單福朋，張 政，郭孝武

(上?？岛悱h(huán)境股份有限公司，上海 201703)

1 引 言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，城市生活垃圾產(chǎn)生量也在快速地增加，有效處理生活垃圾從而減緩生態(tài)環(huán)境污染受到更多重視。目前，我國(guó)生活垃圾的處理方式主要有衛(wèi)生填埋、堆肥和焚燒等幾種。衛(wèi)生填埋法在我國(guó)應(yīng)用多年，技術(shù)較為成熟，但是，由于占地面積大，分解周期較長(zhǎng)，不是長(zhǎng)久之計(jì)；堆肥法是把垃圾變成有機(jī)肥料從而把垃圾資源化利用，由于我國(guó)垃圾分類水平較低，成分較為復(fù)雜，垃圾中含有有毒物質(zhì)、石塊、玻璃等，堆肥法處理起來(lái)比較困難；焚燒法處理生活垃圾由于具有減量化明顯、占地面積小等優(yōu)勢(shì)，得到了快速發(fā)展[1-2]。焚燒法在我國(guó)主要面臨的問(wèn)題是垃圾熱值低、燃燒不充分、尾氣污染不僅嚴(yán)重而且困難[3～5]，而燃煤電廠應(yīng)用的富氧燃燒技術(shù)不僅能夠降低燃料著火點(diǎn)、增強(qiáng)燃燒強(qiáng)度，還有利于煙氣的處理[6]，如果把這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于垃圾焚燒爐中，將使焚燒法處理生活垃圾更具有競(jìng)爭(zhēng)力。

富氧燃燒是一種高效節(jié)能的燃燒方式，其常規(guī)定義是：燃料在燃燒過(guò)程中所使用的助燃劑氧氣的濃度大于空氣中所含氧氣的濃度。目前對(duì)富氧燃燒的研究主要集中在燃料的著火和燃燒特性，以及煙氣排放方面等，Niu[7]等人研究了干化污泥在富氧條件下的燃燒特性，發(fā)現(xiàn)在富氧氛圍下，干化污泥的著火和燃燼溫度隨著氧氣含量的增加而減小，其綜合燃燒特性大幅提高；Riaza[8]等人研究了生物質(zhì)顆粒在富氧條件下的燃燒特性，結(jié)果顯示氧氣濃度的提高使生物質(zhì)的燃燒強(qiáng)度增加以及揮發(fā)分和焦炭的燃盡時(shí)間降低；Riaza[9]、Arias[10]等人的研究表明：煤和生物質(zhì)的混合物在富氧條件下著火溫度降低、燃燼率提高，額外的生物質(zhì)有利于NOx排放的減??；國(guó)內(nèi)外關(guān)于富氧燃燒技術(shù)的基礎(chǔ)研究日趨成熟，預(yù)計(jì)到2020年該技術(shù)將進(jìn)入商業(yè)示范階段[5]。

本文以生活垃圾在爐排爐中的燃燒過(guò)程為研究對(duì)象，分析了一次風(fēng)中增加氧量對(duì)垃圾燃燒特性的影響，同時(shí)對(duì)富氧燃燒技術(shù)在焚燒爐中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)及存在問(wèn)題進(jìn)行了探討，最后分析了富氧燃燒技術(shù)在爐排爐中應(yīng)用的可行性。

2 理論計(jì)算基本資料

2.1 研究對(duì)象

本研究以圖1所示的爐排爐為基礎(chǔ)，一次風(fēng)由爐墻冷卻風(fēng)、來(lái)自垃圾坑的氣體和富氧空氣組成，一次風(fēng)從爐排下面進(jìn)入爐膛，分區(qū)域配風(fēng)；二次風(fēng)

圖1 典型爐排爐Fig.1 Typical grate stove

噴嘴放置在前后拱鼻狀結(jié)構(gòu)附近；爐排是三段式結(jié)構(gòu)：即干燥段、燃燒段和燃燼段；燃燒段爐墻采用空冷墻。

2.2 燃料特性

本研究使用的材料是某城市的生活垃圾，焚燒爐設(shè)計(jì)點(diǎn)入爐垃圾特性如表1所示。

表1 垃圾的成分Tab.1 Composition of waste

注：ar即as received basis (表示收到基)；LHV表示低位熱值。

2.3 計(jì)算方法

本研究使用的焚燒爐規(guī)模是500t/d。在模擬計(jì)算過(guò)程中假定爐渣熱灼減率、飛灰率和焚燒爐出口氧氣含量不變，通過(guò)調(diào)整一次風(fēng)中氧氣含量，利用能量平衡分析不同的一次風(fēng)氧氣含量對(duì)焚燒爐的影響，能量平衡公式見(jiàn)下式：

