燃煤循環(huán)流化床鍋爐摻燒生活垃圾研究綜述

趙中華，張緒輝，張利孟，王海超，董信光

（1.山東電力研究院，山東 濟(jì)南 250003；2.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003）

0 引言

近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，城市生活垃圾產(chǎn)生量日益增多。根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)年鑒，2014—2018年，全國城市生活垃圾無害化處理率由91.8%提升到99.0%，無害化處理主要以衛(wèi)生填埋和焚燒為主［1］，尤其是垃圾焚燒，近些年所占比重越來越多。然而，我國垃圾成分非常復(fù)雜，含水率高，熱值低［2］，導(dǎo)致燃燒不充分，極易產(chǎn)生二次污染物尤其是二英，此類污染物屬于致癌物質(zhì)，物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、不易分解，對環(huán)境危害極大。2014—2018 年全國城市生活垃圾無害化處理量如圖1 和表1所示。

表1 2014—2018年全國城市生活垃圾無害化處理數(shù)據(jù)單位：萬t

圖1 2014—2018年全國城市生活垃圾無害化處理量

將垃圾制成垃圾衍生燃料（Refuse Derived Fuel，RDF），作為燃煤鍋爐、水泥窯爐的燃料，不僅可以提高垃圾的熱值與燃燒穩(wěn)定性，同時(shí)，可以利用煤中含有的一些成分或混燒過程中產(chǎn)生的某些成分抑制垃圾焚燒過程中二英等有害物質(zhì)的產(chǎn)生［3］。以上城市生活垃圾與煤混合燃燒的優(yōu)勢決定了燃煤鍋爐摻燒生活垃圾的方式是一種很有前景的垃圾資源化利用技術(shù)，而循環(huán)流化床固有的特點(diǎn)使其相對于其他燃燒技術(shù)在控制污染物生成方面具有不可比擬的優(yōu)勢［4］。

1 燃燒特性

我國城市生活垃圾成分復(fù)雜，而且隨地域和季節(jié)的不同變化很大。垃圾衍生燃料是將城市生活垃圾中玻璃、金屬等不燃物篩選出，對剩余的廢塑料、紙屑等可燃廢棄物進(jìn)一步粉碎、干燥后加工制成的燃料。加工后的燃料具有熱值高、燃燒穩(wěn)定的特點(diǎn)，而且便于運(yùn)輸，儲存期可達(dá)6～12個(gè)月［5］。

城市生活垃圾與煤混燒時(shí)的燃燒曲線與煤單獨(dú)燃燒時(shí)相似，主要分為三個(gè)階段：第一階段是水分的析出干燥階段，此階段為吸熱階段；第二階段是揮發(fā)分的析出和燃燒階段；第三階段是固定碳的燃燒和燃盡階段，燃燒完全后剩下的就是不能燃燒的灰分［6］。劉晶晶利用熱重分析儀對生活垃圾與煤混合試樣的燃燒特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明生活垃圾能改善煤的燃燒性能，混合燃料中隨著生活垃圾摻入量的增加，熱重曲線向低溫區(qū)轉(zhuǎn)移，燃盡點(diǎn)逐漸降低，綜合燃燒特性指數(shù)明顯增大［7］。

尹航等通過Aspen Plus 模型模擬分析及在垃圾循環(huán)流化床（Circulating Fluidized Bed，CFB）鍋爐上進(jìn)行實(shí)際運(yùn)行測試，結(jié)果顯示仿真模擬與實(shí)際測試結(jié)論基本一致，垃圾摻燒對鍋爐運(yùn)行參數(shù)具有一定的影響：隨著垃圾與燃煤的質(zhì)量摻燒比增大，垃圾CFB 鍋爐的床溫降低、排煙溫度升高、鍋爐熱效率和鍋爐蒸發(fā)量下降［8］。蔣旭光等研究煤與垃圾在循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)混燒時(shí)，也發(fā)現(xiàn)燃燒效率較煤單獨(dú)燃燒時(shí)低，但可以通過提高床溫溫度、增加過量空氣系數(shù)等運(yùn)行方式，提高燃燒效率［9］。柏繼松研究發(fā)現(xiàn)，由于RDF 中含有較高的揮發(fā)分，析出后被一次風(fēng)帶到爐膛上部燃燒，導(dǎo)致稀相區(qū)溫度升高，使沿爐膛高度方向上的溫度分布變得更加均衡［10］。

