曹 侬

上海电气电站集团工程公司

0 引言

垃圾焚烧发电厂的烟气排放因其成分很多，燃烧受垃圾成分变化而变化较大且不够稳定，烟气排放的控制指标也不同于燃煤火电发电厂，特别是在NOX指标上低于后者[1]。因此，中国在2014 年修正了2001 的控制排放标准后重新制订了《生活垃圾焚烧污染控制标准》（GB18485-2014）[2]并于2016年1 月1 日起实施。该标准已和欧盟标准相一致。根据国家发展战略规划，在综合能源项目中，垃圾焚烧发电项目上马项目至2035 年占比达25%，烟气排放要求更高。因此，垃圾焚烧污染的控制技术急需提高和改进以迎合社会和市场的需要。烟气排放指标中NOX值是最难控制的，而国内和国外的控制技术不外乎是选择性催化还原脱硝法（selective catalytic reduction，SCR）、选择性非催化还原脱（selective non-catalytic reduction,SNCR）以及“SNCR+低温SCR”组合脱硝法[3～6]三种技术。SNCR 技术具有投资小、占地小、运行成本费用低等优点被许多需要改造和新建脱硝用户所采用。使用SNCR 技术，多在燃煤锅炉[7～12]和循环流化床（circulating liquid boiler，CFB）[13～20]上应用较为成熟，可以达到超低烟气排放标准[13～21]，其使用的还原剂有液氨、氨水和尿素三种。液氨属易挥发需严格规范储藏和使用，尿素成本小但水解工艺要求高，氨水则介于两则之间使用。应用在生活垃圾焚烧项目上，控制排放达到适用于垃圾焚烧的新标准，仍有别于煤电的项目。本文就以某3 台600 t/d 焚烧垃圾电厂的烟气排放控制运行情况为例，主要在焚烧调整和喷氨脱硝调整两个方面的经验给以分析，以便供垃圾焚烧炉的烟气排放控制的用户参考。

1 焚烧炉系统介绍

焚烧炉采用机械液压驱动炉排，分干燥级(2阶)、燃烧级（3 阶）、燃尽级（2 阶），一次风从垃圾池上部吸入经蒸汽空气预热器加热后再由炉排底部经由炉排干燥级-燃烧级-燃尽级共7 路经炉条两侧的缝隙吹入，且每级炉排又分左、中、右三个挡板调节进入炉排底部。二次风从锅炉房上部吸风，由二次风机加压后近辅助燃烧器下方分左右侧墙一层送入炉膛。3 台600 t/d 炉排焚烧炉，配3 台余热锅炉垃圾燃烧产生的高温烟气经余热锅炉冷却至约200 ℃后进入烟气净化系统。每套焚烧炉配一套烟气净化系统，采用“SNCR炉内脱硝+半干

法脱酸+干法喷射+活性炭吸附+布袋

除尘+SCR（预留）+活性炭吸附塔（预留）”的组合工艺（详见图1）。

从表1可以看出，垃圾的水分高，垃圾含水率为48.13%，实际运行范围在40%～55%之间。可燃物C含量低，有害物含有S,Cl等。焚烧炉正常运行时，垃圾池内有机物发酵产生污浊空气，主要污染因子为H2S、NH3、甲硫醇等。表1 为该项目的垃圾成分分析。

图1 烟气净化工艺流程图

据该炉所在地区常年的有关分析资料及检测报告，推算其垃圾低位热值在6 000 kJ/kg 左右，且一年内垃圾呈夏季热值最低，冬季最高，相差500～1 000 kJ/kg。焚烧炉在后拱上部标高约9 m 处布置有两只天然气燃烧器（单根最大容量为650 Nm3/h）供启动升温用，而在炉膛出口标高约18 m和21 m 错层分两侧各有一只辅助燃烧器（单根最大容量为2 038 Nm3/h）供垃圾热值低时助燃用。表2为该炉的技术参数。

