循環流化床垃圾焚燒爐CO排放控制優化措施及實例應用

吳志達 石獅市鴻峰環保生物工程有限公司

垃圾焚燒發電充分體現了生活垃圾處理的“資源化、減量化、無害化”原則。目前，國內外主要的垃圾焚燒技術為循環流化床、回轉窯、爐排爐、熱解氣化爐方式。其中，循環流化床垃圾焚燒爐具有對生活垃圾適合范圍廣、燃燒性能良好、投資費用較低等優點，在國內外獲得了廣泛應用。但由于生活垃圾焚燒發電過程中產生的煙氣中包含有CO、HCl、SO2、NOX、重金屬、二噁英、有機物等多種污染物，因此循環流化床焚燒爐雖然有點較多，可在實際運行過程中卻存在空氣平衡難以控制、燃燒溫度波動較大以及二次風燃燒參與程度不高、爐膛正負壓波動性明顯等問題，易造成CO排放不穩定對環境帶來污染。

1 CO的產生及排放影響因素

1.1 循環流化床垃圾焚燒爐工作原理及優缺點

1.1.1 循環流化床垃圾焚燒爐工作原理

循環流化床垃圾焚燒爐是利用爐內流態化的熱載體進行焚燒垃圾的一種技術。在焚燒爐內有大量的床料（如石英砂等）作為熱載體，垃圾經破碎后投入爐內，與流態化的床料強烈混合，高溫床料使垃圾迅速充分受熱，水分很快蒸發，同時揮發分和固定碳燃燒。循環流化床垃圾焚燒爐，由爐膛和旋風筒返料器組成，爐膛內部又分為燃燒室、爐床（布風板）、配風室，在布風板鋪上大量的石英砂，并在爐底鼓入200℃以上的熱風，使熱砂沸騰起來，并具有較高的流化速度（3.0～7.0m/s），當床料加熱到850℃以上時投入垃圾，此時床料熱容量高、導熱性好，整個焚燒爐處于均勻的高溫燃燒狀態，大量物料在焚燒爐反應區燃燒，重顆粒下沉到爐膛與空氣繼續反應，輕的顆粒隨煙氣出爐膛經旋風分離器分離后，大部分返回至流化床，小于旋風分離尺寸的顆粒隨煙氣尾部煙道。

1.1.2 循環流化床垃圾焚燒爐的優點

①具有良好的傳質、傳熱特性，對于垃圾適用范圍廣，特別適合我國水分高、熱值低的生活垃圾；②具有較好的燃燒性能，垃圾燃燒完全，爐渣熱灼減率低；③煙氣排放環保性能好，NOx、SO2和HCl的排放較低。

1.1.3 循環流化床焚燒爐的缺點

①需要加入輔助燃料，能耗較大；②要得到良好的流化狀態，對入爐焚燒的垃圾尺寸要求高，需配置預處理系統對垃圾進行破碎和篩選；③燃燒工況不易控制，運行操作難度較大。

1.2 垃圾焚燒CO的生成機理

垃圾作為燃料時的燃燒反應主要為垃圾中揮發分的釋放、燃燒和垃圾中固定碳的燃燒，而CO主要來源于這兩部分的反應過程，有機化合物中C元素本應該在正常氧環境下生成CO2， 但由于氧化氛圍和反應時間不足等因素，燃燒不完全，大量轉化為中間產物CO直接排放導致。

1.3 循環流化床CO超標的原因分析

當垃圾作為燃料時，由于我國生活垃圾熱值低、水分高的特點，垃圾投入焚燒爐后水分迅速揮發，導致爐內壓力增大，造成冒正壓現象，爐內煙氣流速瞬間增大，煙氣在高溫區停留時間不足，燃燒不充分，CO 濃度會急劇增大。

給料波動造成實時所需氧量會出現較大的波動，是導致CO超標的另一原因。給料超過設計值較多，會導致需氧量激增，故爐內氧量會急速下降造成缺氧環境；給料低于設計值，則會導致垃圾焚燒爐膛平均溫度下降，燃燒不充分。

一二次風分配不合理，無法保證足夠的氧氣供應。隨著燃燒反應的進行，在循環流化床爐膛中心區域存在著一個明顯的缺氧區域，如果二次風布置不合理，將導致中心缺氧狀態，無法提供充足的氧氣來支持充分燃燒，也無法提供所需的停留時間。

爐膛內反應溫度過低，著火時間慢，燃料在爐內燃盡時間長，可燃性氣體在爐內停留時間短；其次一氧化碳在650℃以上才能著火燃燒，床溫低勢必造成一氧化碳不能及時燃燒而排放量加大。

