賀靖龍，洪?鎏，周洪權(quán)，陳德珍

NTP活化助燃空氣降低垃圾焚燒中NO排放研究

賀靖龍1, 2，洪?鎏1, 2，周洪權(quán)1, 2，陳德珍1, 2

(1. 同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院熱能與環(huán)境工程研究所，上海 200092；2. 上海多源固廢協(xié)同處理和能源化工程技術(shù)研究中心，上海 200092)

為達(dá)到在燃燒過(guò)程中控制NO等氣態(tài)污染物生成的目的，利用低溫等離子體(NTP)將空氣活化后，作為垃圾焚燒的助燃風(fēng)，并考慮分級(jí)空氣活化等不同工況，研究NO等氣態(tài)污染物生成的變化情況．發(fā)現(xiàn)在相同物料燃燒工況下，空氣經(jīng)等離子體活化后助燃能加速燃燒反應(yīng)進(jìn)程，尤其在垃圾升溫開始燃燒階段引入活化的一次風(fēng)助燃可縮短約23.8%的燃燒時(shí)間，煙氣中NO總排放量降低可達(dá)85%．結(jié)合化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)對(duì)NTP活化助燃空氣降低垃圾焚燒過(guò)程中NO生成機(jī)理進(jìn)行初步探索，發(fā)現(xiàn)將NTP活化空氣生成的活性基元(O、OH、H等)引入燃燒系統(tǒng)能夠顯著加速燃燒反應(yīng)進(jìn)程，同時(shí)促進(jìn)NO及其前驅(qū)物的還原和分解，從源頭上控制NO等污染物生成．此外本研究還對(duì)比了二次風(fēng)活化以及在高溫區(qū)供入活化風(fēng)降低NO的效果，推薦了活化空氣的加入?yún)^(qū)段．研究提供了一種經(jīng)濟(jì)有效且簡(jiǎn)單可行的NO控制思路，對(duì)進(jìn)一步降低垃圾焚燒的氣態(tài)污染物源頭生成、簡(jiǎn)化煙氣凈化系統(tǒng)有重要意義．

垃圾焚燒；助燃空氣；活化；低溫等離子體；氮氧化物

隨著垃圾焚燒煙氣的排放標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越嚴(yán)格，目前國(guó)內(nèi)的垃圾焚燒爐不僅要遵循《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB18485—2014)，新建的焚燒爐大都需參照《歐盟工業(yè)排放指令》(2010/75/EC)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行．為了達(dá)到上述的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)，焚燒廠的煙氣凈化環(huán)節(jié)越來(lái)越多、系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，許多已經(jīng)運(yùn)行的焚燒廠還需要對(duì)煙氣凈化設(shè)施進(jìn)行改造．例如上海江橋生活垃圾焚燒廠的擴(kuò)能工程采用“SNCR(尿素)＋干法＋布袋除塵器＋濕式洗滌塔”工藝，同時(shí)在布袋除塵器前噴射消石灰和活性炭，在除塵器后添加濕式除酸系統(tǒng)，干法＋濕法工藝可使HCl、SO2去除率分別達(dá)到99%和97%[1]．江蘇海安縣垃圾焚燒發(fā)電廠采用“SNCR＋半干法＋干法(碳酸氫鈉)＋活性炭噴射＋袋式除塵器＋SCR”工藝，運(yùn)用低溫SCR技術(shù)，以TiO2作為催化劑載體，使各項(xiàng)污染物均能達(dá)到排放要求[2]．但是這些煙氣凈化系統(tǒng)同時(shí)存在占地面積大、投資和運(yùn)行成本高、系統(tǒng)復(fù)雜等諸多問(wèn)題[3]．

近年來(lái)采用低溫等離子體(non-thermal plasma，NTP)脫除煙氣中SO2和NO等氣體污染物的技術(shù)成為煙氣處理技術(shù)的研究熱點(diǎn)，低溫等離子體以其強(qiáng)氧化性和多污染物協(xié)同處理的特點(diǎn)成為氣相氧化脫硫脫硝的高效手段[4]．產(chǎn)生等離子體的主要方式包括氣體放電法、射線輻照法、光電離法、激光等離子體、熱電離法、激波等離子等[5-6]．目前，煙氣凈化行業(yè)中產(chǎn)生低溫等離子體的方法主要包括電子束法、輝光放電法、高壓放電法(含直流、交流和脈沖等方式)和介質(zhì)阻擋放電法等[7-8]．

