單福朋

(上海康恒環(huán)境股份有限公司，上海 201703)

引 言

氮氧化物的產(chǎn)生機(jī)理主要有三種：熱力型、燃料型和快速型，垃圾焚燒過(guò)程中氮氧化物的生成機(jī)理包含了以上三種,《生活垃圾焚燒處理工程技術(shù)規(guī)范》(CJJ90-2009)條文說(shuō)明[1]和Lars等人[2]認(rèn)為以熱力型和快速型為主，李清海等人[3]認(rèn)為以燃料型和快速型為主，但都認(rèn)為抑制氮氧化物的主要手段是降低爐膛溫度和氧濃度。煙氣再循環(huán)技術(shù)即是利用再循環(huán)煙氣替代部分二次風(fēng)降低爐膛溫度和氧量，進(jìn)而降低爐膛NOx的產(chǎn)生量。

根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果及實(shí)際數(shù)據(jù)可知，適量煙氣再循環(huán)后，對(duì)NOx減少有促進(jìn)作用。劉露等人[4]研究了煙氣再循環(huán)脫硝技術(shù)在垃圾焚燒廠的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)再循環(huán)煙氣脫硝效果明顯，相對(duì)于SNCR和SCR技術(shù)具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。張建東等人[5]研究了煙氣再循環(huán)在垃圾焚燒中的效果，認(rèn)為適當(dāng)?shù)臒煔庠傺h(huán)可以有效地將NOx排放值控制在合理的范圍內(nèi)。但是由于垃圾成分不確定且焚燒控制過(guò)程比較復(fù)雜，既要控制爐膛溫度又要實(shí)現(xiàn)垃圾完全燃燒，因此如何引入煙氣再循環(huán)系統(tǒng)，再循環(huán)比如何控制、選型以及如何和二次風(fēng)系統(tǒng)配合等成為研究的重點(diǎn)，本文將通過(guò)理論與實(shí)際相結(jié)合的方式探討煙氣再循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，為煙氣再循環(huán)系統(tǒng)在垃圾焚燒爐中的應(yīng)用和研究提供相關(guān)思路。

1 煙氣再循環(huán)設(shè)計(jì)理論研究

1.1 研究對(duì)象和方法

本文研究的對(duì)象是垃圾焚燒領(lǐng)域具有代表性的層燃型焚燒爐。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)及國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究可知：垃圾焚燒爐較理想的爐膛溫度在850℃～1000℃之間[1]，垃圾可燃質(zhì)中揮發(fā)分占比70%～80%[6]，可燃物在焚燒爐中燃燒轉(zhuǎn)化過(guò)程如圖1所示，一次風(fēng)從爐排底部進(jìn)入爐膛，二次風(fēng)入爐后強(qiáng)化煙氣混合、優(yōu)化流場(chǎng)、調(diào)節(jié)爐溫和鍋爐出口氧量。研究方法是通過(guò)改變二次風(fēng)量和再循環(huán)煙氣量的比例來(lái)分析再循環(huán)比與其它參數(shù)之間的關(guān)系。

圖1 生活垃圾焚燒爐排爐可燃物分布示意圖

1.2 再循環(huán)煙氣入爐方式

再循環(huán)煙氣一般是從焚燒系統(tǒng)尾氣中抽取，根據(jù)不同的焚燒工藝，再循環(huán)煙氣進(jìn)入焚燒爐的方式有兩種：(1)與助燃用氧化劑混合后進(jìn)入焚燒爐內(nèi)，如圖2所示。這種方式可以預(yù)熱氧化劑，有助于燃燒，避免使用過(guò)多蒸汽加熱一次風(fēng)，起到節(jié)能作用。但是，這種進(jìn)氣方式存在著腐蝕管道、降低氧濃度的缺點(diǎn)，多用于發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，在燃?xì)狻⑷加?、燃煤鍋爐上亦有應(yīng)用，但很少應(yīng)用到垃圾焚燒電廠。(2)直接進(jìn)入燃燒器內(nèi)部，如圖3所示。在原二次風(fēng)區(qū)域通過(guò)噴嘴形式噴入爐內(nèi)，起到攪拌擾流作用，使燃燒器內(nèi)燃料充分混合和溫度場(chǎng)保持均勻，并調(diào)節(jié)輻射通道整體溫度。這種方式可以防止局部高溫，降低氧氣濃度，從而減少NOX生成。目前垃圾焚燒行業(yè)多采用這種進(jìn)氣方式。

