爐排爐協同處置飛灰技術探討

王育波

（龍凈能源發展有限公司，福建 廈門 361000）

隨著我國經濟的發展和國民生活水平的提高，垃圾焚燒發電已經成為生活垃圾無害化處理的主流，產生的飛灰量也逐年增加，傳統的飛灰處理方式就是穩定化+填埋，存在成本高及對環境污染風險大等問題，因此找到一種新的飛灰處理方式就顯得很有必要。

1 研究背景

1.1 飛灰處理現狀及概況

生活垃圾焚燒煙氣中大部分重金屬和二噁英被煙氣凈化系統截留而富集于飛灰中，因而飛灰是環境中重金屬和二噁英的重要匯集處，是明確列入我國《國家危險廢物名錄》（2016 年版）HW18 焚燒處置殘渣的危險廢物。

截至2020 年3 月，我國已投運垃圾焚燒產能規模約為38.5 萬t/d。2019—2020 年垃圾焚燒項目井噴式增加，隨著新項目投產，到2021 年，我國垃圾焚燒飛灰年產量將達到1 000 萬t 以上。目前主要的飛灰處理方式有穩定化+填埋處理、回轉窯協同處置（制水泥）、燒結造粒（制陶粒）及高溫熔融技術（制玻璃體）。填埋是我國現在主要的飛灰處理方式，但簡單的填埋方式存在嚴重的潛在危害，而且部分地區隨著飛灰量的增加，填埋條件也逐漸難以滿足，探索飛灰低成本、環保的處理方式是目前垃圾焚燒企業的主要研究方向之一。

1.2 飛灰處理主要技術路線簡介

安全填埋是采用水泥、瀝青或螯合劑固化的方式，使得飛灰中重金屬的浸出濃度滿足危險廢物填埋污染控制標準GB 18598—2001《危險廢物填埋污染控制標準》中的入廠要求。

回轉窯協同處置（制水泥）是將經過水洗脫氯后的飛灰與制水泥原料一起混合進入回轉窯1 400 ℃左右高溫煅燒的方法使無害化處理后的飛灰做成水泥。

燒結造粒（制陶粒）是將飛灰與黏土等輔助材料混合，采用天然氣做燃料，在回轉窯中1 000 ℃以上高溫下燒制，煙氣經急冷降溫、布袋除塵等工藝凈化后排放。燒制的陶粒主要用作建筑骨料。

高溫熔融技術（制玻璃體）采用直流等離子體弧技術，在1 500 ℃左右將飛灰熔融，經水淬后成為無定形的玻璃渣，屬于一般工業固體廢物。二噁英在高溫下被徹底破壞，重金屬被固化在玻璃體中。

2 垃圾焚燒富氧燃燒技術

上述方法中除了安全填埋之外，其余方法的本質都是在1 000~1 500 ℃高溫下把飛灰中的二噁英去除的同時將重金屬固化在高溫燒結或者熔融的飛灰產物之中。目前基本采用包括沖天爐、電熔爐等離子熔融爐來達到這個溫度，設備投資高，能耗較大且會帶來有害煙氣等附加污染。

若能把飛灰再循環送回垃圾焚燒爐爐膛中高溫燒結，則可以節約能耗，減少飛灰處理設備投資，把飛灰在垃圾焚燒廠內部消化。但由于生活垃圾燃料熱值較低，垃圾焚燒爐爐膛的溫度一般在800~1 000 ℃，這個溫度仍達不到高溫燒結或者熔融的溫度要求。在歐洲有一種通過提高焚燒爐爐膛燃燒空氣的含氧量的方法來把爐膛燃燒溫度提高，達到在爐膛燒結或者熔融飛灰，將飛灰制成類似于玻璃體的晶體顆粒的目的。

2.1 垃圾焚燒電廠富氧燃燒協同處置飛灰技術分析介紹

歐洲某公司于20 世紀初開始研發的一項在垃圾焚燒電廠中采用富氧燃燒方式提高燃燒溫度，并與改進過的濕式除渣機和煙氣再循環技術相結合來處理垃圾焚燒電廠中的底渣以及飛灰的技術，主要就是在垃圾焚燒廠增設制氧設備，在一次風中混入約為10%的氧氣，把一次風中的含氧量提高到24%~35%，使燃燒溫度以及料層溫度提高到1 150 ℃左右，同時還增設紅外燃燒控制系統監控爐膛溫度，此系統包括在安裝于第一煙道頂部的紅外相機火焰溫度監控系統，保證爐膛溫度最高不超過1 300 ℃。在提高一次風含氧量的同時也降低爐膛內煙氣過量系數和一次風量，以達到減少外排煙氣量的目的。

