王學(xué)斌，周 澳，楊明輝，王 璟，戴高峰，范美軍，王建軍，馮旭明

(1.西安交通大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，陜西 西安 710049；2.中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518000；3.中國能源建設(shè)集團(tuán)陜西省電力設(shè)計(jì)院有限公司，陜西 西安 710054；4.招遠(yuǎn)市匯潮新能源科技有限公司，山東 煙臺 264000；5.陜西新元發(fā)電有限公司，陜西 渭南 715600)

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、城市化進(jìn)程的加快以及人民生活水平的迅速提高，城市生活垃圾的產(chǎn)量也在逐年遞增[1-3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年，我國生活垃圾產(chǎn)量已超過2億t，并以每年10%以上的速度遞增[4]。這些生活垃圾如果不及時處理，不僅占用大量土地，還會對人類賴以生存的環(huán)境造成持續(xù)性的污染，對附近的居民也會帶來健康威脅[5-6]。

目前生活垃圾處置方式主要有填埋、堆肥、焚燒和熱解等方法[7-8]。衛(wèi)生填埋是我國目前處理垃圾的主要方法，但這種方法會占用大量土地資源，而且滲濾液處理成本較高、滲漏風(fēng)險大，易造成二次污染[9]。垃圾堆肥是建立在垃圾分類收集的基礎(chǔ)之上，我國的垃圾主要為混合垃圾，不適宜直接堆肥，因此該技術(shù)很難推廣[10]。采用焚燒處理可以大幅度縮減垃圾的體積，但垃圾焚燒會產(chǎn)生大量二噁英，同時產(chǎn)生的垃圾飛灰含有有毒重金屬，屬于危險廢棄物，必須要進(jìn)行二次處理[11]。生活垃圾熱解技術(shù)作為生活垃圾無害化處理的一種熱化學(xué)方式，其特點(diǎn)是將垃圾在缺氧或厭氧的氣氛下進(jìn)行分解，相比于填埋、堆肥和焚燒處置方式，熱解法可以降低二噁英的產(chǎn)生，并具有飛灰排放量少、二次污染小等優(yōu)勢[12-14]，而且熱解產(chǎn)生的熱解油氣和焦炭可以送進(jìn)燃煤電廠燃燒發(fā)電，既處理了生活垃圾，又實(shí)現(xiàn)了廢物的資源化利用，同時環(huán)境污染小。熱解過程往往耗能大[15]，而燃煤電廠具有充足的高溫?zé)煔?，可以為熱解提供能量。因此，筆者提出了一種新的生活垃圾耦合燃煤電廠協(xié)同處置的工藝路線，將生活垃圾首先經(jīng)過干化和熱解轉(zhuǎn)化成熱解油氣和垃圾炭，然后再與燃煤鍋爐進(jìn)行耦合，將熱油氣送入鍋爐中燃燒發(fā)電，同時利用鍋爐的高溫?zé)煔庾鳛槔苫療峤獾臒嵩?，既處理了生活垃圾，又避免了垃圾直接燃燒過程中二噁英的生成。對該工藝的能效進(jìn)行評估有助于進(jìn)一步了解耦合過程中的能效轉(zhuǎn)化和產(chǎn)物分布。

Aspen Plus是一個可以將復(fù)雜物理化學(xué)進(jìn)程分離成各個小單元，再將小單元反應(yīng)組合成完整進(jìn)程的模擬軟件[16]，廣泛應(yīng)用于城市固體廢物的熱解模擬[17-18]。SHAHBAZ等[19]利用Aspen plus研究了不同的生物質(zhì)組分(纖維素、半纖維素、木質(zhì)素)對低溫?zé)峤鈼l件下的產(chǎn)物收率的影響。張?zhí)僭萚20]利用Aspen Plus軟件建立了生活垃圾固定床熱解氣化模型，在模型驗(yàn)證的基礎(chǔ)上探討了氣化溫度、氣化壓力和空氣當(dāng)量比對MSW熱解氣化過程的影響。付建英等[21]利用Aspen Plus軟件對生活垃圾與廚余垃圾、秸稈的共熱解過程進(jìn)行了模擬，研究了共熱解條件下產(chǎn)物和氮氧化物排放的特點(diǎn)。胡晴等[22]利用Aspen plus軟件模擬了農(nóng)村生活垃圾氣化模型，并根據(jù)模擬過程和結(jié)果，設(shè)計(jì)了一套適合我國農(nóng)村生活垃圾處理的固定床空氣氣化工藝技術(shù)。因此，Aspen plus可以用來評估生活垃圾熱解耦合燃煤電廠協(xié)同處置工藝的能效和工藝參數(shù)設(shè)計(jì)。

