燃煤循环流化床锅炉掺烧生活垃圾研究综述

2021-07-08赵中华张绪辉张利孟王海超董信光

山东电力技术 2021年6期

赵中华，张绪辉，张利孟，王海超，董信光

（1.山东电力研究院，山东济南 250003；2.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东济南 250003）

0 引言

近年来，随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，城市生活垃圾产生量日益增多。根据国家统计年鉴，2014—2018年，全国城市生活垃圾无害化处理率由91.8%提升到99.0%，无害化处理主要以卫生填埋和焚烧为主［1］，尤其是垃圾焚烧，近些年所占比重越来越多。然而，我国垃圾成分非常复杂，含水率高，热值低［2］，导致燃烧不充分，极易产生二次污染物尤其是二英，此类污染物属于致癌物质，物理化学性质稳定、不易分解，对环境危害极大。2014—2018 年全国城市生活垃圾无害化处理量如图1 和表1所示。

表1 2014—2018年全国城市生活垃圾无害化处理数据单位：万t

图1 2014—2018年全国城市生活垃圾无害化处理量

将垃圾制成垃圾衍生燃料（Refuse Derived Fuel，RDF），作为燃煤锅炉、水泥窑炉的燃料，不仅可以提高垃圾的热值与燃烧稳定性，同时，可以利用煤中含有的一些成分或混烧过程中产生的某些成分抑制垃圾焚烧过程中二英等有害物质的产生［3］。以上城市生活垃圾与煤混合燃烧的优势决定了燃煤锅炉掺烧生活垃圾的方式是一种很有前景的垃圾资源化利用技术，而循环流化床固有的特点使其相对于其他燃烧技术在控制污染物生成方面具有不可比拟的优势［4］。

1 燃烧特性

我国城市生活垃圾成分复杂，而且随地域和季节的不同变化很大。垃圾衍生燃料是将城市生活垃圾中玻璃、金属等不燃物筛选出，对剩余的废塑料、纸屑等可燃废弃物进一步粉碎、干燥后加工制成的燃料。加工后的燃料具有热值高、燃烧稳定的特点，而且便于运输，储存期可达6～12个月［5］。

城市生活垃圾与煤混烧时的燃烧曲线与煤单独燃烧时相似，主要分为三个阶段：第一阶段是水分的析出干燥阶段，此阶段为吸热阶段；第二阶段是挥发分的析出和燃烧阶段；第三阶段是固定碳的燃烧和燃尽阶段，燃烧完全后剩下的就是不能燃烧的灰分［6］。刘晶晶利用热重分析仪对生活垃圾与煤混合试样的燃烧特性进行了实验研究，结果表明生活垃圾能改善煤的燃烧性能，混合燃料中随着生活垃圾掺入量的增加，热重曲线向低温区转移，燃尽点逐渐降低，综合燃烧特性指数明显增大［7］。

尹航等通过Aspen Plus 模型模拟分析及在垃圾循环流化床（Circulating Fluidized Bed，CFB）锅炉上进行实际运行测试，结果显示仿真模拟与实际测试结论基本一致，垃圾掺烧对锅炉运行参数具有一定的影响：随着垃圾与燃煤的质量掺烧比增大，垃圾CFB 锅炉的床温降低、排烟温度升高、锅炉热效率和锅炉蒸发量下降［8］。蒋旭光等研究煤与垃圾在循环流化床锅炉内混烧时，也发现燃烧效率较煤单独燃烧时低，但可以通过提高床温温度、增加过量空气系数等运行方式，提高燃烧效率［9］。柏继松研究发现，由于RDF 中含有较高的挥发分，析出后被一次风带到炉膛上部燃烧，导致稀相区温度升高，使沿炉膛高度方向上的温度分布变得更加均衡［10］。

陈峰在1 台75 t/h 的循环流化床锅炉进行垃圾与煤的混合试烧试验分析，垃圾添加量为5%和10%，通过对锅炉运行参数48 h 连续监视，混合燃料试烧过程中，锅炉系统运行稳定，各运行参数与原煤工况比无显著差别［11］。杨康利用热重曲线和混烧试验过程中NOx与CH4的释放特性曲线，发现RDF掺入最佳配比为20%，其混合物挥发分析出速率最快，NOx的峰值排放浓度较低［5］。Suksankraisorn 等推荐燃煤循环流化床混烧垃圾的替代率为20%［12］。Wan等通过在1 台130 t/h 燃煤循环流化床掺烧RDF 试验研究，推荐垃圾掺烧比为30%［13］。