表2 焚烧炉主要参数（单台）

2 烟气中NOX控制的理论依据

2.1 脱硝反应

SNCR法是向烟气中喷还原剂，采用氨液（20%浓度）与除盐水混合后成氨水浓度在约5%后经喷枪再空气（压力为0.7 MPa）雾化分三层喷入炉膛（见图2）：标高27.8 m分侧墙左右各3支（共6支）；标高 31.1 m 分侧墙左右各 3 支和前枪 2 支（共 8支）；标高32.8 m前墙2支。整个炉膛共设置16支喷氨枪(单支枪最大容量为12.375 L/h)入炉脱氮。喷枪水平深入，枪头进炉膛30～50 mm。

图2 氨水入炉示意图

还原剂分解产生的氨自由基与NOx反应，在还原温度时间窗口[22]（烟温在850～1 100 ℃）下，使其还原成 N2、H2O 和 CO2，达到脱除 NOx 的目的。其反应原理为：

在温度低于800 ℃时，上述还原反应速度变慢，而烟温高于1 100 ℃时，氨水会被氧化成NO[23]，脱氮率降低。

表1 设计入炉垃圾成分分析

2.2 在线监测的要求和精度

本系统的监测项目有SO2、NOx、HCl、HF、CO、CO2、粉尘、O2、H2O、NH3、烟气流量、烟气温度、烟气压力等。烟气净化系统由就地工业计算机自动控制。设有在线监测的烟气取样探测器、SO2、NOx、HCl、HF、CO、NH3、粉尘等分析仪、烟气流量计以及其它监测信息均通过传感器传送至中央控制室，经计算机根据排放控制标准进行折算后显示。

2.3 烟气净化后排放标准

表3 是国家最新（2016 年1 月起实施）烟气排放控制标准与欧盟标准的对比。

从表3 中可以看出，垃圾焚烧烟气排放的控制也是总量控制和浓度控制的原则，并分实时、小时均值、日均值的要求显示了过程控制的重要性。同时，相比欧盟标准，我国还增加了有害重金属等的排放控制指标，反映了这个标准的先进性。一般控制实时测量值应该小于日均值，则便于从总量上易于控制日均值。

3 实际检测的数据情况

3.1 生活垃圾焚烧炉的特点

现在的垃圾焚烧炉膛大，为了保证炉膛温度，投垃圾直接推送垃圾就是近满负荷的量。再者，垃圾的焚烧会因垃圾的成分复杂和水分大，焚烧垃圾不稳定，氧量变化大，较难控制在小范围波动，因为烟气监测的一次探头在烟囱的进口（见图1），尾部有许多设备的介入也使烟气流程较长到达烟囱进口。焚烧垃圾完全燃烧是需要时间的积累，所以，调节烟气排放各控制参数迟滞性也较大，一般风量调节后，NOX浓度折算显示约滞后10 min，CO显示要滞后约5 min 左右。环保部门检测的要求也高，烟囱进口的在线监测数据联网，并直接对外开放有大屏显示，从开始投用垃圾就受到全社会的监督。

一般情况下，粉尘排放只要布袋除尘投入且完好无损，基本不会超标。

SO2和HCI通过投入石灰浆系统或干粉等脱硫系统，在投入浓度达到一定标准后，一般也比较易控制。

垃圾焚烧时产生的二恶英等重金属测量指标，可通过炉膛温度出口温度不低于850 ℃和活性炭按设计量投入来控制。

困难的是NOx 的控制，虽然能根据焚烧调整和氨水喷射量来控制，根据国内同类型的焚烧炉实践：需要将氧量维持在4%～6%，但垃圾焚烧炉由于垃圾焚烧不稳定，氧量变化大，比较难控制。氧量超过6%，NOx 会增大超标，加大氨水喷射量可以控制，但炉膛温度会下降，同时氨逃逸量会上升，氧量低于4%，NOx 会明显减少，而CO 含量会剧增而超标。

表3 《生活垃圾焚烧处理污染控制标准》的日均值标准

现在的大型垃圾焚烧炉由于炉膛面积大，垃圾量70%以下无法维持炉膛温度，因此，没有特殊要求时，一般初始投料在80%以上，同时也为了节约用气，希望尽早退出燃烧器，因此往往是直接投入100%垃圾量来运行。

