垃圾發(fā)電廠煙氣再循環(huán)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

王育波

（龍凈能源發(fā)展有限公司，福建 廈門(mén) 361000）

與燃煤電廠一樣，垃圾焚燒煙氣中的氮氧化物（NOx）可劃分為3 類[1,2]：第一類是由垃圾中含氮有機(jī)質(zhì)分解轉(zhuǎn)化生成的，稱為燃料型NOx；第二類是空氣中的氮在氧化氣氛和高溫條件下經(jīng)過(guò)一系列化學(xué)反應(yīng)生成的，稱為熱力型NOx；第三類是空氣中的氮?dú)馀c燃料中的碳?xì)潆x子團(tuán)等反應(yīng)而生成的，稱為快速型NOx。

當(dāng)前大多垃圾焚燒發(fā)電廠的脫硝工藝只有選擇性非催化還原法（SNCR），在垃圾焚燒量和NOx排放指標(biāo)提高后，面臨著NOx排放總量高、脫硝效率低的問(wèn)題。采用選擇性催化還原法（SCR），脫硝效率高（>90%），但投資運(yùn)行成本高，而且占地面積大，存在廠址受限問(wèn)題。當(dāng)前部分項(xiàng)目開(kāi)始考慮采用固態(tài)高分子干法脫硝（PNCR）來(lái)解決NOx排放提標(biāo)的問(wèn)題，投資運(yùn)行成本低于SNCR，脫硝效率略高于SNCR，但該技術(shù)尚不成熟。以上幾種方法都是從消除的角度入手，需要消耗一定量的脫硝劑，將已經(jīng)生成的NOx轉(zhuǎn)化為無(wú)毒害的氣體，保證達(dá)標(biāo)排放。而NOx的排放控制還可以從產(chǎn)生源頭入手。鍋爐煙氣再循環(huán)是一種從源頭上抑制NOx的形成、降低NOx初始濃度的低氮燃燒技術(shù)[2,3]，已被廣泛應(yīng)用于燃?xì)狻⑷济哄仩t。該技術(shù)具有投資低、無(wú)脫硝原材料（如尿素或氨水等）消耗、經(jīng)濟(jì)效益高的特點(diǎn)，在垃圾焚燒領(lǐng)域具有一定的推廣價(jià)值。

1 技術(shù)簡(jiǎn)介

煙氣再循環(huán)（FGR）的原理是將燃燒產(chǎn)生的低溫、低氧的部分煙氣通入爐內(nèi)燃燒區(qū)，降低爐膛火焰的溫度和燃燒區(qū)氧量，增強(qiáng)還原性氣氛，從而起到改變鍋爐傳熱特性和燃燒工況的作用。煙氣再循環(huán)技術(shù)不僅可從抑制熱力型NOx的生成，還可遏制酰胺（NCO）、氰化氫（HNO）等NOx前驅(qū)物向NOx的轉(zhuǎn)化，降低燃料型NOx的轉(zhuǎn)化率，是一種在燃燒過(guò)程中控制NOx生成的低氮燃燒技術(shù)[3]。

煙氣再循環(huán)技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）降低NOx的產(chǎn)生量：煙氣再循環(huán)技術(shù)可有效降低爐膛的溫度和爐膛氧量，從而減少NOx的生成，進(jìn)而減少脫硝還原劑使用量。

（2）提高系統(tǒng)對(duì)垃圾熱值的適應(yīng)性：在垃圾熱值較高、爐膛溫度高時(shí)，可通過(guò)煙氣再循環(huán)技術(shù)的降溫作用使?fàn)t膛溫度保持在合適水平，提高焚燒系統(tǒng)對(duì)垃圾的適應(yīng)性。

（3）有效減少爐膛結(jié)焦：再循環(huán)煙氣進(jìn)入爐膛后，可降低爐膛的局部高溫，防止高溫火焰貼壁沖刷爐墻，減緩爐膛的結(jié)焦。

采用煙氣再循環(huán)技術(shù)前后，爐膛及鍋爐各受熱面溫度分布、煙氣流量、停留時(shí)間都會(huì)有所變化，運(yùn)行人員需要根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整二次風(fēng)量、SNCR 的溫度窗口等，以保證焚燒系統(tǒng)和余熱鍋爐的穩(wěn)定性。