另外，本技術采用了煙氣再循環，富氧燃燒技術于2003 年在歐洲某垃圾焚燒發電項目上安裝并運行至今。采用本技術提高爐膛燃燒溫度的主要目的是提高燃燒效率，將燃燼的灰渣中的有機物進一步去除（酌減率小于0.1%），并將灰渣燒結成顆粒狀晶體，減少其毒性浸出。另外，采取此技術可以降低CO，NOx排放，并且減少排放煙氣量，減輕煙氣處理系統的負擔并達到碳減排的作用。后期本項目還增加了飛灰再循環設備，把鍋爐爐灰以及除塵器下的飛灰搜集到一起后，將75%的飛灰輸送回爐膛循環焚燒，剩余25%的飛灰外運無害化處理，大大減小了飛灰外運量，節省了飛灰處理成本。

2.2 垃圾焚燒電廠富氧燃燒協同處置飛灰技術特點總結

經過分析總結，此技術工藝有如下特點。

（1）尾氣量減少35%，因此減少了污染物負擔。

（2）破壞二噁英大于90%，爐膛出口二噁英含量小于0.3 ng TEQ/kg。

（3）粒狀產品燒失量小于0.1%，符合HJ 1134—2020《生活垃圾焚燒飛灰污染控制技術規范》的相關要求。

（4）殘余物不必玻璃化。

（5）每噸垃圾凈功率輸出大于500 kW·h（噸垃圾發電量）。

（6）飛灰產量減少，小于7 kg/t 垃圾（0.7%）。

此系統的工藝流程圖如圖1 所示[1]。

圖1 爐排爐富氧燃燒協同處理飛灰總體工藝流程

3 富氧燃燒技術在國內項目實施的可行性分析

3.1 項目簡介

國內某項目一期工程配置2 臺單臺處理能力500 t/d的機械爐排垃圾焚燒爐和余熱鍋爐，余熱鍋爐設計壓力為4.0 MPa，余熱利用蒸汽溫度為450 ℃，配1 臺25 MW 的凝汽式汽輪發電機組。項目為光大順推爐排加風冷爐膛，目前飛灰外運量約為入廠垃圾量的4%。垃圾來源系城市生活垃圾，來自生活區、商業區、旅游區等，進爐垃圾成分見表1，入爐垃圾設計低位熱值為7 535 kJ/kg。

表1 設計進爐垃圾成分

適用垃圾低位熱值范圍：最高工況為9 700 kJ/kg（2 317 Kcal/kg）；設計工況為7 535 kJ/kg（1 800 Kcal/kg）；最低工況為4 500 kJ/kg（1 075 Kcal/kg）。

3.2 項目實施爐排爐飛灰協同處置技術分析

如果在本項目上實施富氧燃燒技術，在推薦含氧量范圍內調整空氣中含氧量對爐膛理論燃燒溫度、煙氣量、排煙損失等重要參數的影響歸納見表2。

由表2 計算結果可以看出，在焚燒爐爐膛實施富氧燃燒，增加含氧量，提高爐膛燃燒溫度的同時，可以顯著減少余熱鍋爐出口煙氣量并且降低排煙損失。當一次風中含氧量從21%提高到31%時，爐膛燃燒溫度提高了近300 ℃，煙氣量降低了近30%，排煙損失降低了近4%，相當于全廠發電效率提高了約1.2%。

表2 某500 t/d 項目富氧燃燒理論計算

此外由于提高爐膛含氧量可以減少一次風量以及外排煙氣量，故送風機和引風機的運行電耗也可以相應降低[2]。

但是要在本項目上升級改造達到飛灰協同處置的目的，還需要考慮如下技術問題。

（1）再循環送回爐膛的飛灰，燒結成晶體顆粒后與底渣混合，需要對生成的晶體顆粒中的重金屬、二噁英等有害成分做定期的檢測，防止焚燒爐底渣中有害成分超標，影響底渣對外銷售。

（2）增加飛灰再循環會加劇對爐膛的磨損，所以如果是水冷爐膛的話，需要考慮鎳鉻合金堆焊改造來保護爐膛膜式壁。

（3）提高焚燒爐爐膛燃燒溫度，有可能加劇爐膛結焦結渣程度，如果是絕熱爐膛或者風冷爐膛，有必要考慮改為水冷爐膛以降低結焦結渣的風險，同時也需要考慮增加煙氣再循環裝置，來降低余熱鍋爐第一煙道入口煙溫，防止結焦結渣問題上延到余熱鍋爐水冷受熱面，同時煙氣再循環可以降低氮氧化物的產生。