盡管目前NTP處理煙氣的相關(guān)研究取得了較大進(jìn)展，但該技術(shù)多應(yīng)用于尾氣處理環(huán)節(jié)上，受到煙氣中粉塵、顆粒物等污染物影響，導(dǎo)致NTP煙氣凈化設(shè)備的經(jīng)常損壞和壽命下降，同時(shí)引發(fā)設(shè)備污染導(dǎo)致凈化效率不足、能耗升高、設(shè)備維護(hù)工作量大和維護(hù)費(fèi)用偏高等問(wèn)題，尚無(wú)法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工程應(yīng)用．

由NTP煙氣凈化技術(shù)的工作原理可知，其主要是通過(guò)高能電子撞擊氣體分子生成大量O、OH、HO2、O3等活性基元實(shí)現(xiàn)污染物脫除反應(yīng)的進(jìn)行，而上述活性基元同樣可作用于燃燒過(guò)程；被撞擊生成活性基元的氣體分子主要包括O2、CO2、H2O等，上述氣體組分同樣存在于助燃空氣中，且可通過(guò)分級(jí)燃燒、煙氣再循環(huán)等技術(shù)定向選擇其中一路助燃空氣進(jìn)行活化．因此在本研究中，提出使用NTP技術(shù)直接活化助燃空氣的新理念，借助其生成的大量活性基元實(shí)現(xiàn)垃圾的活化燃燒，通過(guò)實(shí)驗(yàn)探討利用活化助燃風(fēng)進(jìn)行NO污染物源頭減量的可行性，同時(shí)通過(guò)NTP活化分級(jí)助燃空氣，考察空氣分級(jí)活化技術(shù)對(duì)煙氣中NO污染物源頭產(chǎn)量的影響．與現(xiàn)有的NTP處理焚燒后煙氣的方法相比，活化助燃空氣的方法能有效避免煙氣中酸性氣體、粉塵、顆粒物等對(duì)放電設(shè)備的腐蝕，提高NTP設(shè)備的使用壽命，減少維護(hù)費(fèi)用，可在較低代價(jià)下實(shí)現(xiàn)NO等污染物的減排，對(duì)發(fā)展新型煙氣處理技術(shù)、簡(jiǎn)化煙氣凈化流程有著重要意義．

1?實(shí)驗(yàn)原料和方法

1.1?實(shí)驗(yàn)原料

本實(shí)驗(yàn)中采用的生活垃圾取自上海市某生活垃圾焚燒廠．為了保證實(shí)驗(yàn)垃圾成分的一致性，大批的生活垃圾樣品經(jīng)10天太陽(yáng)房晾曬后進(jìn)行人工分類，去除其中的無(wú)機(jī)物后，分類單獨(dú)破碎，顆粒大小控制在10～20mm，破碎后的樣品密封冷藏保存．使用時(shí)按照表1中所列組分比例對(duì)破碎后的垃圾組分稱重配比混合，用于燃燒實(shí)驗(yàn)，表1中的各個(gè)組分比例是調(diào)研所得的目前上海市生活垃圾分類后干垃圾中各組分的比例，其中含有廚余類13.67%．配好的垃圾樣品進(jìn)一步粉碎后采用XRY-1A型數(shù)顯氧彈式熱量計(jì)測(cè)定樣品熱值．

表1?混合垃圾樣品組分及化學(xué)分析(干基)

Tab.1　　Composition and elemental analysis of MSW sam-ples(dry basis)

