烟气回流工艺在垃圾焚烧系统NOX减排中的工程应用分析

金兴乾，刘 栋，李卫华，孙英杰

(1.上海康恒环境股份有限公司，上海 201703；2.青岛西海岸康恒环保能源有限公司，山东 青岛 266500； 3.青岛理工大学 环境与市政工程学院，山东 青岛 266033)

1 目的与意义

在近年来国内垃圾焚烧行业的发展历程中，机械炉排炉因对垃圾特性适应能力强、无需预处理、燃烧空气易供给、燃烧工况易控制等优势而被作为首选配置炉型；而“SNCR(选择性非催化还原法)+/SCR(选择性催化还原法)脱硝+半干法/干法脱酸+活性炭喷射吸附+袋式除尘器”也成为主流的配套烟气净化工艺[1]。近年来随着生活垃圾焚烧行业烟气排放标准的日趋严格以及监管力度的不断增加，在满足烟气排放达标的前提下，如何实现超低排放已成为行业内所竭力追寻的发展目标[2]。

2 工程与方法

基于NOX的生成机理，为了从NOX的排放源头和燃烧过程中对其加以控制，有研究者提出采用烟气回流技术来降低NOX的生成和排放[6～8]。但目前关于烟气回流技术多集中于理论和数值模拟研究，缺乏基于实际工程应用的研究。张政等[7]通过数值模拟和理论分析表明，采用烟气回流技术可有效地降低NOX的排放，减少尿素或氨水等烟气净化物料的消耗，降低排烟损失，提高锅炉蒸发量，具有潜在经济效益。Liuzzo等[7]基于数值模拟讨论了烟气回流技术在垃圾焚烧烟气净化中的潜在运行效益和环境效益，并表明烟气回流技术可减少烟气中汞等污染物的排放。

基于此，本研究以烟气回流工艺在山东省某垃圾焚烧项目中的应用效果为例，对烟气回流工艺在减排垃圾焚烧过程NOX排放、降低烟气净化处理系统负荷，减少运营成本等方面进行系统分析。

2.1 项目工艺概述

该生活垃圾焚烧项目设计生活垃圾处理规模为2 250 t/d，包括三台(编号为：#1炉、#2炉、#3炉)750 t/d的机械炉排炉。烟气净化系统采用“SNCR+半干反应塔+干法+活性炭喷射吸附+袋式除尘器+(烟气回流)+SCR+湿法”处理工艺。如图1所示，本项目烟气回流工艺循环烟气来源于布袋除尘器之后(属于外部烟气回流技术[7])，回流烟气在炉膛二次风入口下方进入炉膛。本研究以#1炉及#3炉进行实验对比，运行时间为2020/5/8～2020/8/8(共约3个月)，期间#1炉关闭烟气回流工艺，采用“SNCR+SCR”方式进行脱硝处理。#3炉开启烟气回流工艺，采用“SNCR+烟气回流+SCR”方式进行脱硝处理，期间回流烟气量为总烟气量的5.8%～7.2%(随运行工况波动变化)。

图1 山东省某垃圾焚烧项目垃圾焚烧工艺流程Fig.1 Process flow chart of a MSW incineration project in Shandong Province

2.2 烟气回流技术原理

烟气回流工艺是将炉膛排放的部分烟气，通过一定的方式和比例与炉膛助燃风进行混合，以降低NOX排放的方法。通过烟气回流可以减少燃烧空气供给，降低烟气氧浓度，控制可燃气体燃烧速率，避免局部高温，减少NOX生成[6]。通过烟气回流可以增强炉膛烟气的混合，实现低空气比工况下高效燃烧，减少锅炉排烟量，同时加强还原性气体NH3、HCN与NOX的混合反应，降低NOX生成[7-8]。如图2所示，烟气回流工艺可依据循环烟气的来源分为：外部烟气回流技术(循环烟气来源于布袋除尘器之后)和内部烟气回流技术(循环烟气来源于炉排尾部富氧烟气)[7]。内部烟气回流技术的理念源于无焰燃烧，烟气内部再循环可以同时预热和稀释反应物，从而可以抑制燃烧峰值温度，扩大化学反应体积，其在工业冶金炉中广泛应用，以减少NOX排放，提高热效率。而外部烟气回流技术的理念源于低氧燃烧，其目的是在燃烧炉外建立烟气再循环，其优势是既可以在一台焚烧炉上单独使用，也可和其它低NOX燃烧技术配合使用，其在生活垃圾焚烧中研究和应用较为广泛[9]。