筆者首先利用Aspen plus模擬了生活垃圾熱解耦合燃煤電廠協(xié)同處置的工藝流程，從能量平衡的角度討論了該工藝流程的可行性。進(jìn)一步地，在維持系統(tǒng)熱量平衡的基礎(chǔ)上考慮了耦合燃煤鍋爐時鍋爐抽取煙氣量與燃燒所用油氣量之間的關(guān)系以及不同換熱方式的影響。最終，給出了一套適合工程實(shí)際的生活垃圾熱解耦合電廠協(xié)同處置的工藝流程路線。此外，還對某55 MW燃煤機(jī)組耦合垃圾炭產(chǎn)生的二噁英進(jìn)行了現(xiàn)場檢測，評估了垃圾炭在燃煤鍋爐內(nèi)摻燒的可行性。

1 工藝路線與模型建立

1.1 生活垃圾無氧熱解耦合電廠協(xié)同處置工藝

目前生活垃圾與大型燃煤機(jī)組耦合處置主要有直接耦合、間接耦合和并聯(lián)耦合。其中直接耦合即生活垃圾預(yù)處理后直接在鍋爐里燃燒，由于垃圾中重金屬和氯含量較高，這種耦合方式容易導(dǎo)致燃煤電廠污染物排放增加，灰渣成為危廢。并聯(lián)耦合是指生活垃圾與燃煤的燃燒系統(tǒng)相互獨(dú)立，只將生活垃圾鍋爐產(chǎn)生的蒸汽并入耦合機(jī)組中發(fā)電。并聯(lián)耦合可以大幅提高垃圾的耦合比例，但由于生活垃圾鍋爐的蒸汽參數(shù)較低，發(fā)電效率較低，而且投資成本很高。間接耦合是將生活垃圾氣化或燃燒后，將所產(chǎn)生的氣態(tài)產(chǎn)物送入燃煤鍋爐發(fā)電，間接耦合可以大幅降低生活垃圾中有害組分對耦合機(jī)組的影響，但投資成本略高，垃圾前處理耗能較大。因此，筆者在間接耦合的基礎(chǔ)上，首次提出了一種生活垃圾無氧熱解耦合燃煤電廠協(xié)同處置的工藝路線。

生活垃圾無氧熱解處理的工藝路線：生活垃圾首先就近運(yùn)輸至垃圾處理廠的垃圾儲池中儲存，在排出部分滲濾液后送到萬能破碎機(jī)中破碎，將破碎后的垃圾再送入干燥窯爐和熱解窯爐中干燥熱解，產(chǎn)生的熱解油氣進(jìn)入熱風(fēng)爐中燃燒來給系統(tǒng)提供熱量，剩余的固態(tài)物質(zhì)經(jīng)過磁選、渦選后分離回收其中的金屬，通過玻選將破碎的玻璃碎片分離，最后經(jīng)過篩選將其中的垃圾炭收集起來。這些垃圾炭可以與煤粉混合一起進(jìn)入鍋爐中燃燒發(fā)電，同時也可以用作催化劑、土壤修復(fù)劑等[23-25]。