1.2?實(shí)驗(yàn)裝置和工況

1.2.1?實(shí)驗(yàn)裝置介紹

實(shí)驗(yàn)臺(tái)流程及實(shí)驗(yàn)爐升溫曲線見(jiàn)圖1．實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖1(a)所示，由直流脈沖等離子體發(fā)生器、固定床燃燒爐、螺旋給料機(jī)、二燃室、溫控系統(tǒng)等構(gòu)成，助燃空氣分為一次風(fēng)和二次風(fēng)，空氣流量使用流量計(jì)進(jìn)行計(jì)量和控制，需活化的助燃空氣經(jīng)風(fēng)機(jī)通入NTP發(fā)生器進(jìn)行活化后送入爐膛助燃．燃燒生成的煙氣經(jīng)過(guò)濾器降溫去除水分和顆粒物后，進(jìn)入Gasmet DX4000型便攜式FT-IR煙氣分析儀(Temet Instruments Oy，F(xiàn)inland)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)．其中固定床爐排爐為直徑21cm、高36cm的圓柱體，容積約為12.5L，二燃室為直徑8cm、長(zhǎng)150cm的圓柱體，容積約為7.5L.

實(shí)驗(yàn)用NTP發(fā)生器由兩組獨(dú)立可拆卸放電單元組成，每個(gè)單元包含88個(gè)并聯(lián)的線-筒式電極結(jié)構(gòu)．放電極為直徑0.5mm的鈦金屬絲，外圍的不銹鋼筒壁(內(nèi)徑：50mm)為接地極，每個(gè)線-筒式電極結(jié)構(gòu)放電有效長(zhǎng)度為20cm，NTP設(shè)備工作總輸出電壓17.4kV，總輸出電流40.4mA，放電時(shí)總標(biāo)定輸出功率為700W．

圖1?實(shí)驗(yàn)臺(tái)流程圖及實(shí)驗(yàn)爐升溫曲線

1.2.2?實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)工況設(shè)計(jì)如表2所示．為探究不同燃燒模式下NTP活化空氣對(duì)燃燒污染物的影響，設(shè)計(jì)了3種不同的進(jìn)料和燃燒方式，分別為表2中實(shí)驗(yàn)1至實(shí)驗(yàn)3，分別對(duì)應(yīng)3種不同的垃圾焚燒爐型和燃燒工況．每個(gè)實(shí)驗(yàn)按照分級(jí)助燃空氣的活化情況分為4種不同的工況．

表2?燃燒實(shí)驗(yàn)工況

Tab.2?Experimental conditions

表2中，實(shí)驗(yàn)1將垃圾樣品預(yù)置于實(shí)驗(yàn)爐爐膛內(nèi)，從室溫開始加熱燃燒，在約650℃溫度下燃燒完畢，該實(shí)驗(yàn)可模擬市場(chǎng)上一些不設(shè)置二燃室的小型氣化焚燒爐(如村鎮(zhèn)垃圾“磁化”氣化爐)及爐排爐爐內(nèi)燃燒段的燃燒工況；實(shí)驗(yàn)2將垃圾樣品預(yù)置于實(shí)驗(yàn)爐爐膛內(nèi)，從室溫開始加熱燃燒，同時(shí)將未燃盡煙氣通入二燃室燃盡，可模擬爐排爐垃圾焚燒工況；實(shí)驗(yàn)3垃圾用螺旋給料機(jī)進(jìn)料，緩慢送入高溫爐膛，煙氣進(jìn)入二燃室進(jìn)行充分燃燒，垃圾樣品在短時(shí)間內(nèi)燃燒完畢，與流化床焚燒爐的燃燒方式最為接近．

實(shí)驗(yàn)1將50g垃圾樣品先置于固定床燃燒爐爐內(nèi)，燃燒爐再開始升溫(升溫曲線如圖1(b)所示)．采用分級(jí)供風(fēng)，一次助燃風(fēng)流量15L/min，約占總風(fēng)量比例的70%，二次風(fēng)流量7L/min，約占總風(fēng)量比例的30%．在固定床燃燒爐出口處c點(diǎn)監(jiān)測(cè)垃圾升溫燃燒過(guò)程中煙氣各污染物組分的實(shí)時(shí)濃度．在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中根據(jù)表2中設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)工況分別對(duì)一、二次風(fēng)或者全部助燃空氣進(jìn)行活化．其中一次風(fēng)由a點(diǎn)送入，出風(fēng)口在爐排下端呈四角切圓方式布置，二次風(fēng)由b點(diǎn)送入，同樣采用四角切圓方式送氣．一、二次風(fēng)噴射的角度分別為斜向上和斜向下，傾斜角度均為45°．圖1(a)中所示實(shí)驗(yàn)工況為工況3，即一次風(fēng)活化、二次風(fēng)非活化工況．

