生活垃圾熱解可燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)尾氣顆粒物特性及改進(jìn)凈化＊

嚴(yán) 鑫，李 瑋，楊文軍

（1.中城綠建科技有限公司，浙江 杭州 310000；2.沈陽航空航天大學(xué)，遼寧 沈陽 110136）

1 工程背景概述

隨著人民生活水平的不斷提高，我國城市和村鎮(zhèn)生活垃圾產(chǎn)生量也在逐步增長。2023 年我國生活垃圾的總清運(yùn)量高達(dá)2.64×108t，與2018 年的2.28×108t 相比提高了15.79%，平均年復(fù)合增長率約為3%［1］。“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃［2］“綠色宜居村鎮(zhèn)技術(shù)”創(chuàng)新專項(xiàng)中“村鎮(zhèn)生活垃圾高值化利用與二次污染控制技術(shù)裝備”項(xiàng)目和課題“村鎮(zhèn)垃圾高效熱解氣化與煙氣凈化技術(shù)及裝備”（計(jì)劃編號：2018YFD1100602）的主要任務(wù)是開發(fā)適用于村鎮(zhèn)垃圾處置的系列熱解氣化技術(shù)及裝備，實(shí)現(xiàn)村鎮(zhèn)垃圾就地、穩(wěn)定以及能源化潔凈處置。

固體廢物的熱解氣化技術(shù)是在無氧或缺氧的條件下，將垃圾中的有機(jī)大分子分解，從而產(chǎn)生小分子氣體、焦油和殘焦的過程［3］。熱解氣化技術(shù)是村鎮(zhèn)垃圾的主要處置方式之一，垃圾熱解氣化相對焚燒具有高效穩(wěn)定、污染排放低、投資運(yùn)行合理等獨(dú)特優(yōu)勢［4-6］。垃圾經(jīng)過熱解氣化后會產(chǎn)生可燃?xì)夂蜖t渣，目前，對于可燃?xì)獾馁Y源化利用方式有兩種［7-10］。其中，一種是進(jìn)入二燃室進(jìn)一步燃燒，燃燒后的煙氣經(jīng)余熱鍋爐進(jìn)行能源利用和降溫，然后經(jīng)煙氣凈化達(dá)標(biāo)后排放［11］；另一種則是將熱解可燃?xì)庵苯永鋮s、凈化后進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)發(fā)電，內(nèi)燃機(jī)尾氣經(jīng)凈化達(dá)標(biāo)后排放。由于可燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的發(fā)電效率可高達(dá)27%～30%［12］，故在工程中得到了廣泛應(yīng)用。

燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組［13-16］主要由發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)、公共底架、換熱器、機(jī)旁控制柜等部分組成，如圖1（a）所示。燃?xì)獍l(fā)電機(jī)工作過程中與氣體主要接觸的系統(tǒng)［17-18］包括進(jìn)氣、燃燒、點(diǎn)火、排氣和潤滑等。主要部件有火花塞、氣缸套、活塞、進(jìn)氣管、出氣管和氣缸蓋。燃?xì)獍l(fā)動機(jī)為四沖程發(fā)動機(jī)，每一個工作循環(huán)包括進(jìn)氣、壓縮、做功和排氣4 個沖程，這期間活塞在上、下止點(diǎn)間往復(fù)移動了4 個行程，曲軸旋轉(zhuǎn)了兩周。燃?xì)獍l(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作過程如圖1（b）所示。

圖1 燃?xì)獍l(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)與工作過程Figure 1 Structure and working process of gas generator

針對500GFM 型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組，前期使用時CO 氧化型凈化器、選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction，SCR）脫硝凈化設(shè)備均能穩(wěn)定達(dá)到原設(shè)計(jì)指標(biāo)。使用一段時間后，白色物質(zhì)開始富集在反應(yīng)模塊中。整個系統(tǒng)運(yùn)行1 個月后，經(jīng)測試兩組設(shè)備均無法達(dá)到原設(shè)計(jì)指標(biāo)，拆開后發(fā)現(xiàn)凈化設(shè)備模塊堵塞，如圖2 所示。經(jīng)初步處理，對CO 催化劑進(jìn)行吹掃，催化劑孔道內(nèi)吹出大量白色粉塵。吹掃結(jié)束后，將設(shè)備裝回重新測試，發(fā)現(xiàn)指標(biāo)效果改善并不明顯。