生活垃圾無氧熱解耦合燃煤發(fā)電的具體工藝流程如圖1所示，生活垃圾先進(jìn)行干燥和熱解，將熱解產(chǎn)生的垃圾炭和燃煤混合進(jìn)入鍋爐燃燒發(fā)電，產(chǎn)生的熱解油氣一部分送入燃煤鍋爐中燃燒發(fā)電，另一部分進(jìn)入熱風(fēng)爐中燃燒，利用熱風(fēng)爐中產(chǎn)生的高溫?zé)煔庾鳛闊峤夂透苫臒嵩?。其中，熱解窯爐出口的煙氣可以分為2股進(jìn)入干燥爐，一部分煙氣與物料逆流進(jìn)入內(nèi)筒，另一部分與物料順流進(jìn)入外筒，此時為有內(nèi)筒煙氣循環(huán)。當(dāng)煙氣全部進(jìn)入外筒時為無內(nèi)筒煙氣循環(huán)。生活垃圾在干化過程中可能會產(chǎn)生一些可燃性的揮發(fā)性氣體，當(dāng)有內(nèi)筒煙氣循環(huán)時可以讓這部分可燃?xì)怏w得到充分利用，產(chǎn)生的高濕煙氣進(jìn)入熱風(fēng)爐中燃燒。為了避免熱解油氣在管道運(yùn)輸過程中發(fā)生沉積、結(jié)焦和堵塞，從鍋爐中抽取了一部分中溫?zé)煔庾鳛橛蜌廨斔凸艿赖陌闊釤煔?。最終從干燥窯爐出來的煙氣重新送入鍋爐中燃燒，充分利用現(xiàn)有電廠鍋爐的煙氣處理系統(tǒng)對產(chǎn)生的煙氣進(jìn)行處理?？紤]到電廠鍋爐存在可能的停機(jī)檢修情況導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常運(yùn)行，本工藝流程也可以將垃圾熱解產(chǎn)生的熱解油氣全部送入熱風(fēng)爐中燃燒，而不與燃煤鍋爐進(jìn)行耦合，從而獨(dú)立運(yùn)行。因此本工藝流程既可以與燃煤機(jī)組耦合運(yùn)行，也可以選擇單獨(dú)運(yùn)行，靈活性高。

本工藝路線具有如下優(yōu)勢：

(1)采用無氧熱解的預(yù)處理方式，與氣化相比，耗能減少，同時利用熱解油氣燃燒產(chǎn)生的能量來作為熱源，不需要外界供能。而且在熱解過程中可以比較容易地將熱解垃圾碳中的金屬等無機(jī)雜物選凈回收。

(2)不僅可以將熱解油氣送入鍋爐中燃燒發(fā)電，垃圾熱解產(chǎn)生的垃圾炭品質(zhì)也很好，也可以與煤粉混合一起進(jìn)入鍋爐中燃燒發(fā)電。

(3)生活垃圾處理過程基本沒有污染物排放。熱風(fēng)爐產(chǎn)生的煙氣可以利用燃煤鍋爐的煙氣處理系統(tǒng)處理，大幅降低垃圾發(fā)電的煙氣處理成本。

目前，本工藝路線提及的垃圾無氧熱解工藝示范項(xiàng)目已經(jīng)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)超過2 a，日處理垃圾量約200 t，現(xiàn)場工藝路線只有生活垃圾干化熱解處理部分沒有與燃煤機(jī)組耦合，主要利用垃圾熱解產(chǎn)生的熱解油氣燃燒來為整個系統(tǒng)供熱。項(xiàng)目運(yùn)行的產(chǎn)物有垃圾炭以及鐵、銅、鋁等金屬和玻璃碎片，其中垃圾炭的熱值可以達(dá)到10～11 MJ/kg。目前該系統(tǒng)運(yùn)行過程良好，部分處理產(chǎn)物可以直接回收利用。

1.2 模型建立

1.2.1 假設(shè)條件

由于垃圾熱解的實(shí)際過程反應(yīng)進(jìn)行情況復(fù)雜，加上軟件自身的局限性不能完全按照實(shí)際反應(yīng)情況進(jìn)行模擬，因此在采用Aspen Plus軟件建模時，需要做出相應(yīng)的簡化及假設(shè)。

