燃煤電廠協(xié)同處置生活垃圾及二噁英排放試驗(yàn)

王學(xué)斌，周 澳，馬江東，王 璟，王鳳琴，王建軍,張 蘭，戴高峰

(1.西安交通大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，陜西 西安 710049；2.河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院，河南 鄭州 450016；3.中國能源建設(shè)集團(tuán) 陜西省電力設(shè)計院有限公司，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 264000)

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化率提高，城鎮(zhèn)生活垃圾產(chǎn)量飛速增加[1-2]。根據(jù)住建部發(fā)布的《2021年城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計年鑒》，2021年，我國城鎮(zhèn)生活垃圾產(chǎn)量已達(dá)2.49億t，較2020年上升6%，生活垃圾處理逐漸成為城市發(fā)展進(jìn)程中的一個大難題。目前生活垃圾主流處置方式有填埋、堆肥、焚燒等，垃圾填埋占用大量土地資源，且填埋處理過程中產(chǎn)生的甲烷是溫室氣體排放的主要組成部分，垃圾填埋會破壞環(huán)境[3-4]。垃圾堆肥基于垃圾分類收集，我國主要為混合垃圾，不宜直接堆肥，因此該技術(shù)很難推廣。在現(xiàn)有垃圾處理方法中，焚燒處理因優(yōu)于填埋和堆肥等其他垃圾處理方法而受到廣泛關(guān)注[5]。與垃圾填埋和堆肥相比，垃圾焚燒可有效降低垃圾體積和質(zhì)量[6]，消除垃圾中致病菌、病毒、寄生蟲等。此外，焚燒過程產(chǎn)生的熱能可回收利用[7]。2021年，全國城鎮(zhèn)生活垃圾焚燒處理量已達(dá)2.1億t，根據(jù)“十四五”規(guī)劃，截至2025年底，城鎮(zhèn)生活垃圾焚燒處理能力要達(dá)到約80萬t/d，城市生活垃圾焚燒處理能力占比65%左右[8]。

然而，垃圾焚燒同時會產(chǎn)生大量有害燃燒副產(chǎn)品，如部分燃燒的灰燼、微粒和二噁英等有機(jī)污染物，特別是二噁英，其毒性大、脫除成本很高[9]。常規(guī)垃圾焚燒發(fā)電機(jī)組由于機(jī)組容量小、蒸汽參數(shù)低、回?zé)嵫h(huán)不完善等，發(fā)電效率(14%～28%)遠(yuǎn)低于大型燃煤發(fā)電機(jī)組[10-12]。因此，為提高垃圾處理能力，降低垃圾發(fā)電成本，2017年底國家能源局和環(huán)境保護(hù)部聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于開展燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電技改試點(diǎn)工作的通知》，提出利用現(xiàn)有煤電機(jī)組，協(xié)同處理垃圾，提高垃圾處理規(guī)模，降低存量煤電煤耗。燃煤電廠協(xié)同耦合生活垃圾焚燒發(fā)電不僅能保證燃燒穩(wěn)定，提高發(fā)電效率，同時減少了單獨(dú)建設(shè)垃圾焚燒爐投資成本。目前，燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電經(jīng)數(shù)年發(fā)展，成效顯著。污泥耦合國內(nèi)已有大量運(yùn)行案例[13-14]，農(nóng)林生物質(zhì)耦合已有數(shù)個示范項(xiàng)目[15-17]，然而鮮見大型燃煤電站鍋爐耦合生活垃圾發(fā)電案例分析。

生活垃圾與大型燃煤機(jī)組耦合主要有直接耦合、間接耦合和并聯(lián)耦合3種方式。相比直接耦合與并聯(lián)耦合，間接耦合方式處理生活垃圾產(chǎn)生的污染小，垃圾處理徹底，且可直接利用現(xiàn)有垃圾焚燒氣化爐及燃煤機(jī)組的煙氣處理系統(tǒng)，投資成本較低，是一種經(jīng)濟(jì)可行的垃圾耦合路線。目前間接耦合已有工程案例和技術(shù)路線，如煙臺龍?jiān)措娏煞萦邢薰驹趪姌窎|電廠建設(shè)的30 t/d生活垃圾氣化耦合發(fā)電系統(tǒng)[18]；哈電集團(tuán)哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司研發(fā)的蒸汽側(cè)、煙氣側(cè)垃圾雙鏈耦合燃煤發(fā)電技術(shù)[19]；南京理工大學(xué)張睿課題組[20]提出的垃圾先焚燒處理，煙氣與燃煤機(jī)組耦合技術(shù)等。

