燃煤電廠200 t/d生活垃圾無(wú)氧熱解耦合協(xié)同處置優(yōu)化

王學(xué)斌，周 澳，楊明輝，王 璟，戴高峰，范美軍，王建軍，馮旭明

(1.西安交通大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，陜西 西安 710049；2.中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518000；3.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)陜西省電力設(shè)計(jì)院有限公司，陜西 西安 710054；4.招遠(yuǎn)市匯潮新能源科技有限公司，山東 煙臺(tái) 264000；5.陜西新元發(fā)電有限公司，陜西 渭南 715600)

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、城市化進(jìn)程的加快以及人民生活水平的迅速提高，城市生活垃圾的產(chǎn)量也在逐年遞增[1-3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年，我國(guó)生活垃圾產(chǎn)量已超過(guò)2億t，并以每年10%以上的速度遞增[4]。這些生活垃圾如果不及時(shí)處理，不僅占用大量土地，還會(huì)對(duì)人類賴以生存的環(huán)境造成持續(xù)性的污染，對(duì)附近的居民也會(huì)帶來(lái)健康威脅[5-6]。

目前生活垃圾處置方式主要有填埋、堆肥、焚燒和熱解等方法[7-8]。衛(wèi)生填埋是我國(guó)目前處理垃圾的主要方法，但這種方法會(huì)占用大量土地資源，而且滲濾液處理成本較高、滲漏風(fēng)險(xiǎn)大，易造成二次污染[9]。垃圾堆肥是建立在垃圾分類收集的基礎(chǔ)之上，我國(guó)的垃圾主要為混合垃圾，不適宜直接堆肥，因此該技術(shù)很難推廣[10]。采用焚燒處理可以大幅度縮減垃圾的體積，但垃圾焚燒會(huì)產(chǎn)生大量二噁英，同時(shí)產(chǎn)生的垃圾飛灰含有有毒重金屬，屬于危險(xiǎn)廢棄物，必須要進(jìn)行二次處理[11]。生活垃圾熱解技術(shù)作為生活垃圾無(wú)害化處理的一種熱化學(xué)方式，其特點(diǎn)是將垃圾在缺氧或厭氧的氣氛下進(jìn)行分解，相比于填埋、堆肥和焚燒處置方式，熱解法可以降低二噁英的產(chǎn)生，并具有飛灰排放量少、二次污染小等優(yōu)勢(shì)[12-14]，而且熱解產(chǎn)生的熱解油氣和焦炭可以送進(jìn)燃煤電廠燃燒發(fā)電，既處理了生活垃圾，又實(shí)現(xiàn)了廢物的資源化利用，同時(shí)環(huán)境污染小。熱解過(guò)程往往耗能大[15]，而燃煤電廠具有充足的高溫?zé)煔?，可以為熱解提供能量。因此，筆者提出了一種新的生活垃圾耦合燃煤電廠協(xié)同處置的工藝路線，將生活垃圾首先經(jīng)過(guò)干化和熱解轉(zhuǎn)化成熱解油氣和垃圾炭，然后再與燃煤鍋爐進(jìn)行耦合，將熱油氣送入鍋爐中燃燒發(fā)電，同時(shí)利用鍋爐的高溫?zé)煔庾鳛槔苫療峤獾臒嵩矗忍幚砹松罾?，又避免了垃圾直接燃燒過(guò)程中二噁英的生成。對(duì)該工藝的能效進(jìn)行評(píng)估有助于進(jìn)一步了解耦合過(guò)程中的能效轉(zhuǎn)化和產(chǎn)物分布。

