危险废物焚烧系统CO排放控制与技术改造实践

毛 威，郑先强，王 凡，范丽君

（天津天一爱拓科技有限公司，天津 300383）

1 工程背景概述

该危险废物处理企业建于2017 年，有3 条规模为55 t/d 的焚烧线，年设计处理量5.0×104t，但由于该地区危险废物处理市场竞争较大、危险废物收取量小，单条线实际处理量约为40 t/d，年实际处理量略大于2.0×104t。焚烧线采用回转窑+二燃室+三燃室+沉降塔+SNCR+余热锅炉+急冷塔+石灰活性炭喷吹+两级布袋除尘+两级碱洗的工艺。回转窑尺寸为φ3.6 m×14.0 m，二燃室尺寸为φ2.6 m×5.0 m，中部设有环形供风带，二燃室柴油燃烧器位于二燃室顶部，二燃室后连接1 个φ3.2 m×11.0 m 的三燃室，三燃室后连接1 个内径较小的沉降塔用于颗粒物沉降，3 条焚烧线共用1 个排放烟囱。

目前，该危险废物焚烧系统出现如下问题：①CO 排放长期超标，小时平均浓度达到200 mg/m3以上，且波动较大；②窑头温度低，物料着火慢；③灰渣热灼减率较高，长期大于5%，CO 排放浓度和灰渣热灼减率均不满足GB 18484—2020 危险废物焚烧污染控制标准［3］的要求。CO 排放浓度和灰渣热灼减率代表废物焚烧是否充分和彻底，因此，该焚烧系统在焚烧过程中存在较为严重的不充分燃烧问题。

2 工艺流程与设计参数

2.1 CO 产生途径

该焚烧系统采用回转窑+二燃室两段焚烧的方式，回转窑内提供一次空气，满足废物干燥、升温、热解、燃烧的需要，热解过程中将产生CO、烃类化合物气体和细微炭颗粒等产物［4］。二燃室内提供充足的二次空气，使未完全燃烧的CO、烃类气体、有毒有害物质彻底氧化分解。

当焚烧系统助燃空气不足时，危险废物燃烧不完全，反应方程式为：

因此，CO 主要有以下几种产生途径：①废物中的有机物热解产生CO；②有机物热解产生的炭颗粒与氧气发生不完全氧化反应产生CO；③在高于1 200 ℃高温时烟气中的CO2与碳反应产生CO。

2.2 CO 超标原因分析

影响CO 排放超标的因素有炉内温度、升温速率、氧气含量、配伍等［6］，同时反应时间、烟气扰动也影响氧化反应的进行。

科学活动本是一个追求真理的活动，科学家应当报以一颗追求真理的决心，但是由于生活节奏加快，科学家也不是一个生活在真空，科学家不得不受到社会的影响，社会对于科学家贡献的评定越来越单一化，越来越体制化，用论文的发表数量或者实验的研究的成果来衡量科学家的贡献，高校中教师职称的评定常常与两者挂钩，从而导致科学工作者为了职业生涯的考虑而不得不抄袭论文，剽窃他人研究成果甚至是制造虚假研究数据，已达到晋升的目的，高校学生也为了尽快得到学位证书，尽快进入社会工作，也对他人论文研究成果进行盗用，以致今早顺利完成学业，这些科学越轨行为都与当今社会快速的生活节奏和浮躁的社会氛围难以分割。

焚烧系统设计一般采取国际上通用的“3T+E”原则，即温度（Temperature）、停留时间（Time）、湍流度（Turbulence）和过量空气（Excess Air Coefficient），“3T+E”原则能确保危险废物的有害成分充分分解，全面控制烟气排放造成的二次污染。“3T+E”原则控制的指标如下：①二燃室烟气温度控制在1 100 ℃以上；②二燃室烟气停留时间＞2 s；③二燃室烟气的充分扰动；④二燃室出口烟气中氧含量保持在6%～10%。

