CFB鍋爐燃料耦合資源化綜合利用可行性分析

袁夢嬌，何冰流，夏瑋

（中國石化廣州分公司，廣東廣州 510726）

據(jù)統(tǒng)計，2019年中國石化廣州分公司（簡稱廣州分公司）生產(chǎn)過程中一般工業(yè)固體廢物（簡稱固廢）產(chǎn)生量約為31.7萬t、危險廢物5大類產(chǎn)生量約10.8萬t。一般固廢主要采取綜合利用、灰場貯存、填埋以及外委處理等。危險廢物采取廠內(nèi)綜合利用、廠內(nèi)廢堿氧化裝置處理以及外委資質(zhì)單位處置的方式。

隨著環(huán)保形勢的日趨嚴峻，2015年3月廣東省環(huán)保廳發(fā)布的《關于進一步提升危險廢物處理處置能力的通知》（粵環(huán)〔2015〕26號）中第二條指出，鼓勵危險廢物產(chǎn)生量較大的鋼鐵、石化等企業(yè)自建危險廢物處理處置設施；《關于固體廢物污染防治三年行動計劃（2018－2020年）》（粵環(huán)發(fā)〔2018〕5號）和《關于固體廢物污染防治三年行動計劃（2018－2020年）》（粵環(huán)發(fā)〔2018〕5號）也要求全面壓實固體廢物污染防治責任，工業(yè)危險廢物產(chǎn)生單位須配套建設足夠的暫存場所，鼓勵自行建設危險廢物處理處置設施，或委托具有相應資質(zhì)的危險廢物經(jīng)營單位進行安全處理處置；《廣東省環(huán)境保護“十三五”規(guī)劃》中指出鼓勵產(chǎn)生量大、種類單一的企業(yè)和園區(qū)自建規(guī)范化的危廢處理設施，從而提升危廢集中處理處置的能力。

循環(huán)流化床（CFB）鍋爐具有燃料適應性廣、氮氧化物（NOx）排放低、易于實現(xiàn)灰渣利用等特點[1]，可廣泛應用于固廢無害化處理。為有效利用廣州分公司現(xiàn)有部分危險固廢的高熱值性，擬利用廠區(qū)內(nèi)2臺420 t/h CFB鍋爐，摻混2萬t/a危險固廢進入CFB鍋爐燃料中，減輕企業(yè)危廢處理壓力的同時，達到固廢減量化、資源化、無害化的環(huán)境效益。

針對CFB鍋爐摻燒固廢工藝流程和種類，摻燒后鍋爐燃燒情況、污染物排放情況進行初步試驗分析，并根據(jù)污染源源強計算，給出CFB鍋爐摻燒2萬t/a危險固廢主要大氣污染物排放情況，為日后該公司CFB鍋爐燃料耦合資源化綜合利用提供理論依據(jù)。

1 CFB鍋爐燃料現(xiàn)狀

廣州分公司CFB鍋爐主要燃料為石油焦，在石油焦供應不足或含硫量高時，摻燒一定量的煤，煤與石油焦最大摻燒比為3:7；石油焦供應充足時，可以完全燃燒石油焦，石油焦設計最大用量為652萬噸/年。

2016－2019年CFB鍋爐燃料消耗情況見表1。從表1可見，CFB鍋爐燃料以石油焦為主，占比在84.71%~91.46%，平均比例為88.19%；燃煤比例為8.54%~15.29%，平均比例為11.81%。

表1 2016—2019年CFB鍋爐燃料消耗情況

2 摻燒試驗內(nèi)容及方法

為獲取CFB鍋爐摻燒固廢運行、排污情況，于2019年9月23日0:00至9月25日24:00（共3 d，72 h）進行摻燒試驗，固廢、石灰石、石油焦摻燒比例為1:1:24，消耗量分別為191.82 t、191.82 t和4 363.64 t。為了解CFB鍋爐摻燒固廢前和摻燒期間的二噁英類排放情況，于2019年12月8日再次進行固廢摻燒，并進行了摻燒固廢的性質(zhì)分析，燃料摻燒工藝流程以及排污情況分析。

2.1 摻燒固廢性質(zhì)分析

此次摻燒固廢均來自正常生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的3類、8種危險廢物，具體種類及來源見表2。

如表2所示，根據(jù)實際固廢產(chǎn)生量，在摻燒過程中油泥比例最高，其次為活性污泥和廢活性炭，摻燒比例最低的是清焦碳渣。

2.2 CFB鍋爐固廢無害化處理工藝流程

由表2可知，所摻燒固廢種類較多，且性質(zhì)各不相同，若要在現(xiàn)有燃料中摻燒一定比例的固廢，首先要對摻燒物料進行預處理，然后再送至爐膛內(nèi)燃燒。

