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摘要：在垃圾焚烧系统中，燃烧空气系统对整个垃圾焚烧系统起着非常重要的作用，它提供燃料燃烧所需要的氧气，使垃圾能充分燃烧，并根据垃圾的热值变化调节用量，使焚烧系统能长期稳定运行，保证烟气充分混合，并使炉排和炉墙得到有效冷却。燃烧空气系统主要由一次风、二次风、侧墙冷却风组成，随着炉排技术的不断发展，近年来越来越多的研究发现，在焚烧炉的适当位置采用低氧燃烧控制，可以有效降低炉膛中的氮氧化物生成量，从而降低了后续烟气脱硝系统的压力，节省电厂运行成本。
关键词：生活垃圾；低氧燃烧；氮氧化物；焚烧炉；烟气再循环技术；
前言：
随着机械式炉排焚烧技术的发展成熟，对垃圾燃烧系统的实验和研究发现，燃烧空气的配置方式和比例，对于焚烧炉出口的烟气污染物浓度影响较大，进而影响到烟气净化系统的运行性能和电厂经济性。据不完全统计，对同样处理规模的两条垃圾焚烧线，在引用了低氧燃烧和烟气再循环技术后，炉膛出口的氮氧化物和粉尘的原始浓度均有明显下降，进而使氮氧化物脱除使用的还原剂用量下降，烟气飞灰含量有所下降，烟气净化系统的年运行成本可降低约52万。这对于垃圾焚烧电厂来说，国家对环保的管控越来越严格，而经济补贴却在不断下滑的情况下，垃圾焚烧系统本身的运行经济性能就显得尤其重要，对电厂来说降本提效也是其长远发展的根本性策略。
一、低氧燃烧与氮氧化物的生成
实验研究认为，在1400℃以上，空气中的N2 即与O2反应生成热力型NOx。通过控制焚烧区域的最高温度低于1400℃，并且减少“局部过度燃烧”的情况发生，即可控制这部分热力型NOx的生成。由于垃圾中某些高热值燃料（如塑料、皮革等）容易集中在炉膛中某一区域燃烧，造成该区域的局部温度可能超过1400℃，从而增加NOx的生成量。此时，通过向该区域送入低氧量的燃烧风，调节助燃空气分布方式，则能适当降低高温区O2浓度，从而起到调节炉膛温度分布的作用，有效减少N2和02在高温段的合成反应，控制氮氧化物的生成。低氧调节燃烧是一种非常经济有效的控制NOx生成的方式，其使用效果已经在多个电厂运行中得到验证。
二、烟气再循环系统
低氧燃烧主要通过调整燃烧风比例以及配风形式来实现。传统的垃圾焚烧炉排的燃烧风主要通过燃烧空气的供给按照一定比例分配，以一次风和二次风的形式送入炉膛作为燃烧氧量的补给。燃烧空气量的计算应根据垃圾热值以及炉膛设计绝热温度进行热平衡和质量平衡计算来选择确定，对于机械式垃圾焚烧炉排炉来说，过量空气系数大约取1.25~2.0之间，垃圾热值越高，燃烧氧量可以控制越低，从而有利于燃烧的控制。一次风从炉排底部渣斗位置给风，一方面补充燃烧氧气，同时起到冷却炉排作用，防止燃烧结焦和炉排片超温。二次风从焚烧炉燃烧室上方给风，控制燃烧室出口烟温，同时通过扰流作用，阻挡未燃尽的部分飞灰回落到燃烧室进一步燃烧，有效降低烟气中的飞灰量。这种焚烧炉排的配风设计在过去的垃圾电厂运行中，获得了很好的运行效果，然而随着垃圾热值的逐年增高，焚烧炉受热面的污染随着使用时间的增加而越发严重，这种情况下，导致了焚烧炉的炉膛温度随着运行时间增加而不断上升，出现了炉墙结焦，氮氧化物产生量逐渐升高的趋势。
为了适应垃圾热值升高和受热面运行方面带来的问题，进一步控制好炉膛的温度和氧量就显得格外重要了。因此，经过大量的研究后，垃圾焚烧炉开始引入了烟气再循环系统，通过从烟气系统的尾部引回部分低含氧量的烟气替代部分燃烧空气，一方面可以控制焚烧炉出口位置的局部高温，起到冷却作用，另一方面由于引回的再循环烟气中含氧量很低，仅为4%~8%，远低于空气中21%的含氧量，从而使氮氧化物的生成得到有效控制。
烟气再循环通常的做法是：从布袋除尘器出口或者引风机的出口抽取10~20%左右的干净烟气代替部分或者全部的二次风，从焚烧炉吼口位置喷入焚烧炉，一方面改善炉膛内的烟气温度场，流场，降低高温区温度，增加对焚烧炉出口烟气扰流，另一方面营造了缺氧燃烧环境，形成还原性气氛，将一次燃烧生成的燃料型NOx部分还原，降低NOx生成大约20%左右.根据垃圾热值和炉膛燃烧工况不同，配合适当的二次风量控制，进一步确保未燃尽的可燃气体二次充分燃烧，并满足850℃/2S的燃烧控制要求，则可确保二噁英排放和CO排放的总体控制。
三、再循环烟气量比例的确定
根据已运行电厂的相关经验，机械式垃圾焚烧炉排的燃烧风系统配风比例大约为一次风占比73%，二次风占比13.5%，再循环风占比13.5%，根据垃圾热值和焚烧炉炉膛温度情况，可对二次风和再循环烟气的配比进行运行调整，以达到最佳的氮氧化物生成量控制效果。
四、新建焚烧炉再循环烟气系统设计
