燃煤電廠城市廢棄物前置干燥炭化處置技術 小型化工業應用

李帥英，周虹光，李文杰，嚴萬軍，嚴響林，牛國平，盧 琦， 李 剛，秦昶順，申世飛

（西安西熱鍋爐環保工程有限公司，陜西 西安 710054）

2019年我國大、中城市一般工業固體廢物產生量約13.8億t，工業危險廢物產生量約0.45億t，醫療廢物產生量約84.3萬t，城市生活垃圾產生量約2.34億t[1]。傳統的填埋、堆肥及焚燒等處置方式[2-3]，均存在地下水及土壤二次污染等環境風險。因此，廢棄物資源化及無害化處置成為城市綠色發展面臨的難題。

國家能源局、環境保護部聯合下發的《關于開展燃煤耦合生物質發電技改試點工作的通知》指出，優先選取熱電聯產煤電機組布局燃煤耦合垃圾及污泥發電技改試點項目。《2019—2020年全國碳排放權交易配額總量設定與分配實施方案（發電行業）》指出，完整履約年度內，摻燒生物質（含垃圾、污泥等）熱量年均占比超過10%且不高于50%的化石燃料機組暫不納入配額管理。因此，國家政策積極推進燃煤電廠對城市廢棄物的資源化及無害化處置，充分利用國家已有火電基礎設施，大量釋放其對廢棄物的處置潛能，將節省社會資本及土地資源，為國家循環經濟建設、長江大保護及黃河大保護戰略的實施提供新的技術途徑，助力國家“碳達峰、碳中和”目標實現。

1 燃煤耦合廢棄物發電概況

1.1 污泥耦合發電

污泥耦合發電有2種工藝路線[4-5]：污泥直摻工藝，“污泥干化+摻燒”工藝。

污泥直摻是將污水廠含水率為60%～80%[6]的污泥持續添加在輸煤皮帶的原煤層上，依次經過制粉系統及燃燒器后進行焚燒處理。工藝簡單、投資費用小，但由于污泥混合不均勻等因素影響，容易造成原煤倉和給煤機堵塞問題，污泥摻燒量較小。

“污泥干化+摻燒”工藝先將污水廠污泥的含水率由60%～80%降至40%以下，再送入輸煤系統進行摻燒。系統相對復雜，投資較大，但系統安全性高，污泥摻燒量大。一般可采用直接干化[7-8]（煙氣干化技術等）、間接干化[8-9]（圓盤蒸汽干化技術等）及新興干化[10-11]（太陽能干化等）等技術降低污泥含水率，提高綜合利用價值，避免系統堵塞等問題。

1.2 垃圾耦合發電

垃圾耦合發電技術方案有燃氣側耦合、燃汽側耦合、煙氣側耦合及氣化耦合等[3,12-13]。

目前，國內外垃圾焚燒領域主要采用垃圾焚燒發電或利用水泥爐窯協同處置。其中，垃圾焚燒發電廠采用機械爐排焚燒爐的占比較大。我國70%以上垃圾電廠采用該爐型，其余主要采用流化床鍋 爐[14]。水泥爐窯協同處置技術要求垃圾熱值大于 10 500 kJ/kg，同時需限制垃圾中鉀、鈉、硫、氯元素含量，避免對爐窯安全運行造成影響，每生產1 t水泥熟料可處置垃圾約0.2 t，投資費相對較低[14-18]。

1.3 生物質耦合發電

生物質耦合發電技術主要有直接混燃耦合發電技術、分燒耦合發電技術及生物質氣化耦合發電技術3種方式[19-22]。

目前，大型燃煤鍋爐耦合生物質發電技術在歐洲許多國家得到應用。英國近年來發展了大型燃煤鍋爐自由比例（0~100%）生物質耦合發電技術，可實現不再燒煤。我國生物質耦合發電技術發展較晚，目前處于起步階段。