表2 CFB鍋爐固廢摻燒試驗物料情況

2.2.1 預處理工藝流程

1）污泥干化

經(jīng)取樣分析，活性污泥含水率高達80.43%，若直接進行摻燒，將導致燃料含水率過高，影響鍋爐正常運行的同時對輸送設備造成一定損壞，因此需要進行干化處理[2]，將含水率降至35%。

2）三泥攪拌工藝流程

經(jīng)干化處理的活性污泥送至三泥攪拌裝置，與其他預處理后固廢、石灰石、石油焦按一定比例混合后輸送至焦棚，通過燃料輸送裝置輸送至爐膛內(nèi)進行燃燒。

2.2.2 CFB鍋爐摻燒工藝流程

固廢、石油焦、石灰石摻混后的燃料在CFB鍋爐內(nèi)燃燒，產(chǎn)生的煙氣先在爐內(nèi)進行脫硫脫硝，含重金屬、二噁英等污染物的煙塵依次進入電除塵、半干法脫硫工序以及布袋除塵器，最后通過180 m高煙囪排放。

2.2.3 CFB鍋爐摻燒注意事項

摻燒過程中可根據(jù)固廢實際情況適當調(diào)整固廢、石灰石、石油焦配比情況，確保摻混后混合物送入鍋爐燃燒的過程中不會對鍋爐自身給料系統(tǒng)產(chǎn)生影響，減小生產(chǎn)上的波動。

摻燒過程中要密切關注固廢成分的變化，防止因成分變化而導致污染物排放量異常，調(diào)整不及時，導致環(huán)保超標。

2.3 CFB鍋爐控制參數(shù)

固廢摻燒前后CFB鍋爐的主要參數(shù)變化情況見表3。由表3所知，此次摻燒前后CFB鍋爐主要參數(shù)不變，因此不會影響鍋爐正常運行。

表3 固廢摻燒前后CFB鍋爐主要參數(shù)變化情況

2.4 煙氣排放結果分析

摻燒過程中監(jiān)測2臺CFB鍋爐煙氣混合后煙囪出口處煙氣排放情況，監(jiān)測結果如表4所示。因固廢中的主要成分為油泥、活性污泥和廢活性炭等，灰分含量要遠高于燃煤和石油焦，因此摻燒后煙氣產(chǎn)生量要高于摻燒前。

1）達標情況

由表4可知，摻燒前和摻燒期間，CFB鍋爐排放的SO2、NOx、煙塵濃度均低于《火電廠大氣污染物排放標準》（GB 13223－2011）中大氣污染物特別排放限值（以氣體為燃料的鍋爐或燃氣輪機組），即煙塵濃度≯5 mg/m3，SO2含量≯35 mg/m3，NOx≯含量50 mg/m3；二噁英類監(jiān)測濃度分別為0.058 ngTEQ/m3和0.041 ngTEQ/m3，均低于《危險廢物焚燒污染控制標準》（GB 18484－2001）限值要求，即二噁英類濃度≯0.5 ngTEQ/m3。

表4 摻燒前后煙氣監(jiān)測結果平均值

2）摻燒前和摻燒期間污染因子排放濃度對比

摻燒前和摻燒期間，SO2、NOx、煙塵的濃度值變化不大，其中，SO2摻燒期間與摻燒前最大變化量絕對值為4.4 mg/m3，占標率為12.6%；NOx摻燒期間與摻燒前的最大變化量絕對值為7.0 mg/m3，占標率為14%；煙塵摻燒期間與摻燒前的最大變化量絕對值為0.4 mg/m3，占標率為8%；二噁英類摻燒前比摻燒期間的監(jiān)測濃度高0.017 ngTEQ/m3，占標率3.4%，可能歸因于燃煤和石油焦燃料中本身含有產(chǎn)生二噁英類的前驅(qū)物，該次摻燒的固廢占CFB鍋爐燃料的比重低（4%），進CFB鍋爐的燃煤和石油焦燃料的組分變化，導致二噁英類排放濃度波動，以致?lián)綗岸f英類排放濃度高于摻燒期間，也可以認為該次摻燒4%固廢量對CFB鍋爐煙氣中二噁英的排放影響基本可以忽略不計。

上述占標率采用《環(huán)境影響評價技術導則 大氣環(huán)境》（2018）中的公式：

式中：Pi——第i個污染物的最大地面空氣質(zhì)量濃度占標率，%；Ci——第i個污染物的最大1小時地面空氣質(zhì)量濃度，mg/m3；C0i——第i個污染物的環(huán)境空氣質(zhì)量標準濃度，mg/m3。

3）其他污染因子排放情況對比

如表4所示，摻燒前和摻燒期間煙氣黑度（林格曼黑度）和汞及其化合物濃度值均低于儀器檢出限，表明CFB鍋爐所排放的煙氣經(jīng)相關環(huán)保設施處理后，煙氣黑度和煙氣中汞及其化合物濃度均優(yōu)于（GB 13223－2011）大氣污染物特別排放限值，即煙氣黑度不大于1級，汞及其化合物不大于0.03 mg/m3。

