王育波

（龍凈能源發(fā)展有限公司，福建 廈門 361000）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和國(guó)民生活水平的提高，垃圾焚燒發(fā)電已經(jīng)成為生活垃圾無害化處理的主流，產(chǎn)生的飛灰量也逐年增加，傳統(tǒng)的飛灰處理方式就是穩(wěn)定化+填埋，存在成本高及對(duì)環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)大等問題，因此找到一種新的飛灰處理方式就顯得很有必要。

1 研究背景

1.1 飛灰處理現(xiàn)狀及概況

生活垃圾焚燒煙氣中大部分重金屬和二噁英被煙氣凈化系統(tǒng)截留而富集于飛灰中，因而飛灰是環(huán)境中重金屬和二噁英的重要匯集處，是明確列入我國(guó)《國(guó)家危險(xiǎn)廢物名錄》（2016 年版）HW18 焚燒處置殘?jiān)奈ｋU(xiǎn)廢物。

截至2020 年3 月，我國(guó)已投運(yùn)垃圾焚燒產(chǎn)能規(guī)模約為38.5 萬t/d。2019—2020 年垃圾焚燒項(xiàng)目井噴式增加，隨著新項(xiàng)目投產(chǎn)，到2021 年，我國(guó)垃圾焚燒飛灰年產(chǎn)量將達(dá)到1 000 萬t 以上。目前主要的飛灰處理方式有穩(wěn)定化+填埋處理、回轉(zhuǎn)窯協(xié)同處置（制水泥）、燒結(jié)造粒（制陶粒）及高溫熔融技術(shù)（制玻璃體）。填埋是我國(guó)現(xiàn)在主要的飛灰處理方式，但簡(jiǎn)單的填埋方式存在嚴(yán)重的潛在危害，而且部分地區(qū)隨著飛灰量的增加，填埋條件也逐漸難以滿足，探索飛灰低成本、環(huán)保的處理方式是目前垃圾焚燒企業(yè)的主要研究方向之一。

1.2 飛灰處理主要技術(shù)路線簡(jiǎn)介

安全填埋是采用水泥、瀝青或螯合劑固化的方式，使得飛灰中重金屬的浸出濃度滿足危險(xiǎn)廢物填埋污染控制標(biāo)準(zhǔn)GB 18598—2001《危險(xiǎn)廢物填埋污染控制標(biāo)準(zhǔn)》中的入廠要求。

回轉(zhuǎn)窯協(xié)同處置（制水泥）是將經(jīng)過水洗脫氯后的飛灰與制水泥原料一起混合進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯1 400 ℃左右高溫煅燒的方法使無害化處理后的飛灰做成水泥。

燒結(jié)造粒（制陶粒）是將飛灰與黏土等輔助材料混合，采用天然氣做燃料，在回轉(zhuǎn)窯中1 000 ℃以上高溫下燒制，煙氣經(jīng)急冷降溫、布袋除塵等工藝凈化后排放。燒制的陶粒主要用作建筑骨料。

高溫熔融技術(shù)（制玻璃體）采用直流等離子體弧技術(shù)，在1 500 ℃左右將飛灰熔融，經(jīng)水淬后成為無定形的玻璃渣，屬于一般工業(yè)固體廢物。二噁英在高溫下被徹底破壞，重金屬被固化在玻璃體中。

2 垃圾焚燒富氧燃燒技術(shù)

上述方法中除了安全填埋之外，其余方法的本質(zhì)都是在1 000~1 500 ℃高溫下把飛灰中的二噁英去除的同時(shí)將重金屬固化在高溫?zé)Y(jié)或者熔融的飛灰產(chǎn)物之中。目前基本采用包括沖天爐、電熔爐等離子熔融爐來達(dá)到這個(gè)溫度，設(shè)備投資高，能耗較大且會(huì)帶來有害煙氣等附加污染。

若能把飛灰再循環(huán)送回垃圾焚燒爐爐膛中高溫?zé)Y(jié)，則可以節(jié)約能耗，減少飛灰處理設(shè)備投資，把飛灰在垃圾焚燒廠內(nèi)部消化。但由于生活垃圾燃料熱值較低，垃圾焚燒爐爐膛的溫度一般在800~1 000 ℃，這個(gè)溫度仍達(dá)不到高溫?zé)Y(jié)或者熔融的溫度要求。在歐洲有一種通過提高焚燒爐爐膛燃燒空氣的含氧量的方法來把爐膛燃燒溫度提高，達(dá)到在爐膛燒結(jié)或者熔融飛灰，將飛灰制成類似于玻璃體的晶體顆粒的目的。