图2 烟气回流技术分类Fig.2 Classification of flue gas recirculation technology

2.3 烟气回流工艺特点

烟气回流工艺的特点是基于氧量控制、温度控制和强化混合三种技术实现NOX的减排[7,8,10]。具体为：

2.3.1 氧量控制：烟气回流结合低空气比燃烧，减少燃烧空气供给，降低烟气氧浓度，减少NOX生成。

2.3.2 温度控制：烟气回流降低烟气氧浓度，控制可燃气体燃烧速率，避免局部高温，减少NOX生成。

2.3.3 强化混合：烟气回流强化前后拱下方烟气的混合，实现低空气比工况下高效燃烧，减少锅炉排烟量。同时加强还原性气体NH3、HCN与NOX的混合反应，降低NOX生成。

3 结果与分析

本项目烟气回流技术应用期间(2020/5/8～2020/8/8)，重点关注#1炉、#3炉的引风机电流、回流风机电流、回流烟气量、引风机出口烟气量、SNCR氨水喷量、引风机出口NOX、省煤器出口氧量等关键监测指标(参数)。各关键参数数据值通过中控室集散系统控制系统(DCS)实时获取并取平均后进行数据分析。数据作图和分析采用OriginPro 9.0和IBM SPSS Statistics 22软件完成。

3.1 烟气排放指标分析

3.1.1 NOX排放月均值变化

从表1可知，实验期间(2020/5/8～2020/8/8)#1炉和#3炉入炉垃圾量(830.36～834.24 t/d)及引风机出口烟气量(115130.38～118193.30 Nm3/h)波动范围较小，可认为实验期间两台焚烧炉生产负荷及运行工况基本一致。实验运行期间#1炉未开启烟气回流工艺，烟气回流量为0，#3炉烟气回流量为7 891.11 Nm3/h，占烟气排放量的6.68%。

根据表1中#1炉和#3炉烟气回流3个月的DCS历史数据平均值对比分析可知：在锅炉负荷、运行工况基本一致的情况下，#1炉和#3炉引风机出口NOX排放值分别为78.83和58.51 mg/Nm3；#1炉和#3炉SNCR喷氨量分别为181.48和102.12 L/h。数据对比分析可知，采样烟气回流的#3炉，其NOX排放比未采用烟气回流的#1炉降低了25.8%，相应的氨水用量比#1炉减小了43.7%。

根据烟气回流技术的作用原理可知，低氧燃烧为其主要技术原理，该技术可在一定程度上降低炉膛温度，通过降低炉膛氧量减少NOX的生成，氧量降低也可降低NOX的折算值[6,8]。故本研究重点分析了采用烟气回流的#3炉实验运行期间(2020/5/8～2020/8/8)引风机出口日均NOX排放与省煤器出口日均含氧量变化和焚烧炉日均温度变化之间的相关性(图3所示)。由图3a可以看出，#3炉烟气回流期间引风机出口NOX排放与省煤器出口含氧量变化趋势具有较强的正相关关系(相关系数|r|>0.6，p<0.01)。这与Liu等[8]的研究结果一致，其研究结果表明，当氧含量从4.52%增加至8.00%的过程中，NOX的排放浓度从209.54 mg/m3增加到307.30 mg/m3。此外，由表1中数据可知，#3炉烟气回流期间省煤器出口氧含量平均值比未采用烟气回流的#1炉降低了0.29%。这表明，采用烟气回流工艺，可以降低烟气氧浓度，增强炉膛烟气的混合，实现低空气比工况下高效燃烧，从而减少NOX产生，并有效降低SNCR氨水用量。图3a所示#3炉烟气回流期间引风机出口NOX排放与焚烧炉温度变化趋势并无明显相关关系(相关系数|r|<0.3，p>0.05)。