Aspen Plus是一個(gè)可以將復(fù)雜物理化學(xué)進(jìn)程分離成各個(gè)小單元，再將小單元反應(yīng)組合成完整進(jìn)程的模擬軟件[16]，廣泛應(yīng)用于城市固體廢物的熱解模擬[17-18]。SHAHBAZ等[19]利用Aspen plus研究了不同的生物質(zhì)組分(纖維素、半纖維素、木質(zhì)素)對(duì)低溫?zé)峤鈼l件下的產(chǎn)物收率的影響。張?zhí)僭萚20]利用Aspen Plus軟件建立了生活垃圾固定床熱解氣化模型，在模型驗(yàn)證的基礎(chǔ)上探討了氣化溫度、氣化壓力和空氣當(dāng)量比對(duì)MSW熱解氣化過(guò)程的影響。付建英等[21]利用Aspen Plus軟件對(duì)生活垃圾與廚余垃圾、秸稈的共熱解過(guò)程進(jìn)行了模擬，研究了共熱解條件下產(chǎn)物和氮氧化物排放的特點(diǎn)。胡晴等[22]利用Aspen plus軟件模擬了農(nóng)村生活垃圾氣化模型，并根據(jù)模擬過(guò)程和結(jié)果，設(shè)計(jì)了一套適合我國(guó)農(nóng)村生活垃圾處理的固定床空氣氣化工藝技術(shù)。因此，Aspen plus可以用來(lái)評(píng)估生活垃圾熱解耦合燃煤電廠協(xié)同處置工藝的能效和工藝參數(shù)設(shè)計(jì)。

筆者首先利用Aspen plus模擬了生活垃圾熱解耦合燃煤電廠協(xié)同處置的工藝流程，從能量平衡的角度討論了該工藝流程的可行性。進(jìn)一步地，在維持系統(tǒng)熱量平衡的基礎(chǔ)上考慮了耦合燃煤鍋爐時(shí)鍋爐抽取煙氣量與燃燒所用油氣量之間的關(guān)系以及不同換熱方式的影響。最終，給出了一套適合工程實(shí)際的生活垃圾熱解耦合電廠協(xié)同處置的工藝流程路線。此外，還對(duì)某55 MW燃煤機(jī)組耦合垃圾炭產(chǎn)生的二噁英進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，評(píng)估了垃圾炭在燃煤鍋爐內(nèi)摻燒的可行性。

1 工藝路線與模型建立

1.1 生活垃圾無(wú)氧熱解耦合電廠協(xié)同處置工藝

目前生活垃圾與大型燃煤機(jī)組耦合處置主要有直接耦合、間接耦合和并聯(lián)耦合。其中直接耦合即生活垃圾預(yù)處理后直接在鍋爐里燃燒，由于垃圾中重金屬和氯含量較高，這種耦合方式容易導(dǎo)致燃煤電廠污染物排放增加，灰渣成為危廢。并聯(lián)耦合是指生活垃圾與燃煤的燃燒系統(tǒng)相互獨(dú)立，只將生活垃圾鍋爐產(chǎn)生的蒸汽并入耦合機(jī)組中發(fā)電。并聯(lián)耦合可以大幅提高垃圾的耦合比例，但由于生活垃圾鍋爐的蒸汽參數(shù)較低，發(fā)電效率較低，而且投資成本很高。間接耦合是將生活垃圾氣化或燃燒后，將所產(chǎn)生的氣態(tài)產(chǎn)物送入燃煤鍋爐發(fā)電，間接耦合可以大幅降低生活垃圾中有害組分對(duì)耦合機(jī)組的影響，但投資成本略高，垃圾前處理耗能較大。因此，筆者在間接耦合的基礎(chǔ)上，首次提出了一種生活垃圾無(wú)氧熱解耦合燃煤電廠協(xié)同處置的工藝路線。

生活垃圾無(wú)氧熱解處理的工藝路線：生活垃圾首先就近運(yùn)輸至垃圾處理廠的垃圾儲(chǔ)池中儲(chǔ)存，在排出部分滲濾液后送到萬(wàn)能破碎機(jī)中破碎，將破碎后的垃圾再送入干燥窯爐和熱解窯爐中干燥熱解，產(chǎn)生的熱解油氣進(jìn)入熱風(fēng)爐中燃燒來(lái)給系統(tǒng)提供熱量，剩余的固態(tài)物質(zhì)經(jīng)過(guò)磁選、渦選后分離回收其中的金屬，通過(guò)玻選將破碎的玻璃碎片分離，最后經(jīng)過(guò)篩選將其中的垃圾炭收集起來(lái)。這些垃圾炭可以與煤粉混合一起進(jìn)入鍋爐中燃燒發(fā)電，同時(shí)也可以用作催化劑、土壤修復(fù)劑等[23-25]。