焚燒爐總熱輸入:Qi，[kw]

Qi=Qr+Qp+Qs+Ql

(1)

其中，Qr為垃圾帶入熱量，Qp為一次風(fēng)帶入熱量，Qs為二次風(fēng)帶入熱量，Ql為漏入空氣帶入的熱量。

焚燒爐總熱輸出:Qo，[kw]

Qo=Qd+Qa+Qu+Qb+Qr+Qe

(2)

其中，Qd為飛灰?guī)ё叩臒崃?，Qa為爐渣帶走的熱量，Qu為未燃物質(zhì)損失的熱量，Qb為鍋爐吸收的熱量，Qr為爐體輻射散失的熱量，Qe為煙氣帶走的熱量。

根據(jù)焚燒爐熱平衡：則Qi=Qo，當(dāng)該等式不成立的時(shí)候，重新檢查程序并完成焚燒爐的熱平衡。

下文中的氧氣含量均為一次風(fēng)中的氧氣含量。為了獲得直觀的數(shù)據(jù)以及便于分析，選擇了21%、23%、25%、27%、30%、32%、35%、37%和40%的氧氣濃度進(jìn)行計(jì)算。由于本文數(shù)據(jù)是理論計(jì)算所得，且獲得的是工藝參數(shù)的變化規(guī)律，因此相關(guān)的誤差可以忽略。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同氧氣含量對(duì)一次風(fēng)量的影響

垃圾燃燒主要分為兩個(gè)過(guò)程，即揮發(fā)分和固定碳的燃燒，兩者燃燒速率及燃燼受到氧濃度的影響，氧濃度升高，有利于加快燃燒速率和提高燃盡率。垃圾焚燒爐中的氧氣主要來(lái)自于一次風(fēng)，因此一次風(fēng)量的多少取決于其所含的氧氣量。如圖2所示，在垃圾燃燒的過(guò)程中，一次風(fēng)量隨著其所含氧氣量的增加而減少，這與上述分析過(guò)程相符。

圖2 一次風(fēng)量與其含氧量之間的關(guān)系Fig.2 The relationship between primary air volume and its oxygen content

3.2 不同氧氣含量對(duì)二次風(fēng)量的影響

在垃圾焚燒爐中二次風(fēng)主要有以下幾個(gè)作用，促進(jìn)煙氣中可燃物充分燃燒、調(diào)節(jié)焚燒爐出口溫度、控制煙氣中氧含量。因?yàn)楦谎蹩諝膺M(jìn)入爐內(nèi)時(shí)，會(huì)促進(jìn)揮發(fā)分的燃燒，使得煙氣中可燃分降低，這與生物質(zhì)在富氧條件下的燃燒相似[11]，因此，當(dāng)一次風(fēng)中氧氣含量增加的時(shí)候，二次風(fēng)是減少的。如圖3所示，二次風(fēng)量隨著一次風(fēng)中氧氣含

圖3 二次風(fēng)量與一次風(fēng)中氧氣含量之間的變化關(guān)系Fig.3 The relationship between the secondary air volume and the oxygen content in primary air

量的增加而減小，這種現(xiàn)象的出現(xiàn)是和焚燒爐的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程相符的。

3.3 不同氧氣含量對(duì)焚燒爐出口煙氣量的影響

焚燒爐出口煙氣量主要包含燃燒產(chǎn)物、過(guò)量的空氣，氧氣含量的增加使得垃圾燃燒的更加充分，一次風(fēng)和二次風(fēng)使用量減少，焚燒爐出口煙氣量減少。如圖4所示，焚燒爐出口煙氣量隨著一次風(fēng)中氧氣含量的增加而減小。煙氣量減少，在相同排煙溫度的情況下，排煙損失會(huì)降低；同時(shí)污染物濃度增加，可更有效處理污染物。

圖4 煙氣量與一次風(fēng)中氧氣含量之間的變化關(guān)系Fig.4 The relationship between flue gas volume and oxygen content in primary air