1.4 垃圾焚燒的CO生成影響因素分析

1.4.1 反應溫度

根據化學反應理論，CO燃燒與反應溫度成正相關，即溫度越高CO燃燒速率越高，燃燒完全所需時間會大大減少，燃燒剩余的CO濃度就越低。研究表明，在750～950℃區間內，每升高25℃，CO燃燒速率常數增加約一倍，相對應的燃燒時間約減少一半?？梢姕囟葘O減排的效果是顯著的，保證合適的溫度可有效地使CO燃燒完全，降低CO排放濃度。

1.4.2 停留時間

生活垃圾在焚燒爐中燃燒反應的停留時間包括燃燒室密相區熱解時間和稀相區燃盡時間之和。該時間與爐膛結構、流化狀態以及生活的粒徑和密度相關，停留時間越長，分解越徹底，則排放的CO濃度便越低；相反，停留時間不充分，化學反應不完全，CO的排放量就會明顯增加，應根據《生活垃圾焚燒污染控制標準》保證高溫煙氣在爐膛停留2s以上。

1.4.3 湍流混合程度

湍混程度指焚燒爐內溫度處于均勻條件時，物料與空氣相互混合的速度。當湍流度大或者混合程度均勻時，CO與氧充分接觸，燃燒比較完全。湍流混合在循環流化床鍋爐中主要體現在一二次風。一次風的作用首先為保持物料完成正常流化，其次給密相區提供部分氧氣，二次風主要為物料燃燒提供充足的氧氣，主要作用于流化床稀相區，使氧氣送入爐膛中心，起攪動作用，加強氣固兩相物料的充分混合，使燃料能完全燃燒。

1.4.4 過?？諝饬?/p>

過量空氣量直接影響垃圾燃燒時氧氣氛圍，充足的氧量是保證CO快速以及充分燃燒主要因素之一。由于生活垃圾主要可燃組分為揮發分且析出迅速，因此需保證向燃燒室內送入過量空氣。同時，生活垃圾成分分布不一，為保證生活垃圾的燃燒充分即較低的CO排放濃度，焚燒爐運行時保持較高的過量空氣系數非常必要。因為，過?？諝饬刻邉t會吸收過多的熱量，導致絕熱燃燒溫度降低，導致爐膛溫度無法達到《生活垃圾焚燒污染控制標準》(GB18485-2014)所規定的850℃，所以垃圾在焚燒時需要權衡考慮過量空氣系數，以保證整個燃燒過程的氧化反應順利進行。

控制CO排放關鍵在于提供良好的燃燒條件，循環流化床垃圾焚燒爐燃燒溫度越高，停留時間越長，湍流混合越充分的時候，合理范圍內過量空氣越高，垃圾給料及特性越穩定，燃燒就越充分，CO排放量就也越低。

2 CO排放系統改造措施與工程案例

選取福建省某垃圾發電廠2臺型號為TG-75/3.82-LJ- 550型 CFB 垃圾焚燒爐為研究對象，鍋爐為單鍋筒、單爐膛，自然循環，垃圾和煤混燒高溫分離異重流化床鍋爐，鍋爐外形尺寸（寬×深×高）為13.4m×22.3m×38.5m。鍋爐燃料采用煤和生活垃圾，兩者設計質量比約為1: 4。該2臺CFB生活垃圾焚燒鍋爐于2008年投入運行，在實際運行過程中存在爐膛溫度偏低、爐膛正負壓波動大、CO排放指標不可控、不穩定等問題，焚燒發電的主要生產工藝流程如圖1所示。根據“3T + E”原則，結合焚燒爐實際情況，采取措施對生產系統進行優化，給予所需的反應條件。

2.1 垃圾預處理改造

2.1.1 存在問題

原垃圾前處理系統設計采用“料斗+輸送鏈板機+人工分選、磁選機+破碎機組合”工藝分選出大件、石塊、廢鐵等物質后進入成品垃圾庫。該系統設計全部采用國產早期設備，由于垃圾成分復雜，紡織物（長布條）較多，采用人工分選效率低，破碎機破碎效果差，不能滿足均化提質的要求。垃圾在爐前給料系統易產生纏繞抱團入爐現象，造成焚燒爐燃燒不充分。

2.1.2 改進措施

改進垃圾的破碎處理系統，該系統采用“粗破+磁選+篩分+風選+細破”組合工藝，通過兩級破碎（粗破、細破）和篩分組合工藝，垃圾經過抓斗進入粗破碎機破碎至90%≤200mm的物料，物料經過磁選機進入齒形篩，其中的篩上物經過風選去除不可燃的重質物料，輕質可燃物料進入細破碎機，最終將垃圾制成90%≤80mm的物料進入成品垃圾庫，有利于垃圾給料均勻進入流化床充分燃燒。

2.2 垃圾均勻給料

2.2.1 存在問題

原有系統采用傳統的多級鏈板機輸送入爐設計，加上部分入爐垃圾仍然存在布條較多，導致垃圾抱團入爐現象，使焚燒爐燃燒工況不穩定。同時，在人員操作方面，行車工卸料時將整個抓斗的垃圾完全放下，垃圾覆蓋整個料槽，導致垃圾搭橋或成團進入爐膛，大團的垃圾進入爐膛內致使爐膛穩定工況被破壞，爐膛突然正壓燃燒，CO 值波動就瞬間增加。

