關于垃圾焚燒爐降低氨耗的運行研究

吳學奮

（廣州環(huán)保投資集團云山公司，廣東 廣州 510000）

1 研究背景及目的

研究表明，垃圾焚燒爐尾氣排放中N Ox對大氣環(huán)境造成深遠影響。N Ox的大量排放會引起酸雨、光化學煙霧等污染，其對大氣臭氧層的破壞尤為嚴重。生活垃圾成分較復雜，含氮量在1%～3%，其燃燒后生成燃料型N Ox。同時垃圾焚燒采用空氣作為氧化劑，溫度在850～1 050℃時空氣中的氮元素也可能轉化為N Ox。如何最有效地對垃圾焚燒爐的N Ox排放進行控制，防止二次污染對垃圾焚燒處理技術的發(fā)展具有重要意義[1]。

針對我廠目前垃圾氨耗較高的情況，為了降低氨耗，提高經濟性，降低氨逃逸造成的二次污染。本文將運行的實際情況與理論相結合，力求找到更優(yōu)的運行方法。

2 NOx生成機理及影響因素

（1）熱力型：N2和O2在高溫（≥1 400℃）合成。因為爐膛溫度一般不會超過1 200℃，所以不予考慮。

（2）快速型：由于燃料熱解氣氛中碳氫化合物高溫分解生成的CH自由基和空氣中的氮氣反應生成HCN和N，再進一步與氧氣作用以極快的速度生成NOx。即燃料熱解的氣相與氧氣快速生成N Ox。其產生的N Ox占20%～40%。

（3）燃料型：燃料中含氮化合物在燃燒中氧化生成的NOx稱為燃料型NOx。即燃料熱解的氣相與氧氣快速生成NOx。其產生的NOx占60%～80%[2]。

本文主要研究降低第2、3種NOx的生成，所以如果想降低氨耗，可以分2個方向進行控制：（1）研究如何使氣固兩相生成的NOx最低，可以從燃燒控制降低。（2）研究如何使煙氣處理環(huán)節(jié)的NOx降低，可以從中間環(huán)節(jié)解決。針對以上2個問題，本文著重對從燃燒控制降低進行研究。

3 運行方法優(yōu)化

3.1 所選燃燒方法及其原理

目前火電廠降低NOx普遍采用的控制方法有低過量空氣燃燒法、空氣分級燃燒法、燃料分級燃燒法和煙氣再循環(huán)法。前3種的原理都是在主燃區(qū)形成還原性氛圍，從而減少NOx的生成。而我廠爐型為多級傾斜順推式爐排的焚燒爐，應在主燃燒區(qū)形成還原性氛圍，這就相當于前3種方法的混合使用，此處記為還原性氣氛燃燒法。

還原性氣氛燃燒法的原理是保證燃燒區(qū)的還原性氣氛，使NOx被還原成N2。即盡量使二三級處于燃燒較劇烈和缺氧狀態(tài)，使NOx被還原成N2。

因垃圾燃燒時C和N元素的固相在還原性氣氛中，C奪氧的能力更強，使得N的氧化受阻，形成的NOx降低。同時燃料熱解的氣相若處于還原性氣氛，生成的少部分N O也會因比CO的奪氧能力弱，而進一步被還原成N2。以下是此兩個反應的方程式。（因NO含量在生成的NOx中最高，故以此為NOx代表）

此方法對爐排型鍋爐而言可操作性強，故對此方法進行進一步的運行探討。

3.2 燃燒方法原理對應的運行建議

我廠垃圾焚燒爐額定負荷為74 t/h，額定壓力4.0 Mpa。爐排為多級傾斜順推式爐排，共四級爐排，一級為預熱區(qū)，二、三級為主燃燒區(qū)，四級為燃燼區(qū)。正常情況下爐排上的垃圾應該在二三級著火，四級完全燃盡。一次風經空預器加熱，從爐排底部送進焚燒爐；二次風有布置于前拱的前端1、2風以及一通道中部的喉部OFA1、OFA2風（常溫空氣）；助燃風分別有布置于前拱點火燃燒器的助燃風，以及布置于一通道中下部的輔助燃燒器的助燃風。

為促使燃燒中（1）和（2）兩反應進行的充分，應做到：

3.2.1 保證還原性氣氛

這是還原性氣氛燃燒法的關鍵，為此應保證爐排微多料的狀態(tài)，盡量將火線維持在四級爐排前端。同時必須保證爐排上的垃圾處于著火狀態(tài)且不缺料，否則一次風進入爐膛內依然是富氧燃燒，同樣會增加NOx生成，且負荷低又徒增物料消耗。保證省煤器的進口氧量較低狀態(tài)，CO微上揚的狀態(tài)為佳。

3.2.2 增加反應的時長

（1）前端1、2風應該保證有一定的開度，保證爐膛內部氣體旋流，使NOx繼續(xù)回旋至氣相區(qū)及固相表面，進一步進行還原反應。這要求前端1、2風要有足夠穿透力，使旋流能得到保證。同時旋流增加了煙氣在爐膛內的停留時間。

