基于元素分析的垃圾焚烧烟气计算与研究

殷　科

（上海电气集团股份有限公司中央研究院，上海200070）

基于元素分析的垃圾焚烧烟气计算与研究

殷科

（上海电气集团股份有限公司中央研究院，上海200070）

以垃圾燃料的元素分析为依据，系统分析了垃圾焚烧的烟气成分含量，推出了烟气量、空气量、N2、O2、H2O、CO2、SO2、HCl、NOx、颗粒物等烟气成分的简化计算公式。重点讨论元素成分对各烟气成分浓度的影响作用，可知2者之间存在着较大的线性相关系数。增大过量空气系数后，烟气量和O2含量会随之大幅增加，H2O和CO2含量会相应程度减少。设计不同的入炉垃圾比重时，将颗粒物、SO2、HCl、NOx含量的简化计算公式再引入相应的修正系数之后，可以保证简化计算结果与常规计算结果的误差仅控制在6%的范围内。

烟气成分；垃圾燃料；简化计算；过量空气系数

目前，国内虽有提出针对烟气的近似计算公式［1-4］，但这些经验公式大多只是关于燃煤电站锅炉的烟气量或是某单一烟气成分的归纳，并没有系统地针对生活垃圾的物料性质作出全面的烟气成分分析。因此，笔者采用基于生活垃圾元素分析的数据来模拟实际燃烧所生成的烟气量及烟气成分含量，推出了相应的简化计算公式，并归纳总结了过量空气系数、入炉垃圾密度对污染物成分浓度的影响规律，结合分析法得出的精确数值进行误差比较，得出一套可靠的经验公式推导流程，为实际工程中对烟气成分的快速估算提供优化指导。

1　烟气成分

根据我国城市生活垃圾的性质，垃圾中的含碳量与含硫量均比煤低，含水率则远高于煤（含量40%～60%），同时垃圾中还有有毒卤元素存在（Cl、F、Br，含量0.1%～1.0%），其它元素成分含量基本与煤相近［5］。针对化学特性，垃圾焚烧烟气的主要无害成分是N2、O2、H2O、CO2，约占烟气体积的99%；有害成分为颗粒物、SO2、HCl、NOx等其它污染物，约占1%。

2　计算公式

锅炉中燃烧产物的计算包括烟气量和烟气成分的计算。出口烟气量的大小可参照燃料燃烧公式［6］：

式中：Vfg0为理论烟气量，m3/kg；Vair0为理论空气量，m3/kg；α为过量空气系数。

而烟气中各气体成分的计算方法如下［5］：

式中：φ为入炉燃料中N元素生成NOx的转化率；Car、Har、Nar、Sar、Clar、Mar、Aar分别为入炉燃料中的收到基元素成分和水分、可燃分含量，%。

3　原始数据

由于我国生活垃圾具有物理成分复杂和不稳定的特点，因此在计算的过程中，需选取多种垃圾特性作为计算依据。

如表1所示，编号1～13的数据为我国常见的几种垃圾燃料的元素成分及相应热值［7］，编号14的数据为垃圾焚烧过程中掺烧煤的元素成分及相应热值，垃圾与煤的掺烧质量比为81.5∶18.5。

4　简化计算方法

4.1烟气量分析

在不同的垃圾热值情况下，燃烧过程中的理论空气量和理论烟气量会发生变化，若引入垃圾燃料的折算成分概念，即单位发热量所对应的燃料成分，则折算烟气量与折算空气量的值将基本保持不变。规定相对于每4 182 kJ/kg收到基低位发热量的燃料所含的收到基元素成分称为垃圾燃料的折算成分［8］，计算方法如下：

