循环流化床垃圾焚烧炉CO排放控制优化措施及实例应用

吴志达 石狮市鸿峰环保生物工程有限公司

垃圾焚烧发电充分体现了生活垃圾处理的“资源化、减量化、无害化”原则。目前，国内外主要的垃圾焚烧技术为循环流化床、回转窑、炉排炉、热解气化炉方式。其中，循环流化床垃圾焚烧炉具有对生活垃圾适合范围广、燃烧性能良好、投资费用较低等优点，在国内外获得了广泛应用。但由于生活垃圾焚烧发电过程中产生的烟气中包含有CO、HCl、SO2、NOX、重金属、二噁英、有机物等多种污染物，因此循环流化床焚烧炉虽然有点较多，可在实际运行过程中却存在空气平衡难以控制、燃烧温度波动较大以及二次风燃烧参与程度不高、炉膛正负压波动性明显等问题，易造成CO排放不稳定对环境带来污染。

1 CO的产生及排放影响因素

1.1 循环流化床垃圾焚烧炉工作原理及优缺点

1.1.1 循环流化床垃圾焚烧炉工作原理

循环流化床垃圾焚烧炉是利用炉内流态化的热载体进行焚烧垃圾的一种技术。在焚烧炉内有大量的床料（如石英砂等）作为热载体，垃圾经破碎后投入炉内，与流态化的床料强烈混合，高温床料使垃圾迅速充分受热，水分很快蒸发，同时挥发分和固定碳燃烧。循环流化床垃圾焚烧炉，由炉膛和旋风筒返料器组成，炉膛内部又分为燃烧室、炉床（布风板）、配风室，在布风板铺上大量的石英砂，并在炉底鼓入200℃以上的热风，使热砂沸腾起来，并具有较高的流化速度（3.0～7.0m/s），当床料加热到850℃以上时投入垃圾，此时床料热容量高、导热性好，整个焚烧炉处于均匀的高温燃烧状态，大量物料在焚烧炉反应区燃烧，重颗粒下沉到炉膛与空气继续反应，轻的颗粒随烟气出炉膛经旋风分离器分离后，大部分返回至流化床，小于旋风分离尺寸的颗粒随烟气尾部烟道。

1.1.2 循环流化床垃圾焚烧炉的优点

①具有良好的传质、传热特性，对于垃圾适用范围广，特别适合我国水分高、热值低的生活垃圾；②具有较好的燃烧性能，垃圾燃烧完全，炉渣热灼减率低；③烟气排放环保性能好，NOx、SO2和HCl的排放较低。

1.1.3 循环流化床焚烧炉的缺点

①需要加入辅助燃料，能耗较大；②要得到良好的流化状态，对入炉焚烧的垃圾尺寸要求高，需配置预处理系统对垃圾进行破碎和筛选；③燃烧工况不易控制，运行操作难度较大。

1.2 垃圾焚烧CO的生成机理

垃圾作为燃料时的燃烧反应主要为垃圾中挥发分的释放、燃烧和垃圾中固定碳的燃烧，而CO主要来源于这两部分的反应过程，有机化合物中C元素本应该在正常氧环境下生成CO2， 但由于氧化氛围和反应时间不足等因素，燃烧不完全，大量转化为中间产物CO直接排放导致。

1.3 循环流化床CO超标的原因分析

当垃圾作为燃料时，由于我国生活垃圾热值低、水分高的特点，垃圾投入焚烧炉后水分迅速挥发，导致炉内压力增大，造成冒正压现象，炉内烟气流速瞬间增大，烟气在高温区停留时间不足，燃烧不充分，CO 浓度会急剧增大。

给料波动造成实时所需氧量会出现较大的波动，是导致CO超标的另一原因。给料超过设计值较多，会导致需氧量激增，故炉内氧量会急速下降造成缺氧环境；给料低于设计值，则会导致垃圾焚烧炉膛平均温度下降，燃烧不充分。

一二次风分配不合理，无法保证足够的氧气供应。随着燃烧反应的进行，在循环流化床炉膛中心区域存在着一个明显的缺氧区域，如果二次风布置不合理，将导致中心缺氧状态，无法提供充足的氧气来支持充分燃烧，也无法提供所需的停留时间。

炉膛内反应温度过低，着火时间慢，燃料在炉内燃尽时间长，可燃性气体在炉内停留时间短；其次一氧化碳在650℃以上才能着火燃烧，床温低势必造成一氧化碳不能及时燃烧而排放量加大。

