垃圾焚烧炉烟气再循环率分析

王沛丽，王 进，许岩韦

(光大环境科技(中国)有限公司，南京 211100)

前 言

我国已初步形成了新增处理能力以焚烧为主的垃圾处理发展格局，生活垃圾焚烧比例逐年增加[1]，“十三五”期间累计在运行生活垃圾焚烧厂超过500座[2]。随着环境问题凸显，污染管理成为社会共识[3]，但运营成本也相应的增加，有必要寻求合适的技术手段，以控制污染物排放——尤其是氮氧化物(NOX)的控制，并适应当前国情。烟气再循环(Flue Gas Recirulation, 简称FGR)是一种低氮燃烧技术，已经广泛的应用于燃煤、燃气锅炉[4]中。Arnd.I[5]等于早期提出烟气再循环可以应用于垃圾焚烧，陆燕宁等[6-7]表示烟气再循环能够减少NOX生成并改善炉内扰动，王进等[8-9]给出了不同烟气再循环率时的脱硝效果。

烟气再循环率(后简称再循环率)是烟气再循环的最重要表征参数，是指再循环烟气量与未循环的烟气量之比[10]，其值对于焚烧系统的良好运行来说尤为重要。实际运行中再循环率受到很多因素限制，但是目前的研究大多侧重于再循环率与脱硝效果之间的关系，而对其他因素还缺乏全面且定性的研究。本文以典型的垃圾焚烧发电系统为基础，分析再循环率对系统设备负荷的影响；通过数值模拟方法，分析再循环率和低氮燃烧之间的关系；通过热力计算方法，分析再循环率和热效率及经济性的关系，从多角度深入研究以为选取合理的再循环率提供参考，确保系统的安全、可靠、高效和经济性，有助于烟气再循环技术的研究和应用。

1 烟气再循环技术方案

典型生活垃圾焚烧发电系统如图1所示，主要设备包括焚烧炉、余热锅炉、烟气净化装置等。工业应用中烟气再循环多采用从焚烧炉上部喷入的方式，将布袋除尘器后一定比例的排烟通过再循环管道、风机返回焚烧炉内。净化后的烟气清洁度高，可以保证再循环管道及部件的使用寿命，满足系统长期运行需求。

图1 含烟气再循环的垃圾焚烧发电系统图Fig.1 Diagram of waste incineration power generation system with FGR

2 烟气再循环率分析

2.1 基于安全可靠性的分析

以一750t/d容量焚烧系统为研究对象，入炉垃圾燃料特性如表1所示。原始工况下，一次风、二次风配比为8∶2，无烟气再循环；再循环工况下，维持一次风量不变，二次风换成再循环烟气，因此总过量空气系数(简称总过空)降低；改变再循环率，工况计算结果汇总于表2。

采用烟气再循环后，烟囱排烟量减少，相应的烟气中各项污染物排放量也得到减少。余热锅炉出口烟气量随再循环率改变，当再循环率较小时，烟气量小于原始工况；当再循环率为19.3%时，达到相同；当再循环率继续增大，烟气量大于原始工况，这意味着经过余热锅炉、烟气净化装置等设备的烟气量都有所增大。考虑到安全可靠性，烟气量不宜超过系统设备裕量，若按照20%的设计裕量来计算，余热锅炉出口烟气量不超过15.6万Nm3/h，由此得出再循环率应小于50%。

表1 入炉垃圾收到基特性Tab.1 The receiving base characteristics of the furnace waste

表2 垃圾焚烧炉运行工况参数Tab.2 Working conditions parameters of waste incinerator

续表2

2.2 基于低氮燃烧效果的分析

对焚烧炉进行三维全尺寸建模，通过数值模拟方法，分析不同再循环率时炉内燃烧及NOX污染物生成情况。床层气固相和炉膛气相燃烧单独建模、耦合计算的方式在同类研究中已得到大量应用和验证[6，11]，本文亦采用此方法。首先对原始工况进行数值模拟，与某生活垃圾焚烧项目运行数据作对比于表3，运行数据为监测值，项目运行有采用SNCR脱硝工艺以满足排放标准，根据工艺脱硝率反算原始NOX浓度。总体来看，模拟结果与实际较为吻合，由此验证数值模拟方法的可靠性。

表3 原始工况运行数据与模拟结果对比Tab.3 Comparison between original operation data and simulation results

数值计算得到的流线分布如图2所示，原始工况下，烟道内烟气整体偏向后墙，前墙附近存在回流。烟气再循环工况下，较小的再循环率如10%时，烟道内流线分布与原始工况相似，烟气偏斜和回流现象明显。当再循环率较大，如图2(c)、2(d)所示，由于再循环射流动量大，气体扰动作用增强，烟道内烟气偏斜现象得到改善，气流充满度提高，可能还有利于炉后SNCR脱硝的混合反应，提高整体脱硝效率。

