垃圾热值对焚烧炉烟气再循环运用的影响研究_龙吉生.pdf

垃圾热值对焚烧炉烟气再循环运用的影响研究*龙吉生，袁旗斌，杜海亮（上海康恒环境股份有限公司，上海201703）【摘要】垃圾分类和协同处置工业有机固废的推进，使得垃圾热值（LHV）逐步升高，进而影响烟气再循环（EGR）技术在垃圾焚烧炉中的运用效果。本研究通过理论计算、数值模拟和工程试验方法，分析了垃圾 LHV 对垃圾焚烧炉运用 EGR 系统的影响。结果表明：垃圾 LHV 高于 7 953 kJ/kg 时再循环烟气比例控制在 15%20%效果最佳，可降低炉膛平均温度约 50，减少炉膛结焦，提高运行稳定性；EGR 耦合低空气比燃烧技术能提高锅炉效率，且垃圾 LHV 越高其提高锅炉效率越明显；同时 EGR 能有效降低焚烧炉 NOx源强，可将锅炉出口 NOx控制在 100mg/m3（11%O2，干基）以下，实现焚烧炉低 NOx源强的高效清洁燃烧。【关键词】烟气再循环；垃圾热值；氮氧化物；锅炉效率中图分类号：X701文献标识码：A文章编号：1005-8206（2023）02-0077-06DOI：10.19841/ki.hjwsgc.2023.02.012Research on the Influence of Lower Heat Value on Exhaust Gas Recirculation Technology in IncineratorLONG Jisheng，YUAN Qibin，DU Hailiang（Shanghai SUS Environment Co.Ltd.，Shanghai201703）【Abstract】The advancement of waste classification and co-processing of industrial organic solid waste had graduallyincreased the lower heat value（LHV）of waste，which in turn would affect the application effect of exhaust gas recirculation（EGR）technology in waste incinerators.The influences of waste LHV on the EGR system of waste incinerators throughtheoretical calculations，numerical simulations and engineering test methods were analyzed.The results showed that when thewaste LHV was higher than 7 953 kJ/kg，the best effect was to control the proportion of EGR at 15%20%，which couldreduce the furnace temperature about 50，reduce the coking of the furnace and improve the operation stability.EGRcoupled with low air ratio combustion technology could improve the boiler efficiency，and the improvement effect was moreobvious with higher waste LHV.At the same time，EGR could effectively reduce the source strength of NOxin theincinerator，and the NOxcould be controlled below 100 mg/m3（11%O2，dry basis）at the outlet of boiler.To achieve high-efficiency and clean combustion with low NOxsource strength in the incinerator.【Key words】exhaust gas recirculation；lower heat value of waste；NOx；boiler efficiency*基金项目：国家重点研发计划项目（2020YFC1910100）收稿日期：2021-12-22；录用日期：2022-04-041引言随着经济快速发展，人民生活水平大幅提高，生活垃圾和工业有机固废的产生量迅速增长，环境隐患日益突出。生活垃圾分类由重点城市推广至全国，入炉垃圾低位热值（Lower Heat Value，LHV）上升1-2，同时工业有机固废由垃圾焚烧设施协同处置时，进一步提高了入炉垃圾 LHV。入炉垃圾理化特性开始发生转变，垃圾焚烧炉的清洁高效稳定运行面临更高挑战。烟气再循环（ExhaustGasRecirculation，EGR）3 是将净化后的烟气再循环送至焚烧炉内，代替部分二次风，在焚烧炉内部分区域形成还原性气氛，配合低空气比燃烧技术降低炉内氧含量4，从源头减少 NOx生成5，减少焚烧炉排烟热损失，提高锅炉蒸发量6。再循环比例是影响 EGR 应用效果的主要因素，其与焚烧炉的燃烧控制及脱硝效果等的密切关系已有研究7，需根据垃圾特性和焚烧炉燃烧工况，实时调整再循环比例。而入炉垃圾 LHV 则是影响再循环烟气量的关键因素。在入炉垃圾 LHV 较低时，为保证炉膛温度满足 850、2 s 的环保要求，再循环烟气量受到限制，EGR 的运用效果就存在较大差异，且再循环烟道及风机等更易出现腐蚀问题。因此，本研究重点关注垃圾 LHV 对 EGR 技术运用的影响。