垃圾发电厂烟气再循环技术经济性分析

王育波

（龙净能源发展有限公司，福建 厦门 361000）

与燃煤电厂一样，垃圾焚烧烟气中的氮氧化物（NOx）可划分为3 类[1,2]：第一类是由垃圾中含氮有机质分解转化生成的，称为燃料型NOx；第二类是空气中的氮在氧化气氛和高温条件下经过一系列化学反应生成的，称为热力型NOx；第三类是空气中的氮气与燃料中的碳氢离子团等反应而生成的，称为快速型NOx。

当前大多垃圾焚烧发电厂的脱硝工艺只有选择性非催化还原法（SNCR），在垃圾焚烧量和NOx排放指标提高后，面临着NOx排放总量高、脱硝效率低的问题。采用选择性催化还原法（SCR），脱硝效率高（>90%），但投资运行成本高，而且占地面积大，存在厂址受限问题。当前部分项目开始考虑采用固态高分子干法脱硝（PNCR）来解决NOx排放提标的问题，投资运行成本低于SNCR，脱硝效率略高于SNCR，但该技术尚不成熟。以上几种方法都是从消除的角度入手，需要消耗一定量的脱硝剂，将已经生成的NOx转化为无毒害的气体，保证达标排放。而NOx的排放控制还可以从产生源头入手。锅炉烟气再循环是一种从源头上抑制NOx的形成、降低NOx初始浓度的低氮燃烧技术[2,3]，已被广泛应用于燃气、燃煤锅炉。该技术具有投资低、无脱硝原材料（如尿素或氨水等）消耗、经济效益高的特点，在垃圾焚烧领域具有一定的推广价值。

1 技术简介

烟气再循环（FGR）的原理是将燃烧产生的低温、低氧的部分烟气通入炉内燃烧区，降低炉膛火焰的温度和燃烧区氧量，增强还原性气氛，从而起到改变锅炉传热特性和燃烧工况的作用。烟气再循环技术不仅可从抑制热力型NOx的生成，还可遏制酰胺（NCO）、氰化氢（HNO）等NOx前驱物向NOx的转化，降低燃料型NOx的转化率，是一种在燃烧过程中控制NOx生成的低氮燃烧技术[3]。

烟气再循环技术具有以下优点：

（1）降低NOx的产生量：烟气再循环技术可有效降低炉膛的温度和炉膛氧量，从而减少NOx的生成，进而减少脱硝还原剂使用量。

（2）提高系统对垃圾热值的适应性：在垃圾热值较高、炉膛温度高时，可通过烟气再循环技术的降温作用使炉膛温度保持在合适水平，提高焚烧系统对垃圾的适应性。

（3）有效减少炉膛结焦：再循环烟气进入炉膛后，可降低炉膛的局部高温，防止高温火焰贴壁冲刷炉墙，减缓炉膛的结焦。

采用烟气再循环技术前后，炉膛及锅炉各受热面温度分布、烟气流量、停留时间都会有所变化，运行人员需要根据实际情况调整二次风量、SNCR 的温度窗口等，以保证焚烧系统和余热锅炉的稳定性。

2 实施方案的选择

烟气再循环技术的应用可分为内部烟气再循环与外部烟气再循环。内循环方式一般由燃烧器厂家根据燃烧器特点，通过燃烧器本体设计并与炉膛配合形成回流区，通过压差将烟气抽至燃烧器内部形成烟气内循环。外部烟气再循环技术是指将部分烟气与助燃空气混合后，通入炉膛内参与燃烧，工程中更多考虑外部烟气再循环。

对于外部烟气再循环系统，烟气有不同的抽取方式和入炉方式。

2.1 抽取方式的比选

当前，垃圾焚烧发电厂大多采用“SNCR+半干法+干法+活性炭喷射+除尘器”烟气净化工艺系统。针对这一典型工艺，选择垃圾焚烧炉系统中的余热锅炉、除尘器、引风机等设备后设置烟气抽取点，进行烟气抽取方案的比较分析，分析结果见表1。

由表1 可知：（1）余热锅炉出口抽气具有抽气距离近、循环烟道短、不增加烟气净化系统阻力的特点，但由于烟气未净化、烟温高，容易造成再循环烟道和风机的腐蚀，对再循环风系统的设备配置要求较高。（2）在引风机入口处抽气，系统负压运行，设备安全性高，但此处烟气压力低，循环风机电耗最大，而且引风机入口负压波动，影响烟气再循环系统的稳定性。（3）在引风机出口处抽气，虽然抽气距离长，但费用增加小（烟道和支架）。该抽气方式具有烟气清洁度高、抽气点压力稳定、抽气克服压力小的特点，在做好防结露措施时，是最合适的抽气方式。

