富氧燃烧技术在垃圾焚烧炉中应用的可行性分析

单福朋，张 政，郭孝武

(上海康恒环境股份有限公司，上海 201703)

1 引 言

随着我国城市化进程的加快，城市生活垃圾产生量也在快速地增加，有效处理生活垃圾从而减缓生态环境污染受到更多重视。目前，我国生活垃圾的处理方式主要有卫生填埋、堆肥和焚烧等几种。卫生填埋法在我国应用多年，技术较为成熟，但是，由于占地面积大，分解周期较长，不是长久之计；堆肥法是把垃圾变成有机肥料从而把垃圾资源化利用，由于我国垃圾分类水平较低，成分较为复杂，垃圾中含有有毒物质、石块、玻璃等，堆肥法处理起来比较困难；焚烧法处理生活垃圾由于具有减量化明显、占地面积小等优势，得到了快速发展[1-2]。焚烧法在我国主要面临的问题是垃圾热值低、燃烧不充分、尾气污染不仅严重而且困难[3～5]，而燃煤电厂应用的富氧燃烧技术不仅能够降低燃料着火点、增强燃烧强度，还有利于烟气的处理[6]，如果把这项技术应用于垃圾焚烧炉中，将使焚烧法处理生活垃圾更具有竞争力。

富氧燃烧是一种高效节能的燃烧方式，其常规定义是：燃料在燃烧过程中所使用的助燃剂氧气的浓度大于空气中所含氧气的浓度。目前对富氧燃烧的研究主要集中在燃料的着火和燃烧特性，以及烟气排放方面等，Niu[7]等人研究了干化污泥在富氧条件下的燃烧特性，发现在富氧氛围下，干化污泥的着火和燃烬温度随着氧气含量的增加而减小，其综合燃烧特性大幅提高；Riaza[8]等人研究了生物质颗粒在富氧条件下的燃烧特性，结果显示氧气浓度的提高使生物质的燃烧强度增加以及挥发分和焦炭的燃尽时间降低；Riaza[9]、Arias[10]等人的研究表明：煤和生物质的混合物在富氧条件下着火温度降低、燃烬率提高，额外的生物质有利于NOx排放的减小；国内外关于富氧燃烧技术的基础研究日趋成熟，预计到2020年该技术将进入商业示范阶段[5]。

本文以生活垃圾在炉排炉中的燃烧过程为研究对象，分析了一次风中增加氧量对垃圾燃烧特性的影响，同时对富氧燃烧技术在焚烧炉中应用的优势及存在问题进行了探讨，最后分析了富氧燃烧技术在炉排炉中应用的可行性。

2 理论计算基本资料

2.1 研究对象

本研究以图1所示的炉排炉为基础，一次风由炉墙冷却风、来自垃圾坑的气体和富氧空气组成，一次风从炉排下面进入炉膛，分区域配风；二次风

图1 典型炉排炉Fig.1 Typical grate stove

喷嘴放置在前后拱鼻状结构附近；炉排是三段式结构：即干燥段、燃烧段和燃烬段；燃烧段炉墙采用空冷墙。

2.2 燃料特性

本研究使用的材料是某城市的生活垃圾，焚烧炉设计点入炉垃圾特性如表1所示。

表1 垃圾的成分Tab.1 Composition of waste

注：ar即as received basis (表示收到基)；LHV表示低位热值。

2.3 计算方法

本研究使用的焚烧炉规模是500t/d。在模拟计算过程中假定炉渣热灼减率、飞灰率和焚烧炉出口氧气含量不变，通过调整一次风中氧气含量，利用能量平衡分析不同的一次风氧气含量对焚烧炉的影响，能量平衡公式见下式：

焚烧炉总热输入:Qi，[kw]

Qi=Qr+Qp+Qs+Ql

(1)

其中，Qr为垃圾带入热量，Qp为一次风带入热量，Qs为二次风带入热量，Ql为漏入空气带入的热量。

焚烧炉总热输出:Qo，[kw]

Qo=Qd+Qa+Qu+Qb+Qr+Qe

(2)