生活垃圾無(wú)氧熱解耦合燃煤發(fā)電的具體工藝流程如圖1所示，生活垃圾先進(jìn)行干燥和熱解，將熱解產(chǎn)生的垃圾炭和燃煤混合進(jìn)入鍋爐燃燒發(fā)電，產(chǎn)生的熱解油氣一部分送入燃煤鍋爐中燃燒發(fā)電，另一部分進(jìn)入熱風(fēng)爐中燃燒，利用熱風(fēng)爐中產(chǎn)生的高溫?zé)煔庾鳛闊峤夂透苫臒嵩?。其中，熱解窯爐出口的煙氣可以分為2股進(jìn)入干燥爐，一部分煙氣與物料逆流進(jìn)入內(nèi)筒，另一部分與物料順流進(jìn)入外筒，此時(shí)為有內(nèi)筒煙氣循環(huán)。當(dāng)煙氣全部進(jìn)入外筒時(shí)為無(wú)內(nèi)筒煙氣循環(huán)。生活垃圾在干化過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生一些可燃性的揮發(fā)性氣體，當(dāng)有內(nèi)筒煙氣循環(huán)時(shí)可以讓這部分可燃?xì)怏w得到充分利用，產(chǎn)生的高濕煙氣進(jìn)入熱風(fēng)爐中燃燒。為了避免熱解油氣在管道運(yùn)輸過(guò)程中發(fā)生沉積、結(jié)焦和堵塞，從鍋爐中抽取了一部分中溫?zé)煔庾鳛橛蜌廨斔凸艿赖陌闊釤煔?。最終從干燥窯爐出來(lái)的煙氣重新送入鍋爐中燃燒，充分利用現(xiàn)有電廠鍋爐的煙氣處理系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)生的煙氣進(jìn)行處理。考慮到電廠鍋爐存在可能的停機(jī)檢修情況導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行，本工藝流程也可以將垃圾熱解產(chǎn)生的熱解油氣全部送入熱風(fēng)爐中燃燒，而不與燃煤鍋爐進(jìn)行耦合，從而獨(dú)立運(yùn)行。因此本工藝流程既可以與燃煤機(jī)組耦合運(yùn)行，也可以選擇單獨(dú)運(yùn)行，靈活性高。

本工藝路線具有如下優(yōu)勢(shì)：

(1)采用無(wú)氧熱解的預(yù)處理方式，與氣化相比，耗能減少，同時(shí)利用熱解油氣燃燒產(chǎn)生的能量來(lái)作為熱源，不需要外界供能。而且在熱解過(guò)程中可以比較容易地將熱解垃圾碳中的金屬等無(wú)機(jī)雜物選凈回收。

(2)不僅可以將熱解油氣送入鍋爐中燃燒發(fā)電，垃圾熱解產(chǎn)生的垃圾炭品質(zhì)也很好，也可以與煤粉混合一起進(jìn)入鍋爐中燃燒發(fā)電。

(3)生活垃圾處理過(guò)程基本沒(méi)有污染物排放。熱風(fēng)爐產(chǎn)生的煙氣可以利用燃煤鍋爐的煙氣處理系統(tǒng)處理，大幅降低垃圾發(fā)電的煙氣處理成本。

目前，本工藝路線提及的垃圾無(wú)氧熱解工藝示范項(xiàng)目已經(jīng)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)超過(guò)2 a，日處理垃圾量約200 t，現(xiàn)場(chǎng)工藝路線只有生活垃圾干化熱解處理部分沒(méi)有與燃煤機(jī)組耦合，主要利用垃圾熱解產(chǎn)生的熱解油氣燃燒來(lái)為整個(gè)系統(tǒng)供熱。項(xiàng)目運(yùn)行的產(chǎn)物有垃圾炭以及鐵、銅、鋁等金屬和玻璃碎片，其中垃圾炭的熱值可以達(dá)到10～11 MJ/kg。目前該系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程良好，部分處理產(chǎn)物可以直接回收利用。

