王 匡，白 倩

(1.榆林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 榆林 719000； 2.子洲縣工貿(mào)局，陜西 榆林 719000)

經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展直接加快了我國城市化進(jìn)程，人口大量聚集，產(chǎn)生的海量垃圾成為了城市的一大困擾。當(dāng)前垃圾處理主要采取三種方式，即衛(wèi)生填埋、堆肥、焚燒，而填埋與堆肥處理會(huì)占據(jù)土地資源，污染土壤與水源，而焚燒處理由于具備減量化、無害化、穩(wěn)定化等優(yōu)勢深受重視，并且燃燒產(chǎn)生的熱量可循環(huán)利用。但是垃圾焚燒也會(huì)產(chǎn)生大量氮氧化物，造成環(huán)境污染[1]。為減少排放，符合國家標(biāo)準(zhǔn)，焚燒廠十分注重氮氧化物的生成與脫除。在低氮燃燒技術(shù)引進(jìn)的同時(shí)，基于多項(xiàng)脫硝技術(shù)成本與效率，應(yīng)用最常見的選擇性非催化還原系統(tǒng)SNCR，以凈化焚燒煙氣[2]。據(jù)此，本文對(duì)垃圾焚燒爐低氮燃燒優(yōu)化及數(shù)值模擬進(jìn)行了深層解析與探究。

1 垃圾焚燒爐低氮燃燒優(yōu)化

1.1 垃圾焚燒爐低氮燃燒技術(shù)

1.1.1 空氣分級(jí)燃燒技術(shù)

在過量空氣系數(shù)大于1的配風(fēng)狀態(tài)下焚燒垃圾時(shí)，約60%的燃料型氮氧化物來源于揮發(fā)分氮；而在過量空氣系數(shù)小于1的配風(fēng)狀態(tài)下垃圾焚燒時(shí)，通過揮發(fā)分氮所生成的氮氧化物濃度則會(huì)顯著下降[3]。所以揮發(fā)分氮轉(zhuǎn)化為一氧化氮時(shí)，配風(fēng)比非常重要，在垃圾燃燒既定階段與范圍之內(nèi)，創(chuàng)建過量空氣系數(shù)小于1的缺氧燃料燃燒區(qū)域，促使燃料氮盡量多轉(zhuǎn)化為揮發(fā)分氮，有利于在還原性氛圍下將燃料氮轉(zhuǎn)化為分子氮。

基于此燃燒原理，在生活垃圾燃燒第一環(huán)節(jié)，把爐排供入爐膛的一次性風(fēng)量降低到理論空氣量的約80%，以促使垃圾處于缺氧狀態(tài)燃燒。據(jù)此，第一層級(jí)燃燒區(qū)域內(nèi)過量空氣系數(shù)小于1，所以降低了此區(qū)域燃燒速度與溫度整體水平，減緩了燃燒過程，且在還原性氛圍下降低了氮氧化物生成反應(yīng)率，控制了其在燃燒區(qū)域的生成量[4]。完全燃燒需要的空氣是由爐排上方的二次風(fēng)和第一層級(jí)燃燒區(qū)域在缺氧燃燒環(huán)境下生成的煙氣相混合而成，在過量空氣系數(shù)大于1時(shí)，促使燃料于燃盡區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)完全燃燒。

空氣分級(jí)燃燒技術(shù)即燃燒的兩環(huán)節(jié)燃燒，具體包含缺氧燃燒與富氧燃盡。

1.1.2 煙氣再循環(huán)排放技術(shù)

垃圾中帶有氮的有機(jī)化合物燃燒時(shí)，尤其是缺氧燃燒時(shí)，先熱裂解生成氰、氰化氫等中間產(chǎn)物基團(tuán)，即揮發(fā)分氮，在析出之后依舊保留于焦炭內(nèi)的氮化合物，即焦炭氮[5]。在900～1 000 ℃燃燒溫度狀態(tài)下，約70%～85%的燃料氮?jiǎng)t會(huì)轉(zhuǎn)化為揮發(fā)分氮。揮發(fā)分氮與火焰內(nèi)和煙氣產(chǎn)生的氧、一氧化氫等原子團(tuán)產(chǎn)生反應(yīng)，生成異氰酸酯，其再氧化生成一氧化氮。若以煙氣再循環(huán)技術(shù)進(jìn)行低氮氧化物排放，則此時(shí)的中間產(chǎn)物基團(tuán)便會(huì)和再循環(huán)煙氣的一氧化氮產(chǎn)生還原反應(yīng)，即將煙氣中的一氧化氮還原為分子氮。