2 實(shí)施方案的選擇

煙氣再循環(huán)技術(shù)的應(yīng)用可分為內(nèi)部煙氣再循環(huán)與外部煙氣再循環(huán)。內(nèi)循環(huán)方式一般由燃燒器廠家根據(jù)燃燒器特點(diǎn)，通過(guò)燃燒器本體設(shè)計(jì)并與爐膛配合形成回流區(qū)，通過(guò)壓差將煙氣抽至燃燒器內(nèi)部形成煙氣內(nèi)循環(huán)。外部煙氣再循環(huán)技術(shù)是指將部分煙氣與助燃空氣混合后，通入爐膛內(nèi)參與燃燒，工程中更多考慮外部煙氣再循環(huán)。

對(duì)于外部煙氣再循環(huán)系統(tǒng)，煙氣有不同的抽取方式和入爐方式。

2.1 抽取方式的比選

當(dāng)前，垃圾焚燒發(fā)電廠大多采用“SNCR+半干法+干法+活性炭噴射+除塵器”煙氣凈化工藝系統(tǒng)。針對(duì)這一典型工藝，選擇垃圾焚燒爐系統(tǒng)中的余熱鍋爐、除塵器、引風(fēng)機(jī)等設(shè)備后設(shè)置煙氣抽取點(diǎn)，進(jìn)行煙氣抽取方案的比較分析，分析結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1 可知：（1）余熱鍋爐出口抽氣具有抽氣距離近、循環(huán)煙道短、不增加煙氣凈化系統(tǒng)阻力的特點(diǎn)，但由于煙氣未凈化、煙溫高，容易造成再循環(huán)煙道和風(fēng)機(jī)的腐蝕，對(duì)再循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)備配置要求較高。（2）在引風(fēng)機(jī)入口處抽氣，系統(tǒng)負(fù)壓運(yùn)行，設(shè)備安全性高，但此處煙氣壓力低，循環(huán)風(fēng)機(jī)電耗最大，而且引風(fēng)機(jī)入口負(fù)壓波動(dòng)，影響煙氣再循環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。（3）在引風(fēng)機(jī)出口處抽氣，雖然抽氣距離長(zhǎng)，但費(fèi)用增加小（煙道和支架）。該抽氣方式具有煙氣清潔度高、抽氣點(diǎn)壓力穩(wěn)定、抽氣克服壓力小的特點(diǎn)，在做好防結(jié)露措施時(shí)，是最合適的抽氣方式。

表1 抽氣方式比選表

2.2 入爐方式的比選

再循環(huán)煙氣返回爐內(nèi)時(shí)，可選取現(xiàn)有風(fēng)管，或者在爐墻上重新開(kāi)孔布置噴嘴作為煙氣再循環(huán)的入爐位置。入爐方式的比較見(jiàn)表2。

由表2 可知：（1）一次風(fēng)口入爐會(huì)影響爐排垃圾的燃燒，降低鍋爐效率，不適宜作為煙氣再循環(huán)的入爐點(diǎn)。（2）對(duì)于改造項(xiàng)目，可將再循環(huán)煙氣從二次風(fēng)管口通入爐膛（摻混或替代二次風(fēng)），技改工程量較小，也可達(dá)到降低NOx產(chǎn)生和排放的目的。（3）對(duì)于新建項(xiàng)目，可在爐墻上預(yù)設(shè)再循環(huán)煙氣的接口，鍋爐受熱面及流場(chǎng)設(shè)計(jì)考慮再循環(huán)煙氣，低氮燃燒效果好，對(duì)鍋爐影響小。

表2 入爐方式比選表

2.3 推薦煙氣再循環(huán)設(shè)計(jì)路線

根據(jù)上述對(duì)比分析，對(duì)于新建的垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目，推薦的最佳設(shè)計(jì)路線見(jiàn)圖1，將引風(fēng)機(jī)出口的煙氣通過(guò)再循環(huán)風(fēng)機(jī)增壓后，經(jīng)過(guò)再循環(huán)風(fēng)道，從焚燒爐前后拱的煙氣噴嘴（二次風(fēng)附近）通入爐內(nèi)。