圖1 生活垃圾耦合電廠協(xié)同處置工藝流程Fig.1 Process flow chart of co-utilization of garbage coupled power plant

(1)生活垃圾中的灰分為惰性組分，不考慮其在熱解過程中的催化反應(yīng)。

(2)熱解、燃燒反應(yīng)器均為穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，各反應(yīng)器內(nèi)的壓力相同，無壓力損失和熱損失，不考慮粒徑對反應(yīng)的影響[21]。

(3)各組分在反應(yīng)器中瞬間完全混合，氣相和固相的溫度在同一時刻相等。

(4)由于焦油成分復(fù)雜，選取木醋液(C6H8O)作為生活垃圾熱解焦油的組分代表。

(5)間接換熱采用換熱器來模擬，只考慮了換熱過程中的能量流動，且換熱過程始終是穩(wěn)態(tài)的。其他各種損失全部以熱損失的形式代表。

1.2.2 組分和物性條件定義

系統(tǒng)模型建立過程中使用的常規(guī)組分有C,S,O2,CO,H2,CO2,H2O,CH4,C2H4等，在Aspen Plus中定義為Conventional，而生活垃圾、垃圾炭和灰分則為非常規(guī)固體，定義為Nonconventional。模型的物性方法為PR-BM[21]，使用HCOALGEN和DCOALIGT模型計(jì)算生活垃圾的焓值和密度[26]。全局流量類型選擇為MCINCPSD。

1.2.3 模擬流程

圖2為Aspen plus軟件模擬的生活垃圾熱解和部分燃燒的工藝流程。工藝流程主要由干化(DRYING)、熱解(DECOMP)、分離(SEP)和燃燒(BURNING)4部分構(gòu)成。實(shí)線代表物質(zhì)流股，虛線代表熱量流股。生活垃圾(WET-GAR)經(jīng)過萬能破碎機(jī)破碎之后，先進(jìn)入干燥窯爐(DRYING)中去除大部分水分，經(jīng)過氣固分離(SEP1)后，干垃圾(GAR-DRY)再進(jìn)入裂解窯爐(DECOMP)中低溫?zé)峤?，產(chǎn)生的熱解油氣經(jīng)過分離(SEP2)后進(jìn)入熱風(fēng)爐(BURNING)中燃燒。熱風(fēng)爐出口的高溫?zé)煔庖蚤g接換熱的方式給干燥窯爐和裂解窯爐提供能量。干化產(chǎn)生的水蒸氣(EXHAUST)直接進(jìn)入熱風(fēng)爐隨煙氣一起排出。

圖2 Aspen plus模擬生活垃圾處理工藝流程Fig.2 Flow chart of garbage treatment process simulated by Aspen plus

模擬設(shè)置垃圾處理量為100 t/d，熱解產(chǎn)生的油氣全部燃燒用以供熱，熱風(fēng)爐出口煙氣溫度為900 ℃，干化溫度200 ℃，熱解溫度400 ℃，干化和熱解的換熱效率為80%，考慮油氣運(yùn)輸過程中管道溫降為20 ℃。表1為Aspen Plus模擬過程中各模塊的作用描述[27]。其中，在BURNING模塊添加了設(shè)計(jì)規(guī)范[28]，通過調(diào)節(jié)空氣供應(yīng)量來控制焚燒爐的出口煙氣溫度為900 ℃。DECOMP中各組分的產(chǎn)率根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)設(shè)置。M1，M2設(shè)置倍數(shù)因子為1.25，換熱器換熱效率為1/1.25，即0.8。

