生物质再燃脱硝在垃圾焚烧电厂的应用分析

郝江涛，王鸿飞，张新月

（中国城市建设研究院有限公司，北京100120）

1 引言

随着中国生活垃圾焚烧电厂的快速发展与污染物排放要求的逐步提高，垃圾焚烧过程中产生的污染物越来越受到人们的关注，其中氮氧化物（NOx）作为酸雨等自然灾害的元凶之一，是重点关注对象之一。目前，垃圾焚烧电厂氮氧化物控制的普遍技术是选择性非催化还原（SNCR）技术，该技术是在高温（800～1 000 ℃）条件下，将NOx还原成N2。SCR 作为进一步脱出氮氧化物的技术，其原理是在低温或中温、有催化剂的条件下将NOx还原成N2的技术；随着中国部分超一线城市和部分省区对氮氧化物总量控制和污染物排放指标日趋严格，SCR 技术以其高效的脱硝效率、超低排放污染物数值以及满足未来更为严格的环保要求日益受到地方政府或投资者们的青睐。但SCR 脱硝技术因其初投资费用高、需设置安装场地、催化剂价格昂贵、后期运行费用高等缺点，全国推广具有一定局限性；SNCR 又存在脱硝还原剂耗量大、易产生二次污染、脱硝效率偏低以及难以满足更为严格的污染物排放要求等不足，未来仅可作为辅助脱硝的一种手段。

燃料再燃技术在燃煤电厂以其具有脱硝成本低、效率高以及适合锅炉改造等优点，被认为具有一定应用前景的氮氧化物控制技术。该技术将锅炉炉膛分为主燃区、再燃区和燃尽区，再燃燃料在主燃区火焰上方喷入炉膛，形成贫氧富燃料的再燃区，促使主燃区生成的氮氧化物还原为氮气，最后送入空气燃烧未燃尽燃料和含氮基团[1]。研究表明，燃料再燃可以获得60%以上的NOx还原效率[2]。

再燃燃料种类有很多种，如天然气、煤粉、生物质等；由于中国农村生物质资源十分丰富，利用生物质作为燃料不仅对于高效利用可再生能源、提高能源利用率、促进农村能源结构调整、减少农村秸秆焚烧、提高环保效益、保持生态良性循环和可持续发展具有重要意义，而且生物质具有低硫、低氮、高灰焦活性和零CO2净排放等特点，可以减少燃料氮、SO2和CO2的排放，同时生物质燃烧后的灰分含有钠、钾以及铁等元素对NOx还原具有一定的促进作用[3]。尽管国内外研究者对燃煤电厂的再燃进行了较为深入的研究，但对于垃圾焚烧电厂采用生物质作为再燃燃料脱除氮氧化物的相关研究涉及较少，此部分工作还有待于进一步的深入探讨。

本文以生物质和生活垃圾为研究对象，通过分析生物质再燃在试验研究中对脱硝效果的影响，探讨生物质作为生活垃圾焚烧电厂再燃燃料脱硝的应用可行性分析，旨在为生物质能利用和生活垃圾焚烧过程中NOx控制提供应用基础。

2 材料与方法

2.1 生物质原料分析

中国国土面积幅员辽阔，生物质种类繁多，为反映生物质原料的基本特性，本文对稻壳、木屑、生物质炭三种生物质进行分析；其中，三种生物质原料的实物照片如图1 所示[4]，生物质原料已进行破碎、成型处理。

生物质的工业分析、元素分析和热值测定结果如表1 所示。由表1 可知，三种生物质原料挥发分平均值为51.40%，由于生物质炭进行了炭化预处理，挥发分最少，为20.11%；三种生物质中的氮和硫含量均较少，平均值分别为1.31%、0.05%；三种生物质原料的固定碳也存在较大差异，由于生物质碳化原因，生物质炭的固定碳最高，为70.86%。

生物质原料的微量元素分析如表2 所示。由表2 可知，三种生物质的Cl、Fe、Mg、K、Na 和Ca 等微量元素平均值分别为0.61%、0.07%、0.09%、0.32%、0.02%和0.57%。

