浙江大学学报(工学版)

浙江大学学报(工学版), 2020, 54(5): 1014-1021 doi: 10.3785/j.issn.1008-973X.2020.05.020

能源与动力工程

垃圾焚烧电厂焚烧炉-余热锅炉性能及NOx排放

刘军,, 李全功, 廖义涵, 王为术

Performance of incinerator-waste heat boiler and NOx emissions in solid waste incineration power plants

LIU Jun,, LI Quan-gong, LIAO Yi-han, WANG Wei-shu

收稿日期: 2019-05-16  

Received: 2019-05-16  

作者简介 About authors

刘军（1985—），男，讲师，博士生，从事废弃物资源化利用及污染物控制技术研究.orcid.org/0000-0002-4109-2349.E-mail：lj7026@zju.edu.cn , E-mail：lj7026@zju.edu.cn

摘要

为了掌握新建机组运行状况，探索烟气再循环对垃圾焚烧电厂污染物排放的影响，针对某垃圾处理量为500 t/d的垃圾焚烧电厂，现场测试省煤器出口烟气成分及炉内烟气温度，试验研究焚烧炉-余热锅炉性能，定量计算焚烧炉-余热锅炉效率及各项热损失，并根据试验测试结果，分析炉内NOx生成的影响因素. 结果表明：在不同负荷下，机组总热损失中排烟热损失所占比例最大，其次为炉渣热损失，在试验范围内，烟气再循环量对焚烧炉-余热锅炉效率影响较小；烟气中氧气的体积分数及烟气再循环对NOx排放影响显著，省煤器出口氧气的体积分数由4.52%增加到8.00%，NOx质量浓度由209.54 mg/m3升高到307.30 mg/m3，增加46.65%；与烟气再循环系统停运相比，当烟气再循环阀门全开时，省煤器出口NOx质量浓度由209.54 mg/m3降为126.15 mg/m3.

关键词： 垃圾焚烧 ; 焚烧炉-余热锅炉 ; NOx排放 ; 烟气再循环 ; 性能试验

Abstract

The flue gas composition on the outlet of economizer and the flue gas temperature in the furnace were tested in a waste incineration power plant with a waste disposal capacity of 500 t/d, in order to master the operation status of a newly built units and explore the influence of flue gas recirculation on the pollutant emission of a waste incineration power plant. The performance of the incinerator-waste heat boiler was experimentally studied, and the efficiency of the incinerator-waste heat boiler and the heat losses were quantitatively calculated. The influencing factors of NOx emissions were analyzed based on the test results. Results indicate that the largest proportion of the total heat loss is the exhaust heat loss under different loads, and the next is the heat loss of slag. The influence of flue gas recirculation on the efficiency of incinerator-waste heat boiler is small within the test range. The oxygen volume fraction in the flue gas and the flue gas recirculation have significant influence on NOx emissions. The NOx mass concentration on the outlet of the economizer increased from 209.54 mg/m3 to 307.30 mg/m3, that is an increase of 46.65%, when the oxygen volume fraction on the outlet of the economizer increased from 4.52% to 8.00%. The NOx mass concentration on the outlet of the economizer decreased from 209.54 mg/m3 to 126.15 mg/m3 when the flue gas recirculation valve was fully opened, compared with the shutdown of flue gas recirculation system.

Keywords： solid waste incineration ; incinerator-waste heat boiler ; NOx emissions ; flue gas recirculation ; performance test

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本文引用格式

刘军, 李全功, 廖义涵, 王为术. 垃圾焚烧电厂焚烧炉-余热锅炉性能及NOx排放 . 浙江大学学报(工学版)[J], 2020, 54(5): 1014-1021 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2020.05.020

LIU Jun, LI Quan-gong, LIAO Yi-han, WANG Wei-shu. Performance of incinerator-waste heat boiler and NOx emissions in solid waste incineration power plants . Journal of Zhejiang University(Engineering Science)[J], 2020, 54(5): 1014-1021 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2020.05.020

随着社会经济的快速发展及人们生活水平的不断提高，世界垃圾增长速率不断加快，垃圾围城现象及其造成的环境污染问题日益严峻. 与垃圾堆肥及垃圾填埋技术相比，垃圾焚烧发电技术因符合“减量化、无害化、资源化”的固废处理要求而备受关注，垃圾焚烧发电已经成为我国城市生活垃圾处理的主导技术.