實(shí)驗(yàn)2流程與實(shí)驗(yàn)1類似，為使樣品充分燃燒，將一次風(fēng)量提升至30L/min，二次風(fēng)量提升至20L/min．實(shí)驗(yàn)時(shí)首先打開二燃室加熱系統(tǒng)，待其溫度升至850℃并穩(wěn)定后，再打開固定床燃燒爐加熱系統(tǒng)，在二燃室出口處d點(diǎn)煙氣分析儀監(jiān)測(cè)垃圾升溫燃燒過(guò)程中煙氣中各污染物的實(shí)時(shí)濃度．

實(shí)驗(yàn)3中，先開啟供風(fēng)設(shè)備并加熱固定床焚燒爐及二燃室，供風(fēng)量與實(shí)驗(yàn)2相同．待爐膛及二燃室升溫至850℃后開始保溫，開啟螺旋給料機(jī)使物料以2g/min速度勻速進(jìn)入固定床爐膛焚燒，總進(jìn)料量為50g，在二燃室出口處d點(diǎn)監(jiān)測(cè)煙氣中各污染物的實(shí)時(shí)濃度．

2?結(jié)果分析和討論

2.1?氣態(tài)污染物排放特性

2.1.1?實(shí)驗(yàn)1

實(shí)驗(yàn)1垃圾樣品燃燒過(guò)程中O2體積分?jǐn)?shù)及各污染物組分(CO、NO、NO2)體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化如圖2所示．

表3?實(shí)驗(yàn)1污染物平均排放體積分?jǐn)?shù)和單位排放量

Tab.3　　Averaged concentration and specific emission of pollutants in the process of waste incineration (Exp. 1)

由表3可知，NTP活化空氣助燃可使NO和CO污染物平均排放濃度和單位質(zhì)量排放量均大幅下降．同時(shí)空氣分級(jí)活化對(duì)污染物排放的影響有所不同：工況3對(duì)應(yīng)的各污染物的平均排放濃度和比排放量最低，其次是工況4和工況2．其中CO濃度較高是因?yàn)闊煔鉀](méi)有通過(guò)二燃室進(jìn)行充分燃燒，且燃燒溫度偏低，在爐膛升溫至650℃時(shí)物料已經(jīng)基本燃燒完畢．綜上，在實(shí)驗(yàn)1條件下，使用NTP活化空氣助燃減少CO排放量最大可達(dá)56.9 %，減少NO排放量達(dá)87.3 %，減少NO2排放量達(dá)83.3 %(工況3)．

不同活化工況下的差異主要原因在于，3個(gè)活化工況下低溫等離子體輸入功率不變，單位時(shí)間內(nèi)生成的活性基元總量相對(duì)固定，因此若將固定數(shù)量的活性基元分散在所有助燃空氣中，必然會(huì)導(dǎo)致空氣中活性基元濃度降低，從而影響助燃效果，因此工況2活化全部助燃風(fēng)的效果并非最佳．而將一次風(fēng)或二次風(fēng)單獨(dú)活化的工況下，活化空氣中活性基元的濃度更高，更有利于活化空氣助燃作用的發(fā)揮，因此工況3和工況4的減排效果均優(yōu)于工況2，工況3效果最優(yōu)，其原因在于工況3活化一次空氣，在爐膛內(nèi)的停留時(shí)間更長(zhǎng)，而工況4二次風(fēng)活化后可能很快離開爐膛，沒(méi)有與垃圾充分接觸．

2.1.2?實(shí)驗(yàn)2

為考察在充分燃燒情況下活化空氣助燃的影響，在實(shí)驗(yàn)1條件不變的基礎(chǔ)上，將二燃室提前升溫至850℃并保溫，并將一次、二次風(fēng)量分別提升至30L/min和20L/min，確保充分燃燒．同時(shí)在二燃室煙氣出口側(cè)d點(diǎn)監(jiān)測(cè)各污染物濃度變化，結(jié)如圖3所示．