2.2 生活垃圾分析

由于生活垃圾成分受季节、区域、采样位置的不同影响，差别很大，本文随机选择ZH 市五个垃圾中转处理站的原生生活垃圾进行生活垃圾成分分析。ZH 市原生生活垃圾的工业分析、元素分析和热值测定结果如表3 所示。

根据ZH 市生活垃圾成份分析和热值测定，目前ZH 市原生垃圾的含水率在44.89%～57.24%之间，平均含水率为52.90%，各样本含水率差别较小；原生垃圾灰分在11.71%～39.85%之间，平均值22.42%，各样本差别较大；原生垃圾低位热值最低为2 353 kJ/kg，最高8 640 kJ/kg，样本平均值5 401.6 kJ/kg，已超过4 180 kJ/kg，在垃圾池内堆料5～7 d后，其低位热值还会增加，可满足入炉垃圾低位热值的要求。

图1 生物质原料的实物照片

表1 生物质的工业分析、元素分析和热值测定结果（收到基）

表2 生物质原料的微量元素分析（收到基）

表3 ZH 市原生生活垃圾的工业分析、元素分析和热值测定结果（收到基）

表3 （续）

2.3 生物质和生活垃圾原料对比分析

表1 和表3 对比发现，三种生物质的收到基低位平均发热量为20 873.33 kJ/kg，生活垃圾的收到湿基低位平均发热量为5 401.6 kJ/kg，生活垃圾热值较低，这与生活垃圾含有大量水分有关（如果去掉生活垃圾全部水分后，干基高位平均发热量可达15 401.4 kJ/kg），从热值方面来看，三种生物质完全满足进入生活垃圾焚烧炉焚烧要求；三种生物质的可燃物（挥发分和固定碳）与生活垃圾的可燃物相对占比均较大，三种生物质可燃物平均占比为87.54%，生活垃圾可燃物平均占比为77.58%，这从另一方面说明两种原料均可进行焚烧处理。从三种生物质和生活垃圾的灰分占比来看，生活垃圾的灰分含量占比比生物质的高，这与中国生活垃圾来源复杂和垃圾没做有效的分类有关；从三种生物质和生活垃圾的硫元素占比来看，三种生物质硫元素占比较少，而生活垃圾硫元素较多，焚烧生物质可减少后期污染物产生量；生活垃圾的水分含量明显高于三种生物质的水分含量。

从表2 可以看出，三种生物质中均含有Na、K、Fe 和Cl 等微量元素，而从表3 可以看出生活垃圾中含有多种重金属，其中总铬含量最高，这与生活垃圾来源复杂有关，这些重金属在燃烧过程中会附着在高温飞灰上，导致垃圾焚烧的飞灰产物成为危险废弃物，需进行无害化处理。从表3 对生活垃圾的物理成分分析可以看出，生活垃圾中占比最多的是厨余类垃圾，约占39.46%，其次是橡塑类、木竹类垃圾，分别约占25.11%、10.50%。

2.4 生活垃圾焚烧炉

目前国内外生活垃圾焚烧炉炉型主要有机械炉排炉、流化床焚烧炉、热解焚烧炉、回转窑焚烧炉四类。其中，机械炉排炉在中国垃圾焚烧电厂中处于主流地位，占有一定市场优势；机械炉排炉从构造上一般分为三个区段：干燥段、燃烧段和燃尽段。垃圾首先在干燥段被预热、气化。其次垃圾在燃烧段炉排上着火，热量不仅来自炉膛的辐射和烟气的对流，还来自垃圾层的内部；炉排上已着火的垃圾通过炉排的往复运动，产生强烈的翻转和搅动，同时引起底部的垃圾燃烧；连续的翻转和搅动也使垃圾层松动、透气性加强，有利于垃圾的干燥、着火、燃烧和燃尽。垃圾在燃尽段被燃尽，产生的炉渣排出焚烧炉。而垃圾以上三个区段焚烧产生的未燃烧充分的烟气首先通过二次风充分燃烧区，其次经过氨还剂还原区（SNCR）脱除部分氮氧化物，最后进入余热锅炉。