圖2 再循環(huán)煙氣入爐方式1

圖3 再循環(huán)煙氣入爐方式2

1.3 再循環(huán)比的選擇

再循環(huán)煙氣系統(tǒng)可以優(yōu)化爐內(nèi)溫度場(chǎng)分布，調(diào)節(jié)爐溫，但是，再循環(huán)比選擇不當(dāng)，會(huì)使燃料的不完全燃燒損失和排煙熱損失增加，因此選擇合適的再循環(huán)比對(duì)鍋爐的高效穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，同時(shí)可以選擇合適的增壓風(fēng)機(jī)。

目前設(shè)有煙氣再循環(huán)系統(tǒng)的垃圾焚燒電廠，多采用二次風(fēng)噴嘴和煙氣再循環(huán)噴嘴上下布置的方式，這種方式可以單獨(dú)或者聯(lián)合使用配風(fēng)，提高調(diào)節(jié)溫度場(chǎng)的靈活性，本節(jié)研究的也是這種結(jié)構(gòu)的爐排爐型焚燒爐。下面以處理量500t/d、設(shè)計(jì)入爐垃圾低位熱值1 800Kcal/kg為例，來(lái)探討再循環(huán)比與其它參數(shù)之間的關(guān)系，依據(jù)的是垃圾焚燒爐質(zhì)量和能量平衡計(jì)算程序，研究一種變量的時(shí)候保持其它量不變，具體計(jì)算過(guò)程詳見(jiàn)單福朋[7]等人關(guān)于垃圾焚燒爐的研究文件。

1.3.1 再循環(huán)比率與焚燒爐出口溫度之間的關(guān)系

焚燒爐出口溫度是保持一次風(fēng)量和焚燒爐出口氧氣含量不變的情況下獲得的，如圖4所示，隨著煙氣再循環(huán)比率的增加，再循環(huán)煙氣量和焚燒爐出口煙氣量呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，但是焚燒爐出口溫度是遞減的。垃圾焚燒廠煙氣再循環(huán)取風(fēng)口通常設(shè)置在布袋除塵器或者引風(fēng)機(jī)后，溫度約為150℃，因此，再循環(huán)煙氣進(jìn)入爐內(nèi)會(huì)起到調(diào)溫降溫的作用。低溫低氧是氮氧化物降低的主要原因，低空氣比燃燒會(huì)使?fàn)t膛溫度升高，結(jié)合煙氣再循環(huán)技術(shù)能有效控制爐膛溫度，防止結(jié)焦；同時(shí)低氧燃燒會(huì)降低二次風(fēng)的擾流作用，煙氣再循環(huán)可以增加擾動(dòng)作用，避免因混合不均勻?qū)е碌腃O含量的增加。

圖4 再循環(huán)比與焚燒爐出口溫度之間的關(guān)系

1.3.2 再循環(huán)比率與二次風(fēng)和再循環(huán)煙氣之間的關(guān)系

圖5所示的二次風(fēng)和再循環(huán)煙氣量是在保證焚燒爐出口溫度不變的前提下獲得的，隨著煙氣再循環(huán)比率的增加，再循環(huán)煙氣量呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，但是二次風(fēng)量是遞減的，總煙氣量變化不大，這也說(shuō)明要想使煙氣再循環(huán)起到輔助降低NOx的作用，就要減少二次風(fēng)的投入，降低過(guò)量空氣系數(shù)。但是，要使一氧化碳排放最小化，需在后燃燒區(qū)提供足夠氧氣。因此，要維持焚燒爐穩(wěn)定運(yùn)行，需要二次風(fēng)和再循環(huán)煙氣配合調(diào)節(jié)，至于再循環(huán)煙氣能取代多少二次風(fēng)需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行工況決定。這與2.2.1節(jié)所描述的內(nèi)容是相吻合的。

