城市固廢耦合發電的研究與應用

摘要：城市固廢的快速增長及其再利用是當前面臨的環境和社會問題之一，利用城市固廢作為現有燃煤電廠的耦合發電燃料并循環利用，可助力“無廢城市”建設。城市固廢耦合發電可通過利用燃煤電廠現有的系統和設施，對城市固廢進行破碎、擠壓成型等預處理后制成成型燃料，再通過輸煤系統輸送進循環流化床鍋爐爐膛完成耦合燃燒，實現對城市固廢的集中處置及循環利用。為此，結合實際工程應用，探討在循環流化床鍋爐中將城市固廢作為耦合燃料進行耦合發電的工況，以及城市固廢耦合發電的效果，為實現城市固廢減量化和資源化利用提供有力地支撐。

關鍵詞：城市固廢；循環流化床鍋爐；耦合發電；減量化；資源化

隨著我國城市固廢產生量的增加，“固廢圍城”現象頻發，使得城市固廢減量化和資源化利用變得尤為重要。由于焚燒技術是目前處理城市固廢的有效方法之一，因而在固廢焚燒工藝中，與其他焚燒工藝相比，循環流化床技術不僅是一種采用高速氣流循環流化固體燃料的燃燒技術，可將煤炭、生物質、廢棄物等多種固體燃料進行燃燒，還具有燃料適應性比較廣、NOx 排放少、灰渣利用率高等優點，可實現大型工程化固廢利用[1]。加之，循環流化床技術可有效地降低燃煤對環境的污染，已在燃煤電廠中被用于生產蒸汽以驅動渦輪機發電，從而提高發電效率、降低煤炭消耗，以及減少燃煤發電時的有害氣體排放。因此，借助循環流化床技術，讓城市固廢資源化利用與燃煤耦合發電相結合，既能使城市固廢得到無害化、減量化處理和資源化利用，解決“固廢圍城”的社會問題，又符合生態環境建設的客觀要求[2][3]。

1 城市固廢耦合發電的作用與方式

1.1 作用概述

目前，我國燃煤發電產業面臨機組負荷率低、發電小時數低[4]、煤炭燃料價格波動難以預測等多重轉型升級考驗，因此通過在燃煤電廠的循環流化床鍋爐中使用城市固廢替代煤炭或與煤炭混合作為燃料進行耦合發電，不僅可降低燃煤電廠的燃料成本，還可推動燃煤發電產業的可持續發展。根據我國固廢處置政策和技術要求，以及現有燃煤發電廠的實際情況，利用循環流化床技術協同處置城市固廢，是解決城市固廢處置難題最可靠和有效的一種途徑[5][6]。

1.2 耦合發電方式

直接耦合、間接耦合和并聯耦合是城市固廢耦合發電常見的3 種方式。其中，直接耦合發電是指將城市固廢在循環流化床鍋爐中直接作為燃料或與煤炭混合作為燃料進行耦合發電的技術，初始投資和運營費用較低，成熟度較高[7][8]。因此，本文依托福建省某發電有限公司2×300 MW 循環流化床鍋爐“城市固廢”綜合利用項目（下稱“案例項目”），研究在循環流化床鍋爐中使用工業固廢（服裝及鞋業的邊角料）、污泥等城市固廢作為耦合燃料進行直接耦合發電的工況，探討城市固廢耦合發電工程應用的成效，為城市固廢無害化、減量化、資源化處理與利用提供可復制的成功經驗。

2 直接耦合發電工藝設計應用與運行控制

2.1 工藝路線的優化設計與應用

由于城市固廢具有與燃煤差別較大的物理性質，使得其無法通過燃煤電廠現有的輸煤系統直接進行破碎利用，因而為解決城市固廢破碎與輸送至循環流化床鍋爐的問題，案例項目對城市固廢直接耦合發電工藝路線進行了優化設計，建立了破碎系統及氣力輸送系統。城市固廢在市場前端打包成捆運至燃煤電廠后，通過叉車叉進料倉，破包后采用破碎系統的雙軸撕碎機將其破碎，再通過輸送皮帶和氣力輸送系統經循環流化床焚燒爐回料口送至爐內燃燒。

采用“爐內噴鈣+SNCR 脫硝＋靜電除塵+半干法脫硫＋袋式除塵”工藝，處理城市固廢在循環流化床鍋爐內燃燒產生的煙氣。其中，煙氣脫硫裝置采用循環流化床鍋爐內噴鈣技術，通過氣相與固相流機制提升傳質、傳熱效率，進而提高脫硫效率；除塵裝置為雙室四電場電除塵器，除塵效率高達99%；脫硝裝置采用選擇性非催化還原法（SNCR），脫硝效率可達80% 以上。

2.2 系統的集中控制與保護

城市固廢直接耦合發電的運行控制方式采用操作站集中控制，并向循環流化床鍋爐集散控制系統（DCS）傳送運行數據，實現對城市固廢耦合發電系統中所有工藝設備的運行控制及保護。同時，就地設置視頻監控整個系統運行情況，讓運行人員能根據工況與就地情況及時調整城市固廢耦合燃燒量。

3 耦合燃燒的城市固廢與工況

城市固廢包含工業固廢、農業固廢、醫療固廢等固體廢棄物，但案例項目只在2×300MW 循環流化床鍋爐中耦合燃燒了工業固廢與污泥2 種城市固廢，因此研究只分析耦合燃燒工業固廢與污泥的成分與發電工況。

