低氮燃烧(VLN)技术在垃圾焚烧锅炉的成功应用

低氮燃烧（VLN）技术在垃圾焚烧锅炉领域中的成功应用作者：王东风（安徽金鼎锅炉股份有限公司，安徽芜湖241001）ApplicationofVLNTechnologyinMSWBoilerIndustryWangDongfeng,YeRuiandMouLiqun(AnhuiJindingBoilerCo.,Ltd.,Wuhu,Anhui,241001)摘要：低氮燃烧技术（VLN）主要采用空气分级(EAS)和烟气再循环(IGR)来实现的，对于以城市生活垃圾为燃料的锅炉，为了达到NOx排放要求，通常在炉内采用选择性非催化还原（SNCR）方法进行脱氮处理，即在没有催化剂情况下，通过在900℃到1100℃高温炉膛内喷入氨水或尿素，来降低烟气氮氧化物含量的一种方法。采用低氮燃烧技术后，不仅使NOx达标排放，而且运行过程中的氨水或尿素用量大大降低了，减少了废转能（WtE）工厂的运营成本。关键词：低NOx燃烧技术（VLN）；空气分级(EAS)；烟气再循环(IGR)；NOx排放计算模型0前言《生活垃圾焚烧污染控制标准》（GB18485—2014）已于2014年5月10日发布，7月1日实施。对于NOx排放限值，“14标准”小时均值为300mg/Nm3（24小时均值为250mg/Nm3），“01标准”小时均值为400mg/Nm3，从数值上来看，“14标准”对NOx排放限值大幅度的提高了。为了控制运营成本，目前国内已运行的生活垃圾焚烧厂很少设置专门的脱氮装置，烟气中的NOx排放浓度一般可控制在300~400mg/Nm3，能够满足“01标准”。目前在运营的或正在建设的城市垃圾焚烧发电厂，若要达到“14标准”中300mg/Nm3的排放限值，必须采用专门的脱氮设备，或采用专门的脱氮设备和低氮燃烧技术相结合。1NOx的生成途径燃料在燃烧过程中，生成NOx的有三个途径：燃料型（Fuel）NOx、热力型（Thermal）NOx和快速型NOx（Prompt），三种NOx在燃料燃烧过程中的情况很不相同，在城市生活垃圾燃烧过程中也不例外。热力型NOx，是由空气中氮气在高温下氧化而生成的NOx。在燃烧温度小于1350℃时，几乎没有热力型NOx，只有当燃烧温度超过1500℃，热力型NOx才可能占到15％～25％。快速型NOx，是空气中的氮和燃料中的碳氢离子团如CH等在燃烧时发生反应而产生的NOx，快速型NOx所占比例一般不到5％。第一作者：王东风高级工程师，现任安徽金鼎锅炉股份有限公司总工程师，从事城市生活垃圾、生物质可再生能源焚烧锅炉以及各类余热锅炉的研发工作。燃料型NOx，是燃料中含有的氮化合物在燃烧过程中先热解接着又氧化而产生的NOx，占NOx总生成量的绝大部分。由于垃圾炉内燃烧温度一般在1000℃以下，热力型NOx和快速型NOx几乎可以忽略，因此，控制垃圾焚烧锅炉NOx排放的措施主要是如何控制燃料型NOx。2低NOx燃烧技术主要采用以下关键技术：2.1空气分级(EAS)低NOx燃烧技术垃圾在过量空气系数（EAL）α1的配风状态燃烧时，55％～65％的燃料型NOx是来自挥发分N；而在α1的缺氧状态燃烧时，由挥发分N生成的NOx程度会大幅度降低。因此，利用挥发分N转化为NO时对配风比十分敏感这一特点，在垃圾燃烧过程的一定阶段和一定区域，设法建立α＜1的缺氧燃料燃烧区，使燃料氮在其中尽可能多的转化成挥发分N，从而在还原性气氛下促使燃料氮转变成为分子氮（N2）。根据燃烧特性的这一基本原理，在生活垃圾燃烧第一阶段，将炉排供入炉膛的一次风（Underfireair）空气量减少到相当于理论空气量的80%左右，使燃料先在缺氧的燃烧条件下燃烧。此时，第一级燃烧区内过量空气系数α1，因而降低了燃烧区内的燃烧速度和温度水平，延迟了燃烧过程，而且在还原性气氛中降低了生成NOx的反应率,抑制了NOx在这一燃烧区中的生成量。完全燃烧所需的其余空气通过在炉排上方的二次风（Overfireair）与第一级燃烧区在缺氧燃烧条件下所产生的烟气混合，在α1的条件下使燃料在燃烬区完全燃烧，从而完成整个燃烧过程。空气分级低NOx燃烧技术，也就是燃料的两段燃烧，即，缺氧燃烧阶段和富氧燃尽阶段。2.2烟气再循环(IGR)低NOx排放技术生活垃圾中含有氮的有机化合物在燃烧过程中，特别是缺氧燃烧时，首先热裂解产生CN、HCN和NHi等中间产物基团，称之为挥发分N。挥发分N析出后仍残留在焦碳中的氮化合物，称之为焦碳N。在垃圾燃烧温度为900～1000℃的条件下，燃料N的70％～85％会转化成挥发分N。挥发分N在火焰中与烟气中所产生的大量O、OH和O2等原子团反应生成NCO、NCO再进一步氧化生成NO。