式中：Xar为垃圾掺煤后燃料的收到基元素含量，%；Xar，zs为相应的折算成分，%；Qar为垃圾掺煤后燃料的收到基低位发热量，kJ/kg。

同理，将式（1）用燃料的折算特性表示，可得：

根据表1数据，可得折算理论空气量和折算理论烟气量与折算水分之间的关系，如图1所示。

图1　折算理论空气量、理论烟气量与折算水分的关系

从图1中可以看出，垃圾燃烧的折算理论空气量、理论烟气量与折算水分呈线性关系，随着折算水分的增加而增大，进行线性拟合后可得：

再将上述拟合公式代入到式（11）中，可得出折算实际烟气量。一般，在过量空气系数为1.4的情况下，根据折算成分的定义反推，可得锅炉出口实际烟气量的简化计算方法为：

4.2烟气主要成分分析

垃圾在燃烧过程中，N2与O2主要是由送入炉膛燃烧的空气以及物料中的N、O元素转化而成，一般情况下，N2占烟气量的60%～80%，O2占烟气量的4.6%～9.2%；烟气中的H2O主要由垃圾中的水分组成，占烟气量的15%～25%；垃圾在充分燃烧的情况下，垃圾中的C元素几乎全部转化为烟气中的CO2，占烟气量的7.1%～8.4%［5］。

基于表1中的元素分析数据，N2、O2、H2O、CO2含量的分析结果如图2所示。

图2　烟气中N2、O2、H2O、CO2含量分析

从图2中可以看出，烟气中N2、O2含量随着折算理论空气量的增加而呈线性减少趋势，H2O含量随着折算水分的增加呈线性增长趋势，对计算数据进行线性拟合可得相应的简化计算公式：

由于CO2的含量与折算碳分之间没有明显的数据关系，因此CO2的计算公式根据式（9）进行简化，可得：

4.3烟气污染物成分分析

垃圾在焚烧时会产生一些污染性气体，根据元素守恒定律可知，物料中的部分N元素将转化成NOx，S元素转化成SO2，Cl元素转化成HCl，F元素转化成HF，Br元素转化成HBr，灰分转化成颗粒物等等。

在研究烟气污染物浓度时，对垃圾元素含量与污染物浓度进行相关性分析，分析结果见表2。分析过程中取过量空气系数1.4，污染物浓度换算成标准状态下以11%O2（干烟气）作为基准时的排放浓度，单位为mg/m3。

表2　垃圾元素成分与污染物浓度的相关系数

由表2可知，Xar/Car与污染物浓度具有较大的相关系数，且计算简单，可用作于简化计算的研究条件，数据分析结果汇总于图3中。从图3中可知，污染物浓度随着Xar/Car比值的增加呈线性增长，拟合结果可作为污染物含量的简化计算公式：

以飞灰（Dust）占灰分总量的15%计算，物料中N元素生成NOx的转化率为20%，而S元素转化为SO2以及Cl元素转化为HCl的转化率均为100%［5］。

图3　烟气污染物含量分析

4.4简化方法验证

从拟合的简化公式来看，计算过程只与物料初始元素有关，少去了复杂的烟气量的计算过程，而针对烟气量的计算，则忽略了燃料种类对其的影响，由此造成的误差约为1.05%，见表3。

由于选取的13种入炉垃圾燃料，均满足目前我国生活垃圾元素含量的一般数据范围［5］，且基本涵盖了常见的垃圾种类，由此分析计算的结果具有一定的普适性。根据表3可知，烟气成分的简化计算结果与常规计算结果的误差最大不超过5%，基本在1.05%附近浮动，与常规分析法已无实际上的区别，可用来替代或校核常规计算方法。

表3　2种计算方法误差比较%

4.5过量空气系数的影响分析

在垃圾成分稳定的前提下，改变过量空气系数的大小将直接影响实际烟气量的大小，烟气量随着过量空气系数的增大而增大，再根据式（2）～（9）可知，烟气中污染物的浓度就会随着烟气量的增大而减小。若换算成以11%O2（干烟气）含量为基准时，则污染物浓度的变化还需要考虑氧气含量的影响作用。

如表4所示，将不同过量空气系数下的各烟气成分浓度与过量空气系数为1.4时的浓度用（SO2-SO2，1.4）/SO2，1.4进行归一化处理，可知N2、颗粒物、SO2、HCl、NOx浓度的偏差都仅在5%以内，在该偏差范围内仍可继续使用α=1.4时的简化计算公式。

