关于垃圾焚烧炉降低氨耗的运行研究

吴学奋

（广州环保投资集团云山公司，广东 广州 510000）

1 研究背景及目的

研究表明，垃圾焚烧炉尾气排放中N Ox对大气环境造成深远影响。N Ox的大量排放会引起酸雨、光化学烟雾等污染，其对大气臭氧层的破坏尤为严重。生活垃圾成分较复杂，含氮量在1%～3%，其燃烧后生成燃料型N Ox。同时垃圾焚烧采用空气作为氧化剂，温度在850～1 050℃时空气中的氮元素也可能转化为N Ox。如何最有效地对垃圾焚烧炉的N Ox排放进行控制，防止二次污染对垃圾焚烧处理技术的发展具有重要意义[1]。

针对我厂目前垃圾氨耗较高的情况，为了降低氨耗，提高经济性，降低氨逃逸造成的二次污染。本文将运行的实际情况与理论相结合，力求找到更优的运行方法。

2 NOx生成机理及影响因素

（1）热力型：N2和O2在高温（≥1 400℃）合成。因为炉膛温度一般不会超过1 200℃，所以不予考虑。

（2）快速型：由于燃料热解气氛中碳氢化合物高温分解生成的CH自由基和空气中的氮气反应生成HCN和N，再进一步与氧气作用以极快的速度生成NOx。即燃料热解的气相与氧气快速生成N Ox。其产生的N Ox占20%～40%。

（3）燃料型：燃料中含氮化合物在燃烧中氧化生成的NOx称为燃料型NOx。即燃料热解的气相与氧气快速生成NOx。其产生的NOx占60%～80%[2]。

本文主要研究降低第2、3种NOx的生成，所以如果想降低氨耗，可以分2个方向进行控制：（1）研究如何使气固两相生成的NOx最低，可以从燃烧控制降低。（2）研究如何使烟气处理环节的NOx降低，可以从中间环节解决。针对以上2个问题，本文着重对从燃烧控制降低进行研究。

3 运行方法优化

3.1 所选燃烧方法及其原理

目前火电厂降低NOx普遍采用的控制方法有低过量空气燃烧法、空气分级燃烧法、燃料分级燃烧法和烟气再循环法。前3种的原理都是在主燃区形成还原性氛围，从而减少NOx的生成。而我厂炉型为多级倾斜顺推式炉排的焚烧炉，应在主燃烧区形成还原性氛围，这就相当于前3种方法的混合使用，此处记为还原性气氛燃烧法。

还原性气氛燃烧法的原理是保证燃烧区的还原性气氛，使NOx被还原成N2。即尽量使二三级处于燃烧较剧烈和缺氧状态，使NOx被还原成N2。

因垃圾燃烧时C和N元素的固相在还原性气氛中，C夺氧的能力更强，使得N的氧化受阻，形成的NOx降低。同时燃料热解的气相若处于还原性气氛，生成的少部分N O也会因比CO的夺氧能力弱，而进一步被还原成N2。以下是此两个反应的方程式。（因NO含量在生成的NOx中最高，故以此为NOx代表）

此方法对炉排型锅炉而言可操作性强，故对此方法进行进一步的运行探讨。

3.2 燃烧方法原理对应的运行建议

我厂垃圾焚烧炉额定负荷为74 t/h，额定压力4.0 Mpa。炉排为多级倾斜顺推式炉排，共四级炉排，一级为预热区，二、三级为主燃烧区，四级为燃烬区。正常情况下炉排上的垃圾应该在二三级着火，四级完全燃尽。一次风经空预器加热，从炉排底部送进焚烧炉；二次风有布置于前拱的前端1、2风以及一通道中部的喉部OFA1、OFA2风（常温空气）；助燃风分别有布置于前拱点火燃烧器的助燃风，以及布置于一通道中下部的辅助燃烧器的助燃风。

为促使燃烧中（1）和（2）两反应进行的充分，应做到：

3.2.1 保证还原性气氛

这是还原性气氛燃烧法的关键，为此应保证炉排微多料的状态，尽量将火线维持在四级炉排前端。同时必须保证炉排上的垃圾处于着火状态且不缺料，否则一次风进入炉膛内依然是富氧燃烧，同样会增加NOx生成，且负荷低又徒增物料消耗。保证省煤器的进口氧量较低状态，CO微上扬的状态为佳。

3.2.2 增加反应的时长

（1）前端1、2风应该保证有一定的开度，保证炉膛内部气体旋流，使NOx继续回旋至气相区及固相表面，进一步进行还原反应。这要求前端1、2风要有足够穿透力，使旋流能得到保证。同时旋流增加了烟气在炉膛内的停留时间。

