楊東偉

(上海電氣環(huán)保集團(tuán)，上海市機(jī)電設(shè)計研究院有限公司，上海 200040)

采用循環(huán)流化床(CFB)鍋爐焚燒處理城市生活垃圾(以下簡稱垃圾)時，為使得焚燒溫度、煙氣停留時間、煙氣湍流度達(dá)到“3T”焚燒要求(焚燒溫度850～1 000 ℃，二燃室停留時間超過2.0 s，較大湍流度)，并提高鍋爐的整體蒸發(fā)量，一般會在鍋爐設(shè)計時考慮補(bǔ)充燃煤作為摻燒燃料。隨著環(huán)保政策收緊，同時為了進(jìn)一步優(yōu)化運(yùn)營成本，急需尋找一種較好的燃煤替代品。另一方面，我國作為工業(yè)制造大國，工業(yè)固廢產(chǎn)量逐年增加，2018年我國工業(yè)固廢產(chǎn)量已達(dá)約30億t[1]。廢布料作為一種一般工業(yè)固廢，其熱值高、水分低，且在輕紡企業(yè)密集地區(qū)和家紡業(yè)務(wù)為主的省市產(chǎn)量巨大。據(jù)報道，“十二五”期間我國廢棄紡織物年均產(chǎn)量可達(dá)2 000萬t，但回收利用率卻不足10%[2-3]。因此，將廢布料作為燃煤替代品加入到垃圾焚燒CFB鍋爐中，不僅可節(jié)省采購燃煤的運(yùn)行成本，同時還可以回收利用一部分廢布料，為企業(yè)創(chuàng)造收益。

垃圾焚燒CFB鍋爐協(xié)同處置高熱值工業(yè)固廢時存在摻燒比例不確定的問題，若摻燒比例過低，則處理量和處理效益不明顯；若摻燒比例過高，則鍋爐燃燒狀況發(fā)生較大改變，難以確保污染物排放達(dá)標(biāo)。魏國俠等[4]針對一臺300 t/d垃圾焚燒CFB鍋爐進(jìn)行摻燒污泥衍生燃料的工業(yè)實(shí)驗，發(fā)現(xiàn)此類摻燒有利于污染物控制，但由于該燃料熱值不滿足要求，因此仍然需要維持一定的給煤量。張世鑫等[5]研究了1 025 t/h燃煤CFB鍋爐摻燒垃圾衍生燃料(RDF)、皮革廢布料、生活污泥以及生物質(zhì)的可行性，由于摻燒后入爐物料等效熱值變化不大，對鍋爐效率影響較小。馬攀等[6]針對羊毛加工產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生的羊毛脂廢渣，研究了它在垃圾-煤混燒CFB鍋爐中的摻燒特性，確認(rèn)了CFB鍋爐對高熱值燃料的良好適應(yīng)性以及燃燒污染物的特點(diǎn)。

綜上可知，垃圾焚燒CFB鍋爐摻燒工業(yè)固廢的主要問題在于工業(yè)固廢熱值不同于原設(shè)計物料，從而對鍋爐燃燒產(chǎn)生一定影響，然而目前針對此問題的研究成果較少。為此，本研究結(jié)合實(shí)際采樣數(shù)據(jù)和在運(yùn)行鍋爐數(shù)據(jù)，提出以絕熱燃燒溫度和爐膛出口煙溫為指標(biāo)的評價模型，研究垃圾焚燒CFB鍋爐協(xié)同處置工業(yè)固廢的可行性，為今后此類工程工藝設(shè)計提供理論指導(dǎo)。

1 評價模型

為研究垃圾焚燒CFB鍋爐協(xié)同處置工業(yè)固廢的燃燒特性，構(gòu)建評價模型，評價模型自變量包括：入爐垃圾熱值、入爐工業(yè)固廢熱值以及入爐工業(yè)固廢的摻燒比。由于垃圾和工業(yè)固廢焚燒過程中，二噁英的生成控制和高溫腐蝕是鍋爐運(yùn)行的關(guān)注重點(diǎn)，因此評價模型的評價指標(biāo)主要包括絕熱燃燒溫度和爐膛出口煙溫。

