CFB锅炉燃料耦合资源化综合利用可行性分析

袁梦娇，何冰流，夏玮

（中国石化广州分公司，广东广州 510726）

据统计，2019年中国石化广州分公司（简称广州分公司）生产过程中一般工业固体废物（简称固废）产生量约为31.7万t、危险废物5大类产生量约10.8万t。一般固废主要采取综合利用、灰场贮存、填埋以及外委处理等。危险废物采取厂内综合利用、厂内废碱氧化装置处理以及外委资质单位处置的方式。

随着环保形势的日趋严峻，2015年3月广东省环保厅发布的《关于进一步提升危险废物处理处置能力的通知》（粤环〔2015〕26号）中第二条指出，鼓励危险废物产生量较大的钢铁、石化等企业自建危险废物处理处置设施；《关于固体废物污染防治三年行动计划（2018－2020年）》（粤环发〔2018〕5号）和《关于固体废物污染防治三年行动计划（2018－2020年）》（粤环发〔2018〕5号）也要求全面压实固体废物污染防治责任，工业危险废物产生单位须配套建设足够的暂存场所，鼓励自行建设危险废物处理处置设施，或委托具有相应资质的危险废物经营单位进行安全处理处置；《广东省环境保护“十三五”规划》中指出鼓励产生量大、种类单一的企业和园区自建规范化的危废处理设施，从而提升危废集中处理处置的能力。

循环流化床（CFB）锅炉具有燃料适应性广、氮氧化物（NOx）排放低、易于实现灰渣利用等特点[1]，可广泛应用于固废无害化处理。为有效利用广州分公司现有部分危险固废的高热值性，拟利用厂区内2台420 t/h CFB锅炉，掺混2万t/a危险固废进入CFB锅炉燃料中，减轻企业危废处理压力的同时，达到固废减量化、资源化、无害化的环境效益。

针对CFB锅炉掺烧固废工艺流程和种类，掺烧后锅炉燃烧情况、污染物排放情况进行初步试验分析，并根据污染源源强计算，给出CFB锅炉掺烧2万t/a危险固废主要大气污染物排放情况，为日后该公司CFB锅炉燃料耦合资源化综合利用提供理论依据。

1 CFB锅炉燃料现状

广州分公司CFB锅炉主要燃料为石油焦，在石油焦供应不足或含硫量高时，掺烧一定量的煤，煤与石油焦最大掺烧比为3:7；石油焦供应充足时，可以完全燃烧石油焦，石油焦设计最大用量为652万吨/年。

2016－2019年CFB锅炉燃料消耗情况见表1。从表1可见，CFB锅炉燃料以石油焦为主，占比在84.71%~91.46%，平均比例为88.19%；燃煤比例为8.54%~15.29%，平均比例为11.81%。

表1 2016—2019年CFB锅炉燃料消耗情况

2 掺烧试验内容及方法

为获取CFB锅炉掺烧固废运行、排污情况，于2019年9月23日0:00至9月25日24:00（共3 d，72 h）进行掺烧试验，固废、石灰石、石油焦掺烧比例为1:1:24，消耗量分别为191.82 t、191.82 t和4 363.64 t。为了解CFB锅炉掺烧固废前和掺烧期间的二噁英类排放情况，于2019年12月8日再次进行固废掺烧，并进行了掺烧固废的性质分析，燃料掺烧工艺流程以及排污情况分析。

2.1 掺烧固废性质分析

此次掺烧固废均来自正常生产过程中产生的3类、8种危险废物，具体种类及来源见表2。

如表2所示，根据实际固废产生量，在掺烧过程中油泥比例最高，其次为活性污泥和废活性炭，掺烧比例最低的是清焦碳渣。

2.2 CFB锅炉固废无害化处理工艺流程

由表2可知，所掺烧固废种类较多，且性质各不相同，若要在现有燃料中掺烧一定比例的固废，首先要对掺烧物料进行预处理，然后再送至炉膛内燃烧。

表2 CFB锅炉固废掺烧试验物料情况

2.2.1 预处理工艺流程

1）污泥干化

经取样分析，活性污泥含水率高达80.43%，若直接进行掺烧，将导致燃料含水率过高，影响锅炉正常运行的同时对输送设备造成一定损坏，因此需要进行干化处理[2]，将含水率降至35%。