针对垃圾焚烧发电，已有研究主要集中在国家政策、灰渣处理[1-6]、污染物控排[7-10]及系统运行优化调整[11-13]等方面. 郭娟[14]系统研究选择性非催化还原（selective noncatalytic reduction，SNCR）脱硝区温度、还原剂喷入位置、氨氮摩尔比、吸收塔出口温度及石灰浆质量浓度等对垃圾焚烧电厂脱酸效率的影响，为工程改造及机组运行优化调整提供基础. 李大中等[7]基于融入灰色关联度分析的最小二乘支持向量机建模方法，对垃圾焚烧发电过程中二次污染物排放控制进行研究. 尹航[15]研究掺煤质量及回灰质量对垃圾循环流化床（circulating fluidized bed，CFB）锅炉运行的影响，为垃圾CFB锅炉运行调整及稳定燃烧提供参考. Fu等[16-17]研究富氧及烟气再循环对焚烧炉燃烧特性的影响，获得炉内燃烧最佳工况. 众多研究者对垃圾焚烧电厂飞灰处理及重金属迁移特性进行研究，王雨婷等[6]以炉排垃圾焚烧炉飞灰为研究对象，分析水洗液固比和时间对飞灰中氯盐溶出的影响，对二级逆流水洗工艺展开研究. 针对垃圾焚烧电厂NOx排放，已有研究主要集中在传统的脱硝技术，包括燃烧温度、过量空气系数、SNCR及选择性催化还原（selective catalytic reduction，SCR）等，沈锐林等[18-19]详细研究SNCR系统对锅炉效率及炉内NOx生成的影响，曹玉春[20]系统分析流化床垃圾焚烧炉内NOx的生成机理. 然而，垃圾焚烧电厂焚烧炉-余热锅炉效率及各项热损失定量分析的相关研究较少，同时，因垃圾焚烧电厂烟气再循环技术应用较少，烟气再循环对垃圾焚烧电厂焚烧炉-余热锅炉效率及NOx排放的相关研究鲜有报道.

本研究以采用烟气再循环技术的某垃圾焚烧电厂为研究对象，通过现场试验测量，定量计算不同负荷工况下焚烧炉-余热锅炉效率及各项热损失，同时，分析烟气中氧气的体积分数及再循环烟气体积流量对NOx排放的影响规律，为焚烧炉-余热锅炉设计及机组运行优化调整提供参考.

1. 设备及方法

1.1. 机组概况

选取某垃圾处理能力为500 t/d的垃圾焚烧机组为研究对象，焚烧炉采用青岛荏原环境设备有限公司生产的多级往复式炉排炉，余热锅炉由四川川锅锅炉有限责任公司设计制造，烟气净化系统由无锡雪浪环境科技有限公司提供，采用“烟气再循环+SNCR+半干法（旋转喷雾反应塔）+干法（喷射碳酸氢钠）+活性炭喷射+袋式除尘器”工艺，使烟气中各成分达到可以直接排放的标准. 垃圾池中垃圾由抓斗送入垃圾给料斗，经过给料斗及给料槽后，给料器把垃圾推进燃烧室. 垃圾在炉排床面上不断翻滚、搅拌，按焚烧进程区分为干燥段、燃烧I段、燃烧II段及燃烬段. 垃圾焚烧后放出的热量加热锅炉给水，经蒸发器、过热器加热后进入汽轮机发电. 完全燃烧后的垃圾炉渣从溜渣管落入液压水封式除渣机排出炉外，垃圾焚烧电厂主要工艺如图1所示.

图 1

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图 1   垃圾焚烧发电系统及流程图

Fig.1   System and flow diagram of waste incineration power generation


机组采用烟气再循环技术，该技术将系统尾部的烟气抽出，代替二次风供入炉内相应部位，可以有效降低该区域的氧气浓度，进而抑制NOx的生成. 由于该系统的有效性，在锅炉最大连续蒸发量（maximum continuous rating，100%MCR）负荷下，无须进一步喷入尿素溶液，NOx排放也能满足《生活垃圾焚烧污染控制标准》（GB 18485-2014）[21]的排放要求（300.00 mg/m3）. 考虑到烟气再循环系统故障不能投用及短时间内超负荷的情况，本工程还设置了SNCR系统作为备用. 焚烧炉-余热锅炉主要技术参数如表1所示.

表 1   焚烧炉-余热锅炉主要设计参数

Tab.1  Main design parameters of incinerator-waste heat boiler

项目 参数
设计垃圾热值/（kJ∙kg−1） 6 699.00
烟气在>850 °C的条件下停留时间/s ≥2.00
焚烧残渣热灼减率/% ≤3.00
省煤器出口烟气温度/°C 190～220
焚烧炉-余热锅炉效率（100%MCR）/% 80.00
锅炉额定蒸发量（100%MCR）/（t∙h−1） 51.8
蒸汽压力/MPa 4.0
主蒸汽温度/°C 400
汽包工作压力/MPa 5.0
汽包工作温度/°C 266
给水温度/°C 130

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1.2. 试验测试设备及方法

在试验过程中，利用ROSEMOUNT公司生产的NGA2000型烟气分析仪测试烟气中气体成分，烟气取样分析系统如图2所示.

图 2

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图 2   烟气取样分析系统图

Fig.2   System diagram of flue gas sampling and analysis


按照等截面网格法在省煤器出口烟道布置测点并抽取烟气，抽取的烟气样品经特制的烟气混合罐实施初级过滤，将过滤后的烟气引至德国M&C公司生产的烟气前处理装置，实施清洁、除湿处理，最后将预处理后的烟气接入NGA2000型烟气分析仪，实时测量烟气中O2、CO2的体积分数及CO、NOx的质量浓度. 采用毕托管及微压计（型号HM7750）测量一次风、二次风、烟气再循环风及省煤器出口烟气体积流量. 省煤器出口烟道烟气湿度采用湿度枪测量，风烟系统温度采用K型铠装热电偶及点温计（型号F-51-2）实时测量. 灰渣取样及制样方法参考标准《生活垃圾焚烧灰渣取样制样与检测》（CJ/T531-2018）[22]. 根据以上测试数据，可以计算炉内烟气体积流量，同时测量余热锅炉3层标高处烟气温度，可以计算烟气在850 °C以上停留时间[23].