对于新建的垃圾焚烧炉来说，目前大多数厂家均采用了再循环烟气与二次风分别独立给风系统，便于对两者进行运行调整。根据再循环风低氧量特点，一般注入焚烧炉喉口缩径位置，从炉前侧和炉后侧位置，采用均匀分布的若干个喷嘴喷入，从而形成风堵扰流，降低炉膛燃烧区氧浓度，增加焚烧炉出口扰流混合，同时对炉膛高温区进行冷却调节，从而达到有效控制热力型NOx生成目的。二次风则通常布置在再循环风口的上方，作为炉膛分级燃烧的补充，确保未燃尽的可燃气体充分燃烧，减少CO排放。
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新建焚烧炉二次风和再循环风喷口位置设计
五、再循环烟气系统改造设计
对于已运行的焚烧炉来说，若要按照新建机组的型式进行再循环烟气系统改造则需要对焚烧炉本体部分进行重新设计，则涉及到炉墙、钢结构、受压件改造等，难度非常大。而对于这部分焚烧炉来说，再循环烟气系统的改造需求却是非常迫切的，那么如何通过更简洁的办法来引入再循环烟气系统的改造呢？下面以上海的某垃圾焚烧厂再循环烟气系统改造案例来对已投运的垃圾焚烧炉排再循环烟气系统改造进行分析。
为避免对焚烧炉本体进行设计改造，初步确定采用将再循环烟气引入二次风系统混合，再经二次风喷嘴均匀喷入炉膛位置。
按照以上原则进行再循环风系统的改造，又可分为以下两种方式进行操作：方式1：将再循环烟气引入二次风给风母管，如图1所示：
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图1 再循环烟气引入二次风母管
方式2：再循环风采用独立风管给到炉前炉后的位置，并将原二次风母管连接的部分喷嘴进行改造，与再循环风母管连接，将再循环风与二次风分别送入炉膛，如图2所示。按照此方式进行改造后，炉膛内布风分配如图3所示。
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图2：再循环烟气独立母管引入炉膛
按照方式2进行改造，则需要在炉前和炉后位置分别增加再循环风母管，并将原二次风管连接的喷嘴管道及附件切割后，接入再循环风母管。
经分析，再循环风的注入口主要利用原二次风注入口送入炉膛，注入口与新建电厂的再循环风注入位置接近，位于焚烧炉的喉口缩径位置.但二次风与再循环烟气布置在同一焚烧炉截面层，并不存在分级燃烧控制的问题，为避免因二次风和再循环风之间存在的氧量差和温差，导致该部位出现局部不均匀燃烧状况，从而达不到最好的燃烧控制效果，因此建议采用改造方式1，将二次风与再循环烟气预先进行混合调节，使最终进入炉膛该区域的风温和氧量呈均匀状态，更有利于炉内的燃烧分布。
综上分析，从案例项目的实际情况出发，其再循环烟气的改造方案确定为：将从引风机出口的烟气，经再循环风机抽取增加后，引入二次风的母管位置，经管道混合后从原二次风喷嘴，均匀送入炉膛，达到烟气再循环系统改造的NOx控制目的。
六、再循环烟气系统设备配置
根据以上分析，再循环烟气系统设计通常是从引风机的进口或者出口位置引出一路干净烟气并送回到炉膛位置。为实现这一功能，再循环烟气系统至少应配置设备包括再循环的烟气管道，进出口开关阀门，调节阀门及烟气测量相关仪表，以及克服系统进出口阻力的再循环风机。
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图3：方式2中的再循环风与二次风喷嘴改造
为便于系统调节再循环风量和二次风量，可采用变频离心风机作为再循环风机，在风机入口管路上配置隔断阀，调节风门，在风机出口管路上配置流量测量装置、测温热电阻、压力测量仪表，开关阀门等。
由于再循环烟气为高温带腐蚀性气体，要求风机具备长期耐高温（200℃以上），耐腐蚀和耐磨损性能优异，同时一定要确保风机风箱的密封性能良好，底部需设置易排水的疏水槽，以保证机壳底部无冷凝积水等发生。
结束语
经过多年的实践探索，证明了低氧燃烧对于生活垃圾焚烧炉在氮氧化物生成总量的控制方面是切实有效，并且经济性很高的一种手段。低氧燃烧的实现途径则是配置合理的烟气再循环系统，目前对于大多数新建的生活垃圾焚烧项目，均已经考虑配置了烟气再循环系统，以适应垃圾热值变化所带来的焚烧系统变化。而对于已运行的垃圾焚烧项目，通过再循环烟气与二次风系统合并，甚至采用再循环烟气直接取代二次风的系统改造方法，也通过实际运行被证明了是可以达到有效减少氮氧化物生成，降低烟气系统脱硝运行费用的一种有效手段，值得在大多数的垃圾焚烧电厂进行大力推广的焚烧炉系统技术。
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