煙氣再循環(huán)排放技術(shù)即將揮發(fā)分氮從傳統(tǒng)氧化轉(zhuǎn)化為還原，以抑制、破壞氮氧化物的生成[6]。基于燃料型氮氧化物的生成與破壞機(jī)制可以看出，為減少氮氧化物排放，既要盡量抑制生成，又要破壞、還原已生成。

1.2 低氮燃燒技術(shù)應(yīng)用

以金鼎垃圾焚燒鍋爐為例，其研發(fā)了日處理垃圾240～900 t的系列設(shè)備。我國垃圾焚燒通常選擇中壓、中溫參數(shù)，金鼎則選擇高壓、高溫參數(shù)，整機(jī)出口于美國900TPD鍋爐與加拿大240TPD鍋爐，鍋爐性能指標(biāo)均符合北美、歐盟相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[7]。就新型低氮焚燒爐而言，燃燒室內(nèi)選用了三個(gè)通道，整個(gè)爐型呈現(xiàn)Ⅱ形結(jié)構(gòu)。為有效降低生活垃圾燃燒時(shí)二惡英排放，焚燒爐整個(gè)結(jié)構(gòu)嚴(yán)格遵守3T+E原則加以設(shè)計(jì)，確保于燃燒室內(nèi)第一通道的燃燒煙氣溫度超出850 ℃，停留時(shí)間超過2 s。

第一通道前后均分布二次風(fēng)與煙氣再循環(huán)[8]。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)層面，二次風(fēng)來源于一次風(fēng)，常溫狀態(tài)下配風(fēng)；再循環(huán)煙氣則來源于焚燒爐排后共上部分，各爐排縱向單位則布置煙氣取氣口。再循環(huán)煙氣則以獨(dú)立循環(huán)風(fēng)機(jī)，加強(qiáng)燃燒動(dòng)力場，強(qiáng)化紊流強(qiáng)度。后共上方附帶氮氧化物的煙氣溫度則控制于300 ℃左右，以此為混合機(jī)，噴射進(jìn)入爐膛折焰角標(biāo)高位置。此位置的爐膛縮減于爐膛深度約25%，以此有效改善煙氣紊流和反應(yīng)條件，促使焚燒爐中的氮氧化物和中間產(chǎn)物基團(tuán)均勻混合，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氮氧化物生成的抑制與還原。同時(shí)結(jié)合低氮燃燒，焚燒爐中以SNCR系統(tǒng)為載體，如此一來，紊流也會(huì)顯著提升噴射爐中的氨水和煙氣內(nèi)的氮氧化物還原效率，進(jìn)而降低氨水逃逸率。

低氮氧化物工藝系統(tǒng)還具備一大優(yōu)勢，即整個(gè)焚燒爐內(nèi)部燃燒環(huán)節(jié)，綜合過量空氣系數(shù)偏低，從而提高了能量利用率，降低煙氣處理成本。而相較于過量空氣系數(shù)偏高的廢能工廠，鼓風(fēng)機(jī)的空氣流量與穿過引風(fēng)機(jī)排出的煙氣流量明顯下降約15%～18%，鼓風(fēng)機(jī)與引風(fēng)機(jī)負(fù)荷、電耗也相應(yīng)減少。此外，焚燒爐爐膛內(nèi)煙氣量減少，爐膛與對(duì)流受熱面的煙氣速度下降，少量飛灰攜帶于煙氣處理系統(tǒng)。

1.3 低氮氧化物排放計(jì)算模型評(píng)估

就垃圾為燃料的焚燒爐排放污染物內(nèi)硫氧化物與氯化氫而言，以經(jīng)驗(yàn)公式可輕松計(jì)算，然而氮氧化物排放則難以通過經(jīng)驗(yàn)公式加以計(jì)算[9]。

基于多項(xiàng)因素，垃圾燃燒爐內(nèi)排放的氮氧化物計(jì)算模型即：

NOx=p{Fuel,Temperature,Time,Geometry,IGR,EAS,EAL}

(1)