2. 焚烧炉-余热锅炉效率计算方法

为了研究焚烧炉-余热锅炉性能，采用热平衡法分析系统能量[24]. 将焚烧炉-余热锅炉系统视为整体，根据能量平衡原理，有

${Q_{{\rm{z}}{\rm{.toc}}}}{\rm{ = }}{Q_{{\rm{V}}{\rm{.toc}}}}{\rm{ + }}{Q_{\rm{N}}}.$

式中：Qz.toc为系统总输入热量；QV.toc为系统总热损失；QN为系统有用输出热量，可以通过给水及过热蒸汽质量流量及其焓值计算获得.

QV.toc的表达式如下：

${Q_{{\rm{V}}{\rm{.toc}}}}{\rm{ = }}{Q_{\rm{G}}} + {Q_{{\rm{CO}}}} + {Q_{{\rm{RA}}}} + {Q_{{\rm{FE}}}} + {Q_{{\rm{ST}}}}.$

式中：QG为排烟造成的热损失，通过烟气体积流量及烟气温度计算获得；QCO为化学不完全燃烧造成的热损失；QRA为炉渣的焓及不完全燃烧物质造成的热损失，通过炉渣量及热值计算获得；QFE为飞灰的焓及不完全燃烧物质造成的热损失，通过飞灰量及热值计算获得；QST为辐射及对流造成的热损失，由经验公式获得.

根据输入侧热平衡可以得到：

${Q_{{\rm{z}}{\rm{.toc}}}}{\rm{ = }}{Q_{{\rm{Z}}{\rm{.B}}}}{\rm{ + }}{Q_{\rm{Z}}}.$

式中：QZ.B为生活垃圾带入的能量，QZ为系统输入的其他热量. QZ.B的表达式如下：

${Q_{Z.{\rm{B}}}} = {q_{m{\rm{w}}}}\left[ {Hu + {c} ({\theta_{\rm{B}}} - {\theta_0})} \right].$

式中：qmw为生活垃圾的质量流量；Hu为生活垃圾低位热值；c为生活垃圾的比热容；θB为垃圾温度，θ0为基准温度（25 °C）.

系统输入的其他热量表达式如下：

$ {Q_{\rm{Z}}} = {Q_{{\rm{PL}}}} + {Q_{{\rm{SL}}}} + {Q_{{\rm{FL}}}} + {Q_{{\rm{FR}}}} + {Q_{{\rm{LV}}}} + {Q_{{\rm{Bru}}}} + {P_{\rm{m}}}. $

式中：QPL为一次风带入的热量；QSL为二次风带入的热量；QFL为其他形式风带入的热量；QFR为再循环烟气带入的热量；QLV为蒸汽预热带入的热量；QBru为蒸汽输入的热量；Pm为其他驱动输入的热量.

由式（1）可以得到焚烧炉-余热锅炉效率的计算公式：

$\eta {\rm{ = }}\frac{{{Q_{\rm{N}}}}}{{{Q_{{\rm{z}}.{\rm{toc}}}}}} = \frac{{{Q_{\rm{N}}}}}{{{Q_{\rm{N}}} + {Q_{{\rm{V}}.{\rm{toc}}}}}}.$

3. 试验结果与分析

3.1. 焚烧炉-余热锅炉效率

3.1.1. 不同负荷时焚烧炉-余热锅炉效率分析

在试验过程中，以机组机械负荷为基准，测试焚烧炉-余热锅炉性能. 因垃圾成分复杂多变，在试验时燃用发酵时间足够充分的垃圾，以减少机组负荷波动. 在机组负荷稳定0.5 h后开始100%MCR负荷工况试验，试验测试6.0 h. 分别测试省煤器出口烟气体积流量、烟气成分及一次风/二次风/再循环烟气体积流量、温度等，并多次抽取渣样化验计算炉渣热灼减率，同时根据试验现场测孔位置情况，测试余热锅炉标高分别为31.10、25.17、23.37 m处的烟气温度（分别记为θ1、θ2、θ3）. 在垃圾焚烧电厂运行过程中，通常省煤器出口CO体积分数较低（仅为几个ppm），化学不完全燃烧损失可以忽略，因此，在焚烧炉-余热锅炉效率计算过程中，化学不完全燃烧损失忽略不计. 根据测试结果计算焚烧炉-余热锅炉效率及烟气在850 °C以上停留时间，不同负荷时的计算结果如表2所示. 表中，mwaste为日垃圾处理量，ρ（CO）为省煤器出口CO质量浓度（标干，11%O2），qm为省煤器出口烟气质量流量，θ850为烟气在850 °C以上停留2 s时的温度，t为烟气在>850 °C停留时间，Qout为有用输出热量， $Q_{{\rm{emi}}}^{{\rm{loss}}}$为排烟损失， $Q_{{\rm{slag}}}^{{\rm{loss}}}$为炉渣热损失， $Q_{{\rm{ash}}}^{{\rm{loss}}}$为飞灰热损失， $Q_{{\rm{rad}}}^{{\rm{loss}}}$为辐射和对流热损失， $Q_{{\rm{total}}}^{{\rm{loss}}}$为总热损失，Lemi为排烟热损失所占比例，Lslag为炉渣热损失所占比例，Lash为飞灰热损失所占比例，Lrad为辐射和对流热损失所占比例，η为焚烧炉-余热锅炉效率， $\bar \eta $为修正后焚烧炉-余热锅炉效率.

