金興乾，劉 棟，李衛(wèi)華，孫英杰

(1.上海康恒環(huán)境股份有限公司，上海 201703；2.青島西海岸康恒環(huán)保能源有限公司，山東 青島 266500； 3.青島理工大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，山東 青島 266033)

1 目的與意義

在近年來國(guó)內(nèi)垃圾焚燒行業(yè)的發(fā)展歷程中，機(jī)械爐排爐因?qū)匦赃m應(yīng)能力強(qiáng)、無需預(yù)處理、燃燒空氣易供給、燃燒工況易控制等優(yōu)勢(shì)而被作為首選配置爐型；而“SNCR(選擇性非催化還原法)+/SCR(選擇性催化還原法)脫硝+半干法/干法脫酸+活性炭噴射吸附+袋式除塵器”也成為主流的配套煙氣凈化工藝[1]。近年來隨著生活垃圾焚燒行業(yè)煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)的日趨嚴(yán)格以及監(jiān)管力度的不斷增加，在滿足煙氣排放達(dá)標(biāo)的前提下，如何實(shí)現(xiàn)超低排放已成為行業(yè)內(nèi)所竭力追尋的發(fā)展目標(biāo)[2]。

2 工程與方法

基于NOX的生成機(jī)理，為了從NOX的排放源頭和燃燒過程中對(duì)其加以控制，有研究者提出采用煙氣回流技術(shù)來降低NOX的生成和排放[6～8]。但目前關(guān)于煙氣回流技術(shù)多集中于理論和數(shù)值模擬研究，缺乏基于實(shí)際工程應(yīng)用的研究。張政等[7]通過數(shù)值模擬和理論分析表明，采用煙氣回流技術(shù)可有效地降低NOX的排放，減少尿素或氨水等煙氣凈化物料的消耗，降低排煙損失，提高鍋爐蒸發(fā)量，具有潛在經(jīng)濟(jì)效益。Liuzzo等[7]基于數(shù)值模擬討論了煙氣回流技術(shù)在垃圾焚燒煙氣凈化中的潛在運(yùn)行效益和環(huán)境效益，并表明煙氣回流技術(shù)可減少煙氣中汞等污染物的排放。

基于此，本研究以煙氣回流工藝在山東省某垃圾焚燒項(xiàng)目中的應(yīng)用效果為例，對(duì)煙氣回流工藝在減排垃圾焚燒過程N(yùn)OX排放、降低煙氣凈化處理系統(tǒng)負(fù)荷，減少運(yùn)營(yíng)成本等方面進(jìn)行系統(tǒng)分析。

2.1 項(xiàng)目工藝概述

該生活垃圾焚燒項(xiàng)目設(shè)計(jì)生活垃圾處理規(guī)模為2 250 t/d，包括三臺(tái)(編號(hào)為：#1爐、#2爐、#3爐)750 t/d的機(jī)械爐排爐。煙氣凈化系統(tǒng)采用“SNCR+半干反應(yīng)塔+干法+活性炭噴射吸附+袋式除塵器+(煙氣回流)+SCR+濕法”處理工藝。如圖1所示，本項(xiàng)目煙氣回流工藝循環(huán)煙氣來源于布袋除塵器之后(屬于外部煙氣回流技術(shù)[7])，回流煙氣在爐膛二次風(fēng)入口下方進(jìn)入爐膛。本研究以#1爐及#3爐進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，運(yùn)行時(shí)間為2020/5/8～2020/8/8(共約3個(gè)月)，期間#1爐關(guān)閉煙氣回流工藝，采用“SNCR+SCR”方式進(jìn)行脫硝處理。#3爐開啟煙氣回流工藝，采用“SNCR+煙氣回流+SCR”方式進(jìn)行脫硝處理，期間回流煙氣量為總煙氣量的5.8%～7.2%(隨運(yùn)行工況波動(dòng)變化)。

圖1 山東省某垃圾焚燒項(xiàng)目垃圾焚燒工藝流程Fig.1 Process flow chart of a MSW incineration project in Shandong Province

