秸稈成型燃料與垃圾衍生燃料混合燃燒研究

2016-02-14 03:09:42雷建國

中國環保產業 2016年1期

周斌，雷建國，馮聚

（1.四川理工學院材料與化學工程學院，四川自貢 643000；2.四川雷鳴生物環保工程有限公司，四川自貢 643000；3.山東大學能源與動力工程學院，濟南 250061）

秸稈成型燃料與垃圾衍生燃料混合燃燒研究

周斌1，雷建國2，馮聚3

生物質成型燃料和垃圾衍生燃料均是20世紀后期興起的新型能源利用技術。低碳、環保的燃燒特性和可再生屬性使其具有巨大的發展潛力，成為21世紀替代化石燃料潮流中的優先選擇之一。文章對生物質秸稈成型燃料和垃圾衍生燃料RDF-5的燃燒效率進行了研究，由工業焚燒試驗得到的燃燒技術指標對比和經濟、社會效益分析，得出生物質秸稈成型燃料和垃圾衍生燃料混合燃燒的燃燒效率高于垃圾衍生燃料單獨燃燒效率的結論。

生物質秸稈成型燃料；垃圾衍生燃料；燃燒效率

目前，環境問題和能源緊缺已對人類的生存和發展造成了嚴重挑戰?；剂夏茉撮_采和利用直接影響環境，涉及空氣污染、水污染和生態惡化等環境問題，是造成環境污染的首要原因。只有積極發展替代能源，才能彌補快速擴大的石油供需缺口，有效解決區域性能源品種短缺問題，才能實現科學發展、清潔發展、安全發展和可持續發展。

我國目前已成為世界上垃圾包袱最重的國家之一，每年產生數量巨大的城市生活垃圾，對環境管理和污染控制形成了嚴重挑戰。據國家環境保護部預測，到2015年全國城市垃圾的產生量將達到1.79億噸。城市垃圾的無害化、減容化和資源化處理已迫在眉睫。

由于城市生活垃圾具有一定的熱值，可以視為一種固體燃料。但城市生活垃圾具有組分變化大、熱值波動大、水分含量高且含有一定量不燃物的特點，所以必須經過處理才能直接作為固體燃料。而將城市生活垃圾制成垃圾衍生燃料（RDF），能夠有效解決垃圾直接焚燒處理過程中暴露的易腐敗、惡臭、運輸和貯藏困難，以及焚燒產生的二英（PCDD/PCDF）類、氯化氫、二氧化硫和重金屬等有害成分進入環境造成二次污染等問題[2]。垃圾衍生燃料的誕生，無疑為垃圾能源化帶來了生機，成為垃圾利用領域新的增長點。

垃圾衍生燃料的燃燒方式一般包括兩種：1）垃圾衍生燃料單獨燃燒；2）與其它物質（如煤）混合燃燒。通過生物質秸稈成型燃料和垃圾衍生燃料的混合燃燒，可以使PCDD/PCDF在煙氣中的含量低于環保標準，并且可以減少有機氯化物，特別是PCDD/PCDF的釋放。

無害化處理和資源化利用一直是我國農業有機燃料的發展方向。生物質秸稈成型燃料和垃圾衍生燃料的混合燃燒，還能有效增加燃燒時的燃燒溫度和燃燒速率，使燃燒更加徹底，減少焚燒爐最終的剩余結渣量，有利于燃料能源的高效利用。兩種燃料的混合燃燒，是一次提高固體燃料能源利用率的大膽嘗試，是對垃圾繼垃圾衍生燃料的資源、能源化利用之后的又一次突破，破解了垃圾衍生燃料開發以來一直伴隨的環境污染問題，進一步有效降低了垃圾衍生燃料燃燒時的有害物排放量，成為21世紀探討資源整合利用、燃燒方式突破的又一新方向。