表 2   不同负荷工况下焚烧炉-余热锅炉性能测试结果

Tab.2  Test results of incinerator-waste heat boiler performance under different load conditions

项目 mwaste/
（t∙d−1） 		ρ（CO）/
（mg∙m−3） 		qm/
（kg∙s−1） 		θ1/
°C 		θ2/
°C 		θ3/
°C 		θ850/
°C 		t/s Qout/
MW 		$Q_{{\rm{emi}}}^{{\rm{loss}}}$/
MW 		$Q_{{\rm{slag}}}^{{\rm{loss}}}$/
MW 		$Q_{{\rm{ash}}}^{{\rm{loss}}}$/
MW 		$Q_{{\rm{rad}}}^{{\rm{loss}}}$/
MW 		$Q_{{\rm{total}}}^{{\rm{loss}}}$/
MW 		Lemi/
% 		Lslag/
% 		Lash/
% 		Lrad/
% 		η/
% 		$\bar \eta $/
%
60%MCR 286.2 2.26 24.62 830 874 904 917 5.53 25.04 4.29 0.88 0.08 0.29 5.54 14.04 2.88 0.27 0.93 81.88 77.04
100%MCR 509.2 5.33 33.96 893 949 973 986 5.82 34.42 6.53 1.39 0.16 0.36 8.44 15.24 3.24 0.38 0.83 80.3 80.42
110%MCR 564.5 7.12 35.85 943 1 014 1 032 1 053 5.79 40.29 7.02 1.77 0.22 0.40 9.41 14.12 3.57 0.44 0.8 81.07 80.63

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由表2可知，在不同负荷工况下，各项热损失中排烟热损失所占比例最高，其次为炉渣热损失；烟气在850 °C以上停留时间均大于设计值. 在100%MCR负荷工况下，实测锅炉效率为80.30%，修正后锅炉效率为80.42%，其中总热量中排烟热损失所占份额为15.24%，炉渣热损失为3.24%；总热损失中排烟热损失所占比例最大，为77.37%，炉渣热损失所占比例为16.47%. 试验结果表明：为了进一步提高焚烧炉-余热锅炉效率，须确保垃圾充分发酵，降低垃圾中水分质量分数，以降低省煤器出口烟气温度及湿度，减小排烟热损失，同时，合理分配一、二次风比例，确保垃圾稳定燃烧并燃尽，减少炉渣及飞灰热损失.

3.1.2. 再循环烟气体积流量对焚烧炉-余热锅炉效率的影响

通过调整再循环风机频率，可以控制送入炉内的再循环烟气体积流量. 在100%MCR负荷工况下，不断增加再循环烟气体积流量，试验研究再循环烟气体积流量对焚烧炉-余热锅炉效率的影响. 其中，工况1对应再循环烟气阀门全开，此时再循环烟气体积流量约占总烟气体积流量的16.43%，工况2对应再循环烟气体积流量约占总烟气体积流量的9.35%，工况3对应再循环烟气阀门全关. 如表3所示为再循环烟气体积流量对焚烧炉-余热锅炉效率影响的试验结果. 其中，θeco为省煤器出口烟气温度. 由表3可以看出，随着再循环烟气体积流量的增加，焚烧炉-余热锅炉效率小幅增加. 烟气再循环率由0增加至16.43%，焚烧炉-余热锅炉效率由80.26%增加至80.42%. 随着再循环烟气体积流量的增加，入炉热量相应升高，导致焚烧炉-余热锅炉效率降低；再循环烟气会增加炉内烟气体积流量，增强炉内烟气扰动，造成烟气流速增大，炉内换热面换热系数升高，锅炉效率上升. 再循环烟气体积流量对焚烧炉-余热锅炉效率的影响取决于两者的平衡结果.

表 3   再循环烟气对焚烧炉-余热锅炉效率影响

Tab.3  Effect of recirculating flue gas on efficiency of incinerator-waste heat boiler

项目 qm/（kg∙s−1） θeco/°C Qout/MW $Q_{{\rm{emi}}}^{{\rm{loss}}}$/MW $Q_{{\rm{slag}}}^{{\rm{loss}}}$/MW $Q_{{\rm{ash}}}^{{\rm{loss}}}$/MW $Q_{{\rm{rad}}}^{{\rm{loss}}}$/MW $Q_{{\rm{total}}}^{{\rm{loss}}}$/MW Lemi/% Lslag/% Lash/% Lrad/% η/% $\bar \eta $/%
工况1 33.96 193 34.42 6.53 1.39 0.16 0.36 8.44 15.24 3.24 0.38 0.83 80.3 80.42
工况2 33.68 195 34.36 6.41 1.41 0.18 0.36 8.36 15.00 3.30 0.42 0.84 80.43 80.37
工况3 33.41 198 33.98 6.48 1.42 0.18 0.35 8.43 15.28 3.35 0.42 0.83 80.12 80.26