3 CFB鍋爐燃料耦合資源化綜合利用項目污染物排放情況

根據(jù)上述試驗結果預測，已知CFB鍋爐按固廢摻燒量2萬t/a，摻燒總利用時間8 000 h/a，摻燒量2.5 t/h進行污染物排放分析。由于摻燒過程中CFB鍋爐廢氣排放情況將直接影響CFB鍋爐“超低排放”情況，因此主要分析摻燒固廢后廢氣排放情況。

3.1 固廢摻燒對煙氣量的影響

進CFB鍋爐各類固廢熱值及替代燃料量匯總見表5。在供熱量不變的情況下，根據(jù)摻燒固廢的熱值以及固廢中所含水分的汽化潛熱（即水從25℃升高到100℃吸收的熱量）與CFB鍋爐實際燃料低位發(fā)熱量（據(jù)統(tǒng)計，2019年廣州分公司CFB鍋爐燃燒的石油焦低位發(fā)熱量約為30.7 MJ/kg，燃煤低位發(fā)熱量約為22.4 MJ/kg，此處燃料低位發(fā)熱量按CFB鍋爐實際摻燒比例，即石油焦:燃煤比為7:3計算所得）進行換算，可知燃燒2萬t/a固廢，約可以替代燃料5 651.2 t/a。已知CFB鍋爐近三年統(tǒng)計數(shù)據(jù)，平均每噸燃料排放標準干煙氣約12 450 m3。

表5 各類進CFB鍋爐固廢熱值及替代燃料量匯總

根據(jù)《污染源源強核算技術指南－火電》（HJ 888－2018），采用以下公式計算摻燒工況下加入固廢產(chǎn)生的煙氣量：

式中：V0——理論空氣量，m3/kg；Qnet，ar—收到基低位發(fā)熱量，按固廢干計量進行計算，取所有摻燒固廢的平均值，即16 692.3 kJ/kg；Vs—濕煙氣排放量，m3/s；Bg——鍋爐燃料消耗量，t/h；q4——鍋爐機械不完全燃燒的熱損失，循環(huán)流化床鍋爐此處取3.5%；α—過量空氣系數(shù)，此處取1.4；VH2O—鍋爐排放濕煙氣中水蒸氣量，m3/s；Har—收到基氫的質(zhì)量分數(shù)，此處為3.19%；Mar—收到基水分的質(zhì)量分數(shù)，按固廢干計量進行計算，因此此處取0；Vg—干煙氣排放量，m3/s。

摻燒前后鍋爐煙氣量變化情況見表6。由表6可知，摻燒固廢后，CFB鍋爐年煙氣排放量較摻燒前有小幅度增加，增加幅度約0.56%，影響極小。

表6 摻燒前后鍋爐煙氣量變化情況

3.2 固廢摻燒對二氧化硫排放的影響

根據(jù)中國賽寶實驗室的檢測報告，各類摻燒固廢的平均含硫量為3.70%，現(xiàn)有CFB鍋爐設計脫硫效率≥99%。

采用《污染源源強核算技術指南—火電》（HJ888－2018）中的公式，計算固廢摻燒SO2排放量：

式中：MSO2—核算時段內(nèi)二氧化硫排放量，t；Bg—核算時段內(nèi)鍋爐燃料耗量，t；ηS1—除塵器的脫硫效率，%，電除塵、袋式除塵器取0；ηS2—脫硫系統(tǒng)的脫硫效率，根據(jù)CFB鍋爐現(xiàn)有脫硫情況，此處為99%；q4—鍋爐機械不完全燃燒熱損失，循環(huán)流化床鍋爐此處取3.5%；Sar—收到基硫的質(zhì)量分數(shù)，此處為3.7%；K—燃料中的硫燃燒后氧化成二氧化硫的份額，循環(huán)流化床鍋爐，此處取0.85。

固廢摻燒前后SO2二氧化硫產(chǎn)生及排放況見表7。雖然摻燒固廢代替部分燃料，但摻燒量較高，所以SO2實際排放量增加了4.44 t/a；二氧化硫排放濃度滿足廣東省“超低排放”標準，即標態(tài)下SO2濃度不大于35 mg/m3。

表7 摻燒前后二氧化硫產(chǎn)排對比

3.3 固廢摻燒對氮氧化物排放的影響

根據(jù)燃燒過程中NOx生成途徑分析，固廢摻燒前后NOx產(chǎn)生濃度、處理效率、排放濃度變化較小，保守取摻燒后NOx產(chǎn)生、排放濃度不變，脫硝率按85%計算，如表8所示。摻燒后由于替代了部分燃煤，NOx實際排放量增加1.65 t/a；NOx排放濃度滿足廣東省“超低排放”標準，即NOx（N）不大于50 mg/m3。