1 生物質成型燃料

我國是一個農業大國，生物質資源極為豐富，開發利用潛力巨大。據專家測算，目前我國林業每年有5.64億噸廢棄物可用作生物質能源的開發和利用，每推動1億噸林業燃料轉為固體燃料，每年將創造1000億元產值，實現6000萬噸標煤的化石燃料替代。從環境保護角度講，合理利用農林生物質能源，不僅可減少農業秸稈、林業加工廢棄物等自然腐爛所產生的CH4，也可避免就地焚燒而直接造成的環境污染，而且生物質本身的N含量比煤少很多，這對于減少氮氧化物的生成非常有利。同時生物質本身含的S量極低（一般少于0.1%），不到煤的1/10[3]，不需要煙氣脫硫裝置，即降低了成本，又有利于環境。燃燒過程中排放出的CO2與其生長過程光合作用中所吸收的一樣多，實現了CO2的零排放。研究表明，生物質燃料的使用還可降低重金屬污染物的排放，煤中含有多種微量元素，如：As、Hg、V、Pb、Zn、Se、Co、Ni、Cr等，其中許多是有毒、有害的重金屬元素，而生物質中基本不含重金屬。另外生物質燃料還可間接減少因燃煤產生的廢氣、廢渣等污染。因此，生物質能源是國際公認的清潔能源。

生物質成型燃料是指將干枯的本草類（如農作物秸稈）、木本類（如樹枝）植物粉碎后，在一定壓力作用下壓縮成為一種固形物，所以也稱之為致密性燃料、生物質固形燃料、生物質型煤等。相比于散碎狀的秸稈、木屑，壓縮成型后的生物質成型燃料，密度大大提高，貯運、使用都很方便，人們可以像使用煤炭一樣燃燒成型燃料[4]。按照生物質燃料的形態，生物質燃料可分為生物質固體燃料、生物質液體燃料、生物質氣體燃料三類。生物質固體燃料主要是原生物質燃料和生物質固體成型燃料；生物質液體燃料包括生物質酒精（乙醇）、生物柴油和生物質燃料油；生物質氣體燃料主要包括生物沼氣和生物氫氣。本文主要研究了生物質成型燃料中的秸稈成型燃料。

秸稈成型燃料的熱值以秸稈的種類不同而不同。玉米秸稈的熱值約為標煤的0.7～0.8倍，即1.25噸玉米秸稈成型燃料塊相當于1噸煤的熱值，玉米秸稈成型燃料塊在配套的下燃式生物質燃燒爐中燃燒，其燃燒效率是燃煤鍋爐的1.3～1.5倍，因此1噸玉米秸稈成型燃料的熱值利用率與1噸煤的熱量利用率相當[5]。

秸稈與其他廢棄物的熱值等比較見表1。

表1 秸稈與其他廢棄物的熱值等比較

2 垃圾衍生燃料（Refuse Derived Fuel）

垃圾衍生燃料（Refuse Derived Fuel）簡稱為RDF。垃圾衍生燃料是生活垃圾經分揀、破碎、渦電流除鋁、磁選除鐵、再破碎、添加助劑、風選、壓縮和干燥等處理工序，擠壓成型（圓柱條狀）制成的一種固體燃料[6]。其特點：形態大小均勻、所含熱值均勻、易運輸及儲備、在常溫下可儲存幾個月，且不會腐敗?？梢耘R時將一部分垃圾衍生燃料存貯起來，以解決鍋爐技術停運或因旺季而導致垃圾產出高峰時期的處置能力問題。這種燃料可以單獨燃燒，也可根據鍋爐工藝要求情況，與煤燃油混燒。

垃圾衍生燃料具有熱值高、燃燒穩定、易于運輸、易于儲存、二次污染低和二英類物質排放量低等特點，廣泛應用于干燥工程、水泥制造、供熱工程和發電工程等領域。

3 燃料制備工藝系統

3.1 生物質秸稈成型燃料的制備工藝系統

3.1.1 生物質秸稈成型燃料制備工藝原理

生物質秸稈成型燃料制備首先要進行集中處理，包括原料的粉碎、篩選、干燥、固化成型、炭化、精煉以及冷卻等環節。其中原料的干燥處理是指原料在進入壓縮成型設備前和在成型料筒內被分別加熱，實現與塑料壓注成型工藝類似的預熱熱壓成型，達到原料柔軟均勻，成型所需壓力降低的目的，最終得到高密度、硬度高的秸稈成型燃料。