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3.2. NOx排放影响因素分析
3.2.1. 烟气中氧气的体积分数对NOx排放的影响

在垃圾焚烧过程中，烟气中氧气的体积分数对NOx生产有重要影响. 通过调整一次风机及二次风机频率，可以控制送入炉内烟气中氧气的体积分数. 因焚烧炉内烟气温度较高（高于1 000 °C），炉内烟气中氧气的体积分数测试困难. 在试验过程中，分别在不同工况下测试省煤器出口烟气中氧气的体积分数及NO质量浓度，在测试过程中，SNCR及烟气再循环系统均停运，试验结果如表4所示. 表中，qVrec为再循环烟气体积流量，qVurea为尿素溶液体积流量，φ（O2）为省煤器出口O2体积分数，φ（CO2）为省煤器出口CO2体积分数，ρ（NOx）为省煤器出口NOx质量浓度（标干，11%O2）.

表 4   不同氧气体积分数下省煤器出口烟气成分测试结果

Tab.4  Test results of flue gas composition on outlet of economizer with different O2 volume fractions

项目 qVrec/（m3∙h−1） qVurea/（L∙h−1） φ（O2）/% ρ（CO）/（mg∙m−3） φ（CO2）/% ρ（NOx）/（mg∙m−3） θeco/°C
工况1 0 0 4.52 9.56 13.92 209.54 198
工况2 0 0 6.25 4.58 12.50 265.01 196
工况3 0 0 8.00 1.97 10.98 307.30 198

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研究表明，当烟气中氧气的体积分数较低时，炉内还原性气氛占主导，可以有效抑制炉内NOx生成；当烟气中氧气的体积分数较高时，炉内氧化性气氛占主导，在氧化性气氛中，NOx生成增加. 由表4可知，当烟气再循环阀门全关时，通过调节一次风及二次风量，不断增加炉内氧气的体积分数，同时测试省煤器出口NOx质量浓度，结果表明：随着炉内烟气中氧气的体积分数增加，省煤器出口NOx质量浓度快速增大. 省煤器出口烟气中氧气的体积分数由4.52%增加到8.00%，NOx质量浓度由209.54 mg/m3升高到307.30 mg/m3，增加46.65%. 王亥等[25]对流化床垃圾焚烧炉中NOx排放特性进行研究，得出同样结论：随着烟气中氧气的体积分数（小于7.00%~8.00%）增加，NOx排放质量浓度也相应增加. 同时，炉内烟气中氧气的体积分数对燃料的燃尽率有重要影响. 省煤器出口烟气中氧气的体积分数由4.52%增加到8.00%，省煤器出口CO质量浓度由9.56 mg/m3降至1.97 mg/m3. 宋少鹏等[26]详细研究过量空气系数α对燃气锅炉NOx及CO排放的影响，结果表明，在一定条件下，NOx生成随α的增加而增加，当α增加到1.4时，NOx排放达到峰值，当α再增加时，因多余空气吸热降低火焰温度，热力型NOx减少，NOx排放随之降低. 垃圾焚烧电厂焚烧炉内火焰温度通常为900~1 200 °C，在此温度范围内，热力型NOx生成较少，炉内NOx排放主要为燃料型NOx及快速型NOx，当炉内烟气中氧气的体积分数增加时，氧化性气氛有利于NOx的生成，因此，省煤器出口NOx排放浓度随烟气中氧气的体积分数增加而增加.

3.2.2. 烟气再循环对NOx排放的影响

采用烟气再循环技术可以有效降低NOx排放，在试验过程中，通过调整再循环风机频率，可以控制送入炉内的再循环烟气体积流量，试验工况同3.1.2节. 不同学者对烟气再循环技术减排NOx的机理持不同看法. Baltasar等[27]认为烟气再循环降低NOx排放的主要原因为减少快速型NOx的生成；Kim等[28-30]认为再循环烟气的引入，高温区减少，燃烧最高温度降低，导致热力型NOx大量减少. 王志宁等[31]研究燃气锅炉中烟气再循环对NO2生成的影响，发现烟气再循环不仅会改变燃烧温度和射流速度，还会改变氧化剂组分，烟气再循环率增加有利于NO2的生成. 宋少鹏等[26]的研究表明，烟气再循环对NOx排放、燃烧稳定性及燃尽率均有重要影响，并分析烟气再循环率对NOx排放的影响机理. 栾积毅等[32-33]分别研究链条炉及燃气锅炉烟气再循环量对NOx排放的影响规律，得出最佳烟气再循环率.