2.2 煙氣回流技術(shù)原理

煙氣回流工藝是將爐膛排放的部分煙氣，通過一定的方式和比例與爐膛助燃風(fēng)進(jìn)行混合，以降低NOX排放的方法。通過煙氣回流可以減少燃燒空氣供給，降低煙氣氧濃度，控制可燃?xì)怏w燃燒速率，避免局部高溫，減少NOX生成[6]。通過煙氣回流可以增強(qiáng)爐膛煙氣的混合，實(shí)現(xiàn)低空氣比工況下高效燃燒，減少鍋爐排煙量，同時(shí)加強(qiáng)還原性氣體NH3、HCN與NOX的混合反應(yīng)，降低NOX生成[7-8]。如圖2所示，煙氣回流工藝可依據(jù)循環(huán)煙氣的來源分為：外部煙氣回流技術(shù)(循環(huán)煙氣來源于布袋除塵器之后)和內(nèi)部煙氣回流技術(shù)(循環(huán)煙氣來源于爐排尾部富氧煙氣)[7]。內(nèi)部煙氣回流技術(shù)的理念源于無焰燃燒，煙氣內(nèi)部再循環(huán)可以同時(shí)預(yù)熱和稀釋反應(yīng)物，從而可以抑制燃燒峰值溫度，擴(kuò)大化學(xué)反應(yīng)體積，其在工業(yè)冶金爐中廣泛應(yīng)用，以減少NOX排放，提高熱效率。而外部煙氣回流技術(shù)的理念源于低氧燃燒，其目的是在燃燒爐外建立煙氣再循環(huán)，其優(yōu)勢(shì)是既可以在一臺(tái)焚燒爐上單獨(dú)使用，也可和其它低NOX燃燒技術(shù)配合使用，其在生活垃圾焚燒中研究和應(yīng)用較為廣泛[9]。

圖2 煙氣回流技術(shù)分類Fig.2 Classification of flue gas recirculation technology

2.3 煙氣回流工藝特點(diǎn)

煙氣回流工藝的特點(diǎn)是基于氧量控制、溫度控制和強(qiáng)化混合三種技術(shù)實(shí)現(xiàn)NOX的減排[7,8,10]。具體為：

2.3.1 氧量控制：煙氣回流結(jié)合低空氣比燃燒，減少燃燒空氣供給，降低煙氣氧濃度，減少NOX生成。

2.3.2 溫度控制：煙氣回流降低煙氣氧濃度，控制可燃?xì)怏w燃燒速率，避免局部高溫，減少NOX生成。

2.3.3 強(qiáng)化混合：煙氣回流強(qiáng)化前后拱下方煙氣的混合，實(shí)現(xiàn)低空氣比工況下高效燃燒，減少鍋爐排煙量。同時(shí)加強(qiáng)還原性氣體NH3、HCN與NOX的混合反應(yīng)，降低NOX生成。

3 結(jié)果與分析

本項(xiàng)目煙氣回流技術(shù)應(yīng)用期間(2020/5/8～2020/8/8)，重點(diǎn)關(guān)注#1爐、#3爐的引風(fēng)機(jī)電流、回流風(fēng)機(jī)電流、回流煙氣量、引風(fēng)機(jī)出口煙氣量、SNCR氨水噴量、引風(fēng)機(jī)出口NOX、省煤器出口氧量等關(guān)鍵監(jiān)測(cè)指標(biāo)(參數(shù))。各關(guān)鍵參數(shù)數(shù)據(jù)值通過中控室集散系統(tǒng)控制系統(tǒng)(DCS)實(shí)時(shí)獲取并取平均后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。數(shù)據(jù)作圖和分析采用OriginPro 9.0和IBM SPSS Statistics 22軟件完成。

3.1 煙氣排放指標(biāo)分析

3.1.1 NOX排放月均值變化

從表1可知，實(shí)驗(yàn)期間(2020/5/8～2020/8/8)#1爐和#3爐入爐垃圾量(830.36～834.24 t/d)及引風(fēng)機(jī)出口煙氣量(115130.38～118193.30 Nm3/h)波動(dòng)范圍較小，可認(rèn)為實(shí)驗(yàn)期間兩臺(tái)焚燒爐生產(chǎn)負(fù)荷及運(yùn)行工況基本一致。實(shí)驗(yàn)運(yùn)行期間#1爐未開啟煙氣回流工藝，煙氣回流量為0，#3爐煙氣回流量為7 891.11 Nm3/h，占煙氣排放量的6.68%。

根據(jù)表1中#1爐和#3爐煙氣回流3個(gè)月的DCS歷史數(shù)據(jù)平均值對(duì)比分析可知：在鍋爐負(fù)荷、運(yùn)行工況基本一致的情況下，#1爐和#3爐引風(fēng)機(jī)出口NOX排放值分別為78.83和58.51 mg/Nm3；#1爐和#3爐SNCR噴氨量分別為181.48和102.12 L/h。數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知，采樣煙氣回流的#3爐，其NOX排放比未采用煙氣回流的#1爐降低了25.8%，相應(yīng)的氨水用量比#1爐減小了43.7%。