在垃圾焚燒產(chǎn)物中，二噁英是其中一項重要的排放指標(biāo)。根據(jù)垃圾焚燒工藝要求，垃圾需要在>850 ℃的溫度區(qū)間停留2 s以上[7]，以達(dá)到分解二噁英的目的，因此絕熱燃燒溫度是衡量垃圾焚燒能否抑制二噁英生成的重要指標(biāo)。絕熱燃燒溫度可以根據(jù)熱平衡方程，以物料焚燒的輻射熱效率、空氣攜帶顯熱、垃圾攜帶顯熱以及焚燒后的煙氣熱量等進(jìn)行計算獲得，也可根據(jù)垃圾焚燒廠運(yùn)行獲得的焚燒溫度回歸模型計算獲得。此外，可根據(jù)物料低位熱值和熱損失估算值、煙氣量來簡化計算絕熱燃燒溫度?？紤]到評價模型今后用于工程設(shè)計且其中的參數(shù)設(shè)定來源于工程經(jīng)驗，因此推薦使用簡化計算法進(jìn)行快速計算。

高溫腐蝕與煙溫、煙氣成分直接相關(guān)[8-9]，易出現(xiàn)在高溫過熱器煙氣側(cè)。用工業(yè)固廢替換燃煤后，入爐物料等效Cl含量增高，因此控制過熱器管壁溫度成為避免高溫腐蝕的重要舉措。在鍋爐汽水側(cè)換熱分布和煙氣流量變化不大的條件下，爐膛出口煙溫直接影響煙氣經(jīng)過過熱器時的管壁溫度。爐膛出口煙溫可根據(jù)煙氣側(cè)和汽水側(cè)的熱平衡計算獲得。單位時間內(nèi)物料燃燒熱平衡公式見式(1)：

Qpy=Qin,LHV-Qhz-Qloss-ΔHqs

(1)

式中：Qpy為爐膛出口煙氣吸熱量，kJ/h；Qin,LHV為入爐物料輸入熱量，kJ/h；Qhz為飛灰和爐渣吸熱量，kJ/h；Qloss為鍋爐散熱損失量，kJ/h；ΔHqs為汽水側(cè)吸熱量，kJ/h。

式(1)為原設(shè)計參數(shù)下鍋爐的熱平衡方程，摻燒工業(yè)固廢后熱平衡方程有所變化，定壓比熱、汽水側(cè)參數(shù)、助燃空氣預(yù)熱溫度等鍋爐設(shè)計參數(shù)可參照原有設(shè)計值，而飛灰和爐渣吸熱量、鍋爐整體散熱損失量等與燃燒物料有關(guān),可等比為以物料輸入熱量為自變量的因變量。因此，摻燒工業(yè)固廢后的熱平衡方程可轉(zhuǎn)化為：

Hlt,y-Hlt,a=Qin,LHV-(f1(Qin,LHV)-
Hhz,in)-f2(Qin,LHV)-ΔHqs

(2)

式中：Hlt,y為爐膛煙氣出口焓值，kJ/h；Hlt,a為爐膛煙氣等效進(jìn)口焓值，kJ/h；f1(Qin,LHV)為基于物料輸入熱量的爐膛灰渣出口焓值，kJ/h；Hhz,in為鍋爐灰渣進(jìn)口焓值，kJ/h；f2(Qin,LHV)為基于物料輸入熱量的鍋爐散熱損失量，kJ/h。采用工業(yè)固廢替換燃煤后，若設(shè)定鍋爐輸入熱量為定值，則煙氣量和鍋爐散熱損失量變化不大，根據(jù)熱力學(xué)推導(dǎo)最終得到式(3)：