二噁英排放是垃圾處置要考慮的重要因素[21]。垃圾焚燒過程中二噁英主要有高溫氣相反應(yīng)和低溫異相催化反應(yīng)2種生成途徑[22-23]。高溫氣相反應(yīng)是一些含C、H的低沸點(diǎn)有機(jī)物在高溫下與多氯聯(lián)苯、氯苯、氯酚和脂肪族化合物等耦合環(huán)化、取代、氯化生成二噁英[24]。低溫異相合成包括從頭合成和前驅(qū)物合成。從頭合成是指燃燒后的殘?zhí)肌洹⒀鹾吐鹊仍卦陲w灰中催化金屬作用下，通過環(huán)化、氧化、氯化等反應(yīng)生成二噁英[25]。前驅(qū)物合成是煙氣中攜帶的氯酚、氯苯等二噁英前驅(qū)物被飛灰中CuCl2、FeCl3等催化重整從而生成二噁英[26-27]。由于生活垃圾中氯含量較高，導(dǎo)致垃圾處理過程中二噁英排放較高，主要集中在煙氣和飛灰中[28-29]。關(guān)于垃圾焚燒過程中二噁英控制和消除一直是研究重點(diǎn)。陳懷俊等[30]系統(tǒng)論述了垃圾焚燒處置過程中二噁英的形成過程，并針對現(xiàn)有焚燒過程中二噁英控制技術(shù)和焚燒后飛灰處置技術(shù)進(jìn)行介紹分析，二噁英控制分為入爐前的分類預(yù)處理、入爐中的燃燒參數(shù)控制和抑制劑添加以及尾部煙道中二噁英生成抑制；馬瀚程等[31]利用燃煤耦合垃圾焚燒試驗(yàn)臺針對耦合垃圾焚燒煙氣粉煤灰中二噁英的濃度變化進(jìn)行研究，結(jié)果表明，與燃煤未耦合垃圾焚燒煙氣產(chǎn)生的粉煤灰相比，燃煤耦合垃圾焚燒后，煤粉爐煙氣和灰渣中二噁英毒性當(dāng)量降低；呂家揚(yáng)等[32]對市政污泥與生活垃圾協(xié)同焚燒二噁英的排放特性進(jìn)行研究，摻燒市政污泥可提高燃料中硫/氯，從而抑制二噁英合成。相比垃圾單獨(dú)處置，將垃圾與燃煤機(jī)組、污泥等固廢協(xié)同處置有助于降低二噁英排放。

基于以上研究，筆者設(shè)計了一條新的燃煤火電機(jī)組垃圾無氧熱解耦合處置工藝，將垃圾干化、熱解變?yōu)闊峤庥蜌夂屠亢螅倥c燃煤鍋爐耦合。與垃圾氣化相比，熱解特別是無氧熱解由于自身溫度較低，更能徹底控制二噁英排放，且熱解耗能也遠(yuǎn)低于氣化。另外由于目前間接耦合技術(shù)受制于耦合本身，當(dāng)電廠停機(jī)檢修時，生活垃圾無法處理，而本工藝可解決該問題，既可將生活垃圾與燃煤機(jī)組協(xié)同運(yùn)行，還可解耦實(shí)現(xiàn)生活垃圾單獨(dú)處置，靈活性更強(qiáng)。

目前國內(nèi)燃煤火電機(jī)組耦合垃圾的技術(shù)方案報道較少，且鮮見在實(shí)際電廠耦合垃圾后二噁英排放數(shù)據(jù)報道。鑒于此，筆者首次完成國內(nèi)某2×55 MW燃煤機(jī)組垃圾無氧熱解耦合技術(shù)方案設(shè)計，并在該機(jī)組上開展垃圾熱解產(chǎn)物耦合現(xiàn)場試驗(yàn)(總體協(xié)同處置垃圾質(zhì)量比4%)，重點(diǎn)測試?yán)鵁o氧熱解耦合后煙氣中二噁英排放特性，相關(guān)方案和測試結(jié)果可為我國探索大型燃煤火電機(jī)組耦合生活垃圾可行性提供指導(dǎo)意義。

1 工藝路線與現(xiàn)場試驗(yàn)