各污染物在整個(gè)燃燒時(shí)間內(nèi)平均濃度和比排放量列于表4．

由圖3和表4可知，在空氣過(guò)量且煙氣經(jīng)過(guò)二燃室充分燃燒的情況下，引入活化空氣助燃的工況2、3、4仍具有促進(jìn)燃燒的作用，較工況1縮短整體燃燒時(shí)間平均約4min．其中單獨(dú)活化一次風(fēng)的工況3效果仍為最佳，NO的比排放量降低約38.3 %，由于此工況下NO2監(jiān)測(cè)濃度很低，對(duì)NO的總排放量影響極小，忽略NO2的影響．

表4?實(shí)驗(yàn)2污染物平均排放體積分?jǐn)?shù)和比排放量

Tab.4　　Averagedconcentration and specific emission of pollutants in the process of waste incineration (Exp. 2)

與實(shí)驗(yàn)1相比，實(shí)驗(yàn)2對(duì)NO的減排效果有所降低，其原因在于：第一，為保證垃圾充分燃燒，一、二次風(fēng)風(fēng)量的增大導(dǎo)致空氣中活性基元濃度相對(duì)降低，影響助燃效果；第二，由于二燃室維持850℃的高溫，而在高溫?zé)煔庵性揪痛嬖谙喈?dāng)數(shù)量的活性基元，因此活化空氣中活性基元的加入對(duì)促進(jìn)燃燒的效果不如低溫工況下顯著．其中工況4對(duì)NO的減排效果最差，因?yàn)楣r4中的活化二次風(fēng)在噴入后，僅停留極短時(shí)間便進(jìn)入高溫段二燃室，其助燃效果被高溫所掩蓋．

2.1.3?實(shí)驗(yàn)3

為進(jìn)一步驗(yàn)證活化空氣在高溫段的助燃效果，實(shí)驗(yàn)3在固定床燃燒爐側(cè)采用螺旋進(jìn)料使垃圾進(jìn)入高溫爐膛立即焚燒，燃燒過(guò)程中煙氣中各污染物組分的實(shí)時(shí)體積分?jǐn)?shù)變化見(jiàn)圖4．

由于在實(shí)驗(yàn)3各工況中，CO和NO2的體積分?jǐn)?shù)均低于檢測(cè)限，因此圖4只列出O2和NO隨時(shí)間的變化曲線．由圖4可知，各工況下O2體積分?jǐn)?shù)均高于零，且未檢測(cè)到CO，因此各工況下垃圾樣品均實(shí)現(xiàn)充分燃燒．O2和NO體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間出現(xiàn)波動(dòng)的主要原因在于，雖然垃圾樣品勻速送入燃燒爐進(jìn)行燃燒，但垃圾樣品無(wú)法保護(hù)均勻分布，且螺旋給料機(jī)進(jìn)料速率無(wú)法保證絕對(duì)均勻．通過(guò)比較各工況下的體積分?jǐn)?shù)曲線可知，在引入活化空氣助燃后，燃燒反應(yīng)進(jìn)程仍得到加速，但活化工況下NO體積分?jǐn)?shù)曲線僅在峰值時(shí)間上略有提前，數(shù)值未出現(xiàn)顯著下降．

各污染物在整個(gè)燃燒時(shí)間內(nèi)平均體積分?jǐn)?shù)和比排放量列于表5．

由表5可知，實(shí)驗(yàn)3的工況下一次風(fēng)活化助燃對(duì)NO減排效果仍為最佳，但NO比排放量減少僅9%，較實(shí)驗(yàn)1和2的效果明顯降低，該結(jié)果驗(yàn)證了前文提出的在高溫段空氣活化助燃效果不明顯的結(jié)論．同時(shí)螺旋勻速進(jìn)料使得單位時(shí)間內(nèi)僅有少量垃圾樣品與活化空氣中的活性基元進(jìn)行接觸，因此進(jìn)一步影響了活化助燃效果．

圖4?實(shí)驗(yàn)3燃燒過(guò)程中各污染物組分濃度變化

表5?實(shí)驗(yàn)3污染物平均排放濃度和比排放量

Tab.5　　Averaged concentration and specific emission of pollutants in the process of waste incineration (Exp. 3)