2 飞灰特性

垃圾焚烧产生的飞灰处理难度和危害都是极大的，其浸出毒性、重金属含量及化学形态、固化稳定化处理等一直是研究的热点。

柏继松利用X 射线衍射仪对垃圾与煤混烧后的飞灰进行了分析，发现煤单独燃烧和RDF 混烧所产生的飞灰在晶相结构上没有发生太大变化［10］。林晓青研究掺烧不同比例生活垃圾对燃煤灰渣特性的影响，发现生活垃圾掺烧对燃煤灰渣特性影响很小，飞灰的主要元素为Si、Al、Ca 和Fe，垃圾成分波动性大导致飞灰中元素的变化。垃圾掺烧对飞灰粒径分布影响很小，各工况下绝大部分飞灰呈熔融状态，表面凹凸不平，呈球状、块状分布［14］。

3 污染物

垃圾焚烧发电作为资源化、无害化处置城市生活垃圾的最佳方式，逐渐得到推广和应用，然而焚烧过程产生的二次污染物，如二英、SO2及NOx等也应对引起足够的重视与关注。生活垃圾焚烧典型污染物控制标准如表2所示。

表2 生活垃圾焚烧典型污染物控制标准

李晓东通过原生垃圾和煤混合燃烧试验发现，随着混合物中煤所占比例的提高，混合物的热值随之增加，燃烧更加充分和完全，二英等不完全燃烧产物的生成量都大大减少［18］。陆胜勇引入二英质量平衡的方法，研究垃圾和煤混烧过程中二英的生成与消减情况，垃圾和煤在流化床焚烧炉内混烧能较大程度地破坏原生垃圾中的二英，使焚烧系统输出的二英毒性质量远小于输入的二英毒性质量［17］。黄晨研究了掺烧不同比例生活垃圾时烟气中二英浓度的变化情况，当生活垃圾掺烧量低于20%时，烟气即使未净化，二英I-TEQ 排放浓度也低于国家0.1 ng/m3的排放标准［19］。利用流态化洗涤与布袋过滤相结合的工艺净化垃圾焚烧烟气，当吸收剂为石灰石浆液，浆液浓度为1%，循环倍率为3，喷射速度为5～15 m/s，净化装置的二英净化效率为99.35%［20］。

3.2 SO2和NOx

垃圾焚烧时，SO2和NOx通常是由垃圾中的硫化物和氮化物氧化产生，而垃圾中的硫元素和氮元素含量比煤中的少，垃圾和煤混烧时，不仅可以降低烟气中的SO2和NOx含量，而且垃圾中的某些成分还可以抑制SO2和NOx的生成。城市生活垃圾与煤的组成成分如表3所示［21］。

表3 城市生活垃圾与煤的组成成分

朱廷钰研究发现，垃圾与煤掺烧过程中，随着垃圾添加比例的增加，烟气中SO2和NOx含量明显呈下降的趋势。在垃圾与煤质量比达到0.767时，即使没有添加任何脱硫剂，烟气中排放的SO2浓度也已经很低［4］。Estelle等的研究表明，循环流化床燃煤锅炉掺烧城市生活垃圾时SO2和NOx排放降低，是由于垃圾中某些高钙基物质的存在，导致酸性气体在炉内的停留时间延长［22］。魏小林发现垃圾中钾、钙、钠等元素的存在也可起到抑制剂的作用，阻碍S 向SO2的转化，随着垃圾掺入的比例越高，则燃料中SO2的转化率越低［23］。此外，煤燃烧过程中，高氯物质的加入同样可以降低烟气中SO2的浓度，促使硫和氯在灰渣中富集［24］。因此，垃圾和煤混烧，可以充分利用垃圾自身的脱硫能力，降低煤尤其是高硫煤燃烧过程中SO2的排放。

通过添加脱氯剂的方式也可进一步减少烟气中酸性气体的浓度。臧仁德研究发现，在喷雾干燥塔内利用喷雾生成的Ca（OH）2液滴可有效吸收焚烧产生烟气中的酸性气体［25］。金保升通过采用三相流态化垃圾焚烧烟气净化系统对混烧烟气进行处理，该净化装置对二英、重金属、SO2都有显著的去除效果［26］。