表1 Aspen plus 模型中模塊應(yīng)用說明

1.2.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

從運(yùn)行現(xiàn)場取部分粉碎后的生活垃圾進(jìn)行分析，其工業(yè)分析和元素分析見表2，生活垃圾收到基水分為55%，干基熱值為11.15 MJ/kg。DECOMP模塊中各組分的產(chǎn)率設(shè)置通過現(xiàn)場測量得到[29]，表3為熱解溫度為400 ℃時的熱解油氣成分，熱解得到的垃圾炭的燃料特性見表2?？梢钥闯鰺峤獾玫降臒峤庥蜌夂屠康钠焚|(zhì)較高，熱解油氣的熱值為12.43 MJ/kg，垃圾炭的熱值為9.41 MJ/kg。

表2 燃料特性

表3 熱解油氣組成

以某電廠的燃煤鍋爐為原型進(jìn)行耦合計(jì)算，鍋爐所用的煤粉為劣質(zhì)煤，收到基水分為1.93%，鍋爐負(fù)荷為35 t/h，爐膛出口氧量經(jīng)測量為4%。假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)工況下的煙氣密度為1.34 kg/m3，鍋爐煙氣量約為2.480×105m3/h，即3.323×105kg/h，鍋爐煙氣成分見表4。

表4 鍋爐煙氣成分

2 結(jié)果與討論

2.1 模型驗(yàn)證

利用Aspen plus軟件模擬了生活垃圾熱解產(chǎn)生的熱解油氣在氧氣充足的條件下充分燃燒，計(jì)算出熱解油氣總的熱負(fù)荷，進(jìn)而得到熱解油氣的熱值。模擬得到的熱解油氣的熱值為13.37 MJ/kg。由于垃圾炭為非常規(guī)物質(zhì)，在Aspen plus中不能模擬直接燃燒，因此無法直接得到它的熱值，需要根據(jù)整個熱解過程的能量守恒間接計(jì)算其熱值[30]，模擬計(jì)算得到的垃圾炭熱值為8.58 MJ/kg。實(shí)驗(yàn)值與模擬值的對比見表5，可以看出，模擬值與實(shí)驗(yàn)值的誤差都在10%以內(nèi)，由于模擬是在相對理想的條件下進(jìn)行，因此誤差是可以接受的，說明本文的計(jì)算模型是可靠的。

表5 熱解油氣和垃圾炭的熱值對比

2.2 生活垃圾無氧熱解處理的可行性分析

在模型驗(yàn)證可靠的基礎(chǔ)上，模擬首先考慮了在不抽取鍋爐煙氣的條件下該工藝流程系統(tǒng)能否維持能量自平衡，即垃圾熱解油氣全部進(jìn)入熱風(fēng)爐燃燒給系統(tǒng)供熱能否維持系統(tǒng)運(yùn)行。由于工藝流程中污泥的干化和熱解均采用間接換熱的方式，因此本模擬將根據(jù)FLUEGAS3出口的煙氣溫度來判斷系統(tǒng)能量是否自平衡，若出口煙氣溫度大于200 ℃，則認(rèn)為系統(tǒng)能量可以滿足自平衡，反之則系統(tǒng)能量無法自平衡。

100 t/d的垃圾處理量相當(dāng)于每小時處理4 167 kg垃圾，經(jīng)過干燥窯爐去除大部分水分，再通過熱解窯爐產(chǎn)生1 500 kg/h的熱解油氣和1 179 kg/h的垃圾炭。這些熱解油氣配以足量的空氣進(jìn)入熱風(fēng)爐中燃燒，能產(chǎn)生18 307 kg/h的900 ℃高溫?zé)煔?。高溫?zé)煔庠诮o干燥窯爐和熱解窯爐供熱之后，最終出口溫度為373 ℃。說明單獨(dú)依靠垃圾熱解油氣燃燒產(chǎn)生的熱量可以維持整個系統(tǒng)的正常運(yùn)行。在不抽取燃煤鍋爐煙氣的條件下，可以通過消耗部分垃圾無氧熱解的油氣提供熱源維持垃圾的干化和熱解過程，并且還有部分高熱值熱解油氣的富余可用于燃煤機(jī)組燃燒。

