双回路热解炉垃圾焚烧NOx排放特性研究

陈国艳，曾纪进，段翠九

(1.福建省丰泉环保控股有限公司，福州 350007;2.中德 (中国)环保有限公司，北京 100142;3.清华大学热能工程系，北京 100083)

1 引言

随着我国国民经济及城市建设的发展，居民生活水平的提高，城市生活垃圾产生量与日俱增，已经危及到人们赖以生存的自然环境和生活环境，危及到人类自身的安全，已到非治不可的地步。为此，人们迫切希望对这些固体废弃物进行减量化、无害化和资源化的综合处理，变废为宝。焚烧法是垃圾无害化处置技术的发展趋势，所以目前发达国家和地区逐步采用焚烧法实现对垃圾的无害化、减量化和资源化的处理［1～3］。而垃圾焚烧必将产生废气污染，因此有必要对垃圾焚烧烟气中的有害气体NOx进行研究。

NOx是主要的大气污染物之一，它不仅危害人体健康、破坏大气环境，而且能够形成光化学烟雾、酸雨，并对高空臭氧层产生很大的破坏作用，这对人类可持续性发展造成严重的威胁［3］。

NOx的种类很多，主要有 NO、NO2、N2O、N2O4、N2O3等，其中造成大气污染的主要是NO、NO2和N2O。NO进入大气后，在日光照射下会缓慢氧化为NO2，其毒性为NO的4～5倍。NO2参与形成的光化学烟雾毒性更强。另外，N2O和CO2一样，可以使地球气温上升，从而会引起温室效应。为此，许多国家制定了非常严格的NOx排放法规，在新建项目中，不仅要求采用低NOx燃烧技术，而且很多项目都要求安装脱NOx系统 (简称脱硝)，并已经投入运行［3～5］。

近几十年来，对于煤燃烧过程中NOx的生成特性方面，专家们已做了大量的工作［3～6］。但有关垃圾焚烧过程中N0x的生成特性的报道则很少，同时，由于垃圾成分及燃烧过程比煤的情形复杂得多，生成氮氧化物的危害性更大［7］。因为垃圾焚烧烟气中，有大量的重金属成分，容易导致后续的SCR脱硝催化剂中毒而失效，因此有必要对垃圾焚烧过程中NOx生成的特性进行深入研究，为找出相应的降低NOx的措施提供理论指导。

2 试验

2.1 试验设备与方法

图1 双回路立式热解焚烧炉Fig.1 Double loop vertical garbage pyrolysis furnace

本试验所用的两台焚烧炉为福建省丰泉环保控股有限公司自主研发的SLR—100双回路立式热解炉。如图1所示，该焚烧系统可不间断地、连续地、稳定地运行2400小时以上;年运转时间8000小时以上;单台炉处理能力100t/d。该焚烧系统的主要技术参数如表1所示。

表1 焚烧系统主要技术参数Tab.1 Main technical parameters of combustion system

本系统没有给出进料装置以及热解、气化气经冷却去除水后进入引风机的装置等。该系统的运行步骤是，垃圾经给料装置送入回转窑内，经过回转窑干燥后，进入立式炉热解、气化，热解、气化后的气体一部分进入二燃室燃烧，一部分由引风机抽吸进入回转窑干燥垃圾，并经除水后，与一次风汇合，从立式炉底部进入立式炉内燃烧。二燃室排出的烟气经过除酸、除尘后进入气体分析仪测量。为了研究及表述方便，一、二次风机的风量用过量空气系数α1、α2表示，引风机的风量Q1占总热解、气化气的比例用α3表示，进入二燃室的风量Q2占总热解、气化气的比例用α4表示。立式炉内的热解、气化温度一般在700℃ ～750℃，二燃室内的温度大于850℃。

立式热解炉产生的热解气体在二燃室内继续充分燃烧。二燃室安装有进口二段式柴油燃烧机，燃烧机的开启幅度或关闭由设定温度自动控制。在起炉阶段，由于炉温较低，需要开启燃烧机对二燃室进行加热升温，热解气体自燃时，炉温会迅速上升并达到设定温度 (850℃左右)，助燃装置则自动关闭。燃烧装置具有安全保护装置，如果发生点火失败或故障熄灭，安全保护装置能自动切断燃料供应，燃烧机自动退出机构作用，自动将燃烧机退出，以避免燃烧机高温烧坏。由于二次燃烧室内温度达到850℃左右，烟气在此温度停留时间2秒以上，故烟气中的各种有害成份 (包括剧毒气体二恶英)，都会在二次燃烧室内得到充分的分解和消除。二燃室助燃风采用加热后的循环烟气，既可以降低含氧量，控制NOx产生，同时还可以降低二燃室助燃燃料消耗。

二燃室采用特殊结构形式，能使烟气在二燃室内激烈湍流，使烟气充分混合无死角，满足了垃圾焚烧的“3T”原则。系统采用计算机集中控制，整个系统为一个微负压系统。燃烧供风 (氧)量根据燃烧状况参数自动调节，以达到热解炉和二燃室空气量的自动控制，主、辅风双回路原理如图2所示。