（2）点火油枪的风门尽量不要开大。因我厂点火油枪的风门正对二三级炉排，会增加燃烧区的氧量，破坏其还原性气氛和旋流。

（3）垃圾的料层厚度应保证不能过薄或过厚，建议尽量在1∶1～1∶1.2的速度配比。过薄时，一次风流速更快，会破坏旋流，且烟气经过气相区速度更快，还原效率降低。其次会增加烟气在一通道上的流通速度，把热量迅速带至一通道上端，提高氨水反应区的温度区间，降低氨水与NOx反应效率。

3.2.2 保证燃烧区温度区间、炉膛峰值温度不过高

虽温度高可促进CO和NO反应，但更会促进快速型NOx生成。且气相中快速型反应更加剧烈。而CO和NO的反应是可逆的，正向效率有限。所以应优先降低快速型的NOx生成。

在不影响正常燃烧情况下，为降低燃烧区的温度区间和峰值温度，应做到：（1）保证一次风温不过高，建议运行温度130～170℃。（2）喉部冷却风喷射应保证穿透力（即保证二次风机出口风压）。穿透力弱，会增加过剩空气系数，可能使燃烧区的还原性氛围变成富氧燃烧，促进NOx生成，同时也增加了电耗。所以对于喉部风要综合省煤器氧量、二次风机出口风压进行调整。（3）辅助燃烧器风门的喷射也应该保证穿透力。保证较高风压可以起到一定的截流作用，同时使炉膛出口温度场均匀。因之前运行中辅助油枪的风门几乎全开且频率低，助燃风穿透力不足。炉膛出口中心区域烟气温度并未降低，而相对较高温的烟气到了氨水反应区，反应速率大打折扣，从而导致排放的指标较高。

3.2.4 验证该燃烧法实用性

对象：1#炉和3#炉（两台炉的额定负荷都是74 t/h）试验时间：4月30日和5月1日二值对3#炉进行实验；5月2日三值、5月3日三值对1#炉进行实验。

实验结果：（以下数据的锅炉小时负荷都接近额定负荷）

（1）3#炉实验：

4月30日3#炉试验的氨水小时流量数据见表1，4月30日3#炉氨水的8 h均值流量二值是17.135 kg/h，相比一值的42.38 kg/h和三值的18.21 kg/h，二值比一值和三值的氨水耗量都要低，且比一值和三值的8 h均值的平均数低35%。

表1 4月30日3#炉试验的氨水小时流量数据

5月1日3#炉试验的氨水小时流量数据见表2，5月1日3#炉氨水的8 h均值流量二值是10.59 kg/h，相比一值的24.87 kg/h的三值的26.66 kg/h，基本把小时氨水流量降低了一半左右。其中二值有3 h基本都保持只有0.11 kg/h，氨水调节门30%的开度；2 h只有10 kg/h左右。

表2 5月1日3#炉试验的氨水小时流量数据

（2）1#炉实验

5月2日1#炉试验的氨水小时流量数据见表3，5月2日1#炉氨水的8 h均值流量三值是154.66 kg/h，相比一值的157.94 kg/h和二值的173.84 kg/h都要更低。

表3 5月2日1#炉试验的氨水小时流量数据

5月3日1#炉试验的氨水小时流量数据见表4，5月3日1#炉氨水的8 h均值流量三值是148.33 kg/h，相比一值的173.21 kg/h和二值的174.54 kg/h，基本把小时氨水流量降低了14%左右。

表4 5月3日1#炉试验的氨水小时流量数据

综上此燃烧方法是可行的，但1#炉氨水耗量降低的幅度远比3#炉的低。因1#炉运行时间长，一通道结焦情况较3#炉严重很多。导致同等负荷下1#炉一通道温度整体比3#炉高40～60℃。在氨水的喷射区内，温度远高于氨水和NOx的最佳反应温度区间。（最佳温度区间920～990℃，而1#炉的一通道顶棚温度一般都在1 000～1 060℃左右）。

NOx的还原反应发生在特定的温度范围内。温度低于该范围会因温度不足而反应缓慢，造成还原剂不能充分反应；温度高于该范围氧化作用会增强，还原剂本身被氧化，反而生成更多的NOx。所以应保证合适温度窗口[3]。

解决方法：（1）每次停炉对一通道进行清理结焦及积灰。（2）在一通道增加喷水降温，保证最佳反应温度。（3）保证锅炉二次风和助燃风真正起到冷却作用，这就需要保证风压，保证其穿透力。