2.2?活化空氣助燃及降低NOx的機(jī)理初步探索

為進(jìn)一步探索活化風(fēng)助燃以及降低煙氣中NO排放的相關(guān)機(jī)理，采用化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)軟件Chemkin對(duì)圓柱形反應(yīng)器中進(jìn)行的燃燒和污染物生成過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，采用全混流反應(yīng)器模型(perfectly stirred reactor，PSR)，對(duì)實(shí)驗(yàn)爐內(nèi)的燃燒過(guò)程進(jìn)行化學(xué)動(dòng)力學(xué)模擬．其他假設(shè)還包括：反應(yīng)過(guò)程保持恒溫，忽略燃料與助燃空氣的混合過(guò)程，認(rèn)為燃燒反應(yīng)開始時(shí)燃料與空氣已處于混合均勻狀態(tài)．計(jì)算均基于氣相反應(yīng)，即假設(shè)所有反應(yīng)物均為氣體．在本實(shí)驗(yàn)中，脈沖電暈放電等離子體(PCDP)是通過(guò)高壓窄脈沖正極放電生成的，放電發(fā)生在PCDP反應(yīng)器內(nèi)，其電場(chǎng)強(qiáng)度為非均勻分布．由脈沖電暈放電生成的自由電子被反應(yīng)器內(nèi)的電場(chǎng)加速至較高能級(jí)．當(dāng)放電電壓在15～30kV的范圍內(nèi)變化時(shí)，生成自由電子的平均能級(jí)為5～10eV(1eV＝1.6×10-19J)[13]．高能電子與氣體分子(O2、H2O、N2等)碰撞生成各種活性基元(自由基)[14-15]形成活化空氣，由于電暈放電電場(chǎng)強(qiáng)度的非均勻性，導(dǎo)致PCDP反應(yīng)器放電區(qū)域內(nèi)各自由基同樣無(wú)法實(shí)現(xiàn)均勻分布，因此在計(jì)算放電區(qū)域內(nèi)各自由基OH、O、H、N的濃度時(shí)基于如下假設(shè)：假定所有自由基在放電區(qū)域內(nèi)為均勻分布狀態(tài)．各自由基在反應(yīng)器放電區(qū)域內(nèi)的平均濃度如式(1)所示：

式中：p為煙氣接受的單次脈沖電暈放電能量；R為電暈放電反應(yīng)器的容積，即脈沖放電區(qū)域的容積．其中c,OH、c,O表示基元OH和O的總產(chǎn)率，d,H、d,N表示基元H和N初始自由基產(chǎn)率．

由式(1)計(jì)算可得PCDP單次脈沖放電的自由基產(chǎn)率及本實(shí)驗(yàn)輸入功率下各自由基在進(jìn)入燃燒實(shí)驗(yàn)爐時(shí)對(duì)應(yīng)的物質(zhì)的量濃度，如表6所示，詳細(xì)計(jì)算過(guò)程可見(jiàn)Hong等[16]的相關(guān)研究．

表6?放電階段自由基產(chǎn)率及初始體積分?jǐn)?shù)

Tab.6　　Initial concentration and generation rates of free radicals during the discharge stage

由圖1(b)可知，文中所有實(shí)驗(yàn)工況的燃燒爐溫度均在900℃以下，因此煙氣中生成的NO以燃料型氮氧化物為主，熱力型和快速型占比極小．由于垃圾中燃料N組分非常復(fù)雜，無(wú)法用其原生成分進(jìn)行氣相化學(xué)反應(yīng)燃燒模擬，因此參考前人針對(duì)煤富氧燃燒的反應(yīng)模型，將垃圾揮發(fā)分中所含有機(jī)N以HCN形式出現(xiàn)，并采用現(xiàn)有的GRI-Mech 3.0模型[17]，輔以燃燒過(guò)程中氮氧化物的轉(zhuǎn)化和脫除相關(guān)機(jī)理模?型[18-19]，從理論上探討活性自由基的存在對(duì)燃燒中燃料型NO生成的影響．

