張 睿,曹 竣,雷 領(lǐng),曹宇飛

(1.淄博晨越寶山環(huán)保科技有限公司,山東 淄博 255100;2.南京理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,江蘇 南京 210094)

0 引 言

隨著城市化和工業(yè)化的高速發(fā)展,城市生活垃圾產(chǎn)量逐年增加[1],預(yù)計到2050年,全球垃圾產(chǎn)量將達到約350億t[2],垃圾焚燒仍有很大的發(fā)展空間。但傳統(tǒng)垃圾焚燒發(fā)電廠存在熱效率低、環(huán)保成本高、投資大等問題[3-5],大幅限制其發(fā)展。與此同時,全世界范圍內(nèi)存在大量燃煤電廠,受減碳政策影響,這些燃煤機組長期無法滿負荷運行[6],面臨淘汰。針對垃圾焚燒需求增加和燃煤機組負荷空置這一矛盾現(xiàn)象,一些學(xué)者提出了燃煤耦合垃圾焚燒發(fā)電的技術(shù)路線,通過利用現(xiàn)有煤電機組協(xié)同處理垃圾,降低垃圾焚燒成本,提高垃圾焚燒規(guī)模,降低存量煤電煤耗,降低燃煤電廠碳排放[7-8]。

燃煤耦合垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)可分為3類:直接耦合、間接耦合和平行耦合。直接耦合是將垃圾與煤直接摻混燃燒[9-12],其優(yōu)點在于垃圾轉(zhuǎn)化率較高、耦合方式簡單及可能存在煤與垃圾間的正向協(xié)同效應(yīng)[13];其缺點在于垃圾焚燒產(chǎn)生有害物質(zhì)腐蝕鍋爐受熱面,飛灰和底渣PCDD/Fs毒性上升,導(dǎo)致危廢處理成本增加[11-12]。間接耦合是將垃圾在單獨的焚燒爐內(nèi)焚燒,再將焚燒煙氣送入燃煤鍋爐內(nèi)。其優(yōu)點在于燃料適應(yīng)性好、對飛灰和底渣影響較小[14]。平行耦合是將垃圾在單獨焚燒爐焚燒生產(chǎn)蒸汽,并將蒸汽送入原燃煤機組蒸汽循環(huán)中發(fā)電。優(yōu)點在于垃圾替煤率較高、對燃煤鍋爐無影響,缺點在于垃圾焚燒爐仍需配置余熱鍋爐和煙氣凈化設(shè)備,投資較高,且熱效率低于其他2種耦合方式[15]。相比直接耦合和平行耦合,間接耦合優(yōu)勢和市場吸引力更明顯。張勇等[16]搭建了30 t/d 燃煤鍋爐耦合垃圾發(fā)電中試試驗系統(tǒng),將垃圾處理與燃煤電站相耦合,充分利用燃煤電站充足的熱量和能源,增加垃圾處理效果,實現(xiàn)垃圾高效減量處置。劉賀等[17]研究了在空氣氣氛下神華煤摻燒幾種典型固廢的結(jié)渣特性,研究發(fā)現(xiàn)少量摻燒固廢后,煤灰仍能保持疏松多孔的特性,鍋爐可平穩(wěn)運行。史兵權(quán)等[18]采用數(shù)值模擬方法,對220 t/h四角切圓煤粉鍋爐進行煙氣側(cè)燃煤耦合垃圾模擬研究,結(jié)果表明耦合垃圾后會對爐膛內(nèi)部溫度分布產(chǎn)生影響,爐膛出口截面處的溫度會隨垃圾替煤率的增加而升高。