Hlt,y=Qin,LHV-(f1(Qin,LHV)-Hhz,in)-
Qloss-ΔHqs+Hlt,a

(3)

根據(jù)煙氣比熱、煙氣量以及式(3)求得的爐膛煙氣出口焓值，最終可獲得爐膛出口煙溫。

2 采樣數(shù)據(jù)和鍋爐設(shè)計參數(shù)

為確認(rèn)摻燒工業(yè)固廢對CFB鍋爐的影響，選擇江蘇省內(nèi)某在運(yùn)行垃圾焚燒CFB鍋爐和臨近地區(qū)工業(yè)固廢為研究對象進(jìn)行研究，以該鍋爐設(shè)計參數(shù)和對應(yīng)燃料作為輸入?yún)?shù)，并以實(shí)際處理的垃圾以及工業(yè)固廢采樣數(shù)據(jù)作為摻燒比的計算依據(jù)。工業(yè)固廢樣品為臨近地區(qū)廢布料，選取堆料場15種廢布料作為樣品，并送往檢測機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢測。

垃圾焚燒CFB鍋爐基本參數(shù)見表1，鍋爐設(shè)計燃料見表2，實(shí)際采樣的垃圾參數(shù)及廢布料參數(shù)見表3。

表1 CFB鍋爐設(shè)計參數(shù)Table 1 Basic parameters of CFB boiler

3 結(jié)果和討論

基于評價模型和相關(guān)采樣、運(yùn)行數(shù)據(jù)，以垃圾熱值和工業(yè)固廢熱值為邊界條件，垃圾處置量、鍋爐蒸發(fā)量、蒸汽參數(shù)為計算條件，可獲得工業(yè)固廢不同摻燒比的9組工況。從工藝參數(shù)、絕熱燃燒溫度、爐膛出口煙溫等角度分析摻燒工業(yè)固廢產(chǎn)生的影響，獲得合理摻燒比和對應(yīng)的主要技術(shù)指標(biāo)。

3.1 不同工況的摻燒比

垃圾熱值選用極端條件熱值、原鍋爐設(shè)計熱值和現(xiàn)場運(yùn)行分析熱值，分別為4 187、5 422、6 910 kJ/kg。工業(yè)固廢熱值選用實(shí)驗采集15種廢布料樣品的最低熱值、平均熱值和最高熱值，分別為15 668、20 104、24 432 kJ/kg。

邊界條件設(shè)定為鍋爐原設(shè)計垃圾處置量500 t/d，鍋爐蒸發(fā)量75.00 t/h，蒸汽壓力3.82 MPa，過熱蒸汽溫度450 ℃。為滿足鍋爐原設(shè)計蒸發(fā)量，獲得9組摻燒工況(見表4)，工業(yè)固廢摻燒比(以廢布料在總焚燒物料中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)計)在16.11%～32.16%，其中最小摻燒比出現(xiàn)在工況9(垃圾和廢布料均取最高熱值)，最大摻燒比出現(xiàn)在工況1(垃圾和廢布料均取最低熱值)。計算9組工況下對應(yīng)的燃燒空氣量和煙氣體積流量，結(jié)果見圖1?？梢钥闯觯仩t原設(shè)計一、二次風(fēng)機(jī)總風(fēng)量和引風(fēng)機(jī)風(fēng)量可分別滿足9組工況所需的燃燒空氣量和煙氣量。圖2為各工況燃燒空氣量、煙氣量和原始設(shè)計值的相對偏差，可以看出9組工況相對偏差均在±6%以內(nèi)，工況3、工況5、工況8相對偏差可維持在±4%以內(nèi)，說明摻燒工業(yè)固廢后，風(fēng)機(jī)效率波動較小，在可接受范圍內(nèi)。