1.4 燃煤耦合廢棄物發電技術原理

抽取煤粉鍋爐高溫煙氣作為惰性加熱介質，在一體化處理機內部對城市廢棄物進行干燥、炭化、粉碎及輸送的一體化處置，一體化處理機出口全組分產物經密閉管道直接輸送至爐膛進行焚燒。1 300~1 500 ℃的高溫爐膛條件遏制了廢棄物焚燒過程中二噁英等污染物的生成，廢棄物焚燒產生的大氣污染物經鍋爐尾部環保設施高效脫除后達到超低排放水平，高參數機組提高了廢棄物蘊含的化學能向電能的轉化率。城市廢棄物前置干燥炭化技術工藝流程如圖1所示。

1.5 燃煤耦合廢棄物發電技術特點

1）處置對象適應性強，同一套設備能適應污泥、生物質、垃圾、碎布料及油泥等多源廢棄物的處置。

2）整個處置過程處于負壓環境，全組分產物經密閉管道直接輸送至爐膛焚燒，無臭氣及有機臭水產生。

3）一體化機內部進行了廢棄物的干燥、炭化、粉碎及輸送的一體化處置。

4）系統電耗小于100 kW·h/t。

5）廢棄物燃燒產生的污染物排放指標達到超低排放。NOx排放質量濃度小于50 mg/m3，SO2排放質量濃度小于35 mg/m3，煙塵排放質量濃度10 mg/m3。粉煤鍋爐爐膛高溫條件遏制了二噁英類物質生成。

6）廢棄物蘊含的化學能向電能的轉化效率達37%~42%，較垃圾發電廠提高了30%~50%。

7）工藝簡捷、占地小、投資省。

1.6 燃煤耦合廢棄物發電技術比較

目前，行業內典型的廢棄物處置技術中污泥蒸汽干化摻燒、水泥爐窯協同及垃圾發電廠與燃煤電廠城市廢棄物前置干燥炭化技術關鍵參數[23-26]見表1。表1中燃煤耦合技術的二噁英排放限值參照上海市地方標準《燃煤耦合污泥電廠大氣污染物排放標準》（DB 31/1291—2021）。

表1 廢棄物處置技術關鍵參數 Tab.1 Key parameters of waste disposal process

2 工程技術方案

2.1 鍋爐概況

國內某電廠超超臨界參數變壓運行直流鍋爐（HG-3100/27.46-YM3），采用П型布置、單爐膛、水平濃淡燃燒器低NOx分級送風燃燒系統、墻式切園燃燒方式，爐膛采用內螺紋管垂直上升膜式水冷壁、帶再循環泵的啟動系統、一次中間再熱。過熱蒸汽調溫方式以煤水比為主，同時設置三級噴水減溫器；再熱蒸汽主要采用尾部豎井分隔煙道調溫擋板調溫，同時燃燒器的擺動對再熱蒸汽溫度也有一定的調節作用，在低溫再熱器入口管道上還設置有事故噴水減溫器。鍋爐采用平衡通風、露天布置、固態排渣、全鋼構架、全懸吊結構，燃用貧煤。鍋爐主要設計參數見表2。

鍋爐尾部配套了完善的污染物脫除系統，使大氣污染物排放指標達到超低排放水平。其中，采用低氮燃燒器技術及選擇性催化還原（SCR）脫硝技術，實現NOx排放質量濃度小于50 mg/m3；采用高效濕法脫硫技術，實現SO2排放質量濃度小于35 mg/m3；采用低低溫電除塵器技術及高效除霧器技術，實現煙塵排放質量濃度小于10 mg/m3。

表2 鍋爐主要設計參數 Tab.2 The main design parameters of boiler

2.2 技術方案

目前，城市廢棄物前置干燥炭化技術率先在燃煤耦合污泥發電項目上進行了工業應用，主要包含一體機系統、污泥儲存系統及爐煙系統。該項目采用“兩爐一機”配置方式，依據《煤的工業分析方法》（GB/T 212—2018）及《燃料元素的快速分析方法》（DL/T 568—2013）等標準，對鍋爐入爐煤及污泥進行了檢測，詳細數據詳見表3，技術方案如圖2所示。