1.4 垃圾焚烧的CO生成影响因素分析

1.4.1 反应温度

根据化学反应理论，CO燃烧与反应温度成正相关，即温度越高CO燃烧速率越高，燃烧完全所需时间会大大减少，燃烧剩余的CO浓度就越低。研究表明，在750～950℃区间内，每升高25℃，CO燃烧速率常数增加约一倍，相对应的燃烧时间约减少一半。可见温度对CO减排的效果是显著的，保证合适的温度可有效地使CO燃烧完全，降低CO排放浓度。

1.4.2 停留时间

生活垃圾在焚烧炉中燃烧反应的停留时间包括燃烧室密相区热解时间和稀相区燃尽时间之和。该时间与炉膛结构、流化状态以及生活的粒径和密度相关，停留时间越长，分解越彻底，则排放的CO浓度便越低；相反，停留时间不充分，化学反应不完全，CO的排放量就会明显增加，应根据《生活垃圾焚烧污染控制标准》保证高温烟气在炉膛停留2s以上。

1.4.3 湍流混合程度

湍混程度指焚烧炉内温度处于均匀条件时，物料与空气相互混合的速度。当湍流度大或者混合程度均匀时，CO与氧充分接触，燃烧比较完全。湍流混合在循环流化床锅炉中主要体现在一二次风。一次风的作用首先为保持物料完成正常流化，其次给密相区提供部分氧气，二次风主要为物料燃烧提供充足的氧气，主要作用于流化床稀相区，使氧气送入炉膛中心，起搅动作用，加强气固两相物料的充分混合，使燃料能完全燃烧。

1.4.4 过剩空气量

过量空气量直接影响垃圾燃烧时氧气氛围，充足的氧量是保证CO快速以及充分燃烧主要因素之一。由于生活垃圾主要可燃组分为挥发分且析出迅速，因此需保证向燃烧室内送入过量空气。同时，生活垃圾成分分布不一，为保证生活垃圾的燃烧充分即较低的CO排放浓度，焚烧炉运行时保持较高的过量空气系数非常必要。因为，过剩空气量太高则会吸收过多的热量，导致绝热燃烧温度降低，导致炉膛温度无法达到《生活垃圾焚烧污染控制标准》(GB18485-2014)所规定的850℃，所以垃圾在焚烧时需要权衡考虑过量空气系数，以保证整个燃烧过程的氧化反应顺利进行。

控制CO排放关键在于提供良好的燃烧条件，循环流化床垃圾焚烧炉燃烧温度越高，停留时间越长，湍流混合越充分的时候，合理范围内过量空气越高，垃圾给料及特性越稳定，燃烧就越充分，CO排放量就也越低。

2 CO排放系统改造措施与工程案例

选取福建省某垃圾发电厂2台型号为TG-75/3.82-LJ- 550型 CFB 垃圾焚烧炉为研究对象，锅炉为单锅筒、单炉膛，自然循环，垃圾和煤混烧高温分离异重流化床锅炉，锅炉外形尺寸（宽×深×高）为13.4m×22.3m×38.5m。锅炉燃料采用煤和生活垃圾，两者设计质量比约为1: 4。该2台CFB生活垃圾焚烧锅炉于2008年投入运行，在实际运行过程中存在炉膛温度偏低、炉膛正负压波动大、CO排放指标不可控、不稳定等问题，焚烧发电的主要生产工艺流程如图1所示。根据“3T + E”原则，结合焚烧炉实际情况，采取措施对生产系统进行优化，给予所需的反应条件。

2.1 垃圾预处理改造

2.1.1 存在问题

原垃圾前处理系统设计采用“料斗+输送链板机+人工分选、磁选机+破碎机组合”工艺分选出大件、石块、废铁等物质后进入成品垃圾库。该系统设计全部采用国产早期设备，由于垃圾成分复杂，纺织物（长布条）较多，采用人工分选效率低，破碎机破碎效果差，不能满足均化提质的要求。垃圾在炉前给料系统易产生缠绕抱团入炉现象，造成焚烧炉燃烧不充分。

2.1.2 改进措施

改进垃圾的破碎处理系统，该系统采用“粗破+磁选+筛分+风选+细破”组合工艺，通过两级破碎（粗破、细破）和筛分组合工艺，垃圾经过抓斗进入粗破碎机破碎至90%≤200mm的物料，物料经过磁选机进入齿形筛，其中的筛上物经过风选去除不可燃的重质物料，轻质可燃物料进入细破碎机，最终将垃圾制成90%≤80mm的物料进入成品垃圾库，有利于垃圾给料均匀进入流化床充分燃烧。

2.2 垃圾均匀给料

2.2.1 存在问题

原有系统采用传统的多级链板机输送入炉设计，加上部分入炉垃圾仍然存在布条较多，导致垃圾抱团入炉现象，使焚烧炉燃烧工况不稳定。同时，在人员操作方面，行车工卸料时将整个抓斗的垃圾完全放下，垃圾覆盖整个料槽，导致垃圾搭桥或成团进入炉膛，大团的垃圾进入炉膛内致使炉膛稳定工况被破坏，炉膛突然正压燃烧，CO 值波动就瞬间增加。