陳峰在1 臺75 t/h 的循環(huán)流化床鍋爐進(jìn)行垃圾與煤的混合試燒試驗(yàn)分析，垃圾添加量為5%和10%，通過對鍋爐運(yùn)行參數(shù)48 h 連續(xù)監(jiān)視，混合燃料試燒過程中，鍋爐系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，各運(yùn)行參數(shù)與原煤工況比無顯著差別［11］。楊康利用熱重曲線和混燒試驗(yàn)過程中NOx與CH4的釋放特性曲線，發(fā)現(xiàn)RDF摻入最佳配比為20%，其混合物揮發(fā)分析出速率最快，NOx的峰值排放濃度較低［5］。Suksankraisorn 等推薦燃煤循環(huán)流化床混燒垃圾的替代率為20%［12］。Wan等通過在1 臺130 t/h 燃煤循環(huán)流化床摻燒RDF 試驗(yàn)研究，推薦垃圾摻燒比為30%［13］。

2 飛灰特性

垃圾焚燒產(chǎn)生的飛灰處理難度和危害都是極大的，其浸出毒性、重金屬含量及化學(xué)形態(tài)、固化穩(wěn)定化處理等一直是研究的熱點(diǎn)。

柏繼松利用X 射線衍射儀對垃圾與煤混燒后的飛灰進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)煤單獨(dú)燃燒和RDF 混燒所產(chǎn)生的飛灰在晶相結(jié)構(gòu)上沒有發(fā)生太大變化［10］。林曉青研究摻燒不同比例生活垃圾對燃煤灰渣特性的影響，發(fā)現(xiàn)生活垃圾摻燒對燃煤灰渣特性影響很小，飛灰的主要元素為Si、Al、Ca 和Fe，垃圾成分波動(dòng)性大導(dǎo)致飛灰中元素的變化。垃圾摻燒對飛灰粒徑分布影響很小，各工況下絕大部分飛灰呈熔融狀態(tài)，表面凹凸不平，呈球狀、塊狀分布［14］。

3 污染物

垃圾焚燒發(fā)電作為資源化、無害化處置城市生活垃圾的最佳方式，逐漸得到推廣和應(yīng)用，然而焚燒過程產(chǎn)生的二次污染物，如二英、SO2及NOx等也應(yīng)對引起足夠的重視與關(guān)注。生活垃圾焚燒典型污染物控制標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 生活垃圾焚燒典型污染物控制標(biāo)準(zhǔn)

李曉東通過原生垃圾和煤混合燃燒試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著混合物中煤所占比例的提高，混合物的熱值隨之增加，燃燒更加充分和完全，二英等不完全燃燒產(chǎn)物的生成量都大大減少［18］。陸勝勇引入二英質(zhì)量平衡的方法，研究垃圾和煤混燒過程中二英的生成與消減情況，垃圾和煤在流化床焚燒爐內(nèi)混燒能較大程度地破壞原生垃圾中的二英，使焚燒系統(tǒng)輸出的二英毒性質(zhì)量遠(yuǎn)小于輸入的二英毒性質(zhì)量［17］。黃晨研究了摻燒不同比例生活垃圾時(shí)煙氣中二英濃度的變化情況，當(dāng)生活垃圾摻燒量低于20%時(shí)，煙氣即使未凈化，二英I-TEQ 排放濃度也低于國家0.1 ng/m3的排放標(biāo)準(zhǔn)［19］。利用流態(tài)化洗滌與布袋過濾相結(jié)合的工藝凈化垃圾焚燒煙氣，當(dāng)吸收劑為石灰石漿液，漿液濃度為1%，循環(huán)倍率為3，噴射速度為5～15 m/s，凈化裝置的二英凈化效率為99.35%［20］。