图2 双回路立式热解焚烧炉流程图Fig.2 Double loop vertical garbage pyrolysis furnace flow chart

2.2 试验样品

本试验所用的生活垃圾具体成分如表2所示。

表2 本试验的垃圾成分分析Tab.2 Composition characteristics of experimental waste

3 NOx产生机理

NOx从形成机理上可以分为热力型NOx、燃料型NOx和快速型NOx。垃圾焚烧炉膛温度不超过1200℃，因此烟气中NOx的来源主要是燃料中的氮化合物在高温燃烧的条件下，与氧气反应生成的燃料型NOx。

垃圾中氮化合物的C-N结合键能比空气中氮分子的N=N键能小得多，在燃烧时很容易发生分解。因此，从氮氧化物的生成角度看，氧更容易首先破坏C-N键而与氮原子反应生成NOx。通常燃料中氮的化合物首先被热分解成HCN、NH3和CN等中间产物，它们随挥发分一起从垃圾中析出。

4 结果与讨论

本系统设计的基本参数为:过量空气系数α为1.8，一次风机过量空气系数α1为1.2，二次风机过量空气系数α2为0.6;引风机的风量系数α3为0.2～0.3。根据设计参数，结合现场情况，为了保证燃烧效果，设计的试验工况为:固定一次风过量空气系数为1.2和二次风过量空气系数0.6，调节引风机的风量系数分别为0、0.1、0.2、0.3、0.4。通过调节引风机的风量系数，测试立式炉和二燃室的温度，以及烟气中NOX和SO2含量的变化。

4.1 引风机风量系数对烟气成分含量的影响

由图3可知，烟气中NOX的含量先增加后减少，没有循环干燥气化气的时候，NOX的含量为242mg/m3，SO2的含量为442mg/m3;当循环干燥气化气为0.2～0.3的时候，NOX的含量为330 mg/m3左右，SO2的含量为520mg/m3左右。随着循环干燥气化气的继续增加NOX含量开始降低。主要是由于没有循环干燥气化气时，立式炉温度较低，热解气含量较少，二燃室温度相对较低，NOX和SO2生成较少;循环干燥气化气过大时 (大于0.3)，循环干燥气化气由于冷却净化带出热量较多，影响到立式炉和二燃室的整体温度，但是对立式炉影响较小，对二燃室温度影响较大，因此影响到NOX和SO2的含量。

图3 引风机风量系数对烟气成分含量的影响Fig.3 Effect on flue gas component of induced draft fan air volume coefficient

4.2 引风机风量系数对立式炉及二燃室温度的影响

图4 引风机风量系数对温度的影响Fig.4 Effect on temperature of induced draft fan air volume coefficient

由图4可知，二燃室的温度波动范围为850℃～890℃之间。随着循环干燥气化气的增加二燃室温度是先升高后降低。立式炉内的温度波动范围为620℃ ～710℃之间。随着循环干燥气化气的增加温度是先升高较快后趋平。主要是由于，没有循环干燥气化气时，立式炉温度较低，热解气含量较少，二燃室温度相对较低;循环干燥气化气过大时(大于0.3)，循环干燥气化气由于冷却净化带出的热量较多，影响到立式炉和二燃室的整体温度。

5 结论

(1)生活垃圾立式双回路热解炉能满足垃圾处理“3T”的要求。即燃烧区温度高于850℃，停留时间大于2秒，在二燃室能充分的扰动，达到混合的目的。

(2)采用SLR-100双回路立式热解焚烧炉试验，随着循环干燥气的增加，烟气中NOX的含量先增加后减少;没有循环干燥气化气的时候，NOX的含量为242mg/m3，SO2的含量为442mg/m3，当循环干燥气化气为0.2～0.3的时候，NOX的含量为330mg/m3左右，SO2的含量为520mg/m3左右，随着循环干燥气化气的继续增加NOX含量开始降低。循环干燥气化气过大时 (大于0.3)，循环干燥气化气由于冷却净化带出热量较多，影响到立式炉和二燃室的整体温度，但是对立式炉影响较小，对二燃室温度影响较大，因此影响到NOX和SO2的含量。

［1］陈国艳，张衍国，朱九龙，曾纪进.灰色理论及改良方法对我国垃圾产量的预测［J］.中国环保产业，2011，(6):51-54.

［2］陈国艳，曾纪进，杨庆昌.城市生活垃圾典型组分的热解特性研究［J］. 工业炉，2012，34(6):39-45.

［3］陈国艳，张衍国，朱九龙，曾纪进.垃圾焚烧过程中NOx排放控制研究进展［J］. 四川环境，2011，30(4):140-143.

［4］陈国艳，曾纪进.双回路立式垃圾热解炉试验研究［J］.中国环保产业，2012，(2):43-45.

［5］王秋红，熊祖鸿，黄海涛，李海滨.城市生活垃圾中可燃物的热解特性实验分析［J］.中国电机工程学报，2003，24(2):104-107.

［6］张福宝，罗永浩，胡 元，段 佳.高温空气燃烧若干因素对NOx生成量的影响［J］.热能动力工程，2006，21(2):115-118.

［7］陈国艳，曾纪进，段翠九.城市生活垃圾燃烧特性研究［J］.中国环保产业，2013，(2):43-47.