烟气再循环对NOx排放主要有3个影响因素. 1）温度的影响，再循环烟气的引入，相当于惰性气体稀释炉内空气，可以降低炉内火焰温度，特别是H2O和CO2等比热较大的三原子分子[26]，炉内烟气温度降低可以减少热力型NOx的生成，进而有效抑制垃圾燃烧过程中NOx的排放；2）烟气中氧气的体积分数，采用烟气再循环可以降低助燃空气中的氧分压，进而有效降低炉内烟气中氧气体积分数，降低反应速率，同时在燃烧区域形成还原性气氛，抑制NOx生成；3）炉内扰动，烟气再循环可以加速炉内扰动，减少快速型NOx的生成. 在垃圾燃烧过程中，将引风机出口的烟气抽出代替二次风送入炉内. 如表5所示为不同再循环烟气体积流量下现场实测省煤器出口O2、CO及NOx等烟气成分分布. 表中，Z为再循环烟气调节挡板开度. 由表5可知，再循环烟气的引入，可以有效降低炉内垃圾焚烧过程中NOx的生成. 省煤器出口氧气体积分数基本相同，当烟气再循环阀门全开时，省煤器出口NOx质量浓度为126.15 mg/m3，当烟气再循环阀门全关时，省煤器出口NOx质量浓度为209.54 mg/m3，增加66.10%. 垃圾焚烧电厂炉内烟气温度通常为900~1 200 °C，热力型NOx生成较少，故垃圾焚烧电厂烟气再循环降低NOx排放的主要原因为炉内烟气中氧气的体积分数及炉内扰动的影响. 另一方面，烟气再循环技术的应用，可以增加炉内烟气扰动及湍流度，满足抑制二噁英产生的3T（temperature，turbulence，time）原则，同时，烟气再循环技术可以将尾部烟道中未分解的残留二噁英重新带入燃烧室内，进行二次分解，可能有助于降低二噁英排放质量浓度.

表 5   不同再循环烟气体积流量下省煤器出口烟气成分测试结果

Tab.5  Test results of flue gas composition on outlet of economizer with different volume flow rates of recirculating flue gas

项目 Z/% Vrec/（m3∙h−1） Vurea/（L∙h−1） φ（O2）/% ρ（CO）/（mg∙m−3） φ（CO2）/% ρ（NOx）/（mg∙m−3） θeco/°C
工况1 100 16 163.9 0 4.43 11.48 14.07 126.15 193
工况2 50 9 345.7 0 4.39 11.30 14.13 178.90 195
工况3 0 0 0 4.52 9.56 13.92 209.54 198

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4. 结　论

（1）在不同负荷下，机组总热损失中排烟热损失所占比例最大，其次为炉渣热损失. 在100%负荷工况下，总热损失中排烟热损失所占比例为77.37%，炉渣热损失所占比例为16.47%.

（2）烟气中氧气的体积分数对NOx排放影响显著，省煤器出口烟气中氧气的体积分数由4.52%增加到8.00%，省煤器出口NOx质量浓度由209.54 mg/m3升高到307.30 mg/m3，增加46.65%.

（3）烟气再循环可以增加炉内扰动，并降低燃烧区域烟气温度及氧气的体积分数，减少NOx排放. 与烟气再循环系统停运相比，当烟气再循环阀门全开时，省煤器出口NOx质量浓度由209.54 mg/m3降为126.15 mg/m3.

（4）本研究系统研究烟气再循环对焚烧炉-余热锅炉性能及NOx排放的影响，但仍有许多工作须进一步深入研究，如烟气再循环对二噁英生成及排放的影响机制，烟气再循环对电厂物料消耗及经济性的影响规律等. 对烟气再循环系统的系统研究，可为垃圾焚烧电厂经济、高效运行提供指导.

参考文献

MA W C, FANG Y H, CHEN D M, et al

Volatilization and leaching Behavior of heavy metals in MSW incineration fly ash in a DC arc plasma furnace

[J]. Fuel, 2017, 210: 145- 153

DOI:10.1016/j.fuel.2017.07.091      [本文引用: 1]

孙立, 吴新, 刘道洁, 等

基于硅基的垃圾焚烧飞灰中温热处理重金属稳固化实验

[J]. 化工进展, 2017, 36 (9): 3514- 3522

SUN Li, WU Xin, LIU Dao-jie, et al

Stabilization of heavy metals in municipal solid waste incineration fly ash using thermal treatment with silica-based material

[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2017, 36 (9): 3514- 3522

王学涛, 金保生, 仲兆平

垃圾焚烧炉飞灰熔融处理前后的重金属分布特性

[J]. 燃烧科学与技术, 2006, 12 (1): 81- 85

DOI:10.3321/j.issn:1006-8740.2006.01.017     

WANG Xue-tao, JIN Bao-sheng, ZHONG Zhao-ping

Partition of heavy metals for fly ashes from MSW incinerator before and after melting treatment

[J]. Journal of Combustion Science and Technology, 2006, 12 (1): 81- 85

DOI:10.3321/j.issn:1006-8740.2006.01.017     

魏春梅, 刘清才

飞灰熔融分离过程中重金属Cu的迁移分布规律

[J]. 西华大学学报, 2014, 33 (2): 80- 83

WEI Chun-mei, LIU Qing-cai

Study on the behaviour of Cu during melting separation process for MSW incineration fly ash

[J]. Journal of Xihua University: Natural Science, 2014, 33 (2): 80- 83

OKADA T, TOMIKAWA H

Effects of chemical composition of fly ash on efficiency of metal separation in ash-melting of municipal solid waste