2.1 垃圾焚燒電廠富氧燃燒協(xié)同處置飛灰技術(shù)分析介紹

歐洲某公司于20 世紀(jì)初開始研發(fā)的一項(xiàng)在垃圾焚燒電廠中采用富氧燃燒方式提高燃燒溫度，并與改進(jìn)過的濕式除渣機(jī)和煙氣再循環(huán)技術(shù)相結(jié)合來處理垃圾焚燒電廠中的底渣以及飛灰的技術(shù)，主要就是在垃圾焚燒廠增設(shè)制氧設(shè)備，在一次風(fēng)中混入約為10%的氧氣，把一次風(fēng)中的含氧量提高到24%~35%，使燃燒溫度以及料層溫度提高到1 150 ℃左右，同時(shí)還增設(shè)紅外燃燒控制系統(tǒng)監(jiān)控爐膛溫度，此系統(tǒng)包括在安裝于第一煙道頂部的紅外相機(jī)火焰溫度監(jiān)控系統(tǒng)，保證爐膛溫度最高不超過1 300 ℃。在提高一次風(fēng)含氧量的同時(shí)也降低爐膛內(nèi)煙氣過量系數(shù)和一次風(fēng)量，以達(dá)到減少外排煙氣量的目的。

另外，本技術(shù)采用了煙氣再循環(huán)，富氧燃燒技術(shù)于2003 年在歐洲某垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目上安裝并運(yùn)行至今。采用本技術(shù)提高爐膛燃燒溫度的主要目的是提高燃燒效率，將燃燼的灰渣中的有機(jī)物進(jìn)一步去除（酌減率小于0.1%），并將灰渣燒結(jié)成顆粒狀晶體，減少其毒性浸出。另外，采取此技術(shù)可以降低CO，NOx排放，并且減少排放煙氣量，減輕煙氣處理系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)并達(dá)到碳減排的作用。后期本項(xiàng)目還增加了飛灰再循環(huán)設(shè)備，把鍋爐爐灰以及除塵器下的飛灰搜集到一起后，將75%的飛灰輸送回爐膛循環(huán)焚燒，剩余25%的飛灰外運(yùn)無害化處理，大大減小了飛灰外運(yùn)量，節(jié)省了飛灰處理成本。

2.2 垃圾焚燒電廠富氧燃燒協(xié)同處置飛灰技術(shù)特點(diǎn)總結(jié)

經(jīng)過分析總結(jié)，此技術(shù)工藝有如下特點(diǎn)。

（1）尾氣量減少35%，因此減少了污染物負(fù)擔(dān)。

（2）破壞二噁英大于90%，爐膛出口二噁英含量小于0.3 ng TEQ/kg。

（3）粒狀產(chǎn)品燒失量小于0.1%，符合HJ 1134—2020《生活垃圾焚燒飛灰污染控制技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)要求。

（4）殘余物不必玻璃化。

（5）每噸垃圾凈功率輸出大于500 kW·h（噸垃圾發(fā)電量）。

（6）飛灰產(chǎn)量減少，小于7 kg/t 垃圾（0.7%）。

此系統(tǒng)的工藝流程圖如圖1 所示[1]。

圖1 爐排爐富氧燃燒協(xié)同處理飛灰總體工藝流程

3 富氧燃燒技術(shù)在國(guó)內(nèi)項(xiàng)目實(shí)施的可行性分析

3.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

國(guó)內(nèi)某項(xiàng)目一期工程配置2 臺(tái)單臺(tái)處理能力500 t/d的機(jī)械爐排垃圾焚燒爐和余熱鍋爐，余熱鍋爐設(shè)計(jì)壓力為4.0 MPa，余熱利用蒸汽溫度為450 ℃，配1 臺(tái)25 MW 的凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組。項(xiàng)目為光大順推爐排加風(fēng)冷爐膛，目前飛灰外運(yùn)量約為入廠垃圾量的4%。垃圾來源系城市生活垃圾，來自生活區(qū)、商業(yè)區(qū)、旅游區(qū)等，進(jìn)爐垃圾成分見表1，入爐垃圾設(shè)計(jì)低位熱值為7 535 kJ/kg。