3.4 不同氧氣含量對(duì)焚燒爐出口煙氣溫度的影響

如圖5所示，焚燒爐出口煙氣溫度隨著一次風(fēng)中氧氣含量的增加而增加。氧氣含量的增加使得垃圾的燃燒強(qiáng)度增強(qiáng)，焚燒爐內(nèi)溫度增加。焚燒爐內(nèi)溫度的增加，會(huì)提高垃圾的干燥速度和揮發(fā)分的析出速度，有利于促進(jìn)高水分低熱值垃圾燃燒。同時(shí)，高的氧氣含量以及焚燒溫度可使煙氣中的CO及其它可燃物充分燃燒。

圖5 煙氣溫度與一次風(fēng)中氧氣含量之間的變化關(guān)系Fig.5 The relationship between flue gas temperature and oxygen content in primary air

從上面的分析結(jié)果中可以看出，一次風(fēng)中氧氣含量的增加，使得垃圾燃燒強(qiáng)度增強(qiáng)，有利于垃圾的充分燃燒。

4 案例、優(yōu)勢(shì)及存在問(wèn)題分析

4.1 相關(guān)案例

4.1.1 在高海拔、低氧地區(qū)可以采用在一次風(fēng)中增加氧氣的方式彌補(bǔ)當(dāng)?shù)乜諝庵醒鹾康牟蛔?。目前在運(yùn)行的拉薩某項(xiàng)目是通過(guò)加大配風(fēng)量來(lái)保證垃圾完全燃燒所需要的氧氣量，這對(duì)爐排面積和爐膛容積形狀的選擇和工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)增加了難度，一次風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)的電能消耗較多；目前該項(xiàng)目存在一定的超溫和減溫水較大的情況。針對(duì)這種情況，如果采用富氧燃燒技術(shù)，可以靈活控制一次風(fēng)中氧氣濃度，從而減少設(shè)計(jì)上的困難和增加燃燒的穩(wěn)定性，有效減小焚燒爐及鍋爐負(fù)荷的波動(dòng)。

4.1.2 在奧地利，有一個(gè)生活垃圾焚燒廠使用了富氧燃燒技術(shù)，平均氧含量約為26%，通過(guò)煙氣再循環(huán)降低燃燒室溫度[12]，這也說(shuō)明只要控制得當(dāng)，該項(xiàng)技術(shù)是可以成功應(yīng)用的。

4.2 優(yōu)勢(shì)分析

4.2.1 從技術(shù)角度

富氧燃燒技術(shù)的基礎(chǔ)性研究已經(jīng)相當(dāng)成熟，且目前已有燃煤鍋爐實(shí)驗(yàn)平臺(tái)成功搭建運(yùn)行以及該技術(shù)在冶金等工業(yè)領(lǐng)域有較好的應(yīng)用，這對(duì)富氧燃燒技術(shù)在垃圾焚燒領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了技術(shù)理論基礎(chǔ)。

4.2.2 從運(yùn)行角度

調(diào)節(jié)方便：富氧空氣是在一次風(fēng)道母管形成，然后通過(guò)各支管分區(qū)域送到爐膛，可以設(shè)一氧量計(jì)并根據(jù)主燃燒區(qū)域燃燒情況調(diào)節(jié)一次風(fēng)中氧氣量，同時(shí)使主燃燒區(qū)域垃圾燃燒均勻穩(wěn)定，燃燼段垃圾燃燒完全；尤其處在高原地區(qū)的垃圾焚燒廠，可以使一次風(fēng)中氧氣量穩(wěn)定在一定的范圍，以使其它設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。

4.2.3 從經(jīng)濟(jì)角度

本小節(jié)以垃圾處理量500t/d的焚燒廠規(guī)模，氧產(chǎn)量4 000Nm3/h的設(shè)備為例進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益分析：

4.2.3.1 投資成本：制氧設(shè)備、附屬設(shè)備、管道以及占地等固定投資大概為7 000萬(wàn)元。假如一次風(fēng)中氧氣量維持在26%，一次風(fēng)可以減少20%左右，煙氣量可以減少16%左右，風(fēng)機(jī)設(shè)備可減少投資20萬(wàn)左右，煙氣設(shè)備的投資略減少。

4.2.3.2 運(yùn)行效益：該制氧設(shè)備可生產(chǎn)包括液氧、液氮和液氬在內(nèi)的氣體約300t/d, 空分設(shè)備若以電力驅(qū)動(dòng)，其負(fù)荷約為7MW，以0.65元/kW·h的供應(yīng)電價(jià)，假如空分產(chǎn)品供貨范圍較近，運(yùn)輸成本約為1元/t/km，以保守的產(chǎn)品出廠含稅價(jià)液氧700元/t、液氮600元/t、液氬1000元/t測(cè)算，每天的收益大概5萬(wàn)元。