根據(jù)煙氣回流技術(shù)的作用原理可知，低氧燃燒為其主要技術(shù)原理，該技術(shù)可在一定程度上降低爐膛溫度，通過降低爐膛氧量減少NOX的生成，氧量降低也可降低NOX的折算值[6,8]。故本研究重點(diǎn)分析了采用煙氣回流的#3爐實(shí)驗(yàn)運(yùn)行期間(2020/5/8～2020/8/8)引風(fēng)機(jī)出口日均NOX排放與省煤器出口日均含氧量變化和焚燒爐日均溫度變化之間的相關(guān)性(圖3所示)。由圖3a可以看出，#3爐煙氣回流期間引風(fēng)機(jī)出口NOX排放與省煤器出口含氧量變化趨勢(shì)具有較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系(相關(guān)系數(shù)|r|>0.6，p<0.01)。這與Liu等[8]的研究結(jié)果一致，其研究結(jié)果表明，當(dāng)氧含量從4.52%增加至8.00%的過程中，NOX的排放濃度從209.54 mg/m3增加到307.30 mg/m3。此外，由表1中數(shù)據(jù)可知，#3爐煙氣回流期間省煤器出口氧含量平均值比未采用煙氣回流的#1爐降低了0.29%。這表明，采用煙氣回流工藝，可以降低煙氣氧濃度，增強(qiáng)爐膛煙氣的混合，實(shí)現(xiàn)低空氣比工況下高效燃燒，從而減少NOX產(chǎn)生，并有效降低SNCR氨水用量。圖3a所示#3爐煙氣回流期間引風(fēng)機(jī)出口NOX排放與焚燒爐溫度變化趨勢(shì)并無明顯相關(guān)關(guān)系(相關(guān)系數(shù)|r|<0.3，p>0.05)。

表1 實(shí)驗(yàn)期間#1爐和#3爐運(yùn)行工況參數(shù)Tab.1 Operation condition parameters of No.1 and No.3 boiler during the experiment

圖3 #3爐煙氣回流期間引風(fēng)機(jī)出口NOX排放與省煤器出口含氧量和焚燒爐溫度變化相關(guān)性(日均值)Fig.3 Correlation between NOX emission at induced draft fan outlet and oxygen content at economizer outlet and incinerator temperature during flue gas recirculation of No.3 boiler (daily average)

3.1.2 NOX排放日均值變化

圖4所示為#1爐和#3爐運(yùn)行期間引風(fēng)機(jī)出口NOX排放日均值變化趨勢(shì)。由圖可以看出，#1爐和#3爐運(yùn)行初期均有一段時(shí)間的調(diào)整期(2020/5/6～2020/5/28)，此階段兩臺(tái)焚燒爐的引風(fēng)機(jī)出口NOX日均值差異并不顯著，而且存在較大波動(dòng)。

圖4 #1爐和#3爐實(shí)驗(yàn)運(yùn)行期間引風(fēng)機(jī)出 口NOX排放日均值變化Fig.4 Daily average of NOX emission at the outlet of induced draft fan during operation of NO.1 and NO.3 boiler

這表明，調(diào)整期3#爐的煙氣回流工藝并未在NOX日均值減排效果上發(fā)揮顯著作用。調(diào)整期(2020/5/28)過后，運(yùn)行煙氣回流工藝的#3爐引風(fēng)機(jī)出口NOX排放日均值顯著低于未運(yùn)行煙氣回流工藝的#1爐，而且總體穩(wěn)定性較好。

3.1.3 NOX排放典型小時(shí)均值變化

為進(jìn)一步分析煙氣回流工藝對(duì)焚燒爐NOX減排效果的動(dòng)態(tài)影響，實(shí)驗(yàn)期間分別選取2020/5/29，2020/6/22和2020/7/28三個(gè)典型時(shí)間，對(duì)比分析了#1爐和#3爐引風(fēng)機(jī)出口NOX排放典型小時(shí)均值變化情況(圖5所示)。