表1 設(shè)計(jì)進(jìn)爐垃圾成分

適用垃圾低位熱值范圍：最高工況為9 700 kJ/kg（2 317 Kcal/kg）；設(shè)計(jì)工況為7 535 kJ/kg（1 800 Kcal/kg）；最低工況為4 500 kJ/kg（1 075 Kcal/kg）。

3.2 項(xiàng)目實(shí)施爐排爐飛灰協(xié)同處置技術(shù)分析

如果在本項(xiàng)目上實(shí)施富氧燃燒技術(shù)，在推薦含氧量范圍內(nèi)調(diào)整空氣中含氧量對(duì)爐膛理論燃燒溫度、煙氣量、排煙損失等重要參數(shù)的影響歸納見表2。

由表2 計(jì)算結(jié)果可以看出，在焚燒爐爐膛實(shí)施富氧燃燒，增加含氧量，提高爐膛燃燒溫度的同時(shí)，可以顯著減少余熱鍋爐出口煙氣量并且降低排煙損失。當(dāng)一次風(fēng)中含氧量從21%提高到31%時(shí)，爐膛燃燒溫度提高了近300 ℃，煙氣量降低了近30%，排煙損失降低了近4%，相當(dāng)于全廠發(fā)電效率提高了約1.2%。

表2 某500 t/d 項(xiàng)目富氧燃燒理論計(jì)算

此外由于提高爐膛含氧量可以減少一次風(fēng)量以及外排煙氣量，故送風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)的運(yùn)行電耗也可以相應(yīng)降低[2]。

但是要在本項(xiàng)目上升級(jí)改造達(dá)到飛灰協(xié)同處置的目的，還需要考慮如下技術(shù)問題。

（1）再循環(huán)送回爐膛的飛灰，燒結(jié)成晶體顆粒后與底渣混合，需要對(duì)生成的晶體顆粒中的重金屬、二噁英等有害成分做定期的檢測(cè)，防止焚燒爐底渣中有害成分超標(biāo)，影響底渣對(duì)外銷售。

（2）增加飛灰再循環(huán)會(huì)加劇對(duì)爐膛的磨損，所以如果是水冷爐膛的話，需要考慮鎳鉻合金堆焊改造來保護(hù)爐膛膜式壁。

（3）提高焚燒爐爐膛燃燒溫度，有可能加劇爐膛結(jié)焦結(jié)渣程度，如果是絕熱爐膛或者風(fēng)冷爐膛，有必要考慮改為水冷爐膛以降低結(jié)焦結(jié)渣的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也需要考慮增加煙氣再循環(huán)裝置，來降低余熱鍋爐第一煙道入口煙溫，防止結(jié)焦結(jié)渣問題上延到余熱鍋爐水冷受熱面，同時(shí)煙氣再循環(huán)可以降低氮氧化物的產(chǎn)生。

（4）爐膛溫度在富氧情況下燃燒溫度提高，對(duì)爐膛澆筑料的高溫穩(wěn)定性能會(huì)有更高的要求[3]。

（5）爐膛燃燒溫度的提高，對(duì)焚燒爐爐排片的要求更高，傳統(tǒng)的風(fēng)冷爐排片表面金屬溫度會(huì)進(jìn)一步升高，需要確認(rèn)爐排片的表面金屬溫度不超過其最高耐熱溫度，有必要的話，需要考慮把風(fēng)冷爐排片更換為水冷爐排片，以保證在高爐膛燃燒溫度下，爐排片金屬溫度仍然處于較低的水平。

（6）在一次風(fēng)風(fēng)道混入純氧，存在一定的安全隱患，在增設(shè)相關(guān)設(shè)備時(shí)，需要充分考慮安全因素。

（7）現(xiàn)有濕式除渣機(jī)需要增加包括水洗、篩分等設(shè)備和工序，以及改造后是否會(huì)因?yàn)楣收下侍岣叨绊戇B續(xù)運(yùn)行。

（8）根據(jù)目前的標(biāo)準(zhǔn)，飛灰屬于危廢，只能無害化處理。故在實(shí)施本技術(shù)前，需要跟政府環(huán)保部門從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的角度充分溝通，以避免環(huán)保處罰。