1.1 燃煤火電機(jī)組垃圾無氧熱解靈活性耦合處置工藝路線

燃煤火電機(jī)組垃圾無氧熱解靈活性耦合處置工藝路線如圖1所示。生活垃圾就近運(yùn)輸至垃圾處理廠垃圾儲池儲存，簡單破碎后送入干燥窯爐和熱解窯爐干燥和熱解，生成的熱解油氣一部分送入燃煤鍋爐燃燒，為避免熱解油氣在管道運(yùn)輸過程中發(fā)生沉積、結(jié)焦和堵塞，沿程抽取鍋爐煙氣為伴熱保證油氣溫度始終在300 ℃以上。另一部分進(jìn)入熱風(fēng)爐燃燒，利用熱風(fēng)爐中高溫?zé)煔鉃闊峤夂透苫峁崃浚罱K從干燥窯爐出來的煙氣重新送進(jìn)鍋爐燃燒。殘余固態(tài)物質(zhì)經(jīng)磁選、渦選后分離回收其中金屬，再通過玻選將破碎玻璃片分離，篩選后收集剩余的垃圾炭。垃圾炭可與煤粉混合送入鍋爐中燃燒發(fā)電。考慮燃煤機(jī)組可能存在停機(jī)檢修問題，工藝路線也可靈活調(diào)整，熱解油氣不再分為2部分，而是全部送入熱風(fēng)爐燃燒，為垃圾熱解干化提供能量，從而保證垃圾處理系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，不受燃煤機(jī)組影響。

圖1 燃煤火電機(jī)組耦合生活垃圾無氧熱解靈活性處置工藝路線Fig.1 Process route for flexible disposal of anaerobic pyrolysis of domestic waste coupled with coal-fired thermal power units

1.2 現(xiàn)場試驗(yàn)

本文為示范性研究，將長期工業(yè)化運(yùn)行的200 t/d垃圾無氧熱解示范項(xiàng)目得到的富集氯的垃圾熱解炭運(yùn)輸?shù)?×55 MW燃煤火電機(jī)組現(xiàn)場進(jìn)行耦合摻燒，并測試二噁英排放特性。200 t/d垃圾無氧熱解現(xiàn)場運(yùn)行照片如圖2所示，其中生活垃圾無氧熱解裝置利用生活垃圾熱解產(chǎn)生的熱解油氣燃燒為整個系統(tǒng)供熱，同時產(chǎn)生垃圾炭；垃圾炭經(jīng)破碎后再與煤粉按照一定比例摻混進(jìn)入鍋爐燃燒發(fā)電。有關(guān)垃圾無氧熱解工藝介紹可參考文獻(xiàn)[33]。目前該試驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行良好，部分處理產(chǎn)物如垃圾中鐵、銅、鋁等金屬可直接回收利用。

圖2 現(xiàn)場運(yùn)行設(shè)備Fig.2 On-site operating equipment

試驗(yàn)煤粉和生活垃圾的工業(yè)分析和元素分析見表1，其中生活垃圾Mad為55%，鍋爐所用的煤粉為劣質(zhì)煤，Mad為1.93%。干燥窯爐溫度控制在120～200 ℃，熱解窯爐溫度在350～450 ℃。熱解過程固相產(chǎn)率在25%～30%。現(xiàn)場試驗(yàn)時生活垃圾處理量為200 t/d，生活垃圾耦合比為4%。試驗(yàn)過程中對生活垃圾熱解的氣液相產(chǎn)物進(jìn)行現(xiàn)場取樣分析，收集燃煤機(jī)組產(chǎn)生的飛灰和煙氣，測定二噁英含量。

表1 煤粉和生活垃圾的燃料特性Table 1 Fuel properties of pulverized coal and domestic waste

1.3 二噁英測定

考慮到富氯垃圾炭耦合焚燒后潛在的二噁英排放，試驗(yàn)將煙氣取樣位置選在終端煙囪出口處，飛灰取樣位置在爐膛后半段。本次采樣測試委托陜西省環(huán)保集團(tuán)測試，分別檢測純燒燃煤和垃圾耦合比4%時的燃煤鍋爐煙氣和飛灰中二噁英含量。煙氣中二噁英采樣和檢測方法按照HJ 77.2—2008《環(huán)境空氣和廢氣 二噁英類的測定 同位素稀釋高分辨氣相色譜-高分辨質(zhì)譜法》進(jìn)行，飛灰中二噁英采樣和檢測方法按照HJ 77.3—2008《固體廢物 二噁英類的測定 同位素稀釋高分辨氣相色譜-高分辨質(zhì)譜法》進(jìn)行。現(xiàn)場采樣裝置為ZR-3720廢氣采樣器，其中的石英纖維濾膜和吸附材料聚氨基甲酸乙酯泡沫(PUF)可對煙氣和飛灰進(jìn)行過濾和吸附。