其中，Qd为飞灰带走的热量，Qa为炉渣带走的热量，Qu为未燃物质损失的热量，Qb为锅炉吸收的热量，Qr为炉体辐射散失的热量，Qe为烟气带走的热量。

根据焚烧炉热平衡：则Qi=Qo，当该等式不成立的时候，重新检查程序并完成焚烧炉的热平衡。

下文中的氧气含量均为一次风中的氧气含量。为了获得直观的数据以及便于分析，选择了21%、23%、25%、27%、30%、32%、35%、37%和40%的氧气浓度进行计算。由于本文数据是理论计算所得，且获得的是工艺参数的变化规律，因此相关的误差可以忽略。

3 结果与分析

3.1 不同氧气含量对一次风量的影响

垃圾燃烧主要分为两个过程，即挥发分和固定碳的燃烧，两者燃烧速率及燃烬受到氧浓度的影响，氧浓度升高，有利于加快燃烧速率和提高燃尽率。垃圾焚烧炉中的氧气主要来自于一次风，因此一次风量的多少取决于其所含的氧气量。如图2所示，在垃圾燃烧的过程中，一次风量随着其所含氧气量的增加而减少，这与上述分析过程相符。

图2 一次风量与其含氧量之间的关系Fig.2 The relationship between primary air volume and its oxygen content

3.2 不同氧气含量对二次风量的影响

在垃圾焚烧炉中二次风主要有以下几个作用，促进烟气中可燃物充分燃烧、调节焚烧炉出口温度、控制烟气中氧含量。因为富氧空气进入炉内时，会促进挥发分的燃烧，使得烟气中可燃分降低，这与生物质在富氧条件下的燃烧相似[11]，因此，当一次风中氧气含量增加的时候，二次风是减少的。如图3所示，二次风量随着一次风中氧气含

图3 二次风量与一次风中氧气含量之间的变化关系Fig.3 The relationship between the secondary air volume and the oxygen content in primary air

量的增加而减小，这种现象的出现是和焚烧炉的实际运行过程相符的。

3.3 不同氧气含量对焚烧炉出口烟气量的影响

焚烧炉出口烟气量主要包含燃烧产物、过量的空气，氧气含量的增加使得垃圾燃烧的更加充分，一次风和二次风使用量减少，焚烧炉出口烟气量减少。如图4所示，焚烧炉出口烟气量随着一次风中氧气含量的增加而减小。烟气量减少，在相同排烟温度的情况下，排烟损失会降低；同时污染物浓度增加，可更有效处理污染物。

图4 烟气量与一次风中氧气含量之间的变化关系Fig.4 The relationship between flue gas volume and oxygen content in primary air

3.4 不同氧气含量对焚烧炉出口烟气温度的影响

如图5所示，焚烧炉出口烟气温度随着一次风中氧气含量的增加而增加。氧气含量的增加使得垃圾的燃烧强度增强，焚烧炉内温度增加。焚烧炉内温度的增加，会提高垃圾的干燥速度和挥发分的析出速度，有利于促进高水分低热值垃圾燃烧。同时，高的氧气含量以及焚烧温度可使烟气中的CO及其它可燃物充分燃烧。

图5 烟气温度与一次风中氧气含量之间的变化关系Fig.5 The relationship between flue gas temperature and oxygen content in primary air

从上面的分析结果中可以看出，一次风中氧气含量的增加，使得垃圾燃烧强度增强，有利于垃圾的充分燃烧。

4 案例、优势及存在问题分析

4.1 相关案例

4.1.1 在高海拔、低氧地区可以采用在一次风中增加氧气的方式弥补当地空气中氧含量的不足。目前在运行的拉萨某项目是通过加大配风量来保证垃圾完全燃烧所需要的氧气量，这对炉排面积和炉膛容积形状的选择和工艺参数的设计增加了难度，一次风机和引风机的电能消耗较多；目前该项目存在一定的超温和减温水较大的情况。针对这种情况，如果采用富氧燃烧技术，可以灵活控制一次风中氧气浓度，从而减少设计上的困难和增加燃烧的稳定性，有效减小焚烧炉及锅炉负荷的波动。

4.1.2 在奥地利，有一个生活垃圾焚烧厂使用了富氧燃烧技术，平均氧含量约为26%，通过烟气再循环降低燃烧室温度[12]，这也说明只要控制得当，该项技术是可以成功应用的。