[J]. Waste Management, 2013, 33 (3): 605- 614

DOI:10.1016/j.wasman.2012.08.013     

王雨婷, 汤明慧, 宗达, 等

炉排垃圾焚烧飞灰二级逆流水洗特性

[J]. 浙江大学学报: 工学版, 2019, 53 (5): 1- 7

[本文引用: 2]

WANG Yu-ting, TANG Ming-hui, ZONG Da, et al

Two-stage countercurrent water-washing characteristics of grate furnace MSWI fly ash

[J]. Journal of Zhejiang University: Engineering Science, 2019, 53 (5): 1- 7

[本文引用: 2]

李大中, 唐影

垃圾焚烧发电污染物排放过程建模与优化

[J]. 可再生能源, 2015, 33 (1): 118- 123

[本文引用: 2]

LI Da-zhong, TANG Ying

Modeling and optimization of pollutants emission of waste incineration

[J]. Renewable Energy Resources, 2015, 33 (1): 118- 123

[本文引用: 2]

李文瀚, 马增益, 杨恩权, 等

循环流化床垃圾焚烧系统电除尘飞灰和布袋飞灰特性研究

[J]. 中国电机工程学报, 2019, 39 (5): 1397- 1405

LI Wen-han, MA Zeng-yi, YANG En-quan, et al

Characteristics of electrostatic precipitator ash and bag filter ash from a circulating fluidized bed municipal solid waste incinerator

[J]. Proceedings of the CSEE, 2019, 39 (5): 1397- 1405

许崇涛, 曹阳, 武桐, 等

城市生活垃圾焚烧过程中NOx的生成与控制研究进展

[J]. 工业锅炉, 2014, 4: 1- 6

DOI:10.3969/j.issn.1004-8774.2014.04.001     

XU Chong-tao, CAO Yang, WU Tong, et al

Research progress of NOx formation and control from MSW incineration process

[J]. Industrial Boiler, 2014, 4: 1- 6

DOI:10.3969/j.issn.1004-8774.2014.04.001     

罗阿群, 刘少光, 林文松, 等

二噁英生成机理及减排方法研究进展

[J]. 化工进展, 2016, 35 (3): 910- 916

[本文引用: 1]

LUO A-qun, LIU Shao-guang, LIN Wen-song

Progress of formation mechanisms and emission reduction methods of PCDD/Fs

[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2016, 35 (3): 910- 916

[本文引用: 1]

SUVARNAKUTA P, PATUMSAWAD S, KERDSUWAN S

Experimental study on preheated air and flue gas recirculation in solid waste incineration

[J]. Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects, 2010, 32 (14): 1362- 1377

DOI:10.1080/15567030903077519      [本文引用: 1]

徐颖, 陈玉, 冯岳阳

重金属螯合剂处理垃圾焚烧飞灰的稳定化技术

[J]. 化工学报, 2013, 64 (5): 1833- 1839

DOI:10.3969/j.issn.0438-1157.2013.05.045     

XU Ying, CHEN Yu, FENG Yue-yang

Stabilization technology in treating municipal solid waste incineration

[J]. Journal of Chemical Industry and Engineering (China), 2013, 64 (5): 1833- 1839

DOI:10.3969/j.issn.0438-1157.2013.05.045     

陈波, 程治良, 全学军, 等

电絮凝法预处理垃圾焚烧发电厂渗滤液及其过程优化

[J]. 化工进展, 2011, 30 (Suppl.1): 902- 908

[本文引用: 1]

CHEN Bo, CHENG Zhi-liang, QUAN Xue-jun, et al

Pretreatment of leachate from municipal solid waste incinerator plant by electrocoagulation and process optimization

[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2011, 30 (Suppl.1): 902- 908

[本文引用: 1]

郭娟. 垃圾焚烧发电厂烟气系统优化研究[D]. 北京: 清华大学, 2014.

[本文引用: 1]

GUO Juan. Research on system optimization of the flue gas in waste incineration power plant [D]. Beiing: Tsinghua University, 2014.

[本文引用: 1]

尹航. 掺煤量及回灰量对垃圾CFB锅炉运行的影响[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2016.

[本文引用: 1]

YIN Hang. The influence of coal blending and return ash content on operation of the CFB boiler [D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2016.

[本文引用: 1]

FU Z, ZHANG S H, LI X P, et al

MSW oxy-enriched incineration technology applied in China: combustion temperature, flue gas loss and economic considerations

[J]. Waste Management, 2015, 38: 149- 56

[本文引用: 1]

王克, 张世红, 付哲, 等

垃圾炉排焚烧炉富氧焚烧改造数值模拟研究

[J]. 太阳能学报, 2016, 37 (9): 2257- 2264

DOI:10.3969/j.issn.0254-0096.2016.09.013      [本文引用: 1]

WANG Ke, ZHANG Shi-hong, FU Zhe, et al

Numerical simulation research for the oxyfuel combustion renovation of a MSW grate incineration

[J]. ACTA Energiae Solaris Sinica, 2016, 37 (9): 2257- 2264

DOI:10.3969/j.issn.0254-0096.2016.09.013      [本文引用: 1]

沈锐林. SNCR脱硝对垃圾焚烧发电锅炉效率的影响[D]. 广州: 华南理工大学, 2015.