2 結(jié)果與討論

2.1 垃圾熱解產(chǎn)物分析

生活垃圾熱解氣體成分見表2，焦油成分見表3。熱解氣體主要組成為H2O、H2、CO、CO2、CH4和C2H4。焦油元素組成以C為主，其次為O和H，Cl質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為0.09%。

表2 熱解氣體成分Table 2 Pyrolysis gas composition %

表3 焦油成分Table 3 Tar composition %

生活垃圾熱解產(chǎn)生的垃圾炭的工業(yè)分析和灰成分分析見表4、5，可知垃圾炭品質(zhì)較好，其熱值為9.41 MJ/kg。同時垃圾炭中氯含量很高，達(dá)到7.35%，說明熱解過程中生活垃圾中氯大部分被富集在垃圾炭中。

表4 垃圾炭的燃料特性Table 4 Fuel properties of waste charcoal

表5 垃圾炭灰分組成Table 5 Ash composition of waste charcoal %

2.2 垃圾熱解油氣燃燒的二噁英排放

試驗(yàn)測得生活垃圾無氧熱解系統(tǒng)排煙的二噁英質(zhì)量濃度為0.11 ng/m3(以TEQ計，下同)，出口煙氣流速為17 372 m3/h，以該2×55 MW機(jī)組燃煤鍋爐為基準(zhǔn)進(jìn)行耦合計算，鍋爐負(fù)荷為35 t/h，爐膛出口氧量為4%。假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)工況下煙氣密度為1.34 kg/m3(標(biāo)況下，下同)，則鍋爐煙氣量約2.48×105m3/h(標(biāo)況下，下同)。在垃圾無氧熱解協(xié)同處置系統(tǒng)中，若熱解系統(tǒng)煙氣全部通入燃煤鍋爐，在煤粉鍋爐1 300 ℃以上高溫灼燒下煙氣中二噁英會分解大部分，即使假設(shè)其不會減少，則無氧熱解系統(tǒng)煙氣對最終煤粉鍋爐煙氣形成的新增二噁英質(zhì)量濃度也僅為0.007 7 ng/m3。相關(guān)研究表明，二噁英在850 ℃以上保留時間超過2 s分解率達(dá)99.99%以上[34-35]。但在爐膛低溫?fù)Q熱區(qū)二噁英還會重新合成，尤其在250～450 ℃[36-37]，生成量占二噁英總生成量的70%以上[35]。考慮到二噁英在高溫下分解和低溫下重新合成，假設(shè)二噁英重新生成比為70%，則二噁英實(shí)際新增量應(yīng)在0～5.4×10-3ng/m3。

2.3 生活垃圾耦合試驗(yàn)的二噁英排放

按照圖1工藝路線進(jìn)行生活垃圾耦合摻燒試驗(yàn)和煤粉純燒試驗(yàn)，生活垃圾耦合比為4%，并測試最終煙囪排放的煙氣和飛灰中二噁英含量，測試結(jié)果如圖3～5所示。煤粉純燒時，煙氣中二噁英主要組成為2,3,7,8-T4CDF和1,2,3,4,6,7,8-H7CDF，毒性貢獻(xiàn)最大為2,3,7,8-T4CDF和2,3,4,7,8-P5CDF；飛灰中二噁英含量最多為1,2,3,4,6,7,8-H7CDF，毒性貢獻(xiàn)最大為2,3,4,7,8-P5CDF。摻燒生活垃圾時，煙氣中2,3,7,8-T4CDF含量明顯增多，1,2,3,4,6,7,8-H7CDF含量減少。毒性貢獻(xiàn)最大仍為2,3,7,8-T4CDF和2,3,4,7,8-P5CDF。飛灰中二噁英主要組成為1,2,3,4,6,7,8-H7CDF，相比煤粉純?nèi)紵f英含量有所減少。相應(yīng)地，飛灰中二噁英毒性也有所下降。

圖3 煙氣中二噁英的實(shí)測濃度與毒性當(dāng)量濃度Fig.3 Measured concentration and toxic equivalent concentration of dioxins in flue gas

圖4 飛灰中二噁英的實(shí)測濃度與毒性當(dāng)量濃度Fig.4 Measured concentration and toxic equivalent concentration of dioxins in fly ash