3 结果与讨论

3.1 生活垃圾焚烧过程中氮氧化物生成分析

在燃料燃烧过程中，氮氧化物的生成机理主要有3 种：第一种是热力型氮氧化物，其在高温下（＞1 300 ℃）生成；第二种是燃料型氮氧化物，其是燃料中自身存在的氮化合物，在燃烧过程中氧化生成氮氧化物；第三种是快速型氮氧化物，其是燃料产生的CH 原子团撞击N2分子，生成HCN类化合物，再进一步氧化生成氮氧化物。

生活垃圾热值较低，其最高燃烧温度低于1 300 ℃，故热力型氮氧化物在生活垃圾焚烧过程中不会产生；由表3 可知，生活垃圾元素分析中含有氮元素，其在生活垃圾中的存在形式只能是氮化合物，故生活垃圾焚烧过程中存在燃料型氮氧化物生成；由于生活垃圾成分较复杂，且表3 中的碳元素占比是最大的，故生活垃圾焚烧过程中会生成部分CH 基团，其与N2分子经过一系列反应会生成快速型氮氧化物；根据费尼莫尔的研究成果，快速型氮氧化物只在富燃料的情况下产生，且产生量较少，由于生活垃圾燃料的特殊性，快速型氮氧化物在生活垃圾焚烧过程中的产生量会很少。由上可知，生活垃圾焚烧后的氮氧化物来源为燃料型氮氧化物和少量快速型氮氧化物。

3.2 生物质再燃氮氧化物脱除机理分析

生物质作为再燃燃料，其在喷入炉膛过程中会快速分解并燃烧；生物质再燃过程实际是一个贫氧燃烧过程，期间会形成还原性气氛，在还原性气氛中会生成大量烃根CHi、氨基NHi、焦炭和未完全燃烧中间产物HCN 基团，这些产物对NO 的还原主要为以下3 个总包反应：

由反应（R3-1）至反应（R3-3）可知，含碳基团CHi与NO 反应生成的中间产物HCN 起着关键作用，HCN 在活性基（O、H）的作用下，进一步与NO 反应，生成N2。

3.3 生物质再燃对脱硝效果影响分析综述

国内外很多学者研究了生物质再燃对脱硝效果的影响，如PETER 等[5]人以生物质、天然气、煤粉等作为再燃燃料进行了再燃的试验研究，发现生物质的再燃效果最好；HARDING[6]同样对以生物质作为再燃燃料进行了试验研究，发现生物质再燃脱硝效率可达60%～70%；美国能源部也对生物质再燃进行了研究，研究报告显示氮氧化物减排可达65%。浙江大学李戈[7]等人在对生物质作为再燃燃料脱除氮氧化物效果研究中发现，挥发分含量最高的木屑脱硝效率最高，可达60%以上，挥发分含量最少，且氮含量最高的橘皮脱硝效率最低。东南大学范志林[8]对生物质气再燃还原氮氧化物进行了实验研究和数值模拟，发现生物质气再燃具有一定的脱硝效果。

3.4 生物质再燃在生活垃圾焚烧发电厂应用可行性分析

3.4.1 生物质中挥发分及碱金属对氮氧化物脱除的影响

生物质中的挥发分是指生物质中的有机质受热分解产生的可燃性气体，从表1 可知生物质中含有大量的挥发分，其在再燃过程中会在极短时间内快速分解释放；释放出的挥发分在极短时间内快速反应生成未完全燃烧的烃根CHi、CO以及H2等，这些成分在还原性气氛中可还原氮氧化物；挥发分含量越多，产生的中间组分越多，对氮氧化物的脱除效率越高。其反应机理总包反应如下：