2.3 生活垃圾無氧熱解耦合燃煤鍋爐的能效分析

在生活垃圾熱解的基礎(chǔ)上，從鍋爐尾部抽取部分中溫?zé)煔膺M(jìn)入熱風(fēng)爐中與熱解油氣混合燃燒，在總能耗不變的條件下可以節(jié)省出部分熱解油氣，這部分油氣可以與二次風(fēng)混合通入鍋爐中用以發(fā)電，也可以單獨(dú)燃燒向外供熱。因此，進(jìn)一步討論抽取鍋爐煙氣量與進(jìn)入熱風(fēng)爐燃燒的油氣量的關(guān)系，主要考慮了有無內(nèi)筒煙氣循環(huán)對抽取鍋爐煙氣量和熱解油氣燃燒量的影響。

2.3.1 無內(nèi)筒煙氣循環(huán)

在保證煙氣熱量能夠維持干燥和熱解所需的熱量的前提下，將熱風(fēng)爐出口煙氣溫度控制在900 ℃，最終出口煙氣溫度保持在200 ℃。采用無內(nèi)筒煙氣循環(huán)方式，即煙氣全部進(jìn)入干燥窯爐外筒。改變抽取的鍋爐煙氣量，鍋爐煙氣量與油氣量的關(guān)系，如圖3所示。在無內(nèi)筒煙氣循環(huán)的基礎(chǔ)上，當(dāng)垃圾處理量為100 t/d(4.167 t/h)，熱解得到的總油氣量為1.5 t/h。不抽取鍋爐煙氣時(抽取煙氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0)，進(jìn)入熱風(fēng)爐燃燒所需的油氣量最大，為1 143 kg/h，燃燒所用油氣占比為76.2%，此時進(jìn)入燃煤鍋爐的油氣量為357 kg/h。隨著抽取煙氣量的增加，熱風(fēng)爐燃燒所需的油氣量逐漸減少，進(jìn)入燃煤鍋爐的油氣量增加。當(dāng)抽取煙氣為5 649 kg/h，此時抽取煙氣占比為1.7%，熱風(fēng)爐燃燒所需油氣量達(dá)到最小，為900 kg/h，油氣占比為60%。當(dāng)繼續(xù)增加煙氣抽取量時，熱風(fēng)爐出口溫度將不能再達(dá)到設(shè)定的900 ℃，煙氣抽取量達(dá)到最大?？梢钥闯龀槿〉臒煔饬颗c鍋爐燃燒產(chǎn)生的煙氣量相比很小。

圖3 無內(nèi)筒煙氣循環(huán)時鍋爐煙氣量與油氣量的關(guān)系(總油氣量為1.5 t)Fig.3 Relationship between boiler flue gas volume and tarand gas volume without inner tube flue gas circulation(The total oil and gas volume is 1.5 t)

2.3.2 有內(nèi)筒煙氣循環(huán)

在相同條件下，采用有內(nèi)筒煙氣循環(huán)的方式換熱，設(shè)置內(nèi)筒煙氣循環(huán)量為總煙氣量的1/3，產(chǎn)生的高濕煙氣直接進(jìn)入熱風(fēng)爐中燃燒，垃圾處理量仍然是100 t/d(4.167 t/h)，熱解產(chǎn)生的總油氣量不變，仍然是1.5 t/h。模擬結(jié)果如圖4所示。當(dāng)不抽取煙氣時(抽取煙氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0)，熱風(fēng)爐燃燒所用油氣量為1 025 kg/h，所用油氣占比為68.3%，進(jìn)入燃煤鍋爐的油氣量為475 kg/h。隨著抽取煙氣量的增加，熱風(fēng)爐燃燒油氣量逐漸減少，燃煤鍋爐油氣量增加。當(dāng)抽取煙氣為1 661 kg/h，此時抽取煙氣占比為0.5%，燃燒油氣量達(dá)到最小，為954 kg/h，油氣占比為63.6%。當(dāng)繼續(xù)增加煙氣抽取量時，出口煙氣溫度將不能再達(dá)到設(shè)定的200 ℃，此時煙氣抽取量達(dá)到最大。