观察炉内温度分布如图3所示，烟气再循环不影响炉排上方料层燃烧，对焚烧炉喉部燃烧区作用明显，当再循环率较大，如图3(c)、3(d)所示，焚烧炉喉部高温区被打散，局部高温减弱或消失，可能对缓解炉内结焦有作用。

图2 炉膛中心断面的流线分布Fig.2 Path lines on the central section of the incinerator

图3 炉膛中心断面的温度分布Fig.3 Temperature distribution on the central section of incinerator

表4统计了各再循环工况焚烧炉和一烟道出口两个特征截面的组分信息，并与原始工况对比。

表4 数值模拟结果统计对比Tab.4 Comparison of numerical simulation results between different working conditions

(1)在完全燃烧方面，再循环率较小如10%时，焚烧炉出口CO体积分数高于原始工况；随着再循环率的增大，焚烧炉出口CO体积分数逐渐降低，甚至可以低于原始工况，这是因为尽管再循环烟气氧含量低于二次风空气，但是再循环烟气体积流量较大，入炉后气流扰动增强，再循环烟气与燃烧烟气混合更加充分，有助于气相可燃物的燃烧，促进气相燃烬率。一烟道出口CO体积分数均为零，表明烟气再循环工况下可以满足完全燃烧。

(2)在NOX脱除方面，再循环工况NOX浓度均低于原始工况，如图4所示。将烟气再循环与原始工况一烟道出口NOX浓度之比作为脱硝率，计算可得再循环率为10%～40%时，脱硝率为23%～47%，这是由于低温低氧的再循环烟气代替二次风空气入炉后，降低主燃区局部氧含量以及温度。还原性气氛遏制NOX前驱物(NCO、NHx、HNO等)向NOX的转化，降低燃料型NOX的生成；温度降低有利于减少热力型NOX的生成。当再循环率增大，NOX排放浓度降低，但再循环率继续增大，NOX浓度下降速度变缓，这与宋少鹏等人[12-13]的研究结果类似。

图4 烟气再循环率对NOX排放浓度影响Fig.4 Influence of FGR ratio on NOX emission

采用烟气再循环后，烟气污染物排放可以满足我国最新标准[14](NOX日均值<250mg/Nm3)以及欧盟2010标准[15](NOX日均值<200mg/Nm3)，若配合炉后SNCR脱硝工艺将可以满足更低排放标准。

(3)在炉温控制方面，国家标准要求燃烧所产生的烟气处于高温段((850℃)要持续2s以上，再循环率越大，燃烧所产生的烟气温度越低，850℃主控温度区烟气停留时间越短，当再循环率增至40%时，850℃·2s难以保证。综上考虑，应控制再循环率小于40%。

2.3 基于系统经济性的分析

烟气再循环对焚烧系统的经济性影响，主要考虑建造投资、运行成本及发电收益等方面，运行成本主要包括总的风机电耗、脱硝剂消耗产生的费用等。年经济效益=增加的发电收益+节约的运行成本。投资回收周期=建造投资/年经济效益。计算过程中单条750t/d焚烧线的烟气再循环建造投资约70万元，SNCR脱硝剂价格和脱硝效率分别按750元/t和50%计算，上网电价按0.65元/度电计算，机组全年运行时长约8 000h，热力计算不考虑机械不完全燃烧损失、散热损失、灰渣物理热损失、化学不完全燃烧热损失等。

计算结果列于表5，再循环率越大，风机电耗越大，NOX浓度降低，脱硝剂消耗相应的减少，当再循环率小于25%时，年运行成本低于原始工况；当再循环率小于30%时，余热回收利用，锅炉吸热量提升幅度0.24%～2.02%，实现发电收益增加。

总的来看，再循环率为10%～25%时，相比原始工况可以实现年经济效益的增加，投资回收周期不超过2年；当再循环率更大时，难以回收建造投资，经济性差。

表5 系统经济性计算Tab.5 Economics calculation of waste incineration system

3 结 语

3.1 烟气再循环技术可在垃圾焚烧领域发挥很好的低氮燃烧效果，再循环率为10%～40%时，模拟脱硝率为23%～47%，且满足完全燃烧要求。

3.2 烟气再循环的投运会对焚烧系统产生一定影响，再循环率达到30%时经济性变差；达到40%时可能导致炉膛温度控制难度加大，不能满足850℃·2s标准要求；达到50%时可能超出余热锅炉、烟气净化装置等设备的设计裕量，影响安全可靠性。而再循环率小于10%时，较小流量的再循环烟气入炉后，NOX脱除效果不明显，并且对炉内气流的扰动作用不够，对气相可燃物燃烧的促进作用不强。

3.3 最佳的再循环率与系统安全可靠性、炉膛温度、炉内流场、脱硝效果、成本与收益等诸多因素密切相关，推荐范围为10%～25%，能够实现环境和经济的双重价值。