4.2 优势分析

4.2.1 从技术角度

富氧燃烧技术的基础性研究已经相当成熟，且目前已有燃煤锅炉实验平台成功搭建运行以及该技术在冶金等工业领域有较好的应用，这对富氧燃烧技术在垃圾焚烧领域的应用奠定了技术理论基础。

4.2.2 从运行角度

调节方便：富氧空气是在一次风道母管形成，然后通过各支管分区域送到炉膛，可以设一氧量计并根据主燃烧区域燃烧情况调节一次风中氧气量，同时使主燃烧区域垃圾燃烧均匀稳定，燃烬段垃圾燃烧完全；尤其处在高原地区的垃圾焚烧厂，可以使一次风中氧气量稳定在一定的范围，以使其它设备稳定运行。

4.2.3 从经济角度

本小节以垃圾处理量500t/d的焚烧厂规模，氧产量4 000Nm3/h的设备为例进行经济效益分析：

4.2.3.1 投资成本：制氧设备、附属设备、管道以及占地等固定投资大概为7 000万元。假如一次风中氧气量维持在26%，一次风可以减少20%左右，烟气量可以减少16%左右，风机设备可减少投资20万左右，烟气设备的投资略减少。

4.2.3.2 运行效益：该制氧设备可生产包括液氧、液氮和液氩在内的气体约300t/d, 空分设备若以电力驱动，其负荷约为7MW，以0.65元/kW·h的供应电价，假如空分产品供货范围较近，运输成本约为1元/t/km，以保守的产品出厂含税价液氧700元/t、液氮600元/t、液氩1000元/t测算，每天的收益大概5万元。

以一次风中氧气量维持在26%的燃烧为例，锅炉蒸发量较常规燃烧增加约0.5t/h，发电量增加120Kwh，年运行按8 000h计算，年增加收益约60万；同时每天的垃圾处理量会增加，这部分会有一定的额外补贴；对于常规燃烧，助燃、运行不稳定以及耗电量等运行成本都会增加。

4.2.3.3 用电量：空分设备的用电成本已折算在其收益中；风机设备和烟气净化设备等负荷可节约大概350KW，年节约电费大概180万元。

考虑到设备损耗，预计3～4a可收回成本，因此从长远来看，使用富氧燃烧技术的效益要优于常规燃烧。

4.3 存在问题

4.3.1 富氧空气中氧气含量不能太大，如果太大，一次风量会减少很多，一次风的减少会产生很多问题：(1)垃圾坑负压维持受到影响，由于垃圾焚烧厂中的一次风基本是从垃圾坑抽取，一次风减少会造成负压无法维持进而造成臭气外溢；(2)针对空冷炉排，一次风的减少会影响炉排的冷却效果；(3)过多的氧气含量会使炉内垃圾燃烧强度增强、炉温升高，炉内耐火材料的寿命会受影响。因此，采用该技术时，前期的计算、调研和评估是必不可少的。

4.3.2 富氧燃烧技术如果应用于高热值垃圾焚烧炉，会造成高温、腐蚀性问题，如果考虑用烟气再循环或者渗沥液入炉来降低炉膛温度是可行的，但是设备材料和运行成本会增加。所以该技术不建议用于高热值燃料或者使用空气就可以达到很好的燃烧效果的焚烧厂。

4.3.3 目前制氧技术虽较为成熟且垃圾焚烧炉对氧气纯度要求不高，但设计时要充分考虑使用这种技术所产生的成本以及带来的效益之间的关系。

4.3.4 该技术可以应用于新的垃圾焚烧厂，对现有厂的改造会存在一些问题，比如烟气处理设备对高浓度低烟气量的污染物的处理效果会变差、炉内耐火材料以及余热锅炉的适应性会降低，等等。

从本节的分析来看，应用富氧燃烧技术需从实际出发，应用其优势的同时要规避其缺点，以避免可能带来的负面效应。

5 结 论

受技术和经济效益的制约，目前垃圾焚烧厂多建于经济较好和垃圾热值较高的地区，垃圾焚烧厂在低热值垃圾及高海拔地区的推广较为缓慢。富氧燃烧技术能够提高垃圾燃烧强度和降低排烟损失，是一种高效节能的燃烧方式，对于低热值垃圾及高海拔地区的垃圾焚烧厂的设计和运行尤为必要，该技术在垃圾焚烧领域将会有非常好的应用前景。