2）三泥搅拌工艺流程

经干化处理的活性污泥送至三泥搅拌装置，与其他预处理后固废、石灰石、石油焦按一定比例混合后输送至焦棚，通过燃料输送装置输送至炉膛内进行燃烧。

2.2.2 CFB锅炉掺烧工艺流程

固废、石油焦、石灰石掺混后的燃料在CFB锅炉内燃烧，产生的烟气先在炉内进行脱硫脱硝，含重金属、二噁英等污染物的烟尘依次进入电除尘、半干法脱硫工序以及布袋除尘器，最后通过180 m高烟囱排放。

2.2.3 CFB锅炉掺烧注意事项

掺烧过程中可根据固废实际情况适当调整固废、石灰石、石油焦配比情况，确保掺混后混合物送入锅炉燃烧的过程中不会对锅炉自身给料系统产生影响，减小生产上的波动。

掺烧过程中要密切关注固废成分的变化，防止因成分变化而导致污染物排放量异常，调整不及时，导致环保超标。

2.3 CFB锅炉控制参数

固废掺烧前后CFB锅炉的主要参数变化情况见表3。由表3所知，此次掺烧前后CFB锅炉主要参数不变，因此不会影响锅炉正常运行。

表3 固废掺烧前后CFB锅炉主要参数变化情况

2.4 烟气排放结果分析

掺烧过程中监测2台CFB锅炉烟气混合后烟囱出口处烟气排放情况，监测结果如表4所示。因固废中的主要成分为油泥、活性污泥和废活性炭等，灰分含量要远高于燃煤和石油焦，因此掺烧后烟气产生量要高于掺烧前。

1）达标情况

由表4可知，掺烧前和掺烧期间，CFB锅炉排放的SO2、NOx、烟尘浓度均低于《火电厂大气污染物排放标准》（GB 13223－2011）中大气污染物特别排放限值（以气体为燃料的锅炉或燃气轮机组），即烟尘浓度≯5 mg/m3，SO2含量≯35 mg/m3，NOx≯含量50 mg/m3；二噁英类监测浓度分别为0.058 ngTEQ/m3和0.041 ngTEQ/m3，均低于《危险废物焚烧污染控制标准》（GB 18484－2001）限值要求，即二噁英类浓度≯0.5 ngTEQ/m3。

表4 掺烧前后烟气监测结果平均值

2）掺烧前和掺烧期间污染因子排放浓度对比

掺烧前和掺烧期间，SO2、NOx、烟尘的浓度值变化不大，其中，SO2掺烧期间与掺烧前最大变化量绝对值为4.4 mg/m3，占标率为12.6%；NOx掺烧期间与掺烧前的最大变化量绝对值为7.0 mg/m3，占标率为14%；烟尘掺烧期间与掺烧前的最大变化量绝对值为0.4 mg/m3，占标率为8%；二噁英类掺烧前比掺烧期间的监测浓度高0.017 ngTEQ/m3，占标率3.4%，可能归因于燃煤和石油焦燃料中本身含有产生二噁英类的前驱物，该次掺烧的固废占CFB锅炉燃料的比重低（4%），进CFB锅炉的燃煤和石油焦燃料的组分变化，导致二噁英类排放浓度波动，以致掺烧前二噁英类排放浓度高于掺烧期间，也可以认为该次掺烧4%固废量对CFB锅炉烟气中二噁英的排放影响基本可以忽略不计。

上述占标率采用《环境影响评价技术导则 大气环境》（2018）中的公式：

式中：Pi——第i个污染物的最大地面空气质量浓度占标率，%；Ci——第i个污染物的最大1小时地面空气质量浓度，mg/m3；C0i——第i个污染物的环境空气质量标准浓度，mg/m3。