3.1.2 生物質秸稈成型燃料項目的技術經濟指標

（1）生產能力不低于3噸/小時，直徑為20～30mm，長度不大于100mm，最小產量不低于3噸；

（2）原料為原生態玉米秸稈、稻草秸稈、小麥秸稈；（3）全套生產線產品噸電耗不大于110度；

（4）生物質秸稈成型燃料水分不大于20%，原料水分不大于30%；

（5）采用無干燥成套設備工藝；

（6）易損件消耗每噸產品低于28元人民幣。

3.1.3 生物質秸稈成型燃料制備工藝流程

整套工藝由生物質燃料烘干單元、破碎單元及熱值提高單元、造粒烘干單元和配套工程單元組成。工藝流程框圖及示意圖見圖1、圖2。

圖1 生物質秸稈成型燃料制備工藝流程框圖

圖2 生物質秸稈成型燃料制備工藝流程圖

3.2 垃圾衍生燃料的制備工藝系統

城市生活垃圾固型燃料的制備工藝一般有散裝RDF制備工藝、干燥成型RDF制備工藝和化學處理的RDF制備工藝。各工藝制備RDF的比較見表2。

表2 經加工成型的各種生活垃圾固型燃料（RDF）比較

圖3 垃圾衍生燃料制備工藝流程框圖

圖4 垃圾衍生燃料制備工藝流程圖

3.2.1 垃圾衍生燃料制備工藝原理

生活垃圾經預選、分揀破碎、水分瀝離、半濕粉碎、篩分、添加固氯固氟固硫劑CaO進行混合，混合料經捏合擠壓造粒和烘干等工序，制成圓柱狀的顆粒燃料，制成品達到一級固體燃料要求。

3.2.2 垃圾衍生燃料制備工藝流程框

整套工藝由垃圾接收破碎單元、垃圾含水率降低及熱值提高單元、造粒烘干單元和配套工程單元組成見圖3。

（1）垃圾接收，破碎單元。該性能由大件分選和一體化破袋、分選、破碎機械加工，及輔助人工分選過程相結合的方法實現。

（2）垃圾含水率降低及熱值提高單元。我國的垃圾含水率平均在35%～55%，為確保焚燒的低燃點和發熱值的有效利用，采用兩次烘干加一次冷卻（其中兩次烘干的儀器設備分別選用管束式干燥機和沸騰床干燥機，而沸騰床冷卻機則作為冷卻設備）的方法實現，確保焚燒爐進料水分≤25%，燃料熱值≥1700kcal/kg。

（3）造粒、烘干單元。原料的粉碎粒度，直接影響顆粒垃圾燃料的造粒加工。因此，采用半濕粉碎的方法，將造粒進料塊度控制在5cm以內，同時設計造粒機防堵孔機構及時清理擠壓孔板，確保造粒機正常高效運行。

因垃圾處理的特殊性，在工藝設計時，盡量實現設備的“口對口”聯接模式，通過過程設備的選用，盡最大限度減少用工。同時在有人值守的崗位，要設定以噴灑除臭劑的方法減少空氣污染，確保人員身心健康。

3.2.3 垃圾衍生燃料制備工藝流程

垃圾衍生燃料制備工藝流程見圖4。

工藝流程：將垃圾由運輸車運到垃圾接收槽，由行車抓斗抓至板式輸送機上，垃圾均勻輸送到垃圾分揀破碎機里，破碎機的篩上物由皮帶輸送機平穩運至人工分揀平臺，由專人分揀特性不同的垃圾，篩下物由皮帶輸送機送到半濕式粉碎機，粉碎的垃圾經皮帶輸送機進入管束式干燥機后再進入生活垃圾切片熟化擠出機，處理后的垃圾再經過大傾角的皮帶輸送機分別進入沸騰床干燥機與沸騰床冷卻機，最后進入料倉。該工藝在處理臭氣、尾氣方面，專門設計了7個風機和1個尾氣處理系統，空氣過濾器可控制垃圾產生的氣味問題。