圖5 再循環(huán)比率與二次風(fēng)和再循環(huán)煙氣之間的關(guān)系

1.3.3 煙氣再循環(huán)比率與濕氧含量和過(guò)量空氣系數(shù)之間的關(guān)系

本節(jié)的變量是通過(guò)維持焚燒爐出口溫度不變的前提條件獲得的，如圖6所示，隨著煙氣再循環(huán)比率的增加，過(guò)量空氣系數(shù)和余熱鍋爐出口氧氣含量是遞減的，這兩個(gè)參數(shù)的變化可以通過(guò)2.2.2部分的參數(shù)變化解釋，再循環(huán)煙氣增加后，要維持焚燒爐出口溫度，二次風(fēng)的量就要減少。低溫低氧燃燒有助于降低氮氧化物的產(chǎn)生，本節(jié)結(jié)論與低氧燃燒增加爐膛溫度，輔以再循環(huán)煙氣降低爐膛溫度的原理是一致的。

圖6 再循環(huán)比率與濕氧含量和過(guò)量空氣系數(shù)之間的關(guān)系

1.3.4 煙氣再循環(huán)比率與蒸發(fā)量之間的關(guān)系

如圖7所示的數(shù)據(jù)是在保持其它量不變的情況下，鍋爐蒸發(fā)量隨著煙氣再循環(huán)比率變化之間的關(guān)系，從圖中可以看出鍋爐蒸發(fā)量隨著煙氣再循環(huán)比率的增加是先增加后減少的。因?yàn)檫m當(dāng)?shù)臒煔庠傺h(huán)量，雖會(huì)降低爐內(nèi)的溫度水平，減少輻射吸收熱量，但是，如前所述，煙氣量是增加的，過(guò)熱器、省煤器的對(duì)流受熱面吸熱量增加，所以蒸發(fā)量增加；再循環(huán)比過(guò)大，爐內(nèi)溫度就會(huì)很難維持，不完全燃燒損失會(huì)增加，且大量的煙氣量會(huì)造成排煙熱損失增加，因此蒸發(fā)量會(huì)減少。當(dāng)然，煙氣再循環(huán)系統(tǒng)主要是配合低氧燃燒調(diào)節(jié)爐膛溫度，如果選擇得當(dāng)會(huì)增加一定的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，因此，該系統(tǒng)要在正常運(yùn)行之前進(jìn)行調(diào)試，以確保該系統(tǒng)在最佳的工況下運(yùn)行。

圖7 煙氣再循環(huán)比率與鍋爐蒸發(fā)量之間的關(guān)系

1.3.5 最大煙氣再循環(huán)比率與垃圾熱值之間的關(guān)系

最大煙氣再循環(huán)比率是通過(guò)保持其它量不變保證最低允許的爐膛溫度所得，如圖8所示，設(shè)計(jì)煙氣最大再循環(huán)比率隨著入爐垃圾低位熱值的增加而增加，當(dāng)垃圾熱值較低時(shí)，不建議采用煙氣再循環(huán)，因?yàn)楦鶕?jù)環(huán)保要求以及鍋爐的可運(yùn)行性角度，焚燒爐溫度必須保證。熱值較大時(shí)，可以適當(dāng)增加再循環(huán)比率。

圖8 最大煙氣再循環(huán)比率與垃圾低位熱值之間的關(guān)系

綜上所述，煙氣再循環(huán)比的選擇，需要考慮多種因素的影響，主要就是入爐垃圾低位熱值、二次風(fēng)和再循環(huán)煙氣量的匹配、焚燒爐出口溫度和過(guò)量空氣系數(shù)；同時(shí)兼顧NOx和CO的排放濃度。