圖2 可燃?xì)馊紵蟛煌瑯?gòu)件上的白色粉末Figure 2 White powder on different components after gas combustion

為解決上述問題，研發(fā)組合式凈化技術(shù)，獲取可用于內(nèi)燃機(jī)發(fā)電的高品質(zhì)燃?xì)猓詽M足對應(yīng)的熱解氣化及煙氣污染全過程控制技術(shù)與裝備的要求。本研究針對可燃?xì)鈨艋筮M(jìn)入內(nèi)燃機(jī)直燃發(fā)電工藝中的內(nèi)燃機(jī)尾氣顆粒物進(jìn)行研究和分析，并實(shí)施改進(jìn)優(yōu)化。

2 工藝流程與設(shè)計(jì)參數(shù)

生活垃圾經(jīng)過熱解氣化產(chǎn)生低熱值的可燃?xì)猓渲饕煞郑?9］為CO、CH4、N2、H2、CmHn。經(jīng)過多級水洗、捕焦等處理后，含飽和水＜1%、含氧量＜1%。針對熱解可燃?xì)饨M分進(jìn)行測量，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 熱解可燃?xì)饨M分Table 1 The component of pyrolysis combustible gas

經(jīng)熱解后的可燃?xì)猓苯舆M(jìn)入到燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組發(fā)電。燃?xì)獍l(fā)動機(jī)［20］為直列、水冷、四沖程、中低速內(nèi)燃機(jī)，工作轉(zhuǎn)速為500、600 r/min，額定功率400～1 000 kW。該類型發(fā)電機(jī)具有缸徑大、行程長、功率儲備大等優(yōu)點(diǎn)［21-23］，適用于氣源波動大、濃度范圍廣等工況，能夠保證機(jī)組功率穩(wěn)定輸出。

發(fā)電機(jī)組的尾氣經(jīng)消音器排入調(diào)試煙囪，聯(lián)網(wǎng)后尾氣進(jìn)一步經(jīng)CO 氧化型凈化器和SCR 脫硝凈化設(shè)備處理，最后進(jìn)入排放煙囪排放。其中，CO 氧化型凈化器的主要作用是對煙氣中的CO 進(jìn)行催化燃燒，使CO 達(dá)標(biāo)排放。而SCR 脫硝凈化設(shè)備可以對煙氣中的氮氧化物作進(jìn)一步反應(yīng)，使氮氧化物達(dá)標(biāo)排放。

3 測試指標(biāo)與分析方法

為探究500GFM 型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組運(yùn)行一段時間后尾氣中CO 和氮氧化物排放超標(biāo)的具體原因，針對設(shè)備孔道內(nèi)的白色粉末開展了檢測與分析。

3.1 EDS 檢測

對現(xiàn)場模塊吹掃出的白色粉末進(jìn)行取樣檢測，測試結(jié)果如表2 和圖3 所示。

表2 白色顆粒物EDS 測試結(jié)果Table 2 EDS test results of white particle

圖3 白色顆粒物峰型測試結(jié)果Figure 3 Test results of peak pattern in white particle

根據(jù)白色顆粒物峰型和X 射線能譜儀（Energy Dispersive Spectrometer，EDS）測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，樣品白色粉末中含有Si、O、Al、C、Fe、La、Ce；各元素質(zhì)量濃度由大到小依次排序?yàn)椋篛＞Si＞Al＞C＞Ce＞La＞Fe，其中O 的質(zhì)量濃度最大。