該制備工藝流程的主要特點：1）對垃圾可進行有效的機械化分揀和破碎，保證破碎率≥95%，出料塊度≤100mm；2）對含水50%的破碎垃圾進行有效水分蒸發和充分混合，在有尾氣熱源的情況下采用尾氣烘干，在沒有尾氣熱源的情況下采用瀝離處理，在充氧正壓系統進行；3）垃圾含水40%左右時，進行二次半濕粉碎至塊度≤50mm；4）對塊度≤50mm的垃圾進行均質混合和添加氧化鈣CaO等助劑后進行擠壓造粒，φ20mm粒徑長度40～100mm，水分降至36%；5）對含水36%的顆粒燃料在150℃進氣溫度下進行烘干至含水≤25%后，送往焚燒爐；6）中間過程配有污水處理、除臭、充氧等操作，優化操作環境[7]。

4 生物質秸稈成型燃料及垃圾衍生燃料燃燒效率試驗

該試驗目的是為了測試生物質秸稈成型燃料的燃燒性能及檢驗結構設計的合理性，對試驗性焚燒爐進行了測試[8]。檢測內容為煙塵、SO2、CO、NOx、CO2、過?？諝庀禂?。檢測儀器為青島嶗山應用技術研究所生產的3012H型自動煙塵采樣儀和嶗山電子應用總廠的KM900手持式煙道氣體分析儀。試驗參數見表3。

表3 生物質秸稈成型燃料試驗參數表

通過生物質秸稈成型燃料燃燒性能比較試驗，結論如下：

（1）低位發熱值1000kcal/kg的原生秸稈，經顆粒燃料加工后熱值可達到4300～4500kcal/kg，有效提高了秸稈燃燒的最低發熱值。

（2）秸稈成型燃料的密度可達1100kg/m3，遠大于原生秸稈，它的結構與組織特征決定了揮發分的逸出速度與傳熱速度都大大降低，揮發分逸出速度變緩，燃燒速度適中，能夠使揮發分放出的熱量及時傳遞給受熱面。

（3）熱值穩定。經成型加工后的燃料，熱值基本一致，改善焚燒爐運行穩定性。

（4）孔隙率高與空氣混合均勻度高，燃燒充分，通過造粒對細粉狀物料的固定，尾氣粉塵排放減少了80%以上。

（5）秸稈經加工成成型燃料后，體積減量60%，有效提高了焚燒爐效率，處理能力提高近1倍。

（6）揮發分燃燒所需要的氧氣與外界擴散的氧氣能夠很好地匹配，揮發分能夠充分燃盡，又不過多地鼓入空氣，減少了大量氣體不完全燃燒的損失及排煙熱損失。

該系統焚燒爐生物質秸稈成型燃料性能見表4。

表4 生物質秸稈成型燃料性能參數

5 生物質秸稈成型燃料與垃圾衍生燃料的經濟效益分析

5.1 生物質秸稈成型燃料經濟效益分析

四川某生物環保工程公司提供的生物質秸稈成型燃料生產成本見表5。

表5 每噸生物質秸稈成型燃料成本結構

目前秸稈成型燃料的銷售價格約為400元/t，1噸秸稈成型燃料的毛利潤約為200元/t；1個秸稈成型燃料加工廠按年產1萬噸計算，1年可獲毛利潤200萬元。而興建一個年產1萬噸的生物質秸稈成型燃料加工廠，成本約為300萬元，再扣除運輸費用等，大體2～3年就能收回投資，經濟效益十分顯著。

5.2 垃圾顆粒燃料的經濟效益分析

利用陳舊垃圾制造RDF，可假設小型RDF工廠建于生活垃圾衛生填埋場附近，按照37,500kg/d的RDF生產能力，整個RDF工廠僅需占地50m2，RDF工廠的固定資產投資估算約為140萬元，征地費以1.5萬元/m2計，使用壽命為15年見表6。