2 設(shè)計(jì)運(yùn)行過(guò)程中存在的常見(jiàn)問(wèn)題

2.1 未設(shè)連鎖保護(hù)裝置

再循環(huán)煙氣通常取自凈化后的煙氣，如圖9所示，一般從布袋除塵器后或者引風(fēng)機(jī)后管道抽取。由變頻風(fēng)機(jī)的運(yùn)行特性可知，風(fēng)機(jī)風(fēng)壓變化和轉(zhuǎn)速比的二次方成正比，風(fēng)機(jī)通過(guò)變頻調(diào)節(jié)而不是通過(guò)風(fēng)門調(diào)節(jié)時(shí)，風(fēng)機(jī)風(fēng)壓會(huì)急劇變化。如果取風(fēng)口放到引風(fēng)機(jī)前，風(fēng)機(jī)頻率較低時(shí)，煙氣存在從焚燒爐倒流的風(fēng)險(xiǎn)；如果取風(fēng)口放到引風(fēng)機(jī)后，則這種風(fēng)險(xiǎn)會(huì)比較低，因?yàn)橐L(fēng)機(jī)后風(fēng)壓為正壓，焚燒爐內(nèi)壓力為微負(fù)壓；但當(dāng)再循環(huán)風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，如不采取保護(hù)措施，爐內(nèi)高溫?zé)煔鈺?huì)倒流進(jìn)煙氣再循環(huán)系統(tǒng)，造成管道及設(shè)備損壞，如圖10所示，煙氣倒流后，風(fēng)機(jī)腐蝕嚴(yán)重，風(fēng)道如不采取加固措施會(huì)有坍塌風(fēng)險(xiǎn)。因此，要設(shè)置連鎖保護(hù)裝置，比如壓力和溫度報(bào)警裝置、緊急風(fēng)門、空氣旁路等措施，防止煙氣倒流。

圖9 再循環(huán)煙氣取風(fēng)口示意圖

圖10 煙氣倒流后，風(fēng)機(jī)腐蝕示意圖

增加一臺(tái)再循環(huán)風(fēng)機(jī)后就會(huì)出現(xiàn)通風(fēng)機(jī)串并聯(lián)的問(wèn)題。對(duì)于離心式風(fēng)機(jī)，頻率變化時(shí)管道系統(tǒng)壓力流量會(huì)同步變化，只通過(guò)變頻控制會(huì)出現(xiàn)喘振現(xiàn)象，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。因此建議設(shè)置該系統(tǒng)時(shí)需設(shè)置風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)風(fēng)門，再循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)可以結(jié)合風(fēng)機(jī)頻率和調(diào)節(jié)風(fēng)門共同維持系統(tǒng)壓力流量。

2.2 缺乏運(yùn)行指導(dǎo)手冊(cè)

煙氣再循環(huán)技術(shù)作為低氧燃燒和控制爐膛溫度的重要輔助手段，國(guó)內(nèi)外在垃圾焚燒領(lǐng)域均有應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)，當(dāng)然國(guó)外比較成熟，甚至部分企業(yè)將煙氣再循環(huán)納入了自動(dòng)燃燒控制系統(tǒng)中；國(guó)內(nèi)主要運(yùn)用該項(xiàng)技術(shù)來(lái)降低NOx濃度，但缺乏大量運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。經(jīng)過(guò)調(diào)研，部分垃圾焚燒廠在運(yùn)行過(guò)程中以控制排煙氧氣濃度為指導(dǎo)，極易造成燃燒不穩(wěn)定，未完全燃燒熱損失增加；部分垃圾焚燒廠，二次風(fēng)和煙氣再循環(huán)系統(tǒng)只用其一，而不是配合使用，這樣會(huì)導(dǎo)致噴嘴堵塞或燒壞，造成設(shè)備浪費(fèi)，兩個(gè)系統(tǒng)必須始終運(yùn)行，以為后面燃燒提供充足氧氣和使高溫?zé)煔獬浞只旌?；部分垃圾焚燒廠運(yùn)行時(shí)，未考慮再循環(huán)煙氣的投入對(duì)SNCR系統(tǒng)的影響以及二者之間的配合關(guān)系。這些問(wèn)題都會(huì)使煙氣再循環(huán)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)得不到發(fā)揮，歸結(jié)原因，國(guó)內(nèi)垃圾焚燒廠關(guān)于煙氣再循環(huán)技術(shù)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)不足，缺乏詳細(xì)的運(yùn)行指導(dǎo)手冊(cè)。

目前康恒環(huán)境在設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)CFD模擬工具和熱平衡計(jì)算程序，確定最佳噴嘴位置、循環(huán)比率等參數(shù)，設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。同時(shí)，康恒環(huán)境有一批項(xiàng)目正在運(yùn)行該系統(tǒng)，運(yùn)行效果良好，能夠降低NOx排放量和減少SNCR藥劑用量，積累了一些實(shí)驗(yàn)和運(yùn)行數(shù)據(jù)，為運(yùn)行維護(hù)手冊(cè)的完善提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，當(dāng)前的目標(biāo)是把煙氣再循環(huán)系統(tǒng)納入自動(dòng)燃燒控制系統(tǒng)中。