1.2 模型建立

1.2.1 假設(shè)條件

由于垃圾熱解的實(shí)際過(guò)程反應(yīng)進(jìn)行情況復(fù)雜，加上軟件自身的局限性不能完全按照實(shí)際反應(yīng)情況進(jìn)行模擬，因此在采用Aspen Plus軟件建模時(shí)，需要做出相應(yīng)的簡(jiǎn)化及假設(shè)。

圖1 生活垃圾耦合電廠協(xié)同處置工藝流程Fig.1 Process flow chart of co-utilization of garbage coupled power plant

(1)生活垃圾中的灰分為惰性組分，不考慮其在熱解過(guò)程中的催化反應(yīng)。

(2)熱解、燃燒反應(yīng)器均為穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，各反應(yīng)器內(nèi)的壓力相同，無(wú)壓力損失和熱損失，不考慮粒徑對(duì)反應(yīng)的影響[21]。

(3)各組分在反應(yīng)器中瞬間完全混合，氣相和固相的溫度在同一時(shí)刻相等。

(4)由于焦油成分復(fù)雜，選取木醋液(C6H8O)作為生活垃圾熱解焦油的組分代表。

(5)間接換熱采用換熱器來(lái)模擬，只考慮了換熱過(guò)程中的能量流動(dòng)，且換熱過(guò)程始終是穩(wěn)態(tài)的。其他各種損失全部以熱損失的形式代表。

1.2.2 組分和物性條件定義

系統(tǒng)模型建立過(guò)程中使用的常規(guī)組分有C,S,O2,CO,H2,CO2,H2O,CH4,C2H4等，在Aspen Plus中定義為Conventional，而生活垃圾、垃圾炭和灰分則為非常規(guī)固體，定義為Nonconventional。模型的物性方法為PR-BM[21]，使用HCOALGEN和DCOALIGT模型計(jì)算生活垃圾的焓值和密度[26]。全局流量類型選擇為MCINCPSD。

1.2.3 模擬流程

圖2為Aspen plus軟件模擬的生活垃圾熱解和部分燃燒的工藝流程。工藝流程主要由干化(DRYING)、熱解(DECOMP)、分離(SEP)和燃燒(BURNING)4部分構(gòu)成。實(shí)線代表物質(zhì)流股，虛線代表熱量流股。生活垃圾(WET-GAR)經(jīng)過(guò)萬(wàn)能破碎機(jī)破碎之后，先進(jìn)入干燥窯爐(DRYING)中去除大部分水分，經(jīng)過(guò)氣固分離(SEP1)后，干垃圾(GAR-DRY)再進(jìn)入裂解窯爐(DECOMP)中低溫?zé)峤猓a(chǎn)生的熱解油氣經(jīng)過(guò)分離(SEP2)后進(jìn)入熱風(fēng)爐(BURNING)中燃燒。熱風(fēng)爐出口的高溫?zé)煔庖蚤g接換熱的方式給干燥窯爐和裂解窯爐提供能量。干化產(chǎn)生的水蒸氣(EXHAUST)直接進(jìn)入熱風(fēng)爐隨煙氣一起排出。

圖2 Aspen plus模擬生活垃圾處理工藝流程Fig.2 Flow chart of garbage treatment process simulated by Aspen plus

模擬設(shè)置垃圾處理量為100 t/d，熱解產(chǎn)生的油氣全部燃燒用以供熱，熱風(fēng)爐出口煙氣溫度為900 ℃，干化溫度200 ℃，熱解溫度400 ℃，干化和熱解的換熱效率為80%，考慮油氣運(yùn)輸過(guò)程中管道溫降為20 ℃。表1為Aspen Plus模擬過(guò)程中各模塊的作用描述[27]。其中，在BURNING模塊添加了設(shè)計(jì)規(guī)范[28]，通過(guò)調(diào)節(jié)空氣供應(yīng)量來(lái)控制焚燒爐的出口煙氣溫度為900 ℃。DECOMP中各組分的產(chǎn)率根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)設(shè)置。M1，M2設(shè)置倍數(shù)因子為1.25，換熱器換熱效率為1/1.25，即0.8。