3.2 SEM 檢測

對樣品進(jìn)行掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）檢測，其結(jié)果如圖4 所示。在加速電壓5 kV、工作距離6.4 mm、工作寬度114.3μm、放大倍數(shù)1 000 的參數(shù)條件下，白色粉末顆粒大多凝聚成團(tuán)，形態(tài)和尺寸大小不一，且具有一定的黏附性，如圖4（a）所示。而在加速電壓5 kV、工作距離6.5 mm、工作寬度11.43 μm、放大倍數(shù)10 000 的參數(shù)條件下，白色粉末顆粒成晶粒狀，分布不均，單獨(dú)晶粒直徑小于1μm，屬于納米級別粉末，如圖4（b）所示。晶粒黏附成團(tuán)或雪花片塊狀，且分布較實(shí)，流通通道少。因此，類似白色粉末極易堵塞催化劑表面涂覆通道。

圖4 樣品SEM 結(jié)果Figure 4 SEM results of samples

3.3 XRF 檢測

X 射線熒光（X-Ray Fluorescence，XRF）檢測結(jié)果如圖5 所示。從單質(zhì)模式分析，Si 濃度最大，前5 位分別是Si＞Fe＞Al＞Mg＞La；從氧化物模式分析，SiO2濃度最大，前5 位分別是SiO2＞Fe2O3＞Al2O3＞SO3＞MgO。

圖5 樣品XRF 檢測結(jié)果Figure 5 XRF results of the samples

由以上檢測結(jié)果可知：①從SEM 掃描電鏡和XRF 熒光光譜分析看，CO 催化劑表面附著的SiO2將催化劑微孔封閉，使得催化劑失去效果；②催化劑前后粉末中有害成分主要為SiO2和硫化物，因此存在化學(xué)成分導(dǎo)致催化劑失效的可能。

4 運(yùn)行效果分析

4.1 設(shè)備改進(jìn)及運(yùn)行效果

為實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)尾氣穩(wěn)定持續(xù)達(dá)標(biāo)排放，對裝置進(jìn)行了如下改進(jìn)：①通過在熱解凈化工藝中新增多級捕焦裝置，將可燃?xì)庵械慕褂蜐舛冉档椭?0 mg/m3以內(nèi)，基本滿足了內(nèi)燃機(jī)長期運(yùn)行要求。實(shí)際使用過程中，按照內(nèi)燃機(jī)半個月1 次保養(yǎng)的要求，內(nèi)燃機(jī)火花塞上僅有極少量白色粉末，進(jìn)行清理保養(yǎng)后可繼續(xù)使用；②在發(fā)電機(jī)組尾氣出口處新增高溫陶瓷除塵器，能夠?qū)Π咨勰┻M(jìn)行攔截，可以保護(hù)后續(xù)催化劑模塊。

通過以上兩個措施，經(jīng)過半年的運(yùn)行，發(fā)電機(jī)組保持穩(wěn)定，催化劑依然可靠有效，尾氣排放物濃度達(dá)標(biāo)。具體檢測數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 尾氣排放物檢測結(jié)果Table 3 Test results of exhaust emissions

4.2 尾氣顆粒物影響因素分析

熱解氣內(nèi)燃機(jī)對燃?xì)獾囊螅?4］為燃?xì)庠谶M(jìn)機(jī)前應(yīng)經(jīng)過除塵、焦油、苯、萘，脫硫、脫水、冷卻處理。500GFM 型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組對燃?xì)獾囊箜氝_(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)如表4 所示。

表4 500GFM 型內(nèi)燃機(jī)對燃?xì)獾囊骉able 4 The gas requirements of 500GFM internal combustion engine

實(shí)際運(yùn)行過程中，因?yàn)樯罾臒峤鈿獬煞直容^復(fù)雜，燃?xì)鈱?shí)際運(yùn)行參數(shù)較發(fā)電機(jī)燃?xì)庖髸胁町悺Ｒ驗(yàn)榘l(fā)電機(jī)尾氣顆粒物主要以SiO2為主，則將研究重點(diǎn)關(guān)注燃?xì)庵械姆蹓m含量和粒度、焦油含量、水分含量，此外燃?xì)庵械墓柩跬橥ㄟ^高溫燃燒也會存在SiO2，同樣納入研究范圍中。