生活垃圾在燃燒之前的熱解氣化段，除生成HCN等含氮物質(zhì)外，其中的含碳有機(jī)組分還會(huì)通過(guò)熱解和氣化生成CH4、C、CO等可燃成分進(jìn)行燃燒，模擬過(guò)程引入具體的基元反應(yīng)，通過(guò)對(duì)燃燒反應(yīng)機(jī)理模型進(jìn)行敏感性分析，得到在上述生活垃圾熱解氣化揮發(fā)分的燃燒過(guò)程中，占主導(dǎo)地位的基元反應(yīng)列于表7中．

表7?燃燒過(guò)程中的主導(dǎo)基元反應(yīng)

Tab.7　　Dominant elemental reactions in the process of combustion

由表7可知，在直燃工況下，CH4、C、HCN均需要首先與O、OH、H等活性基元發(fā)生活化反應(yīng)生成活性中間產(chǎn)物后，方能進(jìn)一步燃燒形成最終產(chǎn)物，活化反應(yīng)包括：

在直燃工況下，O、OH、HO2等活性基元只能通過(guò)O2與CH4等發(fā)生的個(gè)別基元反應(yīng)生成，如(R5)CH4＋O2＝CH3＋HO2，但由表7可知，此類基元反應(yīng)活化能極高，反應(yīng)速率較慢，會(huì)嚴(yán)重影響燃燒反應(yīng)的速度；同時(shí)，在還原性氣氛下，垃圾中有機(jī)組分會(huì)在熱解和氣化過(guò)程中生成大量單質(zhì)C，C通過(guò)下列基元反應(yīng)：

促進(jìn)了NO在短時(shí)間內(nèi)大量生成，因此在實(shí)驗(yàn)1的非活化燃燒工況(工況1)中，出現(xiàn)了NO集中大量生成的情況．

而在活化燃燒工況下，反應(yīng)器內(nèi)原本即存在一定濃度的O、OH和H等基元，不同工況下的自由基濃度如表6所示．上述基元可直接通過(guò)(R1)～(R4)等基元反應(yīng)加速燃燒反應(yīng)進(jìn)程；同時(shí)，O原子可迅速與揮發(fā)分中的C結(jié)合生成CO，并通過(guò)下列基元反應(yīng)

迅速降低煙氣中CO濃度；此外，活性基元還可以通過(guò)基元反應(yīng)(R12)～(R15)將煙氣中已生成的NO及其前驅(qū)物還原為N2．因此，在3組實(shí)驗(yàn)的活化燃燒工況下，煙氣中CO和NO濃度均出現(xiàn)了明顯下降．

在過(guò)去的研究中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，高溫?zé)煔庵芯嬖谝欢舛鹊幕钚曰Ｗ?，煙氣溫度越高，活性基元濃度越大．Mungekar等[20]在甲烷對(duì)沖火焰中觀測(cè)到OH基元的大量存在，其局部濃度最高可達(dá)10000×10-6．而隨著燃燒溫度的上升，煙氣中各種活性基元濃度隨之增高，由NTP活化空氣帶來(lái)的活性基元對(duì)燃燒過(guò)程的影響必然隨之下降．因此，對(duì)助燃空氣進(jìn)行活化時(shí)必須選擇合適的溫度區(qū)域，一般而言，在溫度較低的爐膛區(qū)域通入活化空氣會(huì)有更好的助燃和NO減排效果，而實(shí)驗(yàn)中當(dāng)燃燒爐溫度從650℃上升至850℃時(shí)，由于煙氣中本身存在的活性基元濃度上升，導(dǎo)致燃燒過(guò)程中NO的生成量減少，此時(shí)活化助燃空氣增加的自由基相對(duì)很低，對(duì)減排NO的影響效果下降．

而隨著二燃室的增加，燃燒由部分還原性氣氛轉(zhuǎn)化為全氧化性氣氛，燃燒過(guò)程中C和CO均在二燃室內(nèi)氧化性氣氛下被全部燃盡．因此在實(shí)驗(yàn)2～3中的各工況下，均未檢測(cè)到CO存在，且由于煙氣中C的消除，使基元反應(yīng)(R6)～(R8)得到極大抑制，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)2～3中NO濃度相比較于實(shí)驗(yàn)1均出現(xiàn)大幅度下降．因此可以推論，燃燒不完全可能會(huì)導(dǎo)致燃燒過(guò)程中以NO為主的NO大量生成．