RDF制造過程中，需添加脫氯劑，因此材料消耗主要是氧化鈣的消耗。目前，氧化鈣的售價為150元/噸，因此每年消耗氧化鈣費用約為3300元左右。電力消耗主要是在垃圾分選和RDF制造環節中產生。根據日本NOGI市再循環研究中心RDF試驗工廠的經驗，10噸垃圾可制成7噸的RDF，每制造1噸RDF的電力消耗約為10kW·h，按照四川工業用電價格為0.55元/kW·h計算，噸消耗電費為5.5元。

表6 RDF工廠固定資產投資估算表

生活垃圾焚燒廠若以RDF替代柴油助燃，每年可節省費用約400萬元。使用垃圾制造RDF，可有效節約垃圾衛生填埋場的填埋費用，每年約可節約4.3萬元以上，并且免除了衛生填埋場建設期間對周圍植被、樹木、農田的破壞及環境污染治理的費用。

垃圾衍生燃料的生產，從長期看，可以有效節約城市用于垃圾治理的費用，從生態和環境角度上分析，可以大大減輕由于城市生活垃圾產生量過多而形成的巨大環境壓力，降低垃圾衛生填埋可能產生的生態事故和生態災難；從經濟效益上分析，也能夠在10～15年收回成本并開始盈利。

6 結論

生物質成型燃料作為一種具備替代煤、石油等不可再生燃料的新型燃料，已成為當前世界能源利用方式的突破點之一。其擁有與生俱來的全球儲藏量大、可再生的屬性和低污染、碳“零排放”的特點，使其必然成為控制地球變暖、發展新型能源的主要方向。采用致密壓縮的方法提高燃料的燃燒效率，實現燃料在運輸、貯存等方面的便捷性，加快了生物質成型燃料在實用、普及上的速度。垃圾顆粒燃料發電是垃圾無害化處置技術的發展方向。采用此技術將垃圾加工成燃料后再進行焚燒處理，垃圾減容率在95%以上，熱能回收率在70%以上，電能回收率提高20%～30%，尾氣排放質量各項指標均優于散裝垃圾焚燒處理10～100倍，燃燒剩余物可直接用于水泥廠、磚廠原料，完全實現“零”填埋。

本文主要研究探討了生物質秸稈成型燃料和垃圾衍生燃料的制備工藝，以及兩種燃料的燃燒效率和經濟利用、推廣價值，為今后不同燃料的混合利用提供了新的思路。

（1）通過對燃燒效率技術指標的對比，可知生物質秸稈成型燃料的焚燒效率遠遠高于原生秸稈直接焚燒；

（2）通過對燃燒效率技術指標對比，可知衍生顆粒燃料的焚燒效率遠遠高于城市生活原生垃圾直接焚燒；

（3）對生物質秸稈成型燃料燃燒利用技術的經濟效率分析可知，每噸生物質秸稈成型燃料的凈收益為303.86元。分散建設生物質秸稈成型燃料生產線，可取得良好的經濟效益；

（4）對垃圾顆粒燃料發電技術的經濟效益進行分析可知，每噸垃圾制成RDF垃圾燃料的凈收益為94.86元。分散建設垃圾衍生燃料生產線，不僅可達到垃圾資源化利用的目的，并且能取得良好的經濟效益。

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[2]張寶峰.垃圾發電的優勢及存在問題[J].西北電力技術，2005（3）：33-37.

[3]蘇俊林，趙曉文，王巍.生物質成型燃料研究現狀及進展[J].節能技術，2009，27（154）：117-120.

[4]陳永生，沐森林，朱德文，等.生物質成型燃料產業在我國的發展[J].太陽能，2006（4）：16-18.

[5]王偉.秸稈成型燃料產業化生產可行性研究報告[D].鄭州大地生物質新能源機械設備有限公司，2009.

[6]王慶余.垃圾衍生燃料技術發展概況[D].浙江：杭州師范大學錢江學院，2010.

[7]張煥芬，喜文華.日本垃圾衍生燃料（RDF）的研究開發[J].甘肅科學學報，1999，11.