圖5 不同工況下煙氣中二噁英含量Fig.5 Dioxins content in flue gas under different working conditions

不同工況下煙氣中二噁英含量(其中熱解油氣純燒的二噁英排放考慮二噁英再生成作用取得最大值)如圖5所示。煤粉純燒時，測得煙氣中二噁英總質(zhì)量濃度為6.05×10-3ng/m3；摻燒4%垃圾時，煙氣中二噁英總質(zhì)量濃度為5.34×10-3ng/m3，二噁英總量在摻燒前后無明顯變化，加上熱風(fēng)爐煙氣進(jìn)入鍋爐帶來的新增二噁英，二噁英最大總質(zhì)量濃度分別為1.145×10-2、1.074×10-2ng/m3，仍滿足GB 18485—2014《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的0.1 ng/m3限值要求，且低于最新出臺的上海市地方標(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/m3。

正常垃圾焚燒爐煙氣中二噁英質(zhì)量濃度為0.013～0.100 ng/m3。煤粉純燒時，飛灰中二噁英總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.77 ng/kg；摻燒4%垃圾時，飛灰中二噁英總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.30 ng/kg，摻燒生活垃圾后飛灰中二噁英含量減少。這與馬瀚程等[31]研究結(jié)果一致，黃晨等[38]研究表明在燃煤鍋爐中摻燒少量生活垃圾，煙氣和飛灰中二噁英含量不會增加，但摻燒比超過20%時，二噁英含量明顯增加。陸勝勇等[39]通過引入二噁英質(zhì)量平衡方法，發(fā)現(xiàn)垃圾與煤在流化床焚燒爐內(nèi)混燒能較大程度破環(huán)原生垃圾中二噁英。LU等[40-41]在實(shí)際條件和實(shí)際焚燒爐中發(fā)現(xiàn)生活垃圾與煤混燒可減少二噁英生成。

相關(guān)研究[42]表明，煤粉摻燒垃圾能降低二噁英生成主要是由于煤中硫物質(zhì)的作用，煤與垃圾摻燒產(chǎn)生大量SO2，從而抑制二噁英生成。SO2抑制二噁英生成機(jī)理有：① SO2將生成二噁英的主要物質(zhì)Cl2還原為HCl[43-44]；② 使參與二噁英再生成反應(yīng)的催化劑中毒[45-47]；③ 使二噁英前驅(qū)物硫酸化[48]。試驗(yàn)煤種干基含硫量為2.16%，屬于高硫煤，煙氣中SO2質(zhì)量濃度約3 464.64 mg/m3[49]，遠(yuǎn)高于正常鍋爐煙氣中SO2濃度，摻燒垃圾過程中會抑制二噁英生成。因此摻燒4%垃圾時煙氣和飛灰中二噁英含量均小于煤粉。但隨垃圾摻混比例增加，煤占比減少，混合物熱值降低，爐膛溫度下降，二噁英等不完全燃燒產(chǎn)物生成量繼續(xù)增加[50]。因此生活垃圾摻燒比例不能太大，利用本工藝路線按照摻混比4%協(xié)同處理生活垃圾對煙氣和飛灰中二噁英排放量影響不大。

3 結(jié) 論

1)針對生活垃圾處理，提出了一種新的生活垃圾無氧熱解靈活性耦合協(xié)同處置工藝方案，可實(shí)現(xiàn)生活垃圾協(xié)同處置，燃煤機(jī)組停爐檢修時，仍能保證系統(tǒng)自平衡正常運(yùn)行。

2)生活垃圾熱解氣體主要組成為H2、CO、CH4、CO2等，焦油中Cl含量很低，Cl主要富集在垃圾炭中。

3)基于提出的工藝方案，在國內(nèi)某2×55 MW燃煤機(jī)組上開展垃圾熱解產(chǎn)物耦合現(xiàn)場試驗(yàn)，重點(diǎn)測試該燃煤機(jī)組二噁英生成排放特性，結(jié)果表明，利用本工藝路線處理垃圾產(chǎn)生的二噁英含量遠(yuǎn)低于垃圾直接焚燒產(chǎn)生的二噁英含量。煤粉純燒時，煙氣中二噁英最大總質(zhì)量濃度為1.145×10-2ng/m3(以TEQ計，下同)；垃圾摻燒比為4%時，煙氣中二噁英最大總質(zhì)量濃度為1.074×10-2ng/m3，均滿足排放標(biāo)準(zhǔn)。