3）其他污染因子排放情况对比

如表4所示，掺烧前和掺烧期间烟气黑度（林格曼黑度）和汞及其化合物浓度值均低于仪器检出限，表明CFB锅炉所排放的烟气经相关环保设施处理后，烟气黑度和烟气中汞及其化合物浓度均优于（GB 13223－2011）大气污染物特别排放限值，即烟气黑度不大于1级，汞及其化合物不大于0.03 mg/m3。

3 CFB锅炉燃料耦合资源化综合利用项目污染物排放情况

根据上述试验结果预测，已知CFB锅炉按固废掺烧量2万t/a，掺烧总利用时间8 000 h/a，掺烧量2.5 t/h进行污染物排放分析。由于掺烧过程中CFB锅炉废气排放情况将直接影响CFB锅炉“超低排放”情况，因此主要分析掺烧固废后废气排放情况。

3.1 固废掺烧对烟气量的影响

进CFB锅炉各类固废热值及替代燃料量汇总见表5。在供热量不变的情况下，根据掺烧固废的热值以及固废中所含水分的汽化潜热（即水从25℃升高到100℃吸收的热量）与CFB锅炉实际燃料低位发热量（据统计，2019年广州分公司CFB锅炉燃烧的石油焦低位发热量约为30.7 MJ/kg，燃煤低位发热量约为22.4 MJ/kg，此处燃料低位发热量按CFB锅炉实际掺烧比例，即石油焦:燃煤比为7:3计算所得）进行换算，可知燃烧2万t/a固废，约可以替代燃料5 651.2 t/a。已知CFB锅炉近三年统计数据，平均每吨燃料排放标准干烟气约12 450 m3。

表5 各类进CFB锅炉固废热值及替代燃料量汇总

根据《污染源源强核算技术指南－火电》（HJ 888－2018），采用以下公式计算掺烧工况下加入固废产生的烟气量：

式中：V0——理论空气量，m3/kg；Qnet，ar—收到基低位发热量，按固废干计量进行计算，取所有掺烧固废的平均值，即16 692.3 kJ/kg；Vs—湿烟气排放量，m3/s；Bg——锅炉燃料消耗量，t/h；q4——锅炉机械不完全燃烧的热损失，循环流化床锅炉此处取3.5%；α—过量空气系数，此处取1.4；VH2O—锅炉排放湿烟气中水蒸气量，m3/s；Har—收到基氢的质量分数，此处为3.19%；Mar—收到基水分的质量分数，按固废干计量进行计算，因此此处取0；Vg—干烟气排放量，m3/s。

掺烧前后锅炉烟气量变化情况见表6。由表6可知，掺烧固废后，CFB锅炉年烟气排放量较掺烧前有小幅度增加，增加幅度约0.56%，影响极小。

表6 掺烧前后锅炉烟气量变化情况

3.2 固废掺烧对二氧化硫排放的影响

根据中国赛宝实验室的检测报告，各类掺烧固废的平均含硫量为3.70%，现有CFB锅炉设计脱硫效率≥99%。

采用《污染源源强核算技术指南—火电》（HJ888－2018）中的公式，计算固废掺烧SO2排放量：

式中：MSO2—核算时段内二氧化硫排放量，t；Bg—核算时段内锅炉燃料耗量，t；ηS1—除尘器的脱硫效率，%，电除尘、袋式除尘器取0；ηS2—脱硫系统的脱硫效率，根据CFB锅炉现有脱硫情况，此处为99%；q4—锅炉机械不完全燃烧热损失，循环流化床锅炉此处取3.5%；Sar—收到基硫的质量分数，此处为3.7%；K—燃料中的硫燃烧后氧化成二氧化硫的份额，循环流化床锅炉，此处取0.85。

固废掺烧前后SO2二氧化硫产生及排放况见表7。虽然掺烧固废代替部分燃料，但掺烧量较高，所以SO2实际排放量增加了4.44 t/a；二氧化硫排放浓度满足广东省“超低排放”标准，即标态下SO2浓度不大于35 mg/m3。