表4　过量空气系数下烟气成分的相对偏差%

然而，对于实际烟气、O2、H2O、CO2含量而言，需要考虑过量空气系数对它们的影响作用。根据表4的数据，可得到如下关系式：

在上述拟合公式（23）～（26）中，过量空气系数的变化范围为1.1～1.4，即可根据α=1.4时的值求出该范围α为其它值时的烟气成分含量。

4.6入炉垃圾比重的影响分析

为了提高入炉燃料的热值，以保证锅炉能够达到一定的热负荷，垃圾在焚烧过程中通常会掺烧一定量的煤用作辅助燃料使用。一般垃圾与煤的密度为4∶1～16∶1［9］，因此在研究掺煤量的影响作用时选取以下5种工况进行分析，见表5。

从表5可知，在不同的入炉垃圾密度工况下，通过简化计算的N2、O2、H2O、CO2浓度以及实际烟气量的大小与常规方法计算的数值偏差仅在5%以内，在该偏差范围内可继续使用简化公式。然而，对于以下污染物（颗粒物、SO2、HCl、NOx）浓度就必须要进行修正，将公式（19）～（22）乘上相应的修正系数β，则简化计算结果与常规计算结果的偏差都控制在6%以内，在该偏差范围内可使用修正后的公式进行计算，如表6所示。

表5　入炉垃圾密度对烟气成分的影响偏差%

表6　引入β后的入炉垃圾密度对烟气成分的影响偏差%

5　结论

1）归纳总结了简化计算公式，以垃圾为输入燃料，系统分析了垃圾特性与烟气成分之间的相互关系。在垃圾性质多变的情况下，能够合理分析出焚烧烟气的成分含量，为实际工程中的现场快速估算提供一套优化计算方法。

2）简化计算分析从元素成分分析着手，引入元素守恒概念和折算成分概念，详细描述了简化分析的推导方法及推导公式，并与常规计算方法进行比较验证，两者的误差在1.05%左右。由此，得出的简化计算公式（12）～（22）能够合理代替常规计算方法，且具有快速、简单、准确的计算特点。

3）改变过量空气系数值对烟气量的大小以及O2、H2O、CO2的浓度会产生较大影响。通过对过量空气系数在1.1～1.4范围内分析，以α=1.4为基准，结合拟合公式（23）～（26），可方便地计算出其他过量空气系数下的烟气成分含量。

4）以垃圾与煤的密度在4∶1～16∶1的变化范围内分析，改变入炉垃圾的密度会对颗粒物、SO2、HCl、NOx的浓度产生较大影响。在引入修正系数β之后，并结合公式（19）～（22），可将简化计算的误差控制在6%以内，以入炉垃圾密度为81.5%为基准，再乘上修正系数之后就可方便计算出其它密度情况下的烟气成分含量。

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Calculation and Research of Flue Gas from Municipal Solid Waste Incineration Based on Element Analysis

Yin Ke
（Central Academe，Shanghai Electric Group Co.Ltd.，Shanghai200070）

The flue gas components from municipal solid waste incineration were systematically analyzed based on soild waste element analysis.Several simplified calculation formulas about flue gas volume，combustion air volume，flue gas componentsconcentration involving N2，O2，H2O，CO2，SO2，HCl，NOx，dust were deduced.The impacts of element composition on the flue gas components concentration were emphatically discussed.Results showed that there was a larger linear correlation coefficient between them.With excessair coefficient increasing，the flue gasvolume and O2concentration will also increase significantly，but both H2O and CO2concentration will decrease by a corresponding degree.Under different proportions waste，the calculation error about dust，SO2，HCl，NOxconcentrations between simplified method and general method will be controlled within 6%when considering the correction coefficient.

flue gascomponents；solid waste；simplified calculation；excessair coefficient

TK16；X701；X799.3；

A

1005-8206（2016）05-0044-05

2016-03-22

殷科（1989—），硕士研究生，从事固体废物处理研究。