4.2.1 可燃?xì)庵兴旨皽囟葘Π咨勰┥傻挠绊?/p>

為分析水分對白色粉末的影響，主要從燃?xì)庵械挠坞x水和不同溫度下可燃?xì)夂績蓚€方面進(jìn)行測試驗(yàn)證。

通過在可燃?xì)鈨艋に嚹┒酥涟l(fā)電工藝前端之間新增多級捕水器，然后在發(fā)電工藝進(jìn)氣端新增疏水口。燃?xì)饨?jīng)過多級捕水器中填料的捕水作用，使得燃?xì)庵械挠坞x水分離，此過程中燃?xì)鉁囟纫?0 ℃為基準(zhǔn)，經(jīng)過3×24 h 連續(xù)發(fā)電測試，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組火花塞處與發(fā)電機(jī)尾氣中的白色粉末（經(jīng)收集、干燥、稱質(zhì)量）質(zhì)量為原來的96.53%。

通過在燃?xì)鈨艋に囍校嵘鋮s塔功率，來降低冷卻水溫度，進(jìn)而降低可燃?xì)鉁囟龋粚⑷細(xì)鉁囟扔?0 ℃降低至20 ℃，發(fā)電工藝進(jìn)氣端新增的疏水口處的冷凝水明顯增多，經(jīng)過3×24 h 連續(xù)發(fā)電測試，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組火花塞處與發(fā)電機(jī)尾氣中的白色粉末（經(jīng)收集、干燥、稱質(zhì)量）質(zhì)量為原來的91.32%。

4.2.2 可燃?xì)庵蟹蹓m含量對白色粉末的影響

將熱解氣化中入爐料進(jìn)行篩分，篩除掉粒徑小于20 mm 的顆粒物；同時，在可燃?xì)鈨艋に囍性黾有L(fēng)除塵器和多級水洗，進(jìn)一步降低可燃?xì)庵械姆蹓m含量。通過對燃?xì)獾臋z測，使燃?xì)庵械姆蹓m含量小于30 mg/m3，經(jīng)過3×24 h 連續(xù)發(fā)電測試，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組火花塞處與發(fā)電機(jī)尾氣中的白色粉末（經(jīng)收集、干燥、稱質(zhì)量）質(zhì)量為原來的97.91%。

4.2.3 焦油對白色粉末的影響

垃圾熱解氣中焦油的去除是垃圾凈化的難點(diǎn)，通過對初始焦油的組分進(jìn)行工業(yè)分析（圖6）可知，垃圾熱解氣中的粉塵含量僅為0.88%，可見焦油中含有的粉塵量較大。

圖6 焦油的工業(yè)元素分析Figure 6 Industrial element analysis of tar

通過對可燃?xì)膺M(jìn)行多級水洗和多級捕焦措施，可以大幅降低燃?xì)庵械慕褂汀Ｔ谌細(xì)鈨艋に囍性O(shè)置三級水洗和二級捕焦后，可將燃?xì)庵械慕褂徒档椭?0 mg/m3以下，滿足發(fā)電機(jī)組長期運(yùn)行要求。經(jīng)過3×24 h 連續(xù)發(fā)電測試，發(fā)電機(jī)組火花塞處與發(fā)電機(jī)尾氣中的白色粉末經(jīng)收集、干燥、稱質(zhì)量后質(zhì)量為原來的1.36%，其中發(fā)電機(jī)組尾氣中的白色粉末幾乎不見，發(fā)電機(jī)組火花塞處有極少量白色粉末；再經(jīng)過進(jìn)一步的捕焦措施，燃?xì)庵械慕褂徒档椭?0 mg/m3以下，經(jīng)過3×24 h 連續(xù)發(fā)電測試，發(fā)電機(jī)組火花塞處與發(fā)電機(jī)尾氣中的白色粉末經(jīng)收集、干燥、稱質(zhì)量后質(zhì)量為原來的1.02%。取白色粉末進(jìn)行SEM 測試，此時的白色粉末顆粒為納米級別，屬于超細(xì)粉末。