（4）爐膛溫度在富氧情況下燃燒溫度提高，對爐膛澆筑料的高溫穩定性能會有更高的要求[3]。

（5）爐膛燃燒溫度的提高，對焚燒爐爐排片的要求更高，傳統的風冷爐排片表面金屬溫度會進一步升高，需要確認爐排片的表面金屬溫度不超過其最高耐熱溫度，有必要的話，需要考慮把風冷爐排片更換為水冷爐排片，以保證在高爐膛燃燒溫度下，爐排片金屬溫度仍然處于較低的水平。

（6）在一次風風道混入純氧，存在一定的安全隱患，在增設相關設備時，需要充分考慮安全因素。

（7）現有濕式除渣機需要增加包括水洗、篩分等設備和工序，以及改造后是否會因為故障率提高而影響連續運行。

（8）根據目前的標準，飛灰屬于危廢，只能無害化處理。故在實施本技術前，需要跟政府環保部門從技術和經濟的角度充分溝通，以避免環保處罰。

3.3 項目實施爐排爐飛灰協同處置經濟性分析

按照日均進廠垃圾1 000 t 來估算，本項目每天產生飛灰大約40 t，按照年運行8 000 h 來計算，每年飛灰產量約為13 000 t，目前飛灰為原灰外運處置，處理價格為2 000 元/t，折算下來平均每年飛灰處理費用高達2 600 萬元。飛灰中的鹽和重金屬含量很高，為了避免重金屬富集污染底渣燒結產生的晶體顆粒產物，只能再循環一部分飛灰（最高75%）在爐膛燒結無害化處理，而剩余25%的飛灰仍然需要外運處置。所以理論上可以把本廠每年飛灰處理費用減少75%，節約近2 000萬元。

此外，由上述理論計算得出，全廠發電效率通過實施富氧燃燒的方式，全廠發電效率可以提高1.2%左右，本廠配置25 MW 發電機組，按照全年運行時間8 000 h 計算，通過提高發電效率每年可以增加發電量240 萬度，按照本項目上網電價0.508 元/度的價格估算的，年增加售電收入約為120 萬元。

另一方面，本技術的實施成本包括氧氣成本，爐膛澆筑料升級成本、爐排片更換成本、爐膛水冷膜式壁改造成本、爐膛膜式壁鎳鉻合金堆焊成本、飛灰再循環輸灰裝置成本、飛灰水洗裝置成本、煙氣再循環裝置成本、底渣和飛灰燒結晶體顆粒檢測成本等。

上述各項成本，要作出精確的估算較困難，目前僅從氧氣成本來舉例分析，2×500 t/d 的垃圾焚燒項目一次風量約為56 000 Nm3/h 每臺，根據歐洲試點項目的經驗，需要在一次風中混入約為10%的純氧氣，故需要消耗的總氧氣量高達11 200 Nm3/h，如此大的氧氣消耗量采用氧氣罐儲存供應從經濟上和實際應用上不具備可行性，故只能考慮增設工業制氧機，一般一臺2 000 Nm3/h 的工業制氧機采購成本約為15 萬元，更大型的制氧機需要定制詢價。

此外，爐膛膜式壁鎳鉻合金堆焊的價格約為1 萬元/m2，目前此技術較成熟，此改造的價格需要根據具體方案制定之后堆焊的面積來確定。

由上述分析可以看出，此技術改造的收益可觀，但是如果要將現有項目作為技改升級，改造成本會比較高。相比之下，此技術若在新建項目上實施，技術和經濟上可行性會相對較高。

4 總結和分析

爐排爐飛灰協同處置最大的優勢在于創造性地將列為危廢的飛灰產物在廠內內部消化，大幅度減少了需要外運處理的飛灰，大大降低了飛灰處理成本，同時通過富氧燃燒提高了底渣的質量，提高了底渣外售價格。此外，此技術提高了全廠發電效率，增加了售電收入，減少了外排煙氣量和二氧化碳量，對碳減排、碳達峰有著積極的意義。

但是目前階段要在垃圾焚燒發電廠大規模實施此項技術，還需要解決成本問題、技術問題以及是否與環保法律法規相符的問題。要解決這些問題，還需要進一步的實驗、測試以及跟政府環保部門溝通交流。