3?結(jié)論和展望

本文提出了利用NTP活化空氣助燃垃圾焚燒以降低煙氣NO等污染物的新技術(shù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，探索了在燃燒中降低NO原始濃度的可行性以及NTP活化空氣助燃技術(shù)對(duì)NO污染物生成和脫除的反應(yīng)機(jī)理．研究表明活化過(guò)程中產(chǎn)生的活性基元(如OH、O、H等)在燃燒室內(nèi)參與反應(yīng)使得燃燒反應(yīng)進(jìn)程加快，在較低燃燒溫度階段引入活化空氣助燃并使之與垃圾充分接觸可縮短燃燒時(shí)間最多約23.8%．在爐膛內(nèi)溫度較低區(qū)域通入活化空氣助燃更能促進(jìn)NO及其前驅(qū)物的還原和分解，從源頭上控制NO生成，其煙氣中NO排放量降低可達(dá)85%；而隨著燃燒溫度的上升，NTP活化空氣對(duì)NO減排效果出現(xiàn)下降．同時(shí)，當(dāng)燃燒不完全時(shí)，由于單質(zhì)C的存在，有可能會(huì)導(dǎo)致燃燒中NO的大量生成．

綜上所述，本研究提出使用NTP技術(shù)直接活化助燃空氣的新理念，為NTP技術(shù)在垃圾焚燒過(guò)程供風(fēng)段中的應(yīng)用提供了有益的指導(dǎo)，對(duì)進(jìn)一步降低垃圾焚燒的污染物排放、簡(jiǎn)化煙氣凈化系統(tǒng)有重要的意義.

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Investigation on De-NOEffect in Municipal Solid Waste Incineration Process by Supplying NTP Activated Combustion Air

He Jinglong1, 2，Hong Liu1, 2，Zhou Hongquan1, 2，Chen Dezhen1, 2

(1.Thermal and Environmental Engineering Institute，School of Mechanical Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China；2.Shanghai Engineering Research Center of Multi-Source Solid Wastes Co-Processing and Energy Utilization，Shanghai 200092，China)

In order to control the generation of gaseous pollutants such as NOin the combustion process，non-thermal plasma(NTP)is used to activate the air as combustion air for municipal solid waste incineration(MSWI).Different conditions are considered in this paper，including the activation of primary air，secondary air and all combustion air. The generation of gaseous pollutants such as NOunder these conditions is studied and compared with the conventional air combustion. The results show that under the combustion of the same material，with the introduction of activated primary air to assist combustion，the reaction process is sped up，especially at the stage when the waste heats up and starts to burn. The combustion time is shortened by about 23.8% and the total NOemissions are reduced by up to 85%.The mechanism and kinetic scheme of reducing the NOemission by combustion air activation with NTP are investigated in combination with chemical reaction kinetics. It is found that the introduction of active radicals such as O，OH and H can significantly accelerate the process of combustion，promote the decomposition of NO and its precursors，and inhibit the generation of NOpollutants from the beginning. In addition，the de-NOeffects of secondary air activation and supplying activated air in the high temperature zone are compared in this paper，and the addition section of activated air is recommended. This study provides a cost-effective，simple and feasible idea of NOremoval，which is of great significance for further reducing the generation of gaseous pollutants in waste incineration and simplifying the flue gas purification system.

municipal solid waste incineration(MSWI)；combustion air；activation；non-thermal plasma (NTP)；NO

X705

A

1006-8740(2023)01-0085-09

10.11715/rskxjs.R202110020

2021-12-05．

上海市科委國(guó)際合作項(xiàng)目(20230712900)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51776141).

賀靖龍（1994—??），男，碩士研究生，1932704@#edu.cn.

洪?鎏，男，博士，工程師，96hongliu@#edu.cn；陳德珍，女，博士，教授，chendezhen@#edu.cn.

(責(zé)任編輯：梁?霞)