4.2.4 白色粉末的生成原因

生活垃圾中硅氧烷的主要來源是含硅物質(zhì)［25］，如醫(yī)療保健、食品添加劑、塑料、洗滌劑、化妝品等。最常見的硅氧烷是D3、D4、D5、L2 和L3，一般D4 是主要部分，占含硅物質(zhì)總量的60%，其次是L2，再次分別是D5 和L3，分為水溶性硅氧烷和憎水性硅氧烷。

目前，對于可燃?xì)庵泄柩跬榈臏y定分析方法還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。盡管已有幾種可行的方法，但精確的定性定量分析仍然具有很大的挑戰(zhàn)性。因?yàn)橛袡C(jī)硅聚合物具有許多類型，且可燃?xì)庵泄柩跬榈母鹘M分濃度通常十分微小。此外，生活垃圾熱解可燃?xì)庵羞€有部分的硅醇（主要為三甲基硅醇），可占總硅質(zhì)的50%。D3 和三甲基硅醇的化學(xué)穩(wěn)定性差，易發(fā)生化學(xué)轉(zhuǎn)化，從而進(jìn)一步增加了測定分析工作的難度。

從滿足內(nèi)燃機(jī)發(fā)電要求的可燃?xì)庵谐槿託忾_展測試。將獲取的樣氣進(jìn)行預(yù)先干燥，冷卻到5 ℃，然后預(yù)加熱到15 ℃，處理后的氣體經(jīng)過活性炭層吸附單元后再進(jìn)行燃燒，并采集燃燒灰燼。試驗(yàn)中，幾乎采集不到相關(guān)白色粉末，說明垃圾熱解可燃?xì)庵写嬖诓糠止柩跬椤?/p>

5 成本經(jīng)濟(jì)分析

經(jīng)過對內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組的工藝改進(jìn)及處理，獲得了1.865 萬元/d 的經(jīng)濟(jì)效益。具體如下：

1） 通過凈化，每月可降低8 臺發(fā)電機(jī)組維修配件等費(fèi)用20 萬元；

2） 實(shí)現(xiàn)了連續(xù)發(fā)電，實(shí)際運(yùn)行每日提升發(fā)電量15 000 kWh，提高收入29.25 萬元/月；

3） 增長了催化劑使用壽命，由2 個月延長至12 個月，降低成本90 萬元/a。

6 存在問題與展望

1）存在問題：硅氧烷與焦油混合在垃圾熱解燃?xì)庵校瑐鹘y(tǒng)去除方法的工程運(yùn)行成本較高、去除難度大；采用固定式內(nèi)燃機(jī)用于垃圾熱解氣發(fā)電，對燃?xì)庵械慕褂秃头蹓m濃度要求高，需要采用多級凈化措施來滿足要求，但在一定程度上也增加了運(yùn)營成本。

2）未來展望：研發(fā)創(chuàng)新的焦油催化技術(shù)，從源頭減少粉塵與焦油量，以降低凈化設(shè)備運(yùn)行負(fù)荷來降低成本。同時，提升高溫燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電技術(shù)，在燃?xì)飧邷仉A段分離粉塵和減少焦油產(chǎn)生量，以改善提升能源利用率。

7 結(jié)論

1） 垃圾熱解可燃?xì)庵腥紵a(chǎn)生的白色粉末以SiO2為主，其主要來源為熱解可燃?xì)庵械慕褂秃凸柩跬椤?/p>

2） 新增多級捕焦裝置可將熱解可燃?xì)庵械慕褂徒档椭?0 mg/m3以下，排放煙氣中粉塵量低于5 mg/m3。

3） 垃圾熱解可燃?xì)庵泄柩跬槿紵a(chǎn)生的SiO2為納米級超細(xì)粉末，利用高溫陶瓷除塵可進(jìn)行有效捕捉，實(shí)現(xiàn)對發(fā)電機(jī)組尾氣催化劑的保護(hù)。

致謝：感謝浙江大學(xué)金余其研究員、李曉東教授以及林曉青副教授在課題實(shí)施中給予的指導(dǎo)和幫助，同時感謝淄博淄柴新能源有限公司為內(nèi)燃機(jī)發(fā)電技術(shù)提供的相關(guān)支持。