圖4 有內(nèi)筒煙氣循環(huán)時鍋爐煙氣量與油氣量的關(guān)系(總油氣量為1.5 t)Fig.4 Relationship between boiler flue gas volume and tar andgas volume with inner tube flue gas circulation(The total oil and gas volume is 1.5 t)

綜合圖3，4可以看出，當(dāng)不抽取鍋爐煙氣時，只依靠熱解油氣燃燒產(chǎn)生的熱量可以維持系統(tǒng)能量平衡，且仍有部分富余油氣。隨著從鍋爐抽取煙氣的增加，熱風(fēng)爐燃燒所用的油氣量逐漸減少，燃燒所用油氣占比下降，進(jìn)入鍋爐的油氣量增加。相同的抽取煙氣占比下，無內(nèi)筒煙氣循環(huán)燃燒所用的油氣量比有內(nèi)筒煙氣循環(huán)燃燒多，而且抽取的鍋爐煙氣量也遠(yuǎn)高于有內(nèi)筒煙氣循環(huán)。但鍋爐煙氣抽取量最大都不能超過鍋爐煙氣產(chǎn)生量的2%，否則就無法維持熱風(fēng)爐的高溫，或者系統(tǒng)熱量不平衡?？紤]到富余的熱解油氣可以有其他的用途，比如鍋爐的助燃調(diào)峰，燃燒所用的油氣量越少越好，因此有內(nèi)筒煙氣循環(huán)的工藝路線更具有應(yīng)用價值。

2.4 模型優(yōu)化與應(yīng)用

生活垃圾熱解產(chǎn)生的熱解油氣和垃圾炭熱值與煤相比較低，總輸入熱占比不高，而鍋爐抽煙量占比最大只有1.7%，因此熱解油氣和垃圾炭作為燃料進(jìn)入鍋爐后對鍋爐總體性能影響不大，對整個燃燒組織的影響也較小。另外，由于計(jì)算得到的最大鍋爐煙氣抽取量與鍋爐實(shí)際煙氣產(chǎn)生量相比很小，建設(shè)煙氣管道的成本遠(yuǎn)大于抽取煙氣所帶來的效益，相比之下，不抽取鍋爐煙氣，只用熱風(fēng)爐燃燒產(chǎn)生的煙氣來作干燥和熱解的熱源的經(jīng)濟(jì)性更好。采用有內(nèi)筒煙氣循環(huán)的換熱方式可以富余更多的熱解油氣，這些熱解油氣可以用于鍋爐調(diào)峰燃燒發(fā)電。最終內(nèi)筒高濕煙氣進(jìn)入熱風(fēng)爐中燃燒再循環(huán)，外筒煙氣直接進(jìn)入鍋爐燃燒，利用原有煙氣處理系統(tǒng)對煙氣進(jìn)行處理，避免直接排放帶來的環(huán)境污染。

2.5 生活垃圾無氧熱解耦合燃煤鍋爐的二噁英排放

在垃圾低溫?zé)o氧熱解工藝中，垃圾熱解油氣燃燒排放煙氣中的二噁英排放很低，而大量的氯元素在垃圾炭中富集，平均的收到基氯質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)7%，因此本工藝最大的挑戰(zhàn)就是垃圾炭在與煤粉耦合燃燒過程中是否會產(chǎn)生過量的二噁英排放。

生活垃圾無氧熱解產(chǎn)生的垃圾炭灰成分見表6，可以看出垃圾炭中氯含量極高。在實(shí)際運(yùn)行中，分別對垃圾炭不摻燒和以1%的質(zhì)量占比摻燒時的燃煤鍋爐煙氣中的二噁英排放量進(jìn)行了檢測，測點(diǎn)位置在煙囪部位。二噁英的采樣和檢測按照HJ 77.2—2008《環(huán)境空氣和廢氣 二噁英類的測定 同位素稀釋高分辨氣相色譜-高分辨質(zhì)譜法》。具體的取樣和檢測方法如下：