式中：NOx為氮氧化物；Fuel為燃料；Temperature為溫度；Time為時(shí)間；Geometry為幾何結(jié)構(gòu)；IGR為煙氣再循環(huán)；EAS為空氣分級(jí)；EAL為安全保障等級(jí)。

基于計(jì)算模型評(píng)估，金鼎垃圾焚燒爐于100%MCR工況下，氮氧化物日排放量具體為：垃圾燃料內(nèi)氮含量在0.5%以內(nèi)，在焚燒爐內(nèi)SNCR系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)，爐內(nèi)原始排放量在180 mg/m3以內(nèi)；而SNCR系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，爐內(nèi)原始排放量在120 mg/m3以內(nèi)，氨的逃逸量控制于6～12 mg/m3。垃圾燃料內(nèi)氮含量在1.8%以內(nèi)，在焚燒爐內(nèi)SNCR系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)，爐內(nèi)原始排放量在250 mg/m3以內(nèi)；而SNCR系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，爐內(nèi)原始排放量在150 mg/m3以內(nèi)，氨的逃逸量控制于6～12 mg/m3以內(nèi)。

金鼎垃圾焚燒爐以SNCR脫氮工藝與低氮燃燒技術(shù)為載體，既可促使氮氧化物排放達(dá)標(biāo)，又可減少運(yùn)行時(shí)的氨水與尿素用量，還可關(guān)閉SNCR系統(tǒng)。盡管煙氣再循環(huán)風(fēng)機(jī)也需要消耗電量，但是總體而言，其運(yùn)行成本相對(duì)較低。

2 SNCR脫硝數(shù)值模擬分析

SNCR脫硝技術(shù)基于焚燒爐作為反應(yīng)容器，把氨水或者尿素等還原劑噴灑于爐膛反應(yīng)區(qū)，以產(chǎn)生脫硝反應(yīng)。以數(shù)值模擬方式獲得焚燒爐內(nèi)部溫度與組分濃度分布狀態(tài)，是SNCR脫硝技術(shù)的側(cè)重點(diǎn)[10]。以CFD數(shù)值模擬方法，對(duì)G市700 t/d處理量采取SCNR脫硝技術(shù)的垃圾焚燒爐進(jìn)行模擬分析。

2.1 噴嘴分布

以G市700 t/d垃圾焚燒爐為研究對(duì)象，以基本模型為基礎(chǔ)，于鍋爐標(biāo)高9、14、17 m位置分布SNCR噴嘴，并命名為A、B、C，各層布置噴嘴數(shù)量均為7個(gè)，以既定角度分布，其中豎直方向?yàn)?5°分布，噴槍半徑為9 mm，長度為300 mm，鍋爐內(nèi)部為150 mm。

2.2 還原劑及其分析

2.2.1 還原劑

常見SNCR脫硝反應(yīng)還原劑為液氨、氨水、尿素，液氨具備腐蝕性，易揮發(fā)，事故概率高，在儲(chǔ)量大的情況下，屬于重大危險(xiǎn)源，所以需以國家規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)與安全性要求為前提條件，在獲得許可之后才可投入使用，而氨水與尿素具備安全性與儲(chǔ)存便捷性，因此深受SNCR脫硝反應(yīng)青睞。

氨水與尿素的區(qū)別在于，尿素成本低，無毒，反應(yīng)溫度窗口高，且腐蝕性強(qiáng)；氨水成本相對(duì)較高，具有刺激性、腐蝕性，反應(yīng)溫度窗口偏低，生成同等氨氣時(shí)脫硝率高于尿素。

2.2.2 氨水與尿素在焚燒爐能效層面的影響分析

垃圾焚燒爐引進(jìn)SNCR會(huì)產(chǎn)生的影響具體為脫硝設(shè)備造成的能耗附加；脫硝時(shí)造成的引風(fēng)機(jī)能耗；脫硝時(shí)對(duì)焚燒爐效率造成的影響。