表1 Aspen plus 模型中模塊應(yīng)用說(shuō)明

1.2.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

從運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)取部分粉碎后的生活垃圾進(jìn)行分析，其工業(yè)分析和元素分析見(jiàn)表2，生活垃圾收到基水分為55%，干基熱值為11.15 MJ/kg。DECOMP模塊中各組分的產(chǎn)率設(shè)置通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量得到[29]，表3為熱解溫度為400 ℃時(shí)的熱解油氣成分，熱解得到的垃圾炭的燃料特性見(jiàn)表2?？梢钥闯鰺峤獾玫降臒峤庥蜌夂屠康钠焚|(zhì)較高，熱解油氣的熱值為12.43 MJ/kg，垃圾炭的熱值為9.41 MJ/kg。

表2 燃料特性

表3 熱解油氣組成

以某電廠的燃煤鍋爐為原型進(jìn)行耦合計(jì)算，鍋爐所用的煤粉為劣質(zhì)煤，收到基水分為1.93%，鍋爐負(fù)荷為35 t/h，爐膛出口氧量經(jīng)測(cè)量為4%。假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)工況下的煙氣密度為1.34 kg/m3，鍋爐煙氣量約為2.480×105m3/h，即3.323×105kg/h，鍋爐煙氣成分見(jiàn)表4。

表4 鍋爐煙氣成分

2 結(jié)果與討論

2.1 模型驗(yàn)證

利用Aspen plus軟件模擬了生活垃圾熱解產(chǎn)生的熱解油氣在氧氣充足的條件下充分燃燒，計(jì)算出熱解油氣總的熱負(fù)荷，進(jìn)而得到熱解油氣的熱值。模擬得到的熱解油氣的熱值為13.37 MJ/kg。由于垃圾炭為非常規(guī)物質(zhì)，在Aspen plus中不能模擬直接燃燒，因此無(wú)法直接得到它的熱值，需要根據(jù)整個(gè)熱解過(guò)程的能量守恒間接計(jì)算其熱值[30]，模擬計(jì)算得到的垃圾炭熱值為8.58 MJ/kg。實(shí)驗(yàn)值與模擬值的對(duì)比見(jiàn)表5，可以看出，模擬值與實(shí)驗(yàn)值的誤差都在10%以內(nèi)，由于模擬是在相對(duì)理想的條件下進(jìn)行，因此誤差是可以接受的，說(shuō)明本文的計(jì)算模型是可靠的。

表5 熱解油氣和垃圾炭的熱值對(duì)比

2.2 生活垃圾無(wú)氧熱解處理的可行性分析

在模型驗(yàn)證可靠的基礎(chǔ)上，模擬首先考慮了在不抽取鍋爐煙氣的條件下該工藝流程系統(tǒng)能否維持能量自平衡，即垃圾熱解油氣全部進(jìn)入熱風(fēng)爐燃燒給系統(tǒng)供熱能否維持系統(tǒng)運(yùn)行。由于工藝流程中污泥的干化和熱解均采用間接換熱的方式，因此本模擬將根據(jù)FLUEGAS3出口的煙氣溫度來(lái)判斷系統(tǒng)能量是否自平衡，若出口煙氣溫度大于200 ℃，則認(rèn)為系統(tǒng)能量可以滿足自平衡，反之則系統(tǒng)能量無(wú)法自平衡。

100 t/d的垃圾處理量相當(dāng)于每小時(shí)處理4 167 kg垃圾，經(jīng)過(guò)干燥窯爐去除大部分水分，再通過(guò)熱解窯爐產(chǎn)生1 500 kg/h的熱解油氣和1 179 kg/h的垃圾炭。這些熱解油氣配以足量的空氣進(jìn)入熱風(fēng)爐中燃燒，能產(chǎn)生18 307 kg/h的900 ℃高溫?zé)煔?。高溫?zé)煔庠诮o干燥窯爐和熱解窯爐供熱之后，最終出口溫度為373 ℃。說(shuō)明單獨(dú)依靠垃圾熱解油氣燃燒產(chǎn)生的熱量可以維持整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。在不抽取燃煤鍋爐煙氣的條件下，可以通過(guò)消耗部分垃圾無(wú)氧熱解的油氣提供熱源維持垃圾的干化和熱解過(guò)程，并且還有部分高熱值熱解油氣的富余可用于燃煤機(jī)組燃燒。