3.3 項(xiàng)目實(shí)施爐排爐飛灰協(xié)同處置經(jīng)濟(jì)性分析

按照日均進(jìn)廠垃圾1 000 t 來估算，本項(xiàng)目每天產(chǎn)生飛灰大約40 t，按照年運(yùn)行8 000 h 來計(jì)算，每年飛灰產(chǎn)量約為13 000 t，目前飛灰為原灰外運(yùn)處置，處理價(jià)格為2 000 元/t，折算下來平均每年飛灰處理費(fèi)用高達(dá)2 600 萬元。飛灰中的鹽和重金屬含量很高，為了避免重金屬富集污染底渣燒結(jié)產(chǎn)生的晶體顆粒產(chǎn)物，只能再循環(huán)一部分飛灰（最高75%）在爐膛燒結(jié)無害化處理，而剩余25%的飛灰仍然需要外運(yùn)處置。所以理論上可以把本廠每年飛灰處理費(fèi)用減少75%，節(jié)約近2 000萬元。

此外，由上述理論計(jì)算得出，全廠發(fā)電效率通過實(shí)施富氧燃燒的方式，全廠發(fā)電效率可以提高1.2%左右，本廠配置25 MW 發(fā)電機(jī)組，按照全年運(yùn)行時(shí)間8 000 h 計(jì)算，通過提高發(fā)電效率每年可以增加發(fā)電量240 萬度，按照本項(xiàng)目上網(wǎng)電價(jià)0.508 元/度的價(jià)格估算的，年增加售電收入約為120 萬元。

另一方面，本技術(shù)的實(shí)施成本包括氧氣成本，爐膛澆筑料升級(jí)成本、爐排片更換成本、爐膛水冷膜式壁改造成本、爐膛膜式壁鎳鉻合金堆焊成本、飛灰再循環(huán)輸灰裝置成本、飛灰水洗裝置成本、煙氣再循環(huán)裝置成本、底渣和飛灰燒結(jié)晶體顆粒檢測(cè)成本等。

上述各項(xiàng)成本，要作出精確的估算較困難，目前僅從氧氣成本來舉例分析，2×500 t/d 的垃圾焚燒項(xiàng)目一次風(fēng)量約為56 000 Nm3/h 每臺(tái)，根據(jù)歐洲試點(diǎn)項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，需要在一次風(fēng)中混入約為10%的純氧氣，故需要消耗的總氧氣量高達(dá)11 200 Nm3/h，如此大的氧氣消耗量采用氧氣罐儲(chǔ)存供應(yīng)從經(jīng)濟(jì)上和實(shí)際應(yīng)用上不具備可行性，故只能考慮增設(shè)工業(yè)制氧機(jī)，一般一臺(tái)2 000 Nm3/h 的工業(yè)制氧機(jī)采購成本約為15 萬元，更大型的制氧機(jī)需要定制詢價(jià)。

此外，爐膛膜式壁鎳鉻合金堆焊的價(jià)格約為1 萬元/m2，目前此技術(shù)較成熟，此改造的價(jià)格需要根據(jù)具體方案制定之后堆焊的面積來確定。

由上述分析可以看出，此技術(shù)改造的收益可觀，但是如果要將現(xiàn)有項(xiàng)目作為技改升級(jí)，改造成本會(huì)比較高。相比之下，此技術(shù)若在新建項(xiàng)目上實(shí)施，技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上可行性會(huì)相對(duì)較高。

4 總結(jié)和分析

爐排爐飛灰協(xié)同處置最大的優(yōu)勢(shì)在于創(chuàng)造性地將列為危廢的飛灰產(chǎn)物在廠內(nèi)內(nèi)部消化，大幅度減少了需要外運(yùn)處理的飛灰，大大降低了飛灰處理成本，同時(shí)通過富氧燃燒提高了底渣的質(zhì)量，提高了底渣外售價(jià)格。此外，此技術(shù)提高了全廠發(fā)電效率，增加了售電收入，減少了外排煙氣量和二氧化碳量，對(duì)碳減排、碳達(dá)峰有著積極的意義。

但是目前階段要在垃圾焚燒發(fā)電廠大規(guī)模實(shí)施此項(xiàng)技術(shù)，還需要解決成本問題、技術(shù)問題以及是否與環(huán)保法律法規(guī)相符的問題。要解決這些問題，還需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)、測(cè)試以及跟政府環(huán)保部門溝通交流。