表1 实验期间#1炉和#3炉运行工况参数Tab.1 Operation condition parameters of No.1 and No.3 boiler during the experiment

图3 #3炉烟气回流期间引风机出口NOX排放与省煤器出口含氧量和焚烧炉温度变化相关性(日均值)Fig.3 Correlation between NOX emission at induced draft fan outlet and oxygen content at economizer outlet and incinerator temperature during flue gas recirculation of No.3 boiler (daily average)

3.1.2 NOX排放日均值变化

图4所示为#1炉和#3炉运行期间引风机出口NOX排放日均值变化趋势。由图可以看出，#1炉和#3炉运行初期均有一段时间的调整期(2020/5/6～2020/5/28)，此阶段两台焚烧炉的引风机出口NOX日均值差异并不显著，而且存在较大波动。

图4 #1炉和#3炉实验运行期间引风机出 口NOX排放日均值变化Fig.4 Daily average of NOX emission at the outlet of induced draft fan during operation of NO.1 and NO.3 boiler

这表明，调整期3#炉的烟气回流工艺并未在NOX日均值减排效果上发挥显著作用。调整期(2020/5/28)过后，运行烟气回流工艺的#3炉引风机出口NOX排放日均值显著低于未运行烟气回流工艺的#1炉，而且总体稳定性较好。

3.1.3 NOX排放典型小时均值变化

为进一步分析烟气回流工艺对焚烧炉NOX减排效果的动态影响，实验期间分别选取2020/5/29，2020/6/22和2020/7/28三个典型时间，对比分析了#1炉和#3炉引风机出口NOX排放典型小时均值变化情况(图5所示)。

由图5可知，在锅炉负荷、运行工况基本一致的情况下，虽然三个典型时期#1炉和#3炉引风机出口NOX排放小时均值均存在波动现象，但#3炉引风机出口NOX排放小时均值均不同程度的低于#1炉，其中5月29日#1炉和#3炉的引风机出口NOX排放小时均值最大值分别为96.69和56.71 mg/Nm3；6月22日分别为99.53和61.09 mg/Nm3；7月28日分别为101.59和68.61 mg/Nm3。这表明，焚烧炉稳定运行期间，在锅炉负荷、工况基本一致的情况下，采用烟气回流工艺能有效且稳定的降低NOX的排放。这与类似研究中采样内部烟气回流技术能够稳定降低NOX的排放的结果一致[9]。

图5 #1炉和#3炉实验运行期间引风机出口NOX排放典型小时均值变化Fig.5 Typical hourly mean of NOX emission at the outlet of induced draft fan during operation of NO.1 and NO.3 boiler

3.2 成本经济分析

烟气回流工艺应用过程中烟气净化系统的经济效果分析将从电能用量和氨水用量两个方面进行。

3.2.1 电能用量变化

由表1数据可知，实验期间，#1炉和#3炉引风机电流分别为49.67和44.91 A，#3炉较#1炉引风机电流下降了9.58%，这表明#3炉投入烟气回流工艺后，能够降低引风机耗电量，节省用电。通过查阅耗电量数据可知，2020/5/8～2020/8/8实验运行期间，#3炉回流风机和引风机用电量分别为4.93和84.26万KW·h，#1炉引风机用电量为115.75万KW·h。由此可知，在此期间#3炉引风机及回流风机用电量比#1炉引风机用电量减少了26.56万KW·h，平均每天节省用电量2 856 KWh。

此外，基于烟气回流技术的工艺原理可知，烟气回流工艺的核心理念是低氧燃烧，烟气回流操作可起到代替二次风的作用，根据能量守恒关系，投入烟气回流相比不投烟气回流引风机电流应下降[8]。综上分析，受#3炉SCR前后压差比#1炉小、布袋压差略高于#1炉影响，不易进行量化分析，可待#3炉停运烟气回流实验时进行后续进一步的量化分析。

3.2.2 氨水用量变化

图6和图7所示，分别为#1炉和#3炉实验运行期间SNCR氨水喷量日均值和典型小时均值的变化情况。

图6 #1炉和#3炉实验运行期间SNCR 氨水喷量日均值变化Fig.6 Daily average of SNCR ammonia injection during operation of No.1 and No.3 boiler