2.3 生活垃圾無(wú)氧熱解耦合燃煤鍋爐的能效分析

在生活垃圾熱解的基礎(chǔ)上，從鍋爐尾部抽取部分中溫?zé)煔膺M(jìn)入熱風(fēng)爐中與熱解油氣混合燃燒，在總能耗不變的條件下可以節(jié)省出部分熱解油氣，這部分油氣可以與二次風(fēng)混合通入鍋爐中用以發(fā)電，也可以單獨(dú)燃燒向外供熱。因此，進(jìn)一步討論抽取鍋爐煙氣量與進(jìn)入熱風(fēng)爐燃燒的油氣量的關(guān)系，主要考慮了有無(wú)內(nèi)筒煙氣循環(huán)對(duì)抽取鍋爐煙氣量和熱解油氣燃燒量的影響。

2.3.1 無(wú)內(nèi)筒煙氣循環(huán)

在保證煙氣熱量能夠維持干燥和熱解所需的熱量的前提下，將熱風(fēng)爐出口煙氣溫度控制在900 ℃，最終出口煙氣溫度保持在200 ℃。采用無(wú)內(nèi)筒煙氣循環(huán)方式，即煙氣全部進(jìn)入干燥窯爐外筒。改變抽取的鍋爐煙氣量，鍋爐煙氣量與油氣量的關(guān)系，如圖3所示。在無(wú)內(nèi)筒煙氣循環(huán)的基礎(chǔ)上，當(dāng)垃圾處理量為100 t/d(4.167 t/h)，熱解得到的總油氣量為1.5 t/h。不抽取鍋爐煙氣時(shí)(抽取煙氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0)，進(jìn)入熱風(fēng)爐燃燒所需的油氣量最大，為1 143 kg/h，燃燒所用油氣占比為76.2%，此時(shí)進(jìn)入燃煤鍋爐的油氣量為357 kg/h。隨著抽取煙氣量的增加，熱風(fēng)爐燃燒所需的油氣量逐漸減少，進(jìn)入燃煤鍋爐的油氣量增加。當(dāng)抽取煙氣為5 649 kg/h，此時(shí)抽取煙氣占比為1.7%，熱風(fēng)爐燃燒所需油氣量達(dá)到最小，為900 kg/h，油氣占比為60%。當(dāng)繼續(xù)增加煙氣抽取量時(shí)，熱風(fēng)爐出口溫度將不能再達(dá)到設(shè)定的900 ℃，煙氣抽取量達(dá)到最大?？梢钥闯龀槿〉臒煔饬颗c鍋爐燃燒產(chǎn)生的煙氣量相比很小。

圖3 無(wú)內(nèi)筒煙氣循環(huán)時(shí)鍋爐煙氣量與油氣量的關(guān)系(總油氣量為1.5 t)Fig.3 Relationship between boiler flue gas volume and tarand gas volume without inner tube flue gas circulation(The total oil and gas volume is 1.5 t)

2.3.2 有內(nèi)筒煙氣循環(huán)

在相同條件下，采用有內(nèi)筒煙氣循環(huán)的方式換熱，設(shè)置內(nèi)筒煙氣循環(huán)量為總煙氣量的1/3，產(chǎn)生的高濕煙氣直接進(jìn)入熱風(fēng)爐中燃燒，垃圾處理量仍然是100 t/d(4.167 t/h)，熱解產(chǎn)生的總油氣量不變，仍然是1.5 t/h。模擬結(jié)果如圖4所示。當(dāng)不抽取煙氣時(shí)(抽取煙氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0)，熱風(fēng)爐燃燒所用油氣量為1 025 kg/h，所用油氣占比為68.3%，進(jìn)入燃煤鍋爐的油氣量為475 kg/h。隨著抽取煙氣量的增加，熱風(fēng)爐燃燒油氣量逐漸減少，燃煤鍋爐油氣量增加。當(dāng)抽取煙氣為1 661 kg/h，此時(shí)抽取煙氣占比為0.5%，燃燒油氣量達(dá)到最小，為954 kg/h，油氣占比為63.6%。當(dāng)繼續(xù)增加煙氣抽取量時(shí)，出口煙氣溫度將不能再達(dá)到設(shè)定的200 ℃，此時(shí)煙氣抽取量達(dá)到最大。

