低氮燃烧VLN技术在垃圾焚烧锅炉的成功应用

低氮燃烧（V L N ）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）
Application of VLN Technology in MSW Boiler Industry
Wang Dongfeng, Ye Rui and Mou Liqun
(Anhui Jinding Boiler Co., 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》（GB 18485—2014）已于2014年5月10日发布，月1日实施。

对于NOx 排放限值，“14标准”小时均值为300 mg/Nm 3（24小时均值为250 mg/Nm 3），“01标准”小时均值为400 mg/Nm 3，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/Nm 3，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/Nm 3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。

1 NOx 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％。

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。

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％。

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）α>1的配风状态燃烧时，55％～65 ％的燃料型NOx是来自挥发分N；而在α<1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（Underfire air）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α< 1，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（Over fire air）与第一级燃烧区在缺氧燃烧条件下所产生的烟气混合，在α> 1 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Excess air），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
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。