3.2 SO2和NOx

垃圾焚燒時(shí)，SO2和NOx通常是由垃圾中的硫化物和氮化物氧化產(chǎn)生，而垃圾中的硫元素和氮元素含量比煤中的少，垃圾和煤混燒時(shí)，不僅可以降低煙氣中的SO2和NOx含量，而且垃圾中的某些成分還可以抑制SO2和NOx的生成。城市生活垃圾與煤的組成成分如表3所示［21］。

表3 城市生活垃圾與煤的組成成分

朱廷鈺研究發(fā)現(xiàn)，垃圾與煤摻燒過程中，隨著垃圾添加比例的增加，煙氣中SO2和NOx含量明顯呈下降的趨勢。在垃圾與煤質(zhì)量比達(dá)到0.767時(shí)，即使沒有添加任何脫硫劑，煙氣中排放的SO2濃度也已經(jīng)很低［4］。Estelle等的研究表明，循環(huán)流化床燃煤鍋爐摻燒城市生活垃圾時(shí)SO2和NOx排放降低，是由于垃圾中某些高鈣基物質(zhì)的存在，導(dǎo)致酸性氣體在爐內(nèi)的停留時(shí)間延長［22］。魏小林發(fā)現(xiàn)垃圾中鉀、鈣、鈉等元素的存在也可起到抑制劑的作用，阻礙S 向SO2的轉(zhuǎn)化，隨著垃圾摻入的比例越高，則燃料中SO2的轉(zhuǎn)化率越低［23］。此外，煤燃燒過程中，高氯物質(zhì)的加入同樣可以降低煙氣中SO2的濃度，促使硫和氯在灰渣中富集［24］。因此，垃圾和煤混燒，可以充分利用垃圾自身的脫硫能力，降低煤尤其是高硫煤燃燒過程中SO2的排放。

通過添加脫氯劑的方式也可進(jìn)一步減少煙氣中酸性氣體的濃度。臧仁德研究發(fā)現(xiàn)，在噴霧干燥塔內(nèi)利用噴霧生成的Ca（OH）2液滴可有效吸收焚燒產(chǎn)生煙氣中的酸性氣體［25］。金保升通過采用三相流態(tài)化垃圾焚燒煙氣凈化系統(tǒng)對混燒煙氣進(jìn)行處理，該凈化裝置對二英、重金屬、SO2都有顯著的去除效果［26］。

4 結(jié)語

目前垃圾焚燒或者煤燃燒排放標(biāo)準(zhǔn)都比較嚴(yán)格，煙氣的凈化問題依然是不容忽視的問題。生活垃圾中氯含量比較高，燃燒過程中會產(chǎn)生大量的HCl 和HF 等酸性氣體，對下游煙氣處理系統(tǒng)造成一定的負(fù)擔(dān)。

實(shí)際混燒過程中應(yīng)該控制好摻燒比例，必要時(shí)可通過添加脫氯劑等方式減少煙氣中酸性氣體的濃度。此外，現(xiàn)有的燃煤電廠除塵多采用靜電除塵器，然而靜電除塵器環(huán)境對二英生成具有促進(jìn)作用，國內(nèi)的技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)均要求生活垃圾焚燒爐煙氣處理系統(tǒng)采用布袋除塵器去除粉塵。

城市生活垃圾制備衍生燃料技術(shù)已較為成熟，循環(huán)流化床鍋爐燃燒技術(shù)是一項(xiàng)適合垃圾衍生物與煤的混燃技術(shù)。不僅可以提高城市生活垃圾處置能力，有效減少污染物排放，也為常規(guī)小火電燃煤電廠的轉(zhuǎn)型升級提供了一種新思路。