圖4 有內(nèi)筒煙氣循環(huán)時(shí)鍋爐煙氣量與油氣量的關(guān)系(總油氣量為1.5 t)Fig.4 Relationship between boiler flue gas volume and tar andgas volume with inner tube flue gas circulation(The total oil and gas volume is 1.5 t)

綜合圖3，4可以看出，當(dāng)不抽取鍋爐煙氣時(shí)，只依靠熱解油氣燃燒產(chǎn)生的熱量可以維持系統(tǒng)能量平衡，且仍有部分富余油氣。隨著從鍋爐抽取煙氣的增加，熱風(fēng)爐燃燒所用的油氣量逐漸減少，燃燒所用油氣占比下降，進(jìn)入鍋爐的油氣量增加。相同的抽取煙氣占比下，無(wú)內(nèi)筒煙氣循環(huán)燃燒所用的油氣量比有內(nèi)筒煙氣循環(huán)燃燒多，而且抽取的鍋爐煙氣量也遠(yuǎn)高于有內(nèi)筒煙氣循環(huán)。但鍋爐煙氣抽取量最大都不能超過(guò)鍋爐煙氣產(chǎn)生量的2%，否則就無(wú)法維持熱風(fēng)爐的高溫，或者系統(tǒng)熱量不平衡。考慮到富余的熱解油氣可以有其他的用途，比如鍋爐的助燃調(diào)峰，燃燒所用的油氣量越少越好，因此有內(nèi)筒煙氣循環(huán)的工藝路線更具有應(yīng)用價(jià)值。

2.4 模型優(yōu)化與應(yīng)用

生活垃圾熱解產(chǎn)生的熱解油氣和垃圾炭熱值與煤相比較低，總輸入熱占比不高，而鍋爐抽煙量占比最大只有1.7%，因此熱解油氣和垃圾炭作為燃料進(jìn)入鍋爐后對(duì)鍋爐總體性能影響不大，對(duì)整個(gè)燃燒組織的影響也較小。另外，由于計(jì)算得到的最大鍋爐煙氣抽取量與鍋爐實(shí)際煙氣產(chǎn)生量相比很小，建設(shè)煙氣管道的成本遠(yuǎn)大于抽取煙氣所帶來(lái)的效益，相比之下，不抽取鍋爐煙氣，只用熱風(fēng)爐燃燒產(chǎn)生的煙氣來(lái)作干燥和熱解的熱源的經(jīng)濟(jì)性更好。采用有內(nèi)筒煙氣循環(huán)的換熱方式可以富余更多的熱解油氣，這些熱解油氣可以用于鍋爐調(diào)峰燃燒發(fā)電。最終內(nèi)筒高濕煙氣進(jìn)入熱風(fēng)爐中燃燒再循環(huán)，外筒煙氣直接進(jìn)入鍋爐燃燒，利用原有煙氣處理系統(tǒng)對(duì)煙氣進(jìn)行處理，避免直接排放帶來(lái)的環(huán)境污染。

2.5 生活垃圾無(wú)氧熱解耦合燃煤鍋爐的二噁英排放

在垃圾低溫?zé)o氧熱解工藝中，垃圾熱解油氣燃燒排放煙氣中的二噁英排放很低，而大量的氯元素在垃圾炭中富集，平均的收到基氯質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)7%，因此本工藝最大的挑戰(zhàn)就是垃圾炭在與煤粉耦合燃燒過(guò)程中是否會(huì)產(chǎn)生過(guò)量的二噁英排放。

生活垃圾無(wú)氧熱解產(chǎn)生的垃圾炭灰成分見(jiàn)表6，可以看出垃圾炭中氯含量極高。在實(shí)際運(yùn)行中，分別對(duì)垃圾炭不摻燒和以1%的質(zhì)量占比摻燒時(shí)的燃煤鍋爐煙氣中的二噁英排放量進(jìn)行了檢測(cè)，測(cè)點(diǎn)位置在煙囪部位。二噁英的采樣和檢測(cè)按照HJ 77.2—2008《環(huán)境空氣和廢氣 二噁英類的測(cè)定 同位素稀釋高分辨氣相色譜-高分辨質(zhì)譜法》。具體的取樣和檢測(cè)方法如下：