3.1 耦合燃燒的城市固廢成分與分析

3.1.1 工業固廢

案例項目中耦合燃燒的工業固廢為福建省內服裝、鞋子及紡織品加工過程產生的邊角料，其成分如表1 所示。

3.1.2 污泥

污泥中不僅含有豐富的有機物及無機物，還含有較多重金屬等有害物質[9]，因此污泥須經有資質的單位鑒別為一般工業固廢后方可作為耦合燃料。 案例項目中耦合燃燒的污泥主要來源于福建省內生活污水處理廠和紡織印染企業，包含90% 的生活污泥和10% 的紡織印染企業污水處理站污泥，且耦合燃燒的污泥為干化處置后的干污泥（干污泥中的水分約為30%），其成分如表2 所示。

3.2 城市固廢耦合發電鍋爐熱效率與工況

案例項目現役的2×300 MW 循環流化床鍋爐，具有熱容量大、自動化高、運行控制簡單等特點，適合用于城市固廢耦合燃燒發電。鍋爐運行時間為24 h/d（5500 h/a），燃燒階段爐膛密相區的溫度始終維持在850～920 ℃。研究根據案例項目燃煤發電廠的實際情況，計算鍋爐熱效率，探討城市固廢耦合發電工況。

3.2.1 鍋爐熱效率計算

鍋爐熱效率如式（1）所示按熱損失法計算[10]。

在實際計算過程中，由于試驗狀況與鍋爐性能保證狀況會存在一定的偏離，因此在與保證值進行對比前需將計算得到的鍋爐熱效率值進行修正處理。

3.2.2 耦合發電工況分析

循環流化床鍋爐投入爐膛總風量的變化，表現為爐內氧量的變化，爐內氧量會影響鍋爐熱效率。因此，循環流化床鍋爐內最佳氧量的具體數值，應根據煤質、機組負荷、城市固廢耦合燃燒量等特性確定。案例項目耦合發電機組為中負荷（蒸發量約740 t/h），耦合城市固廢量約為15 t/h。如表3 所示，當最佳氧量為2.0% 的工況1 下，修正后的鍋爐效率最高為92.22%；當氧量在工況2 與工況3 的1.7%～2.3% 之間時，鍋爐熱效率差異不大；當氧量為工況4 的1.45% 時，修正后的鍋爐熱效率有明顯下降，故燃燒城市固廢直接耦合發電時應盡量避免過低氧量的工況。

如表4 所示，當投入的耦合城市固廢量為10.3 t/h 且投風時，工況5 修正后的鍋爐熱效率為91.93%；當不投城市固廢、投風時，工況6 修正后的鍋爐熱效率為92.20%；當不投城市固廢、不投風時，工況7 修正后的鍋爐熱效率為92.57%。無論是否耦合城市固廢，循環流化床鍋爐的熱效率都比較高。

從工況5 與工況7 的對比可以看出，當投入10.3 t/h 的正常量城市固廢且投風時，受排煙溫度和灰渣含碳量差異的綜合影響，無組織風量增加，空預器換熱減少，影響了排煙溫度，使得修正后的鍋爐熱效率降低了0.64%。但投入10.3 t/h 的正常量城市固廢，會增加1.2%左右的飛灰含碳量，不過底渣含碳量基本不受影響。因此，為穩定循環流化床鍋爐的熱效率，在實際日常運行中，應根據實時監控數據調整城市固廢耦合量。

從工況6 與工況7 的對比可以看出，當不投城市固廢停而投風時，修正后的鍋爐熱效率下降了0.37%，主要原因是在同樣氧量下爐內無組織風量增加，降低了通過空預器的風量，使得換熱效果相應降低。因此，當短時間內無法投運城市固廢時，應注意及時停風，避免增加循環流化床鍋爐與機組能耗。

4 城市固廢耦合發電煙氣達標排放與效益

4.1 煙氣達標排放

城市固廢在循環流化床鍋爐耦合燃燒產生的煙氣，依托燃煤電廠發電機組已有的煙氣凈化系統進行處理。依托煙氣凈化系統中新型布袋除塵器良好的重金屬脫除效果，使得城市固廢耦合發電燃燒排放的煙氣中重金屬基本為零，且由于重金屬含量較低，耦合發電燃燒產生的飛灰中重金屬含量也符合達標排放要求。

城市固廢耦合發電燃燒產生的煙氣在循環流化床鍋爐的爐膛內停留時間為4～5 s，且鍋爐實際燃燒溫度可達880 ℃以上，因而有效防止了二噁英在300～500 ℃時的再合成[11]，其燃燒特性對二噁英具有顯著的抑制作用。加之，爐內噴鈣及爐后半干法脫硫工藝對煙氣中的二噁英具有很好的脫除效果，使得二噁英的排放指標遠低于規定的0.1 ngTEQ/m3 允許值，實現了達標排放。煙氣中二噁英含量監測數據如表5 所示。

4.2 環境與經濟效益顯著

按循環經濟計算口徑，案例項目耦合燃燒城市固廢17 萬t/a，可節約標準煤10 萬t/a，減排NOx 約740 t/a、減排SO2 約850 t/a、減排CO2 約27.7 萬 t/a，節約碳排放交易費用約1606.6 萬元/a，降低脫硫成本34.87 萬元/a，具有良好的環境及經濟效益。

5 結論

隨著我國“雙碳”工作的推進，城市固廢減量化、資源化處理與利用，以及燃煤電廠低碳轉型發展任務愈加緊迫。在燃煤電廠現役循環流化床鍋爐中直接耦合城市固廢進行發電，不僅可實現城市固廢無害化、減量化、資源化處理與利用，也能在燃煤電廠低碳轉型發展方面發揮更重要的作用。

參考文獻

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作者簡介

許翔（1975—），男，漢族，福建福州人，高級工程師，碩士，主要從事環境工程、環保核心工藝研發工作。

通信作者

黃文財（1978—），男，漢族，福建龍海人，高級工程師，學士，主要從事環境工程、環保核心工藝、造價預算工作。

加工編輯：馮為為

收稿日期：2024-09-30