[本文引用: 1]

SHEN Rui-lin. The effect of SNCR technology on waste incineration power boiler efficiency [D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2015.

[本文引用: 1]

XIA Z, LI J, WU T, et al

CFD simulation of MSW combustion and SNCR in a commercial incinerator

[J]. Waste Management, 2014, 34 (9): 1609- 1618

DOI:10.1016/j.wasman.2014.04.015      [本文引用: 1]

曹玉春. 流化床垃圾焚烧炉内流动和燃烧污染物生成数值模拟研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2005.

[本文引用: 1]

CAO Yu-chun. Numerical simulation of flow and combustion pollutants formation in MSW fluidized bed incinerator [D]. Hangzhou: Zhejiang university, 2005.

[本文引用: 1]

国家环境保护部科技标准司. 生活垃圾焚烧污染控制标准: GB 18485-2014 [S]. 北京: 中国标准出版社, 2014.

[本文引用: 1]

中华人民共和国住房和城乡建设部. 生活垃圾焚烧灰渣取样制样与检测: CJ/T531-2018 [S]. 北京: 中国标准出版社, 2018.

[本文引用: 1]

王智微, 刘廷钰, 刘超飞. 一种垃圾焚烧炉炉内烟气850 °C条件下停留时间的实时测量方法: 106770456B [P]. 2017-02-17.

[本文引用: 1]

FDBR working group. Acceptance testing of waste incineration plants with grate firing systems: FDBR RL 7-2013 [S]. Dusseldorf: Fachverband Dampfkessel-, Behälter- und Rohrleitungsbau e.V, 2013.

[本文引用: 1]

王亥, 郭铁生, 冯树元, 等

流化床垃圾焚烧炉中NOx的排放特性试验研究

[J]. 工业锅炉, 2005, (1): 17- 19

DOI:10.3969/j.issn.1004-8774.2005.01.002      [本文引用: 1]

WANG He, GUO Tie-sheng, FENG Shu-yuan, et al

NOx emission in fluidized bed MSW incinerator

[J]. Industrial Boiler, 2005, (1): 17- 19

DOI:10.3969/j.issn.1004-8774.2005.01.002      [本文引用: 1]

宋少鹏, 卓建坤, 李娜, 等

燃料分级与烟气再循环对天然气低氮燃烧特性影响机理

[J]. 中国电机工程学报, 2016, 36 (24): 6849- 6858

[本文引用: 3]

SONG Shao-peng, ZHUO Jian-kun, LI Na, et al

Low NOx combustion mechanism of a natural gas burner with fuel-staged and flue gas recirculation

[J]. Proceedings of the CSEE, 2016, 36 (24): 6849- 6858

[本文引用: 3]

BALTASAR J, CARVALHO M G, COELHO P, et al

Flue gas recirculation in a gas-fired laboratory furnace: measurements and modelling

[J]. Fuel, 1997, 76 (10): 919- 929

DOI:10.1016/S0016-2361(97)00093-8      [本文引用: 1]

KIM H K, KIM Y, LEE S M, et al

NO reduction in 0.03~0.2 MW oxy-fuel combustor using flue gas recirculation technology

[J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2007, 31 (2): 3377- 3384

DOI:10.1016/j.proci.2006.08.083      [本文引用: 1]

CHO E S, CHUNG S H

Characteristics of NOx emission with flue gas dilution in air and fuel sides

[J]. KSME International Journal, 2004, 18 (12): 2303- 2309

DOI:10.1007/BF02990235     

YU B, LEE S, LEE C E

Study of NOx emission characteristics in CH4/air non-premixed flames with exhaust gas recirculation

[J]. Energy, 2015, 91: 119- 127

DOI:10.1016/j.energy.2015.08.023      [本文引用: 1]

王志宁, 杨协和, 张扬, 等

燃气锅炉中NO2的生成规律研究

[J]. 化工学报, 2019, 70 (8): 3132- 3141

[本文引用: 1]

WANG Zhi-ning, YANG Xie-he, ZHANG Yang, et al

NO2 formation in natural gas-fired boilers

[J]. Journal of Chemical Industry and Engineering (China), 2019, 70 (8): 3132- 3141

[本文引用: 1]

栾积毅, 高建民, 武雪梅, 等

链条炉分区段烟气再循环对锅炉运行及NOx排放特性影响的工业试验

[J]. 热能动力工程, 2017, 32 (10): 90- 94

[本文引用: 1]

LUAN Ji-yi, GAO Jian-min, WU Xue-mei, et al

Study of the industrial experiment of the influence of the flue gases recycled into sections in a chain grate boiler on the operation and NOx emissions characteristics of the boiler

[J]. Journal of Engineering for Thermal Energy and Power, 2017, 32 (10): 90- 94

[本文引用: 1]

曾强, 刘汉周, 阎良

烟气再循环对天然气非预混燃烧NOx排放特性的影响

[J]. 燃烧科学与技术, 2018, 24 (4): 369- 375

[本文引用: 1]

ZENG Qiang, LIU Han-zhou, YAN Liang

Effect of flue gas recirculation on NOx emission characteristics of natural gas non-premixed combustion

[J]. Journal of Combustion Science and Technology, 2018, 24 (4): 369- 375

[本文引用: 1]

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