首先，在系统正常运行阶段，二燃室温度基本能够保持在1 100 ℃以上，偶尔需要启动二燃室的辅助柴油燃烧器来保持炉温，因此，该焚烧系统能够满足温度足够高的要求。其次，在系统正常运行阶段，余热锅炉出口烟道上的氧化锆分析仪显示的氧含量在6%以上，在线监测系统测得氧含量在10% 以上，因此，该焚烧系统能够满足提供过量空气的要求。

其次，根据该企业提供的危险废物焚烧配伍单，最新配伍原料为菌丝、废活性炭、废油、煤焦油、精馏残渣、污泥等，配伍后的元素成分如表1 所示。

表1 危险废物配伍后的元素分析Table 1 Elemental analysis of hazardous waste after compatibility

根据元素分析，计算每条焚烧线的烟气量，进而算出焚烧烟气在1 100 ℃以上的停留时间。理论空气量A0计算公式［7］如下：

计算得出实际烟气量G=7.72 m3/kg。焚烧系统实际运行处理量为40 t/d，即1 667 kg/h，得出烟气量为12 869 m3/h，折算成1 100 ℃时的工况烟气量为64 722 m3/h。

二燃室和三燃室的总有效容积约50 m3，计算得出烟气在二燃室和三燃室总停留时间为2.78 s，满足烟气在1 100 ℃以上停留时间大于2 s 的要求［3］。

最后，分析烟气在二燃室的湍流度。从供风方式上看，二次风采用了环形风带的方式，从二燃室内部观察发现，该风带的风孔呈3 排布置，每个风孔直径约20 mm。但由于二燃室内壁存在挂壁的低熔点熔融物，有相当一部分风孔已被熔融物堵塞或遮挡，二次风供给不畅，不利于二燃室的烟气扰动，从而影响二次风与烟气的混合、接触和反应。

从“3T+E”原则上分析，可以看出只有二燃室的湍流度不能满足设计原则的要求。

该焚烧系统除CO 排放超标问题外，还存在窑头温度低、灰渣热灼减率高的问题，这些问题之间有一定的关联，应当对其进行整体分析。该焚烧系统窑头温度仅有650 ℃左右，窑头温度主要受配伍的影响，尽管该焚烧厂在配伍后的热值达到13 794～15 048 kJ/kg，但废物中的挥发分含量低、固定碳含量高，挥发性气体焚烧不足以维持窑头温度［8］，导致着火困难和延迟（废物在窑头端相当长一段的空间内不能着火，降低了窑内焚烧空间的利用率）。物料在窑内热解、燃烧的位置向窑尾端靠近，大量的热解气体（包括CO）进入二燃室，加大了二燃室的热负荷，增加了CO 排放超标的可能性。同时，物料着火位置向窑尾端移动，也使得物料在窑内的实际焚烧时间缩短，从而导致灰渣热灼减率偏高。

此外，原二燃室燃烧器为枪式机，使用时需要人工将燃烧器插入炉膛，操作复杂，且存在一定危险性。辅助燃料为柴油，在起炉阶段的较低温度下，柴油也无法充分燃烧，这会使得在投料前的起炉阶段CO 浓度超标。

2.3 技术改造方案设计

根据上述CO 排放超标的原因分析，对该焚烧系统进行了改造，如图1 所示。

图1 技术改造示意Figure 1 Schematic of technical transformation

改造措施如下：①增加1 套一次风预热系统，采用翅片管换热器，利用余热锅炉产生的1.6 MPa的蒸汽作为热源，将一次空气从常温提高至150 ℃以上；②将原二次风环形风带封堵，将二次风管切向安装，分两股进入二燃室，使二次风切向进入二燃室，安装角度如图2 所示；③增加1 套天然气燃烧器，采用分体式燃烧器，安装于二燃室进口位置，并处于二次风进口上方。燃烧器上方安装两台热电偶，作为二燃室1 100 ℃以上温度区间的起始点。

图2 二次风管、燃烧器安装平面示意Figure 2 Installation plan schematic of secondary air duct and burner

