區(qū)煙氣停留時間越短，當(dāng)再循環(huán)率增至40%時，850℃·2s難以保證。綜上考慮，應(yīng)控制再循環(huán)率小于40%。

2.3 基于系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的分析

煙氣再循環(huán)對焚燒系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性影響，主要考慮建造投資、運行成本及發(fā)電收益等方面，運行成本主要包括總的風(fēng)機(jī)電耗、脫硝劑消耗產(chǎn)生的費用等。年經(jīng)濟(jì)效益=增加的發(fā)電收益+節(jié)約的運行成本。投資回收周期=建造投資/年經(jīng)濟(jì)效益。計算過程中單條750t/d焚燒線的煙氣再循環(huán)建造投資約70萬元，SNCR脫硝劑價格和脫硝效率分別按750元/t和50%計算，上網(wǎng)電價按0.65元/度電計算，機(jī)組全年運行時長約8 000h，熱力計算不考慮機(jī)械不完全燃燒損失、散熱損失、灰渣物理熱損失、化學(xué)不完全燃燒熱損失等。

計算結(jié)果列于表5，再循環(huán)率越大，風(fēng)機(jī)電耗越大，NOX濃度降低，脫硝劑消耗相應(yīng)的減少，當(dāng)再循環(huán)率小于25%時，年運行成本低于原始工況；當(dāng)再循環(huán)率小于30%時，余熱回收利用，鍋爐吸熱量提升幅度0.24%～2.02%，實現(xiàn)發(fā)電收益增加。

總的來看，再循環(huán)率為10%～25%時，相比原始工況可以實現(xiàn)年經(jīng)濟(jì)效益的增加，投資回收周期不超過2年；當(dāng)再循環(huán)率更大時，難以回收建造投資，經(jīng)濟(jì)性差。

表5 系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性計算Tab.5 Economics calculation of waste incineration system

3 結(jié) 語

3.1 煙氣再循環(huán)技術(shù)可在垃圾焚燒領(lǐng)域發(fā)揮很好的低氮燃燒效果，再循環(huán)率為10%～40%時，模擬脫硝率為23%～47%，且滿足完全燃燒要求。

3.2 煙氣再循環(huán)的投運會對焚燒系統(tǒng)產(chǎn)生一定影響，再循環(huán)率達(dá)到30%時經(jīng)濟(jì)性變差；達(dá)到40%時可能導(dǎo)致爐膛溫度控制難度加大，不能滿足850℃·2s標(biāo)準(zhǔn)要求；達(dá)到50%時可能超出余熱鍋爐、煙氣凈化裝置等設(shè)備的設(shè)計裕量，影響安全可靠性。而再循環(huán)率小于10%時，較小流量的再循環(huán)煙氣入爐后，NOX脫除效果不明顯，并且對爐內(nèi)氣流的擾動作用不夠，對氣相可燃物燃燒的促進(jìn)作用不強(qiáng)。

3.3 最佳的再循環(huán)率與系統(tǒng)安全可靠性、爐膛溫度、爐內(nèi)流場、脫硝效果、成本與收益等諸多因素密切相關(guān)，推薦范圍為10%～25%，能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的雙重價值。