表1 抽气方式比选表

2.2 入炉方式的比选

再循环烟气返回炉内时，可选取现有风管，或者在炉墙上重新开孔布置喷嘴作为烟气再循环的入炉位置。入炉方式的比较见表2。

由表2 可知：（1）一次风口入炉会影响炉排垃圾的燃烧，降低锅炉效率，不适宜作为烟气再循环的入炉点。（2）对于改造项目，可将再循环烟气从二次风管口通入炉膛（掺混或替代二次风），技改工程量较小，也可达到降低NOx产生和排放的目的。（3）对于新建项目，可在炉墙上预设再循环烟气的接口，锅炉受热面及流场设计考虑再循环烟气，低氮燃烧效果好，对锅炉影响小。

表2 入炉方式比选表

2.3 推荐烟气再循环设计路线

根据上述对比分析，对于新建的垃圾焚烧发电项目，推荐的最佳设计路线见图1，将引风机出口的烟气通过再循环风机增压后，经过再循环风道，从焚烧炉前后拱的烟气喷嘴（二次风附近）通入炉内。

图1 推荐烟气再循环技术设计路线图

需要说明的是，由于从引风机出口烟道回流至焚烧炉输送距离长，输送过程中容易导致再循环烟气温度降低至酸露点，造成循环风机、烟道等的腐蚀，因此需在烟道设计上设置疏水点，并做好保温及防腐措施，从而保证系统稳定运行。

2.4 设备材料清单

采用推荐的烟气再循环设计路线实施烟气再循环技术所需要的设备材料见表3。

表3 烟气再循环技术设备、材料构成

3 烟气再循环率选取

烟气再循环率是再循环烟气量与原始烟气排放总量的比值，是烟气再循环技术的核心控制参数。理论上，烟气再循环率越高，NOx的排放量就会越低[4]，但循环率并不是越高越好，烟气再循环率的选择还需要综合考虑垃圾热值、炉膛温度、炉内含氧量等诸多因素。

3.1 垃圾热值

当生活垃圾热值较低时，炉内燃烧温度一般也较低，若采用烟气再循环会进一步降低炉温，可能会影响垃圾的充分燃烧，增加二噁英类、一氧化碳（CO）等污染物的排放浓度。因此，垃圾热值低的项目需慎重采用烟气再循环技术。在生活垃圾热值较高时，焚烧炉内烟温高，可通过烟气再循环降低炉内温度水平，抑制NOx生成，降低炉膛结焦风险。因此，垃圾热值高的项目适宜采用烟气再循环技术，而且垃圾热值越高，可循环烟气量越多。一般建议入炉垃圾热值高于6700kJ/kg 时才考虑采用烟气再循环技术。

3.2 炉膛温度

再循环烟气进入炉膛时可降低炉膛局部高温，避免高温火焰冲刷炉壁。再循环烟气与炉内烟气形成强烈扰动，使炉内温度分布更加均匀，燃烧更稳定，从而有效降低二噁英类污染物的浓度。但烟气再循环比例过大、炉温降低过多时易造成燃料燃烧不完全，增加不完全燃烧热损失，从而导致烟气在炉内无法达到850℃以上且停留2s 的要求，严重时会造成锅炉燃烧不稳定，引发熄火等安全事故。

3.3 焚烧炉内含氧量

烟气再循环量与二次风量的配比主要会影响焚烧炉助燃区域的含氧量。在保证燃烧的情况下，烟气再循环量越大，二次风量越小，焚烧炉助燃区域含氧量越低，抑制NOx生成的效果越明显。但烟气再循环量过大，会过多的降低炉内含氧量，导致燃烧不充分，对燃烧造成负面影响，造成CO 等污染物浓度超标、锅炉蒸发量下降等状况。对于炉排炉焚烧炉，采用烟气再循环技术后，炉内氧含量为4%—6%。

3.4 小结

综上，对于垃圾热值低的项目需慎重采用烟气再循环技术，再循环率的选取应先考虑加入再循环烟气后，焚烧炉内温度满足850℃且停留2s 的前提条件。在实际运行中，需根据垃圾燃烧状况和炉膛含氧量，实时调整烟气再循环率，在保证完全燃烧和环保要求的情况下，可尽量增加烟气再循环量，以降低NOx的排放。一般可将烟气再循环量的控制纳入焚烧炉自动控制，通过锅炉的蒸吨和含氧量协同控制。