表8 摻燒前后氮氧化物產(chǎn)排對比

3.4 固廢摻燒對煙塵排放的影響

參照《污染源源強核算技術指南－火電》（HJ 888－2018），采用以下公式計算煙塵排放量：

式中：MA——核算時段內(nèi)煙塵排放量，t/h；Bg——核算時段內(nèi)鍋爐燃料耗量，t/h；ηc——除塵效率，根據(jù)CFB鍋爐實際除塵情況，此處取99.92%；Aar—收到基灰分的質(zhì)量分數(shù)，此處為28.62%；q4—鍋爐機械未完全燃燒的熱損失，循環(huán)流化床鍋爐此處取3.5%；Qnet，ar—收到基低位發(fā)熱量，同上煙氣產(chǎn)生量取值，kJ/kg；αfh——鍋爐煙氣帶出的爐灰份額，循環(huán)流化床鍋爐，此處取0.6。

固廢摻燒前后煙塵排放情況如表9所示，摻燒后雖然替代了部分燃煤，但煙塵排放變化幾乎為0，可以忽略不記。因此，摻燒后煙塵排放濃度仍然滿足廣東省“超低排放”標準，即煙塵不大于5 mg/m3。

表9 摻燒前后煙塵產(chǎn)排對比

3.5 固廢摻燒對二噁英的影響

根據(jù)對廣州分公司現(xiàn)有CFB鍋爐煙囪的二噁英檢測結果（華環(huán)監(jiān)測二噁英2017第017號）可知，摻燒前二噁英的平均濃度為0.003 0 ngTEQ/m3。根據(jù)上節(jié)分析，現(xiàn)有CFB鍋爐使用的燃料中，石油焦中Cl含量為8 mg/kg，燃煤中氯含量低于檢出限，CFB鍋爐2017年石油焦消耗量為298 075 t/a，燃煤消耗量為497 221 t/a，則折算成綜合燃料中Cl含量為3.00 mg/kg燃料。另外，根據(jù)中國賽寶實驗室的監(jiān)測結果可知，摻燒固廢中平均氯含量為63.5 mg/kg，由于二噁英類物質(zhì)的產(chǎn)生，與前驅(qū)體氯元素有關，考慮到活性摻燒固廢中的氯元素以無機氯鹽物質(zhì)為主，不屬于易產(chǎn)生二噁英的多氯聯(lián)苯或有機氯類物質(zhì)，結合現(xiàn)有CFB鍋爐爐內(nèi)的堿性環(huán)境能有效抑制二噁英的生成，在簡化二噁英的產(chǎn)生與氯元素含量成正比關系的同時，則該次摻燒固廢對應的煙氣中二噁英的濃度為0.063 ngTEQ/m3。根據(jù)中國石化廣州分公司已有項目環(huán)境影響評價報告，煙氣中二噁英去除效率取43.0%，結合爐內(nèi)堿性環(huán)境中對二噁英的抑制率為80.0%，則二噁英綜合去除效率為88.6%。CFB鍋爐摻燒固廢前后二噁英產(chǎn)生、排放量如表10所示。摻燒后，二噁英實際排放量增加了0.034 2 gTEQ/a；二噁英排放濃度遠低于GB 18484－2001要求，即二噁英不大于0.5 ngTEQ/m3。

表10 摻燒前后二噁英產(chǎn)排對比

4 結論

利用中國石化廣州分公司現(xiàn)有2臺420 t/h CFB鍋爐，在連續(xù)平穩(wěn)運行的情況下，進行了按一定比例摻燒固體廢物的研究試驗，試驗結果表明：現(xiàn)有CFB鍋爐燃料內(nèi)摻燒一定比例固廢可以滿足工藝要求和鍋爐的正常運行，污染物排放情況符合國家標準要求。該研究試驗為CFB鍋爐摻燒固廢產(chǎn)汽發(fā)電及解決現(xiàn)有危廢處理壓力提供理論依據(jù)，同時具有一定的社會效益和環(huán)境效益。

該公司CFB鍋爐燃料耦合資源化利用項目建成后，摻燒固廢量為2萬t/a，根據(jù)污染源源強核算，按照摻燒比例進行摻燒，污染物排放情況滿足國家及地方標準要求，且摻燒前后CFB鍋爐供熱量和發(fā)電量基本不發(fā)生變化，既可利用其熱值又可處理企業(yè)內(nèi)部產(chǎn)生的固廢，是環(huán)固體〔2019〕92號、粵環(huán)〔2015〕26號、粵環(huán)發(fā)〔2018〕5號以及《廣東省環(huán)境保護“十三五”規(guī)劃》中所鼓勵發(fā)展的危廢處理處置模式。