但垃圾焚燒會產(chǎn)生大量二噁英類物質(zhì)(PCDD/Fs)[19]。研究表明,PCDD/Fs是一種具有極強致癌性的化合物,對人類發(fā)育系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)的損害極大,嚴重威脅人體健康[20]。此外,由于PCDD/Fs化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,分解溫度較高,在自然條件下難以降解,會長期存在于環(huán)境中,對大氣、水體和土壤造成污染[21]。目前,為控制PCDD/Fs排放,主要采用入爐前控制、燃燒過程控制和燃燒后控制。在入爐前控制階段,可采用干燥、水熱碳化、低溫?zé)峤獾确椒▽M行預(yù)處理,或添加煤等物質(zhì)來增加垃圾熱值。對于含水率高的城市生活垃圾可進行干燥,加速其碳化,提高熱值和燃燒效率,也可降低處理成本[22],還可在焚燒過程中噴入抑制劑[23-27]。MA等[28]發(fā)現(xiàn)S/CaO混合抑制劑的添加可分解PCDD/Fs或其前驅(qū)物,并減弱PCDD/Fs形成中的氯化過程,對六氯代和七氯代PCDD/Fs的抑制作用最為顯著。CHEN等[29]使用硫脲作為PCDD/Fs的抑制劑,并詳細研究抑制機理,發(fā)現(xiàn)在燃燒后區(qū)域,硫脲中的S元素和N元素抑制金屬催化劑,因此對從頭合成的抑制作用大于氯酚合成的抑制作用;燃燒后控制則主要采用活性炭噴射結(jié)合布袋除塵的組合脫除煙氣中的PCDD/Fs[30-31]。目前,垃圾焚燒發(fā)電廠通常采用煙氣急冷與活性炭噴射相結(jié)合的方法控制PCDD/Fs,即先將垃圾焚燒煙氣進行快速冷卻,跨過PCDD/Fs的de nova再合成溫度區(qū)間[32],然后向煙氣中噴入活性炭吸附殘余的PCDD/Fs。但該方法需消耗大量的冷卻水和價格昂貴的活性炭,還會產(chǎn)生大量的危廢活性炭,成本較高[33]。因此,尋找一種低成本、高效率的方法控制PCDD/Fs的排放是燃煤耦合垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)的關(guān)鍵研究點。

垃圾與其他原料摻混焚燒是近年來提出的一種減排PCDD/Fs的方法。當(dāng)混合不同類型的原料時,混合物中熱值和元素組成均會發(fā)生變化[34],通過調(diào)整合適的混合比例,可減少PCDD/Fs生成量。CONESA等[35-36]研究發(fā)現(xiàn),使用高硫(S)含量的生活污泥作為抑制劑,可使PCDD/Fs排放量大幅下降,這主要是由于污泥中S元素或堿性物質(zhì)含量較高,可與Cl元素反應(yīng)生成硫酸鹽、堿金屬氯化物等化合物,降低了Cl參與二噁英合成的可能性,從而顯著抑制PCDD/Fs生成。而與市政污泥相比,赤泥作為電解鋁的產(chǎn)物,主要由CaO和SiO2組成[37]。此外,還含有Fe2O3和Al2O3,及少量MgO、Na2O和TiO2。因此將赤泥與垃圾摻混焚燒,可能更好抑制PCDD/Fs生成。

筆者將針對燃煤耦合垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)開展中試研究,分析耦合垃圾焚燒對燃煤鍋爐運行特性及污染物排放特性的影響,探討摻混赤泥后抑制PCDD/Fs生成效果。研究成果將為燃煤耦合垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)的深度開發(fā)和工程示范提供理論指導(dǎo)。

1 試 驗

1.1 試驗系統(tǒng)

在一臺100 kW燃煤耦合垃圾焚燒中試試驗臺上開展,系統(tǒng)如圖1所示。垃圾通過螺旋給料機送入電加熱回轉(zhuǎn)窯焚燒爐。當(dāng)爐膛溫度超過設(shè)定溫度(700 ℃)后,電加熱模塊停止加熱。垃圾焚燒煙氣通過燃燒器區(qū)上部通入煤粉爐內(nèi)。煤粉爐采用旋流燃燒器,一次風(fēng)攜帶煤粉吹入煤粉爐內(nèi),二次風(fēng)通過燃燒器也送入煤粉爐內(nèi)。煤粉爐尾部設(shè)有空氣預(yù)熱器,用于加熱二次風(fēng)。煤粉爐爐膛各處和風(fēng)煙管路上設(shè)有熱電偶,以檢測系統(tǒng)內(nèi)各處溫度。煙氣取樣點設(shè)置于回轉(zhuǎn)窯和煤粉爐煙氣出口處。SO2和NOx采用煙氣分析儀測取(350,Testo,Germany),PCDD/Fs由第三方檢測機構(gòu)采用國標測取,并轉(zhuǎn)換為體積分數(shù)11% O2標準下的數(shù)值。