圖1 推薦煙氣再循環(huán)技術(shù)設(shè)計(jì)路線圖

需要說(shuō)明的是，由于從引風(fēng)機(jī)出口煙道回流至焚燒爐輸送距離長(zhǎng)，輸送過(guò)程中容易導(dǎo)致再循環(huán)煙氣溫度降低至酸露點(diǎn)，造成循環(huán)風(fēng)機(jī)、煙道等的腐蝕，因此需在煙道設(shè)計(jì)上設(shè)置疏水點(diǎn)，并做好保溫及防腐措施，從而保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

2.4 設(shè)備材料清單

采用推薦的煙氣再循環(huán)設(shè)計(jì)路線實(shí)施煙氣再循環(huán)技術(shù)所需要的設(shè)備材料見(jiàn)表3。

表3 煙氣再循環(huán)技術(shù)設(shè)備、材料構(gòu)成

3 煙氣再循環(huán)率選取

煙氣再循環(huán)率是再循環(huán)煙氣量與原始煙氣排放總量的比值，是煙氣再循環(huán)技術(shù)的核心控制參數(shù)。理論上，煙氣再循環(huán)率越高，NOx的排放量就會(huì)越低[4]，但循環(huán)率并不是越高越好，煙氣再循環(huán)率的選擇還需要綜合考慮垃圾熱值、爐膛溫度、爐內(nèi)含氧量等諸多因素。

3.1 垃圾熱值

當(dāng)生活垃圾熱值較低時(shí)，爐內(nèi)燃燒溫度一般也較低，若采用煙氣再循環(huán)會(huì)進(jìn)一步降低爐溫，可能會(huì)影響垃圾的充分燃燒，增加二噁英類、一氧化碳（CO）等污染物的排放濃度。因此，垃圾熱值低的項(xiàng)目需慎重采用煙氣再循環(huán)技術(shù)。在生活垃圾熱值較高時(shí)，焚燒爐內(nèi)煙溫高，可通過(guò)煙氣再循環(huán)降低爐內(nèi)溫度水平，抑制NOx生成，降低爐膛結(jié)焦風(fēng)險(xiǎn)。因此，垃圾熱值高的項(xiàng)目適宜采用煙氣再循環(huán)技術(shù)，而且垃圾熱值越高，可循環(huán)煙氣量越多。一般建議入爐垃圾熱值高于6700kJ/kg 時(shí)才考慮采用煙氣再循環(huán)技術(shù)。

3.2 爐膛溫度

再循環(huán)煙氣進(jìn)入爐膛時(shí)可降低爐膛局部高溫，避免高溫火焰沖刷爐壁。再循環(huán)煙氣與爐內(nèi)煙氣形成強(qiáng)烈擾動(dòng)，使?fàn)t內(nèi)溫度分布更加均勻，燃燒更穩(wěn)定，從而有效降低二噁英類污染物的濃度。但煙氣再循環(huán)比例過(guò)大、爐溫降低過(guò)多時(shí)易造成燃料燃燒不完全，增加不完全燃燒熱損失，從而導(dǎo)致煙氣在爐內(nèi)無(wú)法達(dá)到850℃以上且停留2s 的要求，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成鍋爐燃燒不穩(wěn)定，引發(fā)熄火等安全事故。

3.3 焚燒爐內(nèi)含氧量

煙氣再循環(huán)量與二次風(fēng)量的配比主要會(huì)影響焚燒爐助燃區(qū)域的含氧量。在保證燃燒的情況下，煙氣再循環(huán)量越大，二次風(fēng)量越小，焚燒爐助燃區(qū)域含氧量越低，抑制NOx生成的效果越明顯。但煙氣再循環(huán)量過(guò)大，會(huì)過(guò)多的降低爐內(nèi)含氧量，導(dǎo)致燃燒不充分，對(duì)燃燒造成負(fù)面影響，造成CO 等污染物濃度超標(biāo)、鍋爐蒸發(fā)量下降等狀況。對(duì)于爐排爐焚燒爐，采用煙氣再循環(huán)技術(shù)后，爐內(nèi)氧含量為4%—6%。