表7 掺烧前后二氧化硫产排对比

3.3 固废掺烧对氮氧化物排放的影响

根据燃烧过程中NOx生成途径分析，固废掺烧前后NOx产生浓度、处理效率、排放浓度变化较小，保守取掺烧后NOx产生、排放浓度不变，脱硝率按85%计算，如表8所示。掺烧后由于替代了部分燃煤，NOx实际排放量增加1.65 t/a；NOx排放浓度满足广东省“超低排放”标准，即NOx（N）不大于50 mg/m3。

表8 掺烧前后氮氧化物产排对比

3.4 固废掺烧对烟尘排放的影响

参照《污染源源强核算技术指南－火电》（HJ 888－2018），采用以下公式计算烟尘排放量：

式中：MA——核算时段内烟尘排放量，t/h；Bg——核算时段内锅炉燃料耗量，t/h；ηc——除尘效率，根据CFB锅炉实际除尘情况，此处取99.92%；Aar—收到基灰分的质量分数，此处为28.62%；q4—锅炉机械未完全燃烧的热损失，循环流化床锅炉此处取3.5%；Qnet，ar—收到基低位发热量，同上烟气产生量取值，kJ/kg；αfh——锅炉烟气带出的炉灰份额，循环流化床锅炉，此处取0.6。

固废掺烧前后烟尘排放情况如表9所示，掺烧后虽然替代了部分燃煤，但烟尘排放变化几乎为0，可以忽略不记。因此，掺烧后烟尘排放浓度仍然满足广东省“超低排放”标准，即烟尘不大于5 mg/m3。

表9 掺烧前后烟尘产排对比

3.5 固废掺烧对二噁英的影响

根据对广州分公司现有CFB锅炉烟囱的二噁英检测结果（华环监测二噁英2017第017号）可知，掺烧前二噁英的平均浓度为0.003 0 ngTEQ/m3。根据上节分析，现有CFB锅炉使用的燃料中，石油焦中Cl含量为8 mg/kg，燃煤中氯含量低于检出限，CFB锅炉2017年石油焦消耗量为298 075 t/a，燃煤消耗量为497 221 t/a，则折算成综合燃料中Cl含量为3.00 mg/kg燃料。另外，根据中国赛宝实验室的监测结果可知，掺烧固废中平均氯含量为63.5 mg/kg，由于二噁英类物质的产生，与前驱体氯元素有关，考虑到活性掺烧固废中的氯元素以无机氯盐物质为主，不属于易产生二噁英的多氯联苯或有机氯类物质，结合现有CFB锅炉炉内的碱性环境能有效抑制二噁英的生成，在简化二噁英的产生与氯元素含量成正比关系的同时，则该次掺烧固废对应的烟气中二噁英的浓度为0.063 ngTEQ/m3。根据中国石化广州分公司已有项目环境影响评价报告，烟气中二噁英去除效率取43.0%，结合炉内碱性环境中对二噁英的抑制率为80.0%，则二噁英综合去除效率为88.6%。CFB锅炉掺烧固废前后二噁英产生、排放量如表10所示。掺烧后，二噁英实际排放量增加了0.034 2 gTEQ/a；二噁英排放浓度远低于GB 18484－2001要求，即二噁英不大于0.5 ngTEQ/m3。

表10 掺烧前后二噁英产排对比

4 结论

利用中国石化广州分公司现有2台420 t/h CFB锅炉，在连续平稳运行的情况下，进行了按一定比例掺烧固体废物的研究试验，试验结果表明：现有CFB锅炉燃料内掺烧一定比例固废可以满足工艺要求和锅炉的正常运行，污染物排放情况符合国家标准要求。该研究试验为CFB锅炉掺烧固废产汽发电及解决现有危废处理压力提供理论依据，同时具有一定的社会效益和环境效益。

该公司CFB锅炉燃料耦合资源化利用项目建成后，掺烧固废量为2万t/a，根据污染源源强核算，按照掺烧比例进行掺烧，污染物排放情况满足国家及地方标准要求，且掺烧前后CFB锅炉供热量和发电量基本不发生变化，既可利用其热值又可处理企业内部产生的固废，是环固体〔2019〕92号、粤环〔2015〕26号、粤环发〔2018〕5号以及《广东省环境保护“十三五”规划》中所鼓励发展的危废处理处置模式。