圖1 中試臺示意

1.2 試驗樣品

試驗采用河北某地?zé)熋?垃圾根據(jù)典型城市生活垃圾成分配制,按照廚余∶木質(zhì)∶塑料∶紙張=5∶2∶2∶1。赤泥購自河南恒源新材料有限公司。試驗前將煤炭破碎篩分至0.1～0.2 mm。煤、垃圾和赤泥的工業(yè)、元素和熱值分析結(jié)果見表1。

表1 煤、垃圾和赤泥的工業(yè)、元素和熱值分析

1.3 試驗工況

試驗共有3個工況,煤粉爐過量空氣系數(shù)為1.4,回轉(zhuǎn)窯過量空氣系數(shù)為1.5。垃圾替煤率以熱值計,由于替煤率較高時,會對煤粉燃燒產(chǎn)生一定影響,使整個系統(tǒng)發(fā)電效率較差,同時NO排放增多。替煤率較低時,對垃圾處理規(guī)模較小,難以實現(xiàn)垃圾規(guī)?；幚韀18,38],因此在試驗中垃圾替煤率設(shè)為10%。選用赤泥作為二噁英抑制劑,由于生活垃圾中含有纖維素成分的木屑、報紙等物質(zhì)會對垃圾中的塑料成分燃燒起促進作用[39-40],進而可能促進二噁英生成。綜合考慮赤泥的熱值后,選擇生活垃圾中直接按質(zhì)量20%摻混赤泥。試驗工況見表2。

表2 試驗工況

2 結(jié)果與討論

2.1 燃燒特性

對中試試驗系統(tǒng)不同溫度檢測點處的溫度進行實時監(jiān)控,典型溫度曲線如圖2所示。試驗持續(xù)約12 h?？芍紵覅^(qū)溫度(101)最高,在全煤粉工況下可達1 433.18 ℃,回轉(zhuǎn)窯在投入垃圾焚燒后溫度升至約800 ℃,預(yù)熱空氣溫度(110)超過200 ℃,最高可達289.65 ℃。由圖2還可知在耦合10%的垃圾后,煤粉爐燃燒室和爐膛下區(qū)域溫度(102)略下降,經(jīng)過短時間工況穩(wěn)定后,燃燒室區(qū)域爐膛中心溫度平均值下降26.59 ℃,爐膛下區(qū)域中心的平均溫度下降16.04 ℃,這是由于煤粉主要燃燒區(qū)域是燃燒室和爐膛下區(qū)域,當(dāng)爐膛熱負荷降低,煤粉通入量減小,放熱量減少,溫度降低,同時垃圾焚燒煙氣溫度低于煤粉燃燒煙氣溫度,煙氣混合后會降低煤粉燃燒煙氣溫度,因此爐膛測量溫度略下降。爐膛上區(qū)域(103、104、106測溫點)溫度略上升,平均溫度升高33.33 ℃?？傮w來看,在耦合垃圾焚燒后,整個煤粉爐爐膛溫度分布更加均勻。

圖2 試驗系統(tǒng)監(jiān)測點溫度變化

2.2 SO2和NOx污染物排放特性

不同工況下回轉(zhuǎn)窯和煤粉爐煙氣中SO2濃度如圖3所示。在全煤粉工況時煤粉爐排煙中SO2質(zhì)量濃度達1 066 mg/m3,垃圾替代10%的煤粉后,SO2在煤粉爐排煙中濃度降至931 mg/m3。而回轉(zhuǎn)窯尾部煙氣中SO2質(zhì)量濃度為131 mg/m3,遠小于煤粉爐煙道中SO2濃度,這是由于垃圾S元素含量小于煙煤中。垃圾焚燒煙氣通入煤粉爐中會對耦合垃圾工況下煤粉爐內(nèi)的SO2有一定稀釋作用,導(dǎo)致煤粉爐出口煙氣中SO2濃度降低。但從圖3中還可以看出,垃圾中摻混赤泥后,回轉(zhuǎn)窯尾部煙氣中SO2質(zhì)量濃度升高至667 mg/m3,摻混后的垃圾焚燒煙氣通入煤粉爐中使煤粉爐尾部煙氣降至796 mg/m3,說明摻混赤泥會促進垃圾焚燒階段SO2生成,但焚燒煙氣中的某些成分會抑制煤粉燃燒SO2的生成。