3 测试指标与分析方法

3.1 窑头温度指标

在2#焚烧线运行过程中，每间隔5 min 记录1次窑头温度，对每小时记录的12 组数据进行算术平均，得到每小时的窑头平均温度，数据从中控室运行画面中读取，技术改造前窑头温度如表2所示。

表2 技术改造前2#焚烧线窑头温度Table 2 Kiln head temperature of 2#incineration line before technical transformation

技改前某段时间2#焚烧线窑头平均温度为642～663 ℃，远低于常规的危险废物回转窑焚烧炉窑头温度850 ℃的要求。

3.2 CO 和NOx排放浓度指标

在2#焚烧线和3#焚烧线同时运行时，从烟气在线监测系统的后台数据中直接读取CO 和NOx小时排放浓度均值，技术改造前的CO 和NOx排放浓度如表3 所示。

表3 2021 年7 月烟气在线监测系统采集的CO 和NOx排放数据Table 3 CO and NOx emission data collected by flue gas online monitoring system in July 2021

技改前的2021 年7 月某天2#焚烧线和3#焚烧线同时运行时，所观察的4 个小时CO 排放浓度有两个小时处于超标状态，高于GB 18484—2020规定的排放限值，平均浓度为175.8 mg/m3。NOx排放浓度较低，平均排放浓度为62.7 mg/m3，并且与CO 排放浓度呈反向的变化趋势。

3.3 分析方法

1）窑头温度分析测定方法：热电偶接触式测温法。

2）CO 分析测定方法：HJ/T 44—1999 固定污染源排气中一氧化碳的测定非色散红外吸收法［9］。

3）NOx测定方法：傅里叶红外吸收法。

4 运行效果分析

经过技术改造后，在余热锅炉蒸汽压力达到1.6 MPa 时，窑头一次空气温度由常温提高到约160 ℃，一次空气量按8 500 m3/h 计，进入窑内的热量提高了约1.69×106kJ/h。由表4 可看出，技改后某段时间窑头平均温度达到787 ℃，与技改前相比窑头平均温度提高了131 ℃。从窑头罩上的视镜可观察出窑头着火状况较技改前有了明显改善，物料着火段向窑头靠近了0.5～1.0 m，回转窑的燃烧空间利用率和物料在窑内的焚烧时间均提高了3.6%～7.1%，在一定程度上减轻了二燃室的热负荷。

表4 技术改造前后2#焚烧线窑头温度Table 4 Kiln head temperature of 2#incineration line after technical transformation

二次风采用对称切向进风方式，使二次风推动烟气旋转，烟气与二次风旋转向上混合，在此过程中二次风充分扰动烟气，提高烟气在二燃室的湍流度，增加二次风与烟气的混合程度，提高了CO 等热解气体的燃烬率。

新增天然气燃烧器安装位置靠近二燃室进口位置，位于二次风进风口的上方，热功率为8.36×106kJ/h，在新增燃烧器上方设置新的热电偶，并以该热电偶的位置作为1 100 ℃温度区间起点，使得系统燃烧空间的有效容积增加了约10 m3，增加了烟气在1 100 ℃以上温度区间的停留时间，充分利用了原有的二燃室容积。同时，将该燃烧器与二燃室温度进行关联，当二燃室温度低于1 100 ℃时自动开启，当二燃室温度高于1 150 ℃时自动关闭，使二燃室温度始终处于1 100 ℃以上，既减少了人工操作的复杂性和危险性，又提高了二燃室温度控制的效率。

在技改完成后的运行中，CO 排放浓度显著降低，能够达到GB 18484—2020 中表3 的要求。表5 是2022 年1 月某时段2#焚烧线和3#焚烧线同时运行时烟气在线监测系统采集的CO 和NOx的排放数据。从表5 中可看出，CO 排放浓度为0.607～22.444 mg/m3，能够稳定达标排放，平均排放浓度为5.5 mg/m3，较技改前降低了170.3 mg/m3；NOx浓度为125.675～209.990 mg/m3，平均排放浓度为179.9 mg/m3，较技改前增加了117.2 mg/m3。