表2 CFB鍋爐燃料的設(shè)計參數(shù)1)Table 2 Design parameters of fuel for CFB boiler

表3 垃圾和廢布料采樣平均值Table 3 Average value of sampling municipal solid waste and waste cloth

表4 不同工況的工業(yè)固廢摻燒比Table 4 Industrial solid waste mixed combustion ratio under different conditions

3.2 不同工況的絕熱燃燒溫度

為滿足爐膛內(nèi)煙溫在>850 ℃停留2 s以上的要求，工程經(jīng)驗推薦絕熱燃燒溫度≥1 234 ℃[10]，而浙江大學(xué)研究團(tuán)隊提到CFB鍋爐的絕熱燃燒溫度至少應(yīng)為1 080 ℃[11]。計算得到9組工況的絕熱燃燒溫度見表5。垃圾熱值為4 187 kJ/kg的工況1～3在現(xiàn)有額定出力下，摻燒不同熱值工業(yè)固廢的絕熱燃燒溫度均低于1 234 ℃，但高于1 100 ℃；而垃圾熱值為5 422 kJ/kg的工況4～6和垃圾熱值為6 910 kJ/kg的工況7～9，其絕熱燃燒溫度均高于1 234 ℃。

注：燃燒空氣量折算為20 ℃標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量，煙氣量折算為150 ℃下濕煙氣的體積流量。

圖2 不同工況燃燒空氣量、煙氣量的相對偏差Fig.2 Relative deviation of combustion air volume and flue gas volume under different conditions

若以基于滿足抑制二噁英生成要求的原始設(shè)計值(1 250 ℃)作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，則不推薦工況1～3。

表5 不同工況的絕熱燃燒溫度Table 5 Adiabatic combustion temperature under different conditions

3.3 不同工況的高溫腐蝕評估

采用工業(yè)固廢替代原有CFB鍋爐的燃煤后，一方面入爐等效Cl含量隨之提高，另一方面爐膛出口煙溫發(fā)生變化，因而對CFB鍋爐的高溫腐蝕產(chǎn)生影響。9組工況的入爐等效Cl和煙氣HCl體積分?jǐn)?shù)(按100%轉(zhuǎn)化考慮)的理論計算值見表6。

表6 不同工況的入爐等效Cl和煙氣HCl體積分?jǐn)?shù)Table 6 Calculation values of equivalent chlorine content and HCl volumn fraction in flue gas under different conditions

孔祥思等[12]對12Cr1MoVG合金管高溫腐蝕特性的研究表明，在HCl體積分?jǐn)?shù)為1×10-3時，500、550、600 ℃下12Cr1MoVG的年腐蝕量分別為0.147 2、0.170 8、0.752 3 mm/a，說明該條件下的HCl對鍋爐運(yùn)行的腐蝕量均在可承受范圍內(nèi)，表6中9組工況煙氣的HCl體積分?jǐn)?shù)均低于上述實(shí)驗工況，此時管壁溫度成為高溫腐蝕的重要衡量指標(biāo)。考慮到鍋爐爐膛出口煙溫是鍋爐從轉(zhuǎn)向室受熱面開始的煙溫最高值，同時為了避免煙溫過低導(dǎo)致尾部受熱面低溫腐蝕[13-14]加重的問題，需要研究不同摻燒工況的爐膛出口煙溫，宜和原設(shè)計值(914 ℃)的差值在±30 ℃以內(nèi)。9組工況下，爐膛出口煙溫預(yù)測值見表7。其中工況3、工況4、工況5、工況7和工況8的爐膛出口煙溫與原設(shè)計值的差值在±30 ℃以內(nèi)。除了工況3低于原設(shè)計值外，其余4種工況都高于原設(shè)計值。從實(shí)際工程設(shè)計角度考慮，鍋爐初始設(shè)計的高溫過熱器采用逆流換熱方式，煙氣進(jìn)口側(cè)管壁溫度會高于順流式換熱，因此在摻燒工業(yè)固廢后，為應(yīng)對工況4、工況5、工況7和工況8煙溫提高引起的高溫腐蝕加劇問題，需要將高溫過熱器煙氣進(jìn)口側(cè)前兩排換熱管進(jìn)行堆焊、噴涂處理，必要時考慮整體替換為更高一級的材質(zhì)(如TP347H)。