圖3 不同工況下煙氣中SO2質(zhì)量濃度

圖4為不同工況下煙氣出口處NOx質(zhì)量濃度,可知在全煤工況下煤粉爐出口處的NOx質(zhì)量濃度為137 mg/m3,耦合10%的垃圾后,NOx在煤粉爐出口煙氣中的質(zhì)量濃度降至106 mg/m3,而此時回轉(zhuǎn)窯出口煙氣中NOx質(zhì)量濃度為208 mg/m3,高于全煤工況中煤粉爐中NOx濃度,這是由于垃圾中N含量較高,燃料型NOx的生成量增加。但垃圾焚燒煙氣通入煤粉爐后反而降低了煤粉爐中的NOx質(zhì)量濃度,說明垃圾焚燒煙氣中某些成分也會降低煤粉燃燒過程中NOx生成。在摻混20%赤泥后,垃圾焚燒煙氣中NOx質(zhì)量濃度升至309 mg/m3,同時煤粉爐煙氣中NOx質(zhì)量濃度升至130 mg/m3。

圖4 不同工況下煙氣中NOx質(zhì)量濃度

2.3 二噁英排放特性

不同工況下回轉(zhuǎn)窯和煤粉爐排煙中PCDD/Fs當(dāng)量濃度如圖5所示。在全煤工況下,煤粉爐尾部的煙氣中PCDD/Fs質(zhì)量濃度為0.1 ng/m3,耦合摻燒10%垃圾后,回轉(zhuǎn)窯尾部煙氣質(zhì)量濃度為3.88 ng/m3,但經(jīng)煤粉爐高溫?zé)岱纸?PCDD/Fs質(zhì)量濃度降至0.17 ng/m3,分解率為95.62%。但此時煤粉爐煙氣中PCDD/Fs質(zhì)量濃度仍超過GB 18485—2014《生活垃圾焚燒污染控制標準》中規(guī)定的PCDD/Fs濃度排放限值0.1 ng/m3。

圖5 不同工況下煙氣中二噁英的毒性當(dāng)量濃度

為進一步降低煙氣中PCDD/Fs濃度,在垃圾中摻混質(zhì)量分數(shù)20%赤泥。摻混后,回轉(zhuǎn)窯排煙中PCDD/Fs質(zhì)量濃度降至1.24 ng/m3,下降68.04%,而煤粉爐煙氣中PCDD/Fs質(zhì)量濃度降至0.003 4 ng/m3,相比不摻混赤泥工況下降98%。摻混赤泥后煤粉爐排煙中PCDD/Fs質(zhì)量濃度遠低于0.1 ng/m3,還符合DB31/1291—2021《燃煤耦合污泥電廠大氣污染物排放標準》中規(guī)定的0.02 ng/m3的排放限值。

3 結(jié) 論

1)煤粉爐在耦合10%的垃圾后,爐膛溫度分布更均勻,燃燒室和爐膛下區(qū)域溫度下降約30 ℃,而爐膛上區(qū)域溫度升高約35 ℃。

2)耦合垃圾焚燒對煤粉爐中的SO2和NOx生成存在部分抑制作用,但機理尚不明確。

3)耦合垃圾后,煤粉爐高溫可有效熱分解垃圾焚燒產(chǎn)生的PCDD/Fs,但煤粉爐煙氣中PCDD/Fs排放濃度仍未達到國家標準;采用在垃圾中摻燒20%赤泥的方法,可顯著降低垃圾焚燒產(chǎn)生的PCDD/Fs,摻燒后煤粉爐煙氣中PCDD/Fs排放濃度降至0.003 4 ng/m3,滿足現(xiàn)有燃煤耦合污泥焚燒的排放標準。