生物质再燃燃烧后的灰分中含有钠、钾等微量元素；在再燃过程中，这些碱金属对氮氧化物的还原具有促进作用；ZAMANSKY[9]等认为，含有碱金属的添加剂（NaOH、Na2CO3与KCl）在高温区快速气化，产生游离态碱金属，进而通过反应（R3-8）生产大量的OH 基团。以生物质中的钠离子为例，其发生NaOH→Na2O→Na→NaO→NaOH 的循环反应，其中Na 通过反应（R3-8）产生大量OH 基团。可见碱金属在高温环境中会促进HO 根的生成，对氮氧化物的脱除效率的提高有促进作用：

3.4.2 生物质中含碳基团对氮氧化物脱除的影响

从再燃的脱硝机理可以看出，再燃反应过程中生成的含碳基团CHi与NO 反应，产生HCN，HCN 在活性基（O、H）作用下进一步与NO 反应生成N2。从生活垃圾的成分分析来看，生活垃圾的碳元素含量占比相对较高，约为40%；但由于生活垃圾形态的特殊及复杂性，其在焚烧炉排上基本是成块状燃烧，导致仅有少量的碳以流化态形式随烟气流动；在垃圾焚烧过程中，此部分少量碳形成的含碳基团很少，对生活垃圾脱硝影响更小，而生物质中的碳含量较高、含水量少，前期可通过粉碎装置预处理成微粒状，通过鼓风机喷入焚烧炉，因而，生物质再燃可从增加含碳基团（CHi）和反应区活性基浓度为切入点，通过增加生物质再燃燃料量以脱除生活垃圾焚烧过程中的氮氧化物。

3.4.3 生物质再燃在生活垃圾焚烧电厂的应用分析

生物质再燃在生活垃圾焚烧过程中脱除氮氧化物的应用较少，主要原因是垃圾焚烧炉燃烧区域设置与燃煤电厂的燃烧区域设置差别较大，比如燃煤电厂炉膛焚烧区域分为主燃区、再燃区和燃尽区三个区域，而且燃烧区域随着炉膛一般自下向上划分；而垃圾焚烧炉排炉（本文以炉排炉为例）由于垃圾的特殊性，其随着垃圾运动方向划分为预热区、燃烧区、燃尽区；生物质再燃在生活垃圾焚烧领域脱除氮氧化物的应用首先需解决生物质再燃区域问题；垃圾焚烧炉排炉的生物质再燃区域设置在炉排炉前后拱区域（区域偏下侧，二次风喷嘴位置下方），靠近炉排燃烧区火焰上方，以使再燃燃料形成贫氧富燃料的再燃区，促使主燃区生成的氮氧化物还原为氮气，最后送入二次风空气燃烧未燃尽燃料和含氮基团，达到脱除氮氧化物目的。

由于炉排炉模块化较强，经过几十年发展，其在焚烧生活垃圾方面已经很成熟，本文不建议在焚烧炉本体上直接增设再燃投料口方式进行再燃燃料投放，这样设备改造成本大、风险较高；建议采用焚烧炉本体开孔方式喷射再燃燃料，这样可促进焚烧炉内流场扰动，加速再燃燃料燃烧；为达到生物质喷射进入焚烧炉进行再燃目的，生物质需进行破碎预处理，然后通过气力输送系统将破碎后的生物质喷入垃圾焚烧炉再燃区。此方案因改造成本少、易于操作、风险低、对设备损害少等优点，可在国内已运行炉排炉垃圾焚烧电厂应用。

4 结论

通过对生物质和生活垃圾的成分与热值分析，生物质可作为生活垃圾焚烧炉再燃燃料，且生物质具有高挥发分、易燃烧、含有碱金属、含氮量低、硫元素含量极少、灰量少、CO2净零排放、可再生能源等作为再燃燃料的优势；生物质中高挥发分和钠、钾等碱金属对氮氧化物的去除有促进作用；生活垃圾焚烧炉（炉排炉）具有生物质再燃燃料的投放操作空间，使炉排炉炉膛形成一个贫氧富燃料的还原性区域，以达到脱除氮氧化物目的；生物质再燃技术可作为初期投资高、催化剂昂贵、运行费用高的SCR 脱硝技术的替代技术，进一步脱除氮氧化物。