脫硝設(shè)備造成的能耗附加具體如圖1所示。

圖1 脫硝設(shè)備能耗附加

脫硝時(shí)造成的引風(fēng)機(jī)能耗由噴入SNCR還原劑之后煙氣流量增多造成的。

脫硝時(shí)對(duì)焚燒爐效率造成的影響呈現(xiàn)于脫硝反應(yīng)生成的熱量、還原劑溶液升溫加大的吸熱量、脫硝系統(tǒng)引進(jìn)的排煙焓量加大。針對(duì)還原劑噴入焚燒爐爐膛之后和煙氣內(nèi)氮氧化物發(fā)生的反應(yīng)，開展熱平衡分析，具體如圖2所示。

圖2 脫硝時(shí)的焚燒爐效率變化

就G市700 t/d垃圾焚燒爐而言，分析SNCR脫硝對(duì)焚燒爐能效的影響。以熱力平衡法，將含量為10%、15%、20%的氨水和尿素加以計(jì)算分析，結(jié)果具體如表1、表2所示。

表2 氨水和尿素對(duì)焚燒爐能耗影響的結(jié)果 kW

由表1、表2可以看出，任何含量氨水與尿素對(duì)比，尿素對(duì)于焚燒爐的影響相對(duì)更高，焚燒爐效率下降也更明顯；任何含量氨水與尿素對(duì)比，尿素的能耗也相對(duì)更大。基于此，就焚燒爐能效而言，氨水的影響更小，所以以氨水作為還原劑效果更佳。

2.2.3 氨水與尿素的脫氮率對(duì)比分析

以同摩爾數(shù)的NH3，基于轉(zhuǎn)化公式：

CO(NH2)2+H2O=2NH3+CO2

(2)

用10%質(zhì)量濃度的氨水，流量0.011 7 kg/s，壓縮空氣流速13.9 m/s，風(fēng)溫300 K；以55%質(zhì)量濃度的氨水，流量0.0706 kg/s，壓縮空氣流速13.9 m/s，風(fēng)溫300 K。

數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，以尿素為還原劑進(jìn)行SNCR脫硝，氮氧化物尾部煙道排放濃度即167.19 mg/m3(標(biāo)準(zhǔn))，脫氮率即38.8%；以氨水為還原劑進(jìn)行SNCR脫硝，氮氧化物尾部煙道排放濃度即131.9 1 mg/m3(標(biāo)準(zhǔn))，脫氮率即51.8%。就脫氮率層面而言，氨水作為還原劑時(shí)，脫氮率更佳。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

就還原劑對(duì)比分析，以氨水為SNCR脫硝還原劑進(jìn)行數(shù)值模擬分析，還原劑是25%質(zhì)量分?jǐn)?shù)氨水與定量噴入凈水融合生成的10%質(zhì)量濃度氨水。

基于不同負(fù)荷脫硝之前與之后尾部煙道排放一氧化氮濃度對(duì)比結(jié)果具體如表3所示。

表3 基于不同負(fù)荷脫硝之前與之后尾部煙道

由表3可以看出，在負(fù)荷增加趨勢下，排放一氧化氮濃度隨之迅速減小，呈現(xiàn)明顯下降狀態(tài)。

3 結(jié) 論

綜上所述，對(duì)于垃圾站而言，只脫氮運(yùn)營成本便可占據(jù)垃圾政府補(bǔ)貼費(fèi)用的1/6，由此可知低氮燃燒對(duì)于垃圾站而言十分重要。據(jù)此，本文通過垃圾焚燒爐低氮燃燒技術(shù)及其優(yōu)化應(yīng)用分析，進(jìn)一步探究了SNCR脫硝數(shù)值模擬研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，低氮燃燒技術(shù)主要包含空氣分級(jí)燃燒技術(shù)與煙氣再循環(huán)排放技術(shù)，而以SNCR脫氮工藝與低氮燃燒技術(shù)為載體，焚燒爐既可氮氧化物排放達(dá)標(biāo)，又可減少運(yùn)行時(shí)的氨水與尿素用量，還可關(guān)閉SNCR系統(tǒng)；任何含量的氨水與尿素對(duì)比，尿素對(duì)于焚燒爐的影響相對(duì)更高，焚燒爐效率下降也更明顯，且能耗也相對(duì)更大，所以，就焚燒爐能效而言，氨水的影響更小，據(jù)此以氨水作為還原劑效果更佳；在負(fù)荷增加趨勢下，脫硝后尾部煙道排放的一氧化氮濃度隨之迅速減小，呈現(xiàn)明顯下降狀態(tài)。