2.2.2 改進措施

針對上述問題，增設采用入爐均質給料機，達到高效均勻給料目的。均質給料機工作原理為被擠壓過的物料通過入爐均質給料機進料端的進料。設備內壁設置有螺旋揚板，在設備旋轉的情況下，壓縮在一起的物料隨揚板上升到設備頂部，然后受自身重力作用的作用自由落下，從而起到打散物料的作用。松散的物料又在螺旋揚板向前推力作用下，往出料端前進，最終通過出料裝置均勻的進入焚燒爐內焚燒，從而起到給鍋爐均勻給料穩定焚燒爐燃燒工況的效果。

將雙垃圾給料系統，改造成“單條鏈板機+無軸螺旋給料機+滾筒均質給料機”垃圾給料系統，由于雙給垃圾料系統存在兩個垃圾給料口，大量的冷風從鍋爐垃圾進料口吸入鍋爐，影響焚燒爐工況穩定性。新的給料系統不但可以垃圾進行松散和攪拌，使物料均質化，還可以減小給料口漏風，提高焚燒爐燃燒穩定性。此外，行車工細致的操作也是保證均勻給料的重要手段，行車工操作抓斗置于投料口后上方，分數次間斷投料，每次投放少量垃圾，使垃圾平鋪在輸送機上。

2.3 改造流化床二次風系統

2.3.1 存在問題

一二次風分配不合理，二次風風壓不夠。

2.3.2 改進措施

將二次風噴管伸入爐膛內，減小二次風因需穿爐膛內壁的高濃度流化物料壁膜，減小二次壓頭損失，提高二次的穿透能力，增加二次風在爐內的擾動，同時能夠及時補充爐膛中心區域垃圾燃燒所需的氧氣。根據鍋爐情況況，在鍋爐左右兩側三層和爐后兩層二次風管處加裝風門，通過調整各層風門，使二次風布風合理，促進燃料的完全燃燒。

2.4 流化床日常運行和檢修管理

控制燃燒溫度即二次風口上部溫度為850℃。一二次風配比要合理，加減風，一二次風要同時進行。控制原則要適當加大二次風壓，關小下二次風，氧量控制原則為6～10?？紤]流化床焚燒爐的床料特點，床溫要≯850℃。流化床床壓正常保持10kPa，料層厚度可控制在700～800mm。對鍋爐風帽、返料器破損及時進行修復，同時下渣口可適當擴大，確保日常返料順暢與物料分離效果，減少未燃盡物料量，使燃燒充分。鍋爐及煙道漏風處要及時處理解決。

2.5 燃料的日常管理

做好新舊垃圾的分區堆放及垃圾發酵工作，降低垃圾水分；對破粹機進行日常和定期維護，保證設備長周期運行，提高垃圾破碎的分選質量和效率；加強入爐煤水分和熱量的監管，入爐煤質的水分以及熱值等因素的好壞對鍋爐正常燃燒非常重要，只有保證鍋爐正常燃燒才能保證鍋爐正常投燒垃圾的穩定性，可根據煤質的好壞及時做好鍋爐燃燒調整。減少入爐污泥的摻燒比例并考慮污泥干化處理，由于流化床鍋爐摻燒污泥對鍋爐受熱面腐蝕很嚴重，同時污泥成分含鈉堿等成分，熔化溫度700℃，對流化床鍋爐流化及床溫影響很大。

2.6 煙氣凈化系統改造效果

系統改造完成后，委托第三方檢測公司對CO排放進行了監測，結果分別為＜1.25mg/m3、35mg/m3。同時委托第三方檢測公司對CO排放濃度定期監測，結果表明CO排放濃度遠小于時均值100mg/m3、日均值80mg/m3。

通過在線監測設備對CO排放情況進行實時監測，改造完成當月CO日均值分別為13.87mg/m3、14.634mg/m3,同時查閱改造后近年來數據，排放溫度小于國家標準，時均值為100mg/m3、日均值為80mg/m3。經檢測有限公司出具的焚燒爐廢氣檢測報告，以及煙氣在線監測數據顯示，一氧化碳排放指標滿足國家標準要求，本次達標排放系統改造實施成效明顯，已實現煙氣穩定達標排放。

3 結語

在遵循垃圾焚燒“3T + E”理論基礎上，循環流化床垃圾焚燒爐在實際焚燒處理過程中采取優化垃圾燃料預處理、均勻的給料方式、提供合理的一二次風配比、加強日常鍋爐運行及檢修管理等方法降低CO 排放，最終實現 CO長期穩定、達標排放。通過綜合改造后，循環流化床垃圾焚燒爐膛負壓波動明顯降低，CO 排放指標符合國家環保要求。