由圖5可知，在鍋爐負(fù)荷、運(yùn)行工況基本一致的情況下，雖然三個(gè)典型時(shí)期#1爐和#3爐引風(fēng)機(jī)出口NOX排放小時(shí)均值均存在波動(dòng)現(xiàn)象，但#3爐引風(fēng)機(jī)出口NOX排放小時(shí)均值均不同程度的低于#1爐，其中5月29日#1爐和#3爐的引風(fēng)機(jī)出口NOX排放小時(shí)均值最大值分別為96.69和56.71 mg/Nm3；6月22日分別為99.53和61.09 mg/Nm3；7月28日分別為101.59和68.61 mg/Nm3。這表明，焚燒爐穩(wěn)定運(yùn)行期間，在鍋爐負(fù)荷、工況基本一致的情況下，采用煙氣回流工藝能有效且穩(wěn)定的降低NOX的排放。這與類似研究中采樣內(nèi)部煙氣回流技術(shù)能夠穩(wěn)定降低NOX的排放的結(jié)果一致[9]。

圖5 #1爐和#3爐實(shí)驗(yàn)運(yùn)行期間引風(fēng)機(jī)出口NOX排放典型小時(shí)均值變化Fig.5 Typical hourly mean of NOX emission at the outlet of induced draft fan during operation of NO.1 and NO.3 boiler

3.2 成本經(jīng)濟(jì)分析

煙氣回流工藝應(yīng)用過程中煙氣凈化系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效果分析將從電能用量和氨水用量?jī)蓚€(gè)方面進(jìn)行。

3.2.1 電能用量變化

由表1數(shù)據(jù)可知，實(shí)驗(yàn)期間，#1爐和#3爐引風(fēng)機(jī)電流分別為49.67和44.91 A，#3爐較#1爐引風(fēng)機(jī)電流下降了9.58%，這表明#3爐投入煙氣回流工藝后，能夠降低引風(fēng)機(jī)耗電量，節(jié)省用電。通過查閱耗電量數(shù)據(jù)可知，2020/5/8～2020/8/8實(shí)驗(yàn)運(yùn)行期間，#3爐回流風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)用電量分別為4.93和84.26萬KW·h，#1爐引風(fēng)機(jī)用電量為115.75萬KW·h。由此可知，在此期間#3爐引風(fēng)機(jī)及回流風(fēng)機(jī)用電量比#1爐引風(fēng)機(jī)用電量減少了26.56萬KW·h，平均每天節(jié)省用電量2 856 KWh。

此外，基于煙氣回流技術(shù)的工藝原理可知，煙氣回流工藝的核心理念是低氧燃燒，煙氣回流操作可起到代替二次風(fēng)的作用，根據(jù)能量守恒關(guān)系，投入煙氣回流相比不投煙氣回流引風(fēng)機(jī)電流應(yīng)下降[8]。綜上分析，受#3爐SCR前后壓差比#1爐小、布袋壓差略高于#1爐影響，不易進(jìn)行量化分析，可待#3爐停運(yùn)煙氣回流實(shí)驗(yàn)時(shí)進(jìn)行后續(xù)進(jìn)一步的量化分析。

3.2.2 氨水用量變化

圖6和圖7所示，分別為#1爐和#3爐實(shí)驗(yàn)運(yùn)行期間SNCR氨水噴量日均值和典型小時(shí)均值的變化情況。

圖6 #1爐和#3爐實(shí)驗(yàn)運(yùn)行期間SNCR 氨水噴量日均值變化Fig.6 Daily average of SNCR ammonia injection during operation of No.1 and No.3 boiler

圖7 #1爐和#3爐實(shí)驗(yàn)運(yùn)行期間SNCR 氨水噴量典型小時(shí)均值變化Fig.7 Typical hourly mean of SNCR ammonia injection during operation of No.1 and No.3 boiler

由圖6可以看出，2020/5/8～2020/8/8實(shí)驗(yàn)期間，雖然兩臺(tái)焚燒爐SNCR氨水噴量日均值波動(dòng)較大，但總體趨勢(shì)上#3爐SNCR氨水噴量均不同程度的低于#1爐。結(jié)合表1數(shù)據(jù)可知，實(shí)驗(yàn)期間#3爐氨水日均平均噴加量為181.48 L/h，#1爐氨水日均平均噴加量102.12 L/h，總體上#3爐氨水用量比#1爐低79.36 L/h，氨水用量減少了43.73%。由此可計(jì)算，#3爐每天節(jié)省氨水用量約為1 904.64 L，即1.76 t/d，按照氨水價(jià)格800元/噸計(jì)算，每天節(jié)省的氨水費(fèi)用為1 405元，2020/5/8～2020/8/8實(shí)驗(yàn)運(yùn)行期間(共93天)共節(jié)省的氨水用量費(fèi)用為130 665.00元。此外，由于此計(jì)算為在#3爐引風(fēng)機(jī)出口NOX比#1爐引風(fēng)機(jī)出口NOX低25.8%的工況下進(jìn)行，如若#1爐和#3爐引風(fēng)機(jī)出口NOX基本一致，則節(jié)省的氨水用量費(fèi)用將會(huì)更多。