以一次風(fēng)中氧氣量維持在26%的燃燒為例，鍋爐蒸發(fā)量較常規(guī)燃燒增加約0.5t/h，發(fā)電量增加120Kwh，年運(yùn)行按8 000h計(jì)算，年增加收益約60萬(wàn)；同時(shí)每天的垃圾處理量會(huì)增加，這部分會(huì)有一定的額外補(bǔ)貼；對(duì)于常規(guī)燃燒，助燃、運(yùn)行不穩(wěn)定以及耗電量等運(yùn)行成本都會(huì)增加。

4.2.3.3 用電量：空分設(shè)備的用電成本已折算在其收益中；風(fēng)機(jī)設(shè)備和煙氣凈化設(shè)備等負(fù)荷可節(jié)約大概350KW，年節(jié)約電費(fèi)大概180萬(wàn)元。

考慮到設(shè)備損耗，預(yù)計(jì)3～4a可收回成本，因此從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，使用富氧燃燒技術(shù)的效益要優(yōu)于常規(guī)燃燒。

4.3 存在問(wèn)題

4.3.1 富氧空氣中氧氣含量不能太大，如果太大，一次風(fēng)量會(huì)減少很多，一次風(fēng)的減少會(huì)產(chǎn)生很多問(wèn)題：(1)垃圾坑負(fù)壓維持受到影響，由于垃圾焚燒廠中的一次風(fēng)基本是從垃圾坑抽取，一次風(fēng)減少會(huì)造成負(fù)壓無(wú)法維持進(jìn)而造成臭氣外溢；(2)針對(duì)空冷爐排，一次風(fēng)的減少會(huì)影響爐排的冷卻效果；(3)過(guò)多的氧氣含量會(huì)使?fàn)t內(nèi)垃圾燃燒強(qiáng)度增強(qiáng)、爐溫升高，爐內(nèi)耐火材料的壽命會(huì)受影響。因此，采用該技術(shù)時(shí)，前期的計(jì)算、調(diào)研和評(píng)估是必不可少的。

4.3.2 富氧燃燒技術(shù)如果應(yīng)用于高熱值垃圾焚燒爐，會(huì)造成高溫、腐蝕性問(wèn)題，如果考慮用煙氣再循環(huán)或者滲瀝液入爐來(lái)降低爐膛溫度是可行的，但是設(shè)備材料和運(yùn)行成本會(huì)增加。所以該技術(shù)不建議用于高熱值燃料或者使用空氣就可以達(dá)到很好的燃燒效果的焚燒廠。

4.3.3 目前制氧技術(shù)雖較為成熟且垃圾焚燒爐對(duì)氧氣純度要求不高，但設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮使用這種技術(shù)所產(chǎn)生的成本以及帶來(lái)的效益之間的關(guān)系。

4.3.4 該技術(shù)可以應(yīng)用于新的垃圾焚燒廠，對(duì)現(xiàn)有廠的改造會(huì)存在一些問(wèn)題，比如煙氣處理設(shè)備對(duì)高濃度低煙氣量的污染物的處理效果會(huì)變差、爐內(nèi)耐火材料以及余熱鍋爐的適應(yīng)性會(huì)降低，等等。

從本節(jié)的分析來(lái)看，應(yīng)用富氧燃燒技術(shù)需從實(shí)際出發(fā)，應(yīng)用其優(yōu)勢(shì)的同時(shí)要規(guī)避其缺點(diǎn)，以避免可能帶來(lái)的負(fù)面效應(yīng)。

5 結(jié) 論

受技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益的制約，目前垃圾焚燒廠多建于經(jīng)濟(jì)較好和垃圾熱值較高的地區(qū)，垃圾焚燒廠在低熱值垃圾及高海拔地區(qū)的推廣較為緩慢。富氧燃燒技術(shù)能夠提高垃圾燃燒強(qiáng)度和降低排煙損失，是一種高效節(jié)能的燃燒方式，對(duì)于低熱值垃圾及高海拔地區(qū)的垃圾焚燒廠的設(shè)計(jì)和運(yùn)行尤為必要，該技術(shù)在垃圾焚燒領(lǐng)域?qū)?huì)有非常好的應(yīng)用前景。