3.4 小結(jié)

綜上，對(duì)于垃圾熱值低的項(xiàng)目需慎重采用煙氣再循環(huán)技術(shù)，再循環(huán)率的選取應(yīng)先考慮加入再循環(huán)煙氣后，焚燒爐內(nèi)溫度滿足850℃且停留2s 的前提條件。在實(shí)際運(yùn)行中，需根據(jù)垃圾燃燒狀況和爐膛含氧量，實(shí)時(shí)調(diào)整煙氣再循環(huán)率，在保證完全燃燒和環(huán)保要求的情況下，可盡量增加煙氣再循環(huán)量，以降低NOx的排放。一般可將煙氣再循環(huán)量的控制納入焚燒爐自動(dòng)控制，通過(guò)鍋爐的蒸噸和含氧量協(xié)同控制。

4 應(yīng)用案例簡(jiǎn)介及經(jīng)濟(jì)性分析

4.1 案例一：引風(fēng)機(jī)入口抽氣，再循環(huán)風(fēng)機(jī)入爐

某垃圾焚燒發(fā)電廠[5]的處理規(guī)模為1050t/d，設(shè)2 臺(tái)日處理525t 的垃圾焚燒爐，配套2×10MW 汽輪發(fā)電機(jī)組，設(shè)計(jì)煙氣量約為70 000m3/h，設(shè)計(jì)爐膛出口NOx濃度為300mg/m3。

該廠2 臺(tái)爐均做了煙氣再循環(huán)技術(shù)改造：袋式除塵器出口煙氣經(jīng)再循環(huán)風(fēng)機(jī)引出，從焚燒爐前拱外的17 個(gè)噴嘴和后拱外的18 個(gè)噴嘴注入，再循環(huán)煙氣量通過(guò)變頻風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)。再循環(huán)風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)流量為3900m3/h，設(shè)計(jì)風(fēng)壓為7500Pa（袋式除塵器后抽氣需克服焚燒線全系統(tǒng)負(fù)壓），一段時(shí)間內(nèi)不同再循環(huán)比例下對(duì)應(yīng)的鍋爐出口NOx濃度（SNCR 不投運(yùn)）見(jiàn)圖2。

圖2 不同再循環(huán)比例下對(duì)應(yīng)的鍋爐出口NOx 濃度（SNCR 不投運(yùn)）

由圖2 可知，在不采用SNCR 的情況下，煙氣再循環(huán)比例控制在15%—20%，鍋爐出口的NOx濃度可控制在250mg/Nm3以下，滿足《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18485—2014）的排放要求。在再循環(huán)煙氣比例達(dá)到20%時(shí)，1#爐NOx可控制在200mg/m3以內(nèi)，滿足歐盟2010/75/EU 的NOx排放要求。

4.2 案例二：引風(fēng)機(jī)出口抽氣，再循環(huán)風(fēng)機(jī)入爐

某垃圾焚燒發(fā)電廠[6]的建設(shè)規(guī)模為2×600t/d，日處理垃圾1200t，設(shè)計(jì)垃圾低位熱值為7117kJ/kg，該廠采用再循環(huán)風(fēng)從引風(fēng)機(jī)出口抽取，在增加再循環(huán)風(fēng)量的同時(shí)減少二次風(fēng)風(fēng)量。假設(shè)鍋爐出口排煙量不變，按照排放標(biāo)準(zhǔn)250mg/Nm3和提標(biāo)后要求的100mg/Nm3兩種情況，分析再循環(huán)煙氣運(yùn)行前后的對(duì)比數(shù)據(jù)（見(jiàn)表4）。

表4 煙氣再循環(huán)前后的運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比（未投運(yùn)SNCR）