3.2 焚烧调整数据分析

前提条件：分析测的垃圾低位热值为7 100～7 610 kJ/kg,保持一次风压（空预器出口为1.7～2.0 kPa 投自动,炉墙冷却风占一次风比为17%投自动，二次风风门开度40%，负荷在100%(以蒸汽量为准，下同),保持喷氨量手动，使NOX不超过200 mg/m3（为实测值，下同）,标准是日测值小于250 mg/m3(一般都要求实测值严格小于日测值)，对炉排下各级一次风门调整，原则上同级三个风门保持一致调整开度，记录氧量、NOX、CO 间关系如图3 所示。

图3 氧量、NOX、CO间关系曲线

从图3 可以看出，在保证CO< 10 mg/m3,NOx<200 mg/m3的要求下，氧量在4%～6%范围是可保证NOX和CO的浓度不超标的。图4为炉排转速与负荷的关系曲线。

图4 为设计各运行工况下转速与负荷间的关系。表明自干燥级-燃烧级-燃尽级的转速与负荷匹配是同一工况下，各级转速是依次递减的，随负荷的升高，各级转速是同步增加的，这是有利于垃圾完全燃烧的。图5为在高负荷下炉排各级风量的对应关系曲线。

图4 炉排转速与负荷的关系

图5 （高）负荷与炉排下各级一次风量的关系

从图5 可以看出：随着负荷升高，一次风压趋于平稳（1.7～2.0 kPa）；干燥级 1～2、燃烧级 1和燃烧级3 的炉排下风量变动幅度（最大与最小只差，下同）较小（0.9～2.9 m/s）；燃烧级 2 的幅度为 4.4 m/s,燃尽级 1 为 5.9 m/s,最大是燃尽级2 的风量变动幅度达9 m/s，这是为了在进入除渣斗前能充分烧尽而作的配风调整以利于低NOX的燃烧。

图6 一、二次风量与氧量、NOx、喷氨量、负荷的关系

图6表明，负荷与一、二次风量的变动斜率趋于水平平行，说明它们之间变化趋势一致且波动范围小。而喷氨氨量与NOx的变化趋势较陡，说明NOx受喷氨量的变化影响较大。

3.3 喷氨调整数据分析

在焚烧调整完成后保持相关设定的自动设定并投入自动，再进行喷氨调整以最终达到排放标准为目标。图7、图8是烟气温度与NOX、喷氨量、负荷等的相关曲线。

图7 烟气温度与NOX、喷氨量、蒸汽量、烟气量的关系

图7表明，烟气量与蒸汽量的趋势是一致的，可以用烟气量或蒸汽量来作为负荷，只是前者响应快于后者。因此，再看图8，在考虑到烟温过高会引起氨水的再氧化生成NO，与投氨量过大使氨逃逸量增大以及对尾部烟道内设备的腐蚀等影响因素后，得出烟温在900～970 ℃是对NOx的排放更有利。

图8 烟气温度与NOx、负荷、喷氨量的关系

图9表明，喷氨量最适合控制的量应该在100～150 L/h，根据氨枪单只最大容量为12.375 L/h（取12）对应的喷氨枪是约9支到12支是比较经济可控的，结合现场的具体投运情况，则选择两侧墙错层投运9 支，前墙两层至少投运3 支是和试验调整的结果相吻合。

图9 喷氨量与NOx的的关系

4 结论

焚烧调整和脱硝喷氨的调整结果表明，垃圾焚烧调试随垃圾的热值变化影响较大，不同于燃煤火电脱硝操作，且排放标准的控制也低于后者，但是保持一次风压的恒定结合二风量（风门）的调整是对低氮焚烧垃圾是有益的。SNCR 脱硝调整是以喷氨按调整为主，一、二次风的焚烧调整为辅，结合烟气温度、氧量的配合响应，是可以使NOx 的浓度排放值控制在新国标的标准值以内，但是随着超低排放要求的到来，即等同于燃煤和流化床的排放标准，SNCR 的脱硝则出现瓶颈，需要“SNCR+SCR”组合法脱硝将是大势所趋。因此，本项目也预留了升级改造的接口，不失为前瞻性的设计，值得推广。