(1)采樣。采樣裝置為ZR-3720廢氣采樣器，內(nèi)部裝有石英纖維濾膜和吸附材料聚氨基甲酸乙酯泡沫(PUF)，對(duì)煙氣進(jìn)行過(guò)濾和吸附。采樣完成后的濾膜和吸附材料用鋁箔包裹，密封保存。

(2)樣品提取和凈化。將充分干燥后的濾膜和吸附材料以甲苯為溶劑進(jìn)行索氏提取16～24 h，提取液濃縮后，溶劑轉(zhuǎn)換為正己烷，再次濃縮后分別用多層硅膠柱和活性炭硅膠柱進(jìn)行凈化處理。

(3)儀器分析。分析儀器為高分辨氣相色譜-高分辨磁質(zhì)譜聯(lián)用儀(DFS)，不分流進(jìn)樣1 μL，進(jìn)樣溫度270 ℃，載氣流量1.0 mL/min，色質(zhì)接口溫度270 ℃。色譜柱的固定相為5%苯基+95%聚甲基硅氧烷，柱長(zhǎng)60 m，內(nèi)徑0.25 mm，膜厚0.25 μm。初始溫度140 ℃，保持1 min后以20 ℃/min的速度升溫至200 ℃，停留1 min后以5 ℃/min的速度升溫至220 ℃，停留16 min后以5 ℃/min的速度升溫至235 ℃，停留7 min，以5 ℃/min的速度升溫至310 ℃，停留10 min。為保證結(jié)果準(zhǔn)確，每個(gè)取樣點(diǎn)均取樣3次，最終取平均值。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)不摻燒垃圾炭時(shí)，煙氣中二噁英總含量為0.006 1 ng TEQ/m3。當(dāng)以1%質(zhì)量比摻燒時(shí)，煙氣中二噁英總含量為0.005 3 ng TEQ/m3，二噁英含量在摻燒前后沒(méi)有顯著的變化。而且遠(yuǎn)低于最新出臺(tái)的上海市地方標(biāo)準(zhǔn)DB 31/1291—2021《燃煤耦合污泥電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的二噁英排放量0.02 ng TEQ/m3，符合排放標(biāo)準(zhǔn)。

表6 垃圾炭的灰成分

3 結(jié) 論

(1)在不抽取燃煤鍋爐煙氣的條件下，可以通過(guò)消耗部分垃圾無(wú)氧熱解的油氣提供熱源維持垃圾的干化和熱解過(guò)程，并且還有部分高熱值熱解油氣的富余可用于燃煤機(jī)組助燃。當(dāng)抽取部分中高溫燃煤煙氣用于垃圾干燥和熱解過(guò)程時(shí)，垃圾無(wú)氧熱解可富余更多的高熱值油氣用于助燃調(diào)峰，且抽取的鍋爐煙氣量越大，富余的油氣量越多，有利于機(jī)組的靈活性運(yùn)行。

(2)首次對(duì)垃圾炭耦合摻燒產(chǎn)生的鍋爐煙氣二噁英進(jìn)行了檢測(cè)。當(dāng)不摻燒垃圾炭時(shí)，煙氣中二噁英總含量為0.006 1 ng TEQ/m3；當(dāng)垃圾炭摻燒比為1%時(shí)，煙氣中二噁英總含量為0.005 3 ng TEQ/m3，二噁英含量在摻燒前后沒(méi)有顯著的變化，且遠(yuǎn)低于排放標(biāo)準(zhǔn)。

(3)綜合考慮成本和經(jīng)濟(jì)性，對(duì)原有的工藝路線進(jìn)行了優(yōu)化，不抽取鍋爐煙氣，只用熱風(fēng)爐燃燒產(chǎn)生的煙氣來(lái)作為垃圾干燥和熱解的熱源，干燥過(guò)程的高濕煙氣再循環(huán)后進(jìn)入油氣燃燒熱風(fēng)爐，是一種經(jīng)濟(jì)上更為可行的工藝路線。