從表4 可知，再循環(huán)率越大，鍋爐出口O2濃度越低，NOx含量越低，CO 含量小幅升高。根據(jù)上述數(shù)據(jù)，采用煙氣再循環(huán)技術(shù)（再循環(huán)率為15%），按氨水價(jià)格900 元/t、年運(yùn)行8000h 計(jì)算，若NOx執(zhí)行250mg/Nm3的國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)，則年節(jié)省氨水費(fèi)用16.5 萬(wàn)元；若NOx執(zhí)行100mg/Nm3的地方標(biāo)準(zhǔn)，則年節(jié)省費(fèi)用33.7 萬(wàn)元。該項(xiàng)目改造增加設(shè)備及管道等的投資費(fèi)用約60 萬(wàn)元（包含再循環(huán)風(fēng)機(jī)）。比較可知，對(duì)于面臨NOx需提標(biāo)改造和NOx排放總量過(guò)高的廠，采用煙氣再循環(huán)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)NOx的減排且2 年內(nèi)可收回投資成本。

4.3 案例三：引風(fēng)機(jī)出口抽氣，二次風(fēng)口引入

某公司為應(yīng)對(duì)其多個(gè)垃圾焚燒發(fā)電廠NOx排放總量過(guò)高，對(duì)焚燒發(fā)電廠4#—6#號(hào)爐做了煙氣再循環(huán)的改造，改造從引風(fēng)機(jī)出口抽氣，通過(guò)原有二次風(fēng)機(jī)，將再循環(huán)煙氣導(dǎo)入爐膛。技改前后4#爐的運(yùn)行數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

表5 4#爐技改前后各運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比

由表5 可知，煙氣再循環(huán)率為13%—15%，技改后NOx的平均排放量下降13%，還原劑用量減少約34%。該項(xiàng)目技改投入約24 萬(wàn)元（調(diào)節(jié)門(mén)利舊，利用原有二次風(fēng)機(jī)），由于采用二次風(fēng)機(jī)在引風(fēng)機(jī)出口抽氣，爐膛出口到引風(fēng)機(jī)煙氣流量變化不大，故引風(fēng)機(jī)等設(shè)備電耗引起的運(yùn)行成本變化不大。按照該廠最新的氨水采購(gòu)價(jià)格（790 元/t）計(jì)算，月節(jié)約氨水費(fèi)用約2 萬(wàn)元，約12 個(gè)月即可收回成本。

綜上，采用煙氣再循環(huán)技術(shù)可有效降低NOx的產(chǎn)生和排放量，減少脫硝還原劑的運(yùn)行成本，技術(shù)改造投資低，1—2 年可回收成本，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）煙氣再循環(huán)技術(shù)是燃燒過(guò)程中控制NOx生成的低氮燃燒技術(shù)。低溫、低氧的再循環(huán)煙氣進(jìn)入爐膛后，可降低火焰溫度氧氣分壓，促進(jìn)空氣與燃料的混合，進(jìn)而降低NOx的產(chǎn)生和排放。

（2）對(duì)于新建項(xiàng)目，將引風(fēng)機(jī)出口的煙氣通過(guò)循環(huán)風(fēng)機(jī)增壓后，經(jīng)過(guò)循環(huán)風(fēng)管道，從焚燒爐前后拱的煙氣噴嘴（二次風(fēng)下方）處通入爐內(nèi)是最合適的煙氣再循環(huán)技術(shù)路線。

（3）煙氣再循環(huán)率越高，NOx的排放量越低，但再循環(huán)率過(guò)高會(huì)導(dǎo)致燃燒區(qū)域溫度下降，造成部分可燃物的不完全燃燒，焚燒爐出口CO 的含量增加。循環(huán)率的合理設(shè)計(jì)需綜合考慮垃圾熱值、爐膛溫度、爐內(nèi)的氧氣濃度等因素的影響。

（4）煙氣再循環(huán)技術(shù)可明顯降低NOx的產(chǎn)生和排放量，降低還原劑的用量，特別適合需要實(shí)施NOx提標(biāo)、NOx排放總量限值及垃圾熱值高的項(xiàng)目。煙氣再循環(huán)技改投資低，1—2 年可收回成本，經(jīng)濟(jì)效益顯著，建議新建項(xiàng)目在鍋爐上預(yù)留接口。