(1)采樣。采樣裝置為ZR-3720廢氣采樣器，內(nèi)部裝有石英纖維濾膜和吸附材料聚氨基甲酸乙酯泡沫(PUF)，對煙氣進(jìn)行過濾和吸附。采樣完成后的濾膜和吸附材料用鋁箔包裹，密封保存。

(2)樣品提取和凈化。將充分干燥后的濾膜和吸附材料以甲苯為溶劑進(jìn)行索氏提取16～24 h，提取液濃縮后，溶劑轉(zhuǎn)換為正己烷，再次濃縮后分別用多層硅膠柱和活性炭硅膠柱進(jìn)行凈化處理。

(3)儀器分析。分析儀器為高分辨氣相色譜-高分辨磁質(zhì)譜聯(lián)用儀(DFS)，不分流進(jìn)樣1 μL，進(jìn)樣溫度270 ℃，載氣流量1.0 mL/min，色質(zhì)接口溫度270 ℃。色譜柱的固定相為5%苯基+95%聚甲基硅氧烷，柱長60 m，內(nèi)徑0.25 mm，膜厚0.25 μm。初始溫度140 ℃，保持1 min后以20 ℃/min的速度升溫至200 ℃，停留1 min后以5 ℃/min的速度升溫至220 ℃，停留16 min后以5 ℃/min的速度升溫至235 ℃，停留7 min，以5 ℃/min的速度升溫至310 ℃，停留10 min。為保證結(jié)果準(zhǔn)確，每個取樣點(diǎn)均取樣3次，最終取平均值。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)不摻燒垃圾炭時，煙氣中二噁英總含量為0.006 1 ng TEQ/m3。當(dāng)以1%質(zhì)量比摻燒時，煙氣中二噁英總含量為0.005 3 ng TEQ/m3，二噁英含量在摻燒前后沒有顯著的變化。而且遠(yuǎn)低于最新出臺的上海市地方標(biāo)準(zhǔn)DB 31/1291—2021《燃煤耦合污泥電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的二噁英排放量0.02 ng TEQ/m3，符合排放標(biāo)準(zhǔn)。

表6 垃圾炭的灰成分

3 結(jié) 論

(1)在不抽取燃煤鍋爐煙氣的條件下，可以通過消耗部分垃圾無氧熱解的油氣提供熱源維持垃圾的干化和熱解過程，并且還有部分高熱值熱解油氣的富余可用于燃煤機(jī)組助燃。當(dāng)抽取部分中高溫燃煤煙氣用于垃圾干燥和熱解過程時，垃圾無氧熱解可富余更多的高熱值油氣用于助燃調(diào)峰，且抽取的鍋爐煙氣量越大，富余的油氣量越多，有利于機(jī)組的靈活性運(yùn)行。

(2)首次對垃圾炭耦合摻燒產(chǎn)生的鍋爐煙氣二噁英進(jìn)行了檢測。當(dāng)不摻燒垃圾炭時，煙氣中二噁英總含量為0.006 1 ng TEQ/m3；當(dāng)垃圾炭摻燒比為1%時，煙氣中二噁英總含量為0.005 3 ng TEQ/m3，二噁英含量在摻燒前后沒有顯著的變化，且遠(yuǎn)低于排放標(biāo)準(zhǔn)。

(3)綜合考慮成本和經(jīng)濟(jì)性，對原有的工藝路線進(jìn)行了優(yōu)化，不抽取鍋爐煙氣，只用熱風(fēng)爐燃燒產(chǎn)生的煙氣來作為垃圾干燥和熱解的熱源，干燥過程的高濕煙氣再循環(huán)后進(jìn)入油氣燃燒熱風(fēng)爐，是一種經(jīng)濟(jì)上更為可行的工藝路線。