表3 機組入爐煤及污泥參數 Tab.3 Parameters of coal and sludge into the boiler

1）污泥存儲系統

配置1套50 m3污泥儲倉，為避免腐蝕，增加污泥儲倉潤滑性，內壁采用內貼2 mm不銹鋼或內襯PE板等措施。污泥倉底部布置螺旋給料機，給料機出口污泥經螺旋輸送裝置進入一體化處理機中處置，系統輸送能力為5 t/h。其中，螺旋給料機采用變頻方式對給料量進行調節，污泥存儲系統占地約5.0 m×10.0 m。

2）一體化處理機

兩臺鍋爐配置1套一體化處理機，由回轉干燥段及粉碎輸送段組成，回轉干燥段功率250 kW，粉碎輸送段功率220 kW。一體化處理機污泥處置能力100 t/d，占地面積為5.0 m×12.8 m。

3）爐煙系統

為保證單臺鍋爐停爐或檢修期間，一體化處理機正常運行，5號、6號鍋爐都具備抽取600 ℃和350 ℃左右煙氣的能力。2種不同溫度煙氣混合形成500 ℃左右的混合煙氣進入一體化處理機，出口煙氣及產物溫度約180 ℃，通過管道經增壓風機輸送至鍋爐泥粉燃燒器，進入爐膛進行焚燒處置。增壓風機功率為220 kW，采用變頻電機。

4）除臭系統

污泥倉及污泥卸料間布置抽氣系統，通過風道母管與增壓風機入口連接。除臭系統利用抽氣形成的微負壓防止污泥卸料及存儲過程中臭氣外逸，且抽集的氣體借助一體化處理機出口專門的產物輸送管道，送至鍋爐爐膛進行焚燒處置。

3 工程應用結果

該項目投運后，污泥處置量約100 t/d，系統電耗約82 kW·h/t。通過DCS系統，對摻燒污泥前后鍋爐運行及污染物排放關鍵參數進行了對比，結果見表4。由表4可見，污泥摻燒前后主輔機運行參數均正常。

此外，委托權威機構對鍋爐效率、煙囪入口煙氣的二噁英及粉煤灰中重金屬含量進行了檢測。鍋爐效率按《電站鍋爐性能試驗規程》（GB/T 10184—2015）采用反平衡法進行測試；二噁英依據《環境空氣及廢氣二噁英類的測定》（HJ 77.2—2008）進行測試；重金屬依據《固體廢物 金屬元素的測定電感耦合等離子體質譜法》（HJ 766—2015）進行測試。測試結果見表5。由表5可見：摻燒污泥前后，鍋爐效率變化幅度較小，下降了0.05百分點，主要因為污泥中的水分及煙氣再循環技術等因素導致了鍋爐排煙溫度的升高；摻燒污泥前后，二噁英及粉煤灰中的重金屬含量無明顯差別。

表4 鍋爐運行及污染物排放關鍵參數 Tab.4 Key parameters of the boiler operation and pollutants emission

表5 二噁英及重金屬排放參數 Tab.5 Emission parameters of dioxins and heavy metals

4 結 論

1）燃煤電廠城市廢棄物前置干燥炭化技術具有系統簡捷、占地小、投資省、處置過程無臭氣及有機臭水產生等優點。另外，利用煤粉鍋爐爐膛高溫條件（1 300~1 500 ℃）遏制了二噁英類物質生成。

2）利用鍋爐尾部環保設施使得廢棄物焚燒產生的大氣污染物達到超低排放水平。

3）利用高參數發電機組提高了廢棄物化學能向電能的轉化效率，實現了燃煤電廠對不同種類城市廢棄物的資源化及無害化處置。