圖7所示，2020/5/8～2020/8/8實(shí)驗(yàn)運(yùn)行期間，選取2020/5/29，2020/6/22和2020/7/28三個(gè)典型時(shí)間，對(duì)比分析了#1爐和#3爐SNCR氨水噴量典型小時(shí)均值變化情況。由圖可以看出，除7月28日后期存在一定的氨水用量波動(dòng)以外，5月29日和6月22日#3爐SNCR氨水用量均明顯低于#1爐。其中5月29日#1爐和#3爐SNCR氨水用量最大值分別為330.69和131.264 L/h；6月22日分別為374.66和156.14 L/h；7月28日分別為202.4和172.3 L/h。以上結(jié)果均表明，該項(xiàng)目焚燒爐采用煙氣回流工藝能有效降低氨水用量，且運(yùn)行工況較為穩(wěn)定。

通過工程應(yīng)用效果分析，可以推斷焚燒爐煙氣回流工藝運(yùn)行期間可能存在以下問題需要引起注意：

(1)夏季溫度較高時(shí)，隨著垃圾熱值升高，爐膛溫度存在超過1 200℃的可能，這可能會(huì)在一定程度上降低煙氣凈化系統(tǒng)SNCR工藝的脫硝效率。

(2)冬季溫度較低時(shí)，煙氣回流對(duì)焚燒爐爐膛溫度有一定影響，存在爐溫不達(dá)標(biāo)的隱患，這可能會(huì)在一定程度上降低煙氣凈化系統(tǒng)SNCR工藝的脫硝效率。

(3)實(shí)際連續(xù)運(yùn)行期間，焚燒爐的燃燒工況可能會(huì)受入爐垃圾質(zhì)量的影響出現(xiàn)惡化的情況，使煙氣回流量降低，導(dǎo)致NOX減排效果下降。

因此，垃圾焚燒廠煙氣回流技術(shù)的工程應(yīng)用應(yīng)充分考慮季節(jié)性變化帶來的溫度影響以及入爐垃圾質(zhì)量的變化。此外，未來煙氣回流技術(shù)的工程應(yīng)用應(yīng)同時(shí)考慮對(duì)煙氣中二噁英、重金屬類污染物排放效果的影響分析。

4 結(jié) 論

4.1 工程應(yīng)用數(shù)據(jù)表明，焚燒廠煙氣凈化系統(tǒng)煙氣回流工藝的投入運(yùn)行，不論從環(huán)保指標(biāo)控制還是經(jīng)濟(jì)性方面，都產(chǎn)生了較為明顯的效果。NOX減排方面：#3爐引風(fēng)機(jī)出口NOX平均排放比#1爐降低了25.8%；氨水用量方面：#3爐氨水平均用量比#1爐降低了43.7%，每天可節(jié)省氨水費(fèi)用約1 405元。

4.2 煙氣回流工藝在本項(xiàng)目應(yīng)用期間NOX濃度波動(dòng)與煙氣含氧量密切相關(guān)，煙氣回流期間可合理調(diào)節(jié)煙氣氧量，控制NOX的生成。

4.3 受入爐垃圾質(zhì)量的影響，焚燒爐有時(shí)會(huì)出現(xiàn)燃燒工況惡化的情況，導(dǎo)致煙氣回流量降低，NOX減排效果下降。故合理控制煙氣回流風(fēng)量、優(yōu)化煙氣回流位置可保障煙氣回流工藝運(yùn)行的穩(wěn)定性，提升NOX減排效果。

本文從NOX產(chǎn)生機(jī)理研究出發(fā)，分析了NOX產(chǎn)生原因、產(chǎn)生條件及有效的抑制方法，又從煙氣回流工藝在工程案例實(shí)際應(yīng)用方面對(duì)上述分析進(jìn)行了驗(yàn)證。此研究為煙氣回流工藝在降低NOX產(chǎn)生方面提供了進(jìn)一步理論研究的基礎(chǔ)，為該工藝的工程應(yīng)用提供了參考數(shù)據(jù)。同時(shí)也提出了煙氣回流工藝在工程中的應(yīng)用存在的問題。