4 应用案例简介及经济性分析

4.1 案例一：引风机入口抽气，再循环风机入炉

某垃圾焚烧发电厂[5]的处理规模为1050t/d，设2 台日处理525t 的垃圾焚烧炉，配套2×10MW 汽轮发电机组，设计烟气量约为70 000m3/h，设计炉膛出口NOx浓度为300mg/m3。

该厂2 台炉均做了烟气再循环技术改造：袋式除尘器出口烟气经再循环风机引出，从焚烧炉前拱外的17 个喷嘴和后拱外的18 个喷嘴注入，再循环烟气量通过变频风机调节。再循环风机设计流量为3900m3/h，设计风压为7500Pa（袋式除尘器后抽气需克服焚烧线全系统负压），一段时间内不同再循环比例下对应的锅炉出口NOx浓度（SNCR 不投运）见图2。

图2 不同再循环比例下对应的锅炉出口NOx 浓度（SNCR 不投运）

由图2 可知，在不采用SNCR 的情况下，烟气再循环比例控制在15%—20%，锅炉出口的NOx浓度可控制在250mg/Nm3以下，满足《生活垃圾焚烧污染控制标准》（GB 18485—2014）的排放要求。在再循环烟气比例达到20%时，1#炉NOx可控制在200mg/m3以内，满足欧盟2010/75/EU 的NOx排放要求。

4.2 案例二：引风机出口抽气，再循环风机入炉

某垃圾焚烧发电厂[6]的建设规模为2×600t/d，日处理垃圾1200t，设计垃圾低位热值为7117kJ/kg，该厂采用再循环风从引风机出口抽取，在增加再循环风量的同时减少二次风风量。假设锅炉出口排烟量不变，按照排放标准250mg/Nm3和提标后要求的100mg/Nm3两种情况，分析再循环烟气运行前后的对比数据（见表4）。

表4 烟气再循环前后的运行数据对比（未投运SNCR）

从表4 可知，再循环率越大，锅炉出口O2浓度越低，NOx含量越低，CO 含量小幅升高。根据上述数据，采用烟气再循环技术（再循环率为15%），按氨水价格900 元/t、年运行8000h 计算，若NOx执行250mg/Nm3的国家排放标准，则年节省氨水费用16.5 万元；若NOx执行100mg/Nm3的地方标准，则年节省费用33.7 万元。该项目改造增加设备及管道等的投资费用约60 万元（包含再循环风机）。比较可知，对于面临NOx需提标改造和NOx排放总量过高的厂，采用烟气再循环技术可实现NOx的减排且2 年内可收回投资成本。

4.3 案例三：引风机出口抽气，二次风口引入

某公司为应对其多个垃圾焚烧发电厂NOx排放总量过高，对焚烧发电厂4#—6#号炉做了烟气再循环的改造，改造从引风机出口抽气，通过原有二次风机，将再循环烟气导入炉膛。技改前后4#炉的运行数据见表5。

表5 4#炉技改前后各运行数据对比

由表5 可知，烟气再循环率为13%—15%，技改后NOx的平均排放量下降13%，还原剂用量减少约34%。该项目技改投入约24 万元（调节门利旧，利用原有二次风机），由于采用二次风机在引风机出口抽气，炉膛出口到引风机烟气流量变化不大，故引风机等设备电耗引起的运行成本变化不大。按照该厂最新的氨水采购价格（790 元/t）计算，月节约氨水费用约2 万元，约12 个月即可收回成本。

综上，采用烟气再循环技术可有效降低NOx的产生和排放量，减少脱硝还原剂的运行成本，技术改造投资低，1—2 年可回收成本，经济效益显著。

5 结语

（1）烟气再循环技术是燃烧过程中控制NOx生成的低氮燃烧技术。低温、低氧的再循环烟气进入炉膛后，可降低火焰温度氧气分压，促进空气与燃料的混合，进而降低NOx的产生和排放。

（2）对于新建项目，将引风机出口的烟气通过循环风机增压后，经过循环风管道，从焚烧炉前后拱的烟气喷嘴（二次风下方）处通入炉内是最合适的烟气再循环技术路线。

（3）烟气再循环率越高，NOx的排放量越低，但再循环率过高会导致燃烧区域温度下降，造成部分可燃物的不完全燃烧，焚烧炉出口CO 的含量增加。循环率的合理设计需综合考虑垃圾热值、炉膛温度、炉内的氧气浓度等因素的影响。

（4）烟气再循环技术可明显降低NOx的产生和排放量，降低还原剂的用量，特别适合需要实施NOx提标、NOx排放总量限值及垃圾热值高的项目。烟气再循环技改投资低，1—2 年可收回成本，经济效益显著，建议新建项目在锅炉上预留接口。