煙氣再循環(huán)技術(shù)的理論基礎(chǔ)在各行業(yè)已較成熟，部分垃圾焚燒電廠在試運(yùn)行該技術(shù)，經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)在不斷積累，煙氣再循環(huán)技術(shù)會(huì)不斷得到優(yōu)化，運(yùn)行維護(hù)水平會(huì)不斷提高。

3 煙氣再循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

根據(jù)理論計(jì)算及該技術(shù)存在的問(wèn)題，提出以下設(shè)計(jì)原則：

3.1 設(shè)計(jì)時(shí)注意事項(xiàng)

選用干凈的煙氣進(jìn)行再循環(huán)，即取風(fēng)口設(shè)置于煙氣凈化系統(tǒng)后，這樣雖會(huì)增加煙氣處理系統(tǒng)負(fù)荷，但會(huì)減少相關(guān)設(shè)備的腐蝕和磨損問(wèn)題。

噴入口位置應(yīng)遠(yuǎn)離爐排燃燒中心，以免影響垃圾燃燒。

熱值較低時(shí)不建議設(shè)置煙氣再循環(huán)系統(tǒng)，如設(shè)置了該系統(tǒng)，建議改用空氣旁路，作為二次風(fēng)使用。

設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮二次風(fēng)系統(tǒng)和煙氣再循環(huán)系統(tǒng)的配合，即選擇合適的再循環(huán)比率，確保未完全燃燒損失較低(即一氧化碳量滿足排放要求)。

應(yīng)設(shè)置安全連鎖裝置，防止因系統(tǒng)故障、風(fēng)機(jī)負(fù)荷降低或者爐內(nèi)壓力異常升高導(dǎo)致?tīng)t內(nèi)煙氣倒流進(jìn)再循環(huán)系統(tǒng)。

應(yīng)設(shè)置空氣旁路，以便再循環(huán)系統(tǒng)不用時(shí)或煙氣品質(zhì)不滿足再循環(huán)要求時(shí)，吹掃再循環(huán)系統(tǒng)，避免產(chǎn)生低溫和高溫腐蝕(噴嘴處)。

3.2 運(yùn)行時(shí)注意事項(xiàng)

焚燒爐在啟爐階段，由于再循環(huán)風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)是串聯(lián)/并聯(lián)連接，同時(shí)啟動(dòng)會(huì)有喘振現(xiàn)象發(fā)生，不利于安全運(yùn)行；焚燒爐低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，為使垃圾正常燃燒，即焚燒爐穩(wěn)定工作，建議減少或者不使用煙氣再循環(huán)系統(tǒng)。

隨著焚燒爐負(fù)荷的增加，可以適當(dāng)增加再循環(huán)比以調(diào)節(jié)爐溫，配合低氧燃燒降低NOx排放濃度。

要編制相關(guān)運(yùn)行維護(hù)指導(dǎo)手冊(cè)，運(yùn)行過(guò)程中，要嚴(yán)格控制再循環(huán)比率，如若控制不當(dāng)，極易造成焚燒廠經(jīng)濟(jì)性惡化；同時(shí)，如果經(jīng)營(yíng)者管理不善，腐蝕可以迅速的產(chǎn)生。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文根據(jù)理論研究及運(yùn)行存在的問(wèn)題，提出了煙氣再循環(huán)系統(tǒng)在垃圾焚燒領(lǐng)域的設(shè)計(jì)原則。盡管煙氣再循環(huán)配合低氧燃燒技術(shù)會(huì)對(duì)減少NOx的排放有積極的影響，但是，設(shè)置煙氣再循環(huán)系統(tǒng)，將會(huì)影響焚燒爐、余熱鍋爐、煙氣凈化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和選型，如設(shè)計(jì)不當(dāng)，不僅不會(huì)節(jié)能減排，反而使運(yùn)行成本增加?？傊捎诶鵁嶂档牟▌?dòng)及垃圾焚燒行業(yè)的特殊性，應(yīng)以焚燒系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行為前提，再考慮污染物排放的控制。