如果采用烟气再循环技术，那么这时候的中间产物基团就会与再循环烟气中的NO发生还原反应，也就是把烟气里的NO还原成N2。烟气再循环低NOx排放技术，就是对挥发分N由传统的氧化过程转变成还原过程，从而形成对NOx生成的抑制与破坏机理。从燃料型NOx的生成和破坏机理可知，为了减少燃料型NOx，不仅要尽可能地抑制NOx的生成，而且对已生成的NOx，则要创造条件尽可能地促使NOx的破坏和还原。3低NOx燃烧技术在金鼎锅炉中的应用金鼎锅炉在城市垃圾焚烧锅炉的研发上做了大量工作，形成了日处理城市垃圾240~900吨系列产品。其“城市生活垃圾焚烧发电锅炉关键技术研发及应用”获得省科技进步二等奖。国内垃圾焚烧领域，一般采用中压、中温参数（4.0Mpa，400℃），而金鼎在高压、高温参数上率先在北美市场获得突破，先后整机出口一台美国夏威夷900TPD（6.3Mpa，445℃）锅炉和两台加拿大多伦多240TPD（9.0Mpa，500℃）锅炉。出口锅炉的各项性能指标均达到北美和欧盟标准。对新型的低氮燃烧锅炉，燃烧室内采用三个通道，整个炉型呈“Π型”结构。为了充分降低生活垃圾在燃烧过程中二恶因的原始排放，锅炉整体结构严格按照“3T+E”原则设计（Temperature、Time、Turbulence及Excessair），保证在燃烧室第一通道的烟气燃烧温度大于850℃，烟气停留时间大于2s。第一通道前后分别布置了二次风（OFA）和内部烟气再循环（IGR）。在结构设计上，二次风来自一次风机（UFA），常温配风；再循环的烟气取自于炉排后拱上部，每个炉排纵向单元设置一个烟气取气口。再循环烟气占总烟气量的20~22%，采用独立的循环风机，强化燃烧动力场、提高了紊流强度。后拱上方带有氮氧化物的烟气温度约为300℃，被作为混合剂再次喷进炉膛折焰角标高处。在折焰角标高处，炉膛缩减到约为整个炉膛深度的25%，以便能进一步改善烟气紊流及反应条件，使整个炉内的NOx与中间产物基团充分混合，更为有效地达到了抑制NOx的生成和促使NOx的还原作用；另外，结合低氮燃烧，炉内采用了选择性非催化还原（SNCR）系统，此紊流也会明显地提高喷射炉内的氨水与烟气中NOx进一步还原的效率，减少了氨水的逃逸率。低氮氧化物工艺系统另一优点，在于在整个炉内燃烧段，综合过量空气系数（α=1.5）相对较低，这使得能量利用率得到提高，烟气处理成本相对较低。与过量空气系数较高的（α=1.8~2.0）传统废转能（WtE）工厂相比，来自鼓风机的空气流量和通过引风机排出的烟气流量分别降低了约15~18%，减低了鼓风机和引风机的负荷和电耗。另外，由于炉膛中烟气量减少，炉膛和对流受热面烟气速度相对降低，只有较少的飞灰携带至烟气处理系统。4NOx排放计算模型评估和实际运行分析以城市生活垃圾为燃料的锅炉原始排放污染物中的SOx和HCL，用经验公式很容易计算出来，但对于污染物中的NOx排放，则很难用经验公式计算出来。综合燃烧的各方面因数，锅炉所排放的NOx(NO+NO2+N2O)的计算模型为：NOx=f{Fuel,Temperature,Time,Geometry,IGR,EAS,EAL}通过计算模型评估和实际运行分析，金鼎出口到北美的城市垃圾焚烧余热锅炉，在100%MCR工况时，NOx排放日均值（标准状态，O211%，干烟气）如下：（1）如垃圾燃料中的N含量小于等于0.5%，在炉内关闭SNCR时（停止喷氨），锅炉原始排放量小于180mg/Nm3；在炉内开启SNCR时（炉内喷氨），锅炉原始排放量小于120mg/Nm3，氨逃逸量小于6-12mg/Nm3。（2）如垃圾燃料中的N含量小于等于1.8%，在炉内关闭SNCR时（停止喷氨），锅炉原始排放量小于250mg/Nm3；在炉内开启SNCR时（炉内喷氨），锅炉原始排放量小于150mg/Nm3，氨逃逸量小于6-12mg/Nm3。该产品设计，采用SNCR脱氮设备和低氮燃烧技术相结合，不仅使NOx达标排放，而且实际运行过程中的氨水或尿素用量也大大降低，甚至可以关闭SNCR（停止喷氨）。虽然IGR风机也存在一定的耗电量，综合比较还是优于单独采用SNCR运行成本。5结束语根据国内外的经验，焚烧设施的烟气处理系统建设成本是总投资的30-50%，其中烟气脱硝占总投资的10-15%。按《“14标准”编制说明》中的氨气的消耗成本估算，对于日处理600吨的废转能工厂，若1Nm3烟气中减排NOx计250mg，采用SNCR，每吨垃圾的处理成本增加近10元；如果当地政府吨垃圾按60元给予补贴，那么仅仅脱氮的运营成本就占据了整个垃圾补贴费用的六分之一。这是一个很庞观的数据，可见低氮燃烧技术对于工厂经济运行的重要性。