表5 2022 年1 月烟气在线监测系统采集的CO 和NOx排放数据Table 5 CO and NOx emission data collected by flue gas online monitoring system in January 2022

5 成本经济分析

该企业于2022 年1 月1 日起正式执行GB 18484—2020 表3 规定的限值要求，同时CO 排放指标也将上传至环境保护监管部门，届时CO 排放若不能达标，则该企业面临停产的局面。本次两条焚烧线技术改造的总费用约200 万元，经过技术改造后，焚烧烟气污染物排放达标，企业可连续正常运营。该企业焚烧处置的危险废物平均收费约在2 400 元/t，焚烧线运行成本约为1 400 元/t，每吨危险废物的利润约1 000 元/t，两条线总处理量约80 t/d，焚烧线连续运行25 d 即可收回改造的投资费用。

6 存在问题与展望

本次技术改造是在危险废物原料配伍无法达到设计要求的情况下进行的，若危险废物物料配伍能够达到入炉的标准，则焚烧系统的二次污染物排放能够得到较好的控制。危险废物焚烧企业在运营中的危险废物收料过程要充分考虑配伍的要求，尽量满足焚烧系统设计的进料要求。

危险废物焚烧的新建项目在进料预处理系统上都设计了行车抓斗进料、提升机进料、废液泵送等多种进料方式，满足不同种类危险废物的进料要求［10］。本次技改的焚烧线在预处理系统仅有1 台针对大块物料的破碎机，所有固态、半固态和液态危险废物全部在料坑中混合配伍，再通过行车抓斗、板喂机和进料斗进入窑内，进料方式单一，进料间隔为5～10 min，焚烧炉内的工况也随进料产生周期性波动，在二燃室温度升至波峰、氧含量降至波谷时，极易造成CO 浓度瞬时超标。因此，对于新建的危险废物焚烧线，在设计时要充分考虑物料焚烧的复杂性，设计多种进料方式，尽量维持窑内的工况稳定。

本次技术改造在解决CO 排放超标的同时，也发现了其他问题：技改前后的脱硝措施没有变化，即采用SNCR 系统向余热锅炉中喷射尿素溶液。在技改前烟气中CO 浓度较高时，烟气中NOx浓度较低（观察数据的平均值为62.7 mg/m3）；而技改后CO 浓度达标时，烟气中的NOx浓度急剧增加（观察数据的平均值为179.9 mg/m3）。出现这种现象的原因在于，CO 作为一种还原性气体，能够将烟气中的NOx还原为氮气，其原理和效果与SNCR 系统的尿素类似，因而CO 浓度和NOx浓度呈现出反向变化的趋势。技改后，CO 浓度较低，为保证NOx排放满足GB 18484—2020 表3 中的限值要求，适当增加了SNCR 系统尿素的喷射量，降低了NOx的排放浓度。

7 结论

危险废物焚烧过程中CO 浓度超标的影响因素众多，应当从系统整体出发对其进行分析，找出关键原因，针对性地实施有效的解决措施。在无法改善原料配伍的情况下，利用余热来提高一次风风温能够增加单位时间内入炉的热量，从而提高窑头温度，使废物在炉内着火段提前，延长物料在炉内的焚烧时间；二次风的供风方式对焚烧效率有较大影响，双切向进风的方式能够增加二次风对二燃室内烟气的扰动，使二次风与烟气充分接触和反应，提高可燃气体的燃烬率；二次风的进风位置和二燃室辅助燃烧器的安装位置应当靠近二燃室进口位置，这样能够充分利用二燃室的有效容积、增加烟气在1 100 ℃以上温度区间的停留时间、保证可燃气体充分燃烧。通过上述技术改造措施，从提高废物在窑内的焚烧温度、增加二燃室废气的湍流度、延长废气在高温段的停留时间3 个方面提高了焚烧系统对废物的焚烧效率，实现CO 排放浓度达标，既降低了危险废物焚烧的二次污染，又保证了处置单位的正常运营。