燃煤循環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 濟南 250003；2.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003）

0 引言

近年來，隨著國民經濟的發展和人民生活水平的提高，城市生活垃圾產生量日益增多。根據國家統計年鑒，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雜，含水率高，熱值低［2］，導致燃燒不充分，極易產生二次污染物尤其是二英，此類污染物屬于致癌物質，物理化學性質穩定、不易分解，對環境危害極大。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據單位：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定性，同時，可以利用煤中含有的一些成分或混燒過程中產生的某些成分抑制垃圾焚燒過程中二英等有害物質的產生［3］。以上城市生活垃圾與煤混合燃燒的優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，而循環流化床固有的特點使其相對于其他燃燒技術在控制污染物生成方面具有不可比擬的優勢［4］。

1 燃燒特性

我國城市生活垃圾成分復雜，而且隨地域和季節的不同變化很大。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、燃燒穩定的特點，而且便于運輸，儲存期可達6～12個月［5］。

城市生活垃圾與煤混燒時的燃燒曲線與煤單獨燃燒時相似，主要分為三個階段：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行了實驗研究，結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，熱重曲線向低溫區轉移，燃盡點逐漸降低，綜合燃燒特性指數明顯增大［7］。

尹航等通過Aspen Plus 模型模擬分析及在垃圾循環流化床（Circulating Fluidized Bed，CFB）鍋爐上進行實際運行測試，結果顯示仿真模擬與實際測試結論基本一致，垃圾摻燒對鍋爐運行參數具有一定的影響：隨著垃圾與燃煤的質量摻燒比增大，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量下降［8］。蔣旭光等研究煤與垃圾在循環流化床鍋爐內混燒時，也發現燃燒效率較煤單獨燃燒時低，但可以通過提高床溫溫度、增加過量空氣系數等運行方式，提高燃燒效率［9］。柏繼松研究發現，由于RDF 中含有較高的揮發分，析出后被一次風帶到爐膛上部燃燒，導致稀相區溫度升高，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 的循環流化床鍋爐進行垃圾與煤的混合試燒試驗分析，垃圾添加量為5%和10%，通過對鍋爐運行參數48 h 連續監視，混合燃料試燒過程中，鍋爐系統運行穩定，各運行參數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過程中NOx與CH4的釋放特性曲線，發現RDF摻入最佳配比為20%，其混合物揮發分析出速率最快，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 燃煤循環流化床摻燒RDF 試驗研究，推薦垃圾摻燒比為30%［13］。

2 飛灰特性

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

柏繼松利用X 射線衍射儀對垃圾與煤混燒后的飛灰進行了分析，發現煤單獨燃燒和RDF 混燒所產生的飛灰在晶相結構上沒有發生太大變化［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，發現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，垃圾成分波動性大導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，表面凹凸不平，呈球狀、塊狀分布［14］。

3 污染物

垃圾焚燒發電作為資源化、無害化處置城市生活垃圾的最佳方式，逐漸得到推廣和應用，然而焚燒過程產生的二次污染物，如二英、SO2及NOx等也應對引起足夠的重視與關注。生活垃圾焚燒典型污染物控制標準如表2所示。

表2 生活垃圾焚燒典型污染物控制標準

李曉東通過原生垃圾和煤混合燃燒試驗發現，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物的生成量都大大減少［18］。陸勝勇引入二英質量平衡的方法，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混燒能較大程度地破壞原生垃圾中的二英，使焚燒系統輸出的二英毒性質量遠小于輸入的二英毒性質量［17］。黃晨研究了摻燒不同比例生活垃圾時煙氣中二英濃度的變化情況，當生活垃圾摻燒量低于20%時，煙氣即使未凈化，二英I-TEQ 排放濃度也低于國家0.1 ng/m3的排放標準［19］。利用流態化洗滌與布袋過濾相結合的工藝凈化垃圾焚燒煙氣，當吸收劑為石灰石漿液，漿液濃度為1%，循環倍率為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，SO2和NOx通常是由垃圾中的硫化物和氮化物氧化產生，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，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

朱廷鈺研究發現，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。在垃圾與煤質量比達到0.767時，即使沒有添加任何脫硫劑，煙氣中排放的SO2濃度也已經很低［4］。Estelle等的研究表明，循環流化床燃煤鍋爐摻燒城市生活垃圾時SO2和NOx排放降低，是由于垃圾中某些高鈣基物質的存在，導致酸性氣體在爐內的停留時間延長［22］。魏小林發現垃圾中鉀、鈣、鈉等元素的存在也可起到抑制劑的作用，阻礙S 向SO2的轉化，隨著垃圾摻入的比例越高，則燃料中SO2的轉化率越低［23］。此外，煤燃燒過程中，高氯物質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一步減少煙氣中酸性氣體的濃度。臧仁德研究發現，在噴霧干燥塔內利用噴霧生成的Ca（OH）2液滴可有效吸收焚燒產生煙氣中的酸性氣體［25］。金保升通過采用三相流態化垃圾焚燒煙氣凈化系統對混燒煙氣進行處理，該凈化裝置對二英、重金屬、SO2都有顯著的去除效果［26］。

4 結語

目前垃圾焚燒或者煤燃燒排放標準都比較嚴格，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，燃燒過程中會產生大量的HCl 和HF 等酸性氣體，對下游煙氣處理系統造成一定的負擔。

實際混燒過程中應該控制好摻燒比例，必要時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，現有的燃煤電廠除塵多采用靜電除塵器，然而靜電除塵器環境對二英生成具有促進作用，國內的技術規范和標準均要求生活垃圾焚燒爐煙氣處理系統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已較為成熟，循環流化床鍋爐燃燒技術是一項適合垃圾衍生物與煤的混燃技術。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，也為常規小火電燃煤電廠的轉型升級提供了一種新思路。