（2）點火油槍的風門盡量不要開大。因我廠點火油槍的風門正對二三級爐排，會增加燃燒區(qū)的氧量，破壞其還原性氣氛和旋流。

（3）垃圾的料層厚度應保證不能過薄或過厚，建議盡量在1∶1～1∶1.2的速度配比。過薄時，一次風流速更快，會破壞旋流，且煙氣經過氣相區(qū)速度更快，還原效率降低。其次會增加煙氣在一通道上的流通速度，把熱量迅速帶至一通道上端，提高氨水反應區(qū)的溫度區(qū)間，降低氨水與NOx反應效率。

3.2.2 保證燃燒區(qū)溫度區(qū)間、爐膛峰值溫度不過高

雖溫度高可促進CO和NO反應，但更會促進快速型NOx生成。且氣相中快速型反應更加劇烈。而CO和NO的反應是可逆的，正向效率有限。所以應優(yōu)先降低快速型的NOx生成。

在不影響正常燃燒情況下，為降低燃燒區(qū)的溫度區(qū)間和峰值溫度，應做到：（1）保證一次風溫不過高，建議運行溫度130～170℃。（2）喉部冷卻風噴射應保證穿透力（即保證二次風機出口風壓）。穿透力弱，會增加過剩空氣系數，可能使燃燒區(qū)的還原性氛圍變成富氧燃燒，促進NOx生成，同時也增加了電耗。所以對于喉部風要綜合省煤器氧量、二次風機出口風壓進行調整。（3）輔助燃燒器風門的噴射也應該保證穿透力。保證較高風壓可以起到一定的截流作用，同時使爐膛出口溫度場均勻。因之前運行中輔助油槍的風門幾乎全開且頻率低，助燃風穿透力不足。爐膛出口中心區(qū)域煙氣溫度并未降低，而相對較高溫的煙氣到了氨水反應區(qū)，反應速率大打折扣，從而導致排放的指標較高。

3.2.4 驗證該燃燒法實用性

對象：1#爐和3#爐（兩臺爐的額定負荷都是74 t/h）試驗時間：4月30日和5月1日二值對3#爐進行實驗；5月2日三值、5月3日三值對1#爐進行實驗。

實驗結果：（以下數據的鍋爐小時負荷都接近額定負荷）

（1）3#爐實驗：

4月30日3#爐試驗的氨水小時流量數據見表1，4月30日3#爐氨水的8 h均值流量二值是17.135 kg/h，相比一值的42.38 kg/h和三值的18.21 kg/h，二值比一值和三值的氨水耗量都要低，且比一值和三值的8 h均值的平均數低35%。

表1 4月30日3#爐試驗的氨水小時流量數據

5月1日3#爐試驗的氨水小時流量數據見表2，5月1日3#爐氨水的8 h均值流量二值是10.59 kg/h，相比一值的24.87 kg/h的三值的26.66 kg/h，基本把小時氨水流量降低了一半左右。其中二值有3 h基本都保持只有0.11 kg/h，氨水調節(jié)門30%的開度；2 h只有10 kg/h左右。

表2 5月1日3#爐試驗的氨水小時流量數據

（2）1#爐實驗

5月2日1#爐試驗的氨水小時流量數據見表3，5月2日1#爐氨水的8 h均值流量三值是154.66 kg/h，相比一值的157.94 kg/h和二值的173.84 kg/h都要更低。

表3 5月2日1#爐試驗的氨水小時流量數據

5月3日1#爐試驗的氨水小時流量數據見表4，5月3日1#爐氨水的8 h均值流量三值是148.33 kg/h，相比一值的173.21 kg/h和二值的174.54 kg/h，基本把小時氨水流量降低了14%左右。

表4 5月3日1#爐試驗的氨水小時流量數據

綜上此燃燒方法是可行的，但1#爐氨水耗量降低的幅度遠比3#爐的低。因1#爐運行時間長，一通道結焦情況較3#爐嚴重很多。導致同等負荷下1#爐一通道溫度整體比3#爐高40～60℃。在氨水的噴射區(qū)內，溫度遠高于氨水和NOx的最佳反應溫度區(qū)間。（最佳溫度區(qū)間920～990℃，而1#爐的一通道頂棚溫度一般都在1 000～1 060℃左右）。

NOx的還原反應發(fā)生在特定的溫度范圍內。溫度低于該范圍會因溫度不足而反應緩慢，造成還原劑不能充分反應；溫度高于該范圍氧化作用會增強，還原劑本身被氧化，反而生成更多的NOx。所以應保證合適溫度窗口[3]。

解決方法：（1）每次停爐對一通道進行清理結焦及積灰。（2）在一通道增加噴水降溫，保證最佳反應溫度。（3）保證鍋爐二次風和助燃風真正起到冷卻作用，這就需要保證風壓，保證其穿透力。