图7 #1炉和#3炉实验运行期间SNCR 氨水喷量典型小时均值变化Fig.7 Typical hourly mean of SNCR ammonia injection during operation of No.1 and No.3 boiler

由图6可以看出，2020/5/8～2020/8/8实验期间，虽然两台焚烧炉SNCR氨水喷量日均值波动较大，但总体趋势上#3炉SNCR氨水喷量均不同程度的低于#1炉。结合表1数据可知，实验期间#3炉氨水日均平均喷加量为181.48 L/h，#1炉氨水日均平均喷加量102.12 L/h，总体上#3炉氨水用量比#1炉低79.36 L/h，氨水用量减少了43.73%。由此可计算，#3炉每天节省氨水用量约为1 904.64 L，即1.76 t/d，按照氨水价格800元/吨计算，每天节省的氨水费用为1 405元，2020/5/8～2020/8/8实验运行期间(共93天)共节省的氨水用量费用为130 665.00元。此外，由于此计算为在#3炉引风机出口NOX比#1炉引风机出口NOX低25.8%的工况下进行，如若#1炉和#3炉引风机出口NOX基本一致，则节省的氨水用量费用将会更多。

图7所示，2020/5/8～2020/8/8实验运行期间，选取2020/5/29，2020/6/22和2020/7/28三个典型时间，对比分析了#1炉和#3炉SNCR氨水喷量典型小时均值变化情况。由图可以看出，除7月28日后期存在一定的氨水用量波动以外，5月29日和6月22日#3炉SNCR氨水用量均明显低于#1炉。其中5月29日#1炉和#3炉SNCR氨水用量最大值分别为330.69和131.264 L/h；6月22日分别为374.66和156.14 L/h；7月28日分别为202.4和172.3 L/h。以上结果均表明，该项目焚烧炉采用烟气回流工艺能有效降低氨水用量，且运行工况较为稳定。

通过工程应用效果分析，可以推断焚烧炉烟气回流工艺运行期间可能存在以下问题需要引起注意：

(1)夏季温度较高时，随着垃圾热值升高，炉膛温度存在超过1 200℃的可能，这可能会在一定程度上降低烟气净化系统SNCR工艺的脱硝效率。

(2)冬季温度较低时，烟气回流对焚烧炉炉膛温度有一定影响，存在炉温不达标的隐患，这可能会在一定程度上降低烟气净化系统SNCR工艺的脱硝效率。

(3)实际连续运行期间，焚烧炉的燃烧工况可能会受入炉垃圾质量的影响出现恶化的情况，使烟气回流量降低，导致NOX减排效果下降。

因此，垃圾焚烧厂烟气回流技术的工程应用应充分考虑季节性变化带来的温度影响以及入炉垃圾质量的变化。此外，未来烟气回流技术的工程应用应同时考虑对烟气中二噁英、重金属类污染物排放效果的影响分析。

4 结 论

4.1 工程应用数据表明，焚烧厂烟气净化系统烟气回流工艺的投入运行，不论从环保指标控制还是经济性方面，都产生了较为明显的效果。NOX减排方面：#3炉引风机出口NOX平均排放比#1炉降低了25.8%；氨水用量方面：#3炉氨水平均用量比#1炉降低了43.7%，每天可节省氨水费用约1 405元。

4.2 烟气回流工艺在本项目应用期间NOX浓度波动与烟气含氧量密切相关，烟气回流期间可合理调节烟气氧量，控制NOX的生成。

4.3 受入炉垃圾质量的影响，焚烧炉有时会出现燃烧工况恶化的情况，导致烟气回流量降低，NOX减排效果下降。故合理控制烟气回流风量、优化烟气回流位置可保障烟气回流工艺运行的稳定性，提升NOX减排效果。

本文从NOX产生机理研究出发，分析了NOX产生原因、产生条件及有效的抑制方法，又从烟气回流工艺在工程案例实际应用方面对上述分析进行了验证。此研究为烟气回流工艺在降低NOX产生方面提供了进一步理论研究的基础，为该工艺的工程应用提供了参考数据。同时也提出了烟气回流工艺在工程中的应用存在的问题。