2.2.2 改进措施

针对上述问题，增设采用入炉均质给料机，达到高效均匀给料目的。均质给料机工作原理为被挤压过的物料通过入炉均质给料机进料端的进料。设备内壁设置有螺旋扬板，在设备旋转的情况下，压缩在一起的物料随扬板上升到设备顶部，然后受自身重力作用的作用自由落下，从而起到打散物料的作用。松散的物料又在螺旋扬板向前推力作用下，往出料端前进，最终通过出料装置均匀的进入焚烧炉内焚烧，从而起到给锅炉均匀给料稳定焚烧炉燃烧工况的效果。

将双垃圾给料系统，改造成“单条链板机+无轴螺旋给料机+滚筒均质给料机”垃圾给料系统，由于双给垃圾料系统存在两个垃圾给料口，大量的冷风从锅炉垃圾进料口吸入锅炉，影响焚烧炉工况稳定性。新的给料系统不但可以垃圾进行松散和搅拌，使物料均质化，还可以减小给料口漏风，提高焚烧炉燃烧稳定性。此外，行车工细致的操作也是保证均匀给料的重要手段，行车工操作抓斗置于投料口后上方，分数次间断投料，每次投放少量垃圾，使垃圾平铺在输送机上。

2.3 改造流化床二次风系统

2.3.1 存在问题

一二次风分配不合理，二次风风压不够。

2.3.2 改进措施

将二次风喷管伸入炉膛内，减小二次风因需穿炉膛内壁的高浓度流化物料壁膜，减小二次压头损失，提高二次的穿透能力，增加二次风在炉内的扰动，同时能够及时补充炉膛中心区域垃圾燃烧所需的氧气。根据锅炉情况况，在锅炉左右两侧三层和炉后两层二次风管处加装风门，通过调整各层风门，使二次风布风合理，促进燃料的完全燃烧。

2.4 流化床日常运行和检修管理

控制燃烧温度即二次风口上部温度为850℃。一二次风配比要合理，加减风，一二次风要同时进行。控制原则要适当加大二次风压，关小下二次风，氧量控制原则为6～10。考虑流化床焚烧炉的床料特点，床温要≯850℃。流化床床压正常保持10kPa，料层厚度可控制在700～800mm。对锅炉风帽、返料器破损及时进行修复，同时下渣口可适当扩大，确保日常返料顺畅与物料分离效果，减少未燃尽物料量，使燃烧充分。锅炉及烟道漏风处要及时处理解决。

2.5 燃料的日常管理

做好新旧垃圾的分区堆放及垃圾发酵工作，降低垃圾水分；对破粹机进行日常和定期维护，保证设备长周期运行，提高垃圾破碎的分选质量和效率；加强入炉煤水分和热量的监管，入炉煤质的水分以及热值等因素的好坏对锅炉正常燃烧非常重要，只有保证锅炉正常燃烧才能保证锅炉正常投烧垃圾的稳定性，可根据煤质的好坏及时做好锅炉燃烧调整。减少入炉污泥的掺烧比例并考虑污泥干化处理，由于流化床锅炉掺烧污泥对锅炉受热面腐蚀很严重，同时污泥成分含钠碱等成分，熔化温度700℃，对流化床锅炉流化及床温影响很大。

2.6 烟气净化系统改造效果

系统改造完成后，委托第三方检测公司对CO排放进行了监测，结果分别为＜1.25mg/m3、35mg/m3。同时委托第三方检测公司对CO排放浓度定期监测，结果表明CO排放浓度远小于时均值100mg/m3、日均值80mg/m3。

通过在线监测设备对CO排放情况进行实时监测，改造完成当月CO日均值分别为13.87mg/m3、14.634mg/m3,同时查阅改造后近年来数据，排放温度小于国家标准，时均值为100mg/m3、日均值为80mg/m3。经检测有限公司出具的焚烧炉废气检测报告，以及烟气在线监测数据显示，一氧化碳排放指标满足国家标准要求，本次达标排放系统改造实施成效明显，已实现烟气稳定达标排放。

3 结语

在遵循垃圾焚烧“3T + E”理论基础上，循环流化床垃圾焚烧炉在实际焚烧处理过程中采取优化垃圾燃料预处理、均匀的给料方式、提供合理的一二次风配比、加强日常锅炉运行及检修管理等方法降低CO 排放，最终实现 CO长期稳定、达标排放。通过综合改造后，循环流化床垃圾焚烧炉膛负压波动明显降低，CO 排放指标符合国家环保要求。