通过理论计算和数值模拟8-9分析垃圾 LHV第 31 卷第 2 期2023年4月环境卫生工程Environmental Sanitation EngineeringVol.31 No.2Apr.2023热化学处理与烟气污染控制环境卫生工程2023 年 4 月第 31 卷第 2 期对 EGR 技术在垃圾焚烧炉运用的影响，并在 LHV差异较大的两个国内垃圾焚烧发电厂进行了工程试验，对比分析了 LHV 对 EGR 技术运用效果的影响，具体体现在温度场、锅炉效率和脱硝效果等方面。2研究方法2.1理论分析基于垃圾焚烧炉的热平衡，分析再循环烟气比例、LHV 和炉膛温度之间的关系。基于焚烧炉及余热锅炉整体的热平衡，分析再循环烟气比例与锅炉蒸发量（或锅炉效率）之间的关系，从而获得 EGR 对锅炉效率、脱硝效果及垃圾 LHV 的影响。焚烧炉的输入热量主要有：垃圾输入热量 Q1、垃圾汽化热量 Q2、一次风带入的热量 QPA、二次风带入的热量 QSA、漏入空气的热量 QLA以及再循环烟气带入的热量 QEGR。焚烧炉的输出热量主要有：焚烧炉出口（二次风断面）的烟气热量 Qe、炉渣带走的热量 Qa、飞灰带走的热量 Qd、未燃物热量Qu、炉体辐射热 Qr及与其相连接的余热锅炉吸收的热量 Qb。由焚烧炉输入和输出热量平衡（Qin=Qout）计算可得焚烧炉出口的烟气热量：Qe=LeTeSe=（Le0+LEGR）TeSe=LHVR+LEGRTEGRSEGR+Qel（1）式中：Le0、LEGR、Le分别为垃圾焚烧本身产生的烟气量、再循环入炉的烟气量以及垃圾焚烧烟气和再循环烟气的总出口烟气量，m3/h；Te、TEGR分别为焚烧炉出口二次风断面温度（简称焚烧炉出口温度）和烟气再循环温度，；Se、SEGR分别为焚烧炉出口总烟气和再循环烟气的比热，kJ/（m3）；R 为入炉垃圾焚烧量，kg/h；Qel=Q2+QPA+QSA+QLA-（Qd+Qa+Qu+Qb+Qr），kJ；LHV 为入炉垃圾热值，kJ/kg。对式（1）进行微分，可得 Te、LHV 和 LEGR的关系分别为：TeLHV=R(Le0+LEGR)Se0（2）TeLEGR=-LHVR+Qel-Le0TEGRSEGR(Le0+LEGR)2Se0（4）由式（2）、（3）、（4）可知，再循环烟气量和焚烧炉出口温度均与入炉垃圾 LHV 成正比，而焚烧炉出口温度与再循环烟气量成反比。因此，运用 EGR 可控制因 LHV 升高出现的焚烧炉超温问题，抑制炉膛结焦，提高运行稳定性；同时，在炉膛内形成的局部低空气比燃烧区域中的温度和氧含量较低，对 NOx的抑制作用明显。由焚烧炉及余热锅炉整体的热平衡可得锅炉有效吸收热量 Qeff和锅炉蒸发量 G 的计算公式：Qeff=Qin-（Qd+Qa+Qu+Qr）-（Qlg+Qle）（5）G=Qeff(hs-hw)+(hbb-hw)b（6）式中：Qlg为余热锅炉省煤器出口排烟损失，kJ；Qle为余热锅炉热辐射散热损失，kJ；hs、hw、hbb分别为锅炉出口蒸汽、省煤器入口锅炉给水和锅炉排污水的比焓，kJ/kg；b 为锅炉排污率，%。由式（5）和（6）可知余热锅炉省煤器出口排烟损失越小，锅炉有效吸收热量和锅炉蒸发量越大。而入炉垃圾 LHV 提高，炉内垃圾燃烧更稳定，更容易实现低空气比燃烧，降低余热锅炉省煤器排烟量，降低排烟损失，从而增大锅炉蒸发量、提高锅炉效率。而从布袋除尘器出口 150 的烟气再循环送入焚烧炉后，从省煤器以 190210 的温度输出，反而增大了锅炉排烟损失，降低了锅炉有效吸收热量，从而降低锅炉蒸发量和锅炉效率。因此，越高的垃圾 LHV 越易实现低空气比燃烧，越易抵消 EGR 本身降低的锅炉效率。2.2数值模拟本研究针对我国 A 项目进行 EGR 系统的方案设计，该项目处理生活垃圾总规模为 2 250 t/d，设置 3 台（#1、#2、#3）750 t/d 的机械炉排炉。焚烧炉及余热锅炉采用三维全尺寸建模，对模型进行分块网格划分，燃烧室和一烟道采用结构化六面体网格，焚烧炉喉口处的 EGR 喷嘴和二次风喷嘴附近以及二、三烟道采用四面体网格，并对EGR 喷嘴和二次风喷嘴附近网格进行局部加密。本研究应用 FLIC-Fluent 耦合计算方法，FLIC计算床层燃烧过程，Fluent 计算气相燃烧过程。对于垃圾焚烧炉内气相燃烧和流动的模拟，湍流模型采用 k-epsilon 模型，湍流-化学反应相干模型采用有限速率/涡耗散化学反应模型，压力速度耦合采用 SIMPLE 算法进行求解。一次风和二次风的输入采用质量流率进口边界条件，第一烟道出口采用压力出口流动边界条件，不同壁面采用不同的换热条件设定。78LIN Zheng，QI XiaobaoAbstract：Keywords：龙吉生，等.垃圾热值对焚烧炉烟气再循环运用的影响研究2.3工程试验方案本研究在焚烧炉规模（750 t/d）、设计热值（7 953 kJ/kg）和余热锅炉主蒸汽参数（6.4 MPa、485）等设计参数均相同的两个项目 A 和 B 开展了为期 1 个月的工程试验，试验选取实际入炉垃圾热值差异较大的 A 和 B 项目的#1、#3 焚烧线作为研究对象。在工程试验项目上，垃圾处理量采用垃圾吊称量系统称量、温度采用 K 分度铠装热电偶测量、主蒸汽采用长颈喷嘴流量计测量、氧含量采用氧化锆测量、污染物浓度采用烟气在线监测系统（CEMS）测量、氨水流量采用电磁流量计测量。据此测量并收集两个项目共 4 条焚烧线为期 1 个月稳定运行的实测数据，可作为平行试验的平均数据。根据实测运行数据，由焚烧炉及余热锅炉热平衡反推算出入炉垃圾 LHV 和锅炉效率。工程试验期间，同项目的#1、#3 两条焚烧线垃圾焚烧量基本保持一致，其中，#3 焚烧线均为投运 EGR 系统的试验组，#1 焚烧线均作为不投运EGR 系统的对照组。两条焚烧线的设计和运行关键参数对比见表 1。A 项目的实际垃圾 LHV 为 6 404 kJ/kg，远低于设计热值，实际 EGR 比例 5%10%也低于设计值；而 B 项目的实际垃圾 LHV 为 8 246