表7 不同工況的爐膛出口煙溫Table 7 Flue gas temperature at furnace outlet under different conditions

3.4 不同工況的主要技術(shù)指標(biāo)

綜合考慮摻燒工業(yè)固廢后的絕熱燃燒溫度和爐膛出口煙溫變化，同時滿足兩項指標(biāo)的合理摻燒比為工況4、工況5、工況7和工況8。因此，CFB鍋爐按照上述4種工況下的摻燒比運(yùn)行，其主要技術(shù)指標(biāo)見表8。4種工況對CFB鍋爐及輔機(jī)影響不大，需要的改造幅度較小。僅從垃圾、工業(yè)固廢處置收益及燃煤采購費(fèi)來看，CFB鍋爐在原設(shè)計運(yùn)行工況下，垃圾無法滿足熱值需求，需要摻燒燃煤來滿足設(shè)計要求，而垃圾處置費(fèi)無法抵消燃煤采購費(fèi)，要依托工藝配套的發(fā)電供熱來獲得收益；而摻燒工業(yè)固廢后，一方面不產(chǎn)生燃煤采購費(fèi)，另一方面工業(yè)固廢的處置費(fèi)用可進(jìn)一步提高收益。4種摻燒工況中，雖然工況8的噸垃圾處置收益略低于其他3種工況，但該工況摻燒比最低(低于20%)，最接近原始燃煤摻燒比設(shè)計值，可行性最高，可應(yīng)用于垃圾焚燒CFB鍋爐摻燒工業(yè)固廢的項目推進(jìn)中。

表8 不同工況下的主要技術(shù)指標(biāo)Table 8 Main technical indexes under different conditions

4 結(jié) 論

基于某臺500 t/d 垃圾焚燒CFB鍋爐的運(yùn)行數(shù)據(jù)、設(shè)計參數(shù)以及工業(yè)固廢采樣檢測數(shù)據(jù)，從摻燒特性角度評估9組工業(yè)固廢摻燒工況，獲得如下結(jié)論：

(1) 9組工況的燃燒空氣量和煙氣量分別在現(xiàn)有一、二風(fēng)機(jī)總風(fēng)量和引風(fēng)機(jī)風(fēng)量范圍內(nèi)，且9組工況的風(fēng)量相較于原始設(shè)計值的相對偏差在±6%以內(nèi)，工況3、工況5和工況8的相對偏差在±4%以內(nèi)，確保摻燒工業(yè)固廢后，風(fēng)機(jī)處于較好的風(fēng)機(jī)效率范圍。

(2) 工況1～3的絕熱燃燒溫度低于原有鍋爐絕熱燃燒溫度設(shè)計值(1 250 ℃)和工程經(jīng)驗推薦值(1 234 ℃)，因此不考慮工況1～3的摻燒方案。

(3) 工況4、工況5、工況7和工況8的入爐等效Cl所轉(zhuǎn)化的HCl體積分?jǐn)?shù)均低于1×10-3，但爐膛出口煙溫比原設(shè)計值高，會導(dǎo)致高溫腐蝕加劇，因此應(yīng)將高溫過熱器煙氣進(jìn)口側(cè)前兩排換熱管進(jìn)行堆焊、噴涂處理，必要時考慮整體替換為更高一級的材質(zhì)(如TP347H)。

(4) 基于摻燒特性和原鍋爐風(fēng)機(jī)適用性，工況4、工況5、工況7和工況8的摻燒比均較適宜。與原CFB鍋爐摻煤工藝相比，摻燒工業(yè)固廢的收益整體提高，工況8的可行性最大。