城市生活垃圾衍生燃料在燃煤電廠中的應用

王靜毅

(浙江浙能北侖發電有限公司，寧波 315000)

0 引 言

近年來，城市生活垃圾(MSW)的產量逐漸增長，2016年，全球產生的廢物超過20.1億t，預計到2050年全球垃圾產量將超過34億t。實現城市生活垃圾的減容化、資源化和無害化是處理城市生活垃圾的首要目標。垃圾焚燒法與其他處理方法相比占地面積小、減量化顯著、處理時間短且可實現熱能回收，因此許多國家和地區將生活垃圾焚燒發電作為處理生活垃圾的首要方式。然而，垃圾焚燒發電受到不燃成分和水分的限制，效率較低。

垃圾衍生燃料(RDF)是從城市生活垃圾中分選出可燃成分經過破碎、干燥、添加藥劑、壓縮成形等工藝制成的高熱值、易于運輸和儲存、燃燒穩定的燃料。與城市固體廢物相比，它是一種更均勻的燃料，具有更高的熱值和能量密度。隨著垃圾衍生燃料制作工藝的成熟，將垃圾衍生燃料與化石燃料共燃已成為降低燃料總成本的一種方法，可以在現有的燃煤電廠中實施，以補充不斷減少的煤炭供應，并降低能源生產的成本。近年來，國內外許多學者對垃圾衍生燃料與煤摻燒發電進行了研究。

1 RDF的制作流程

垃圾衍生燃料(RDF)經過一系列的減量、分離、干燥、致密化等處理工藝，比城市生活垃圾具有更高的熱值和更好的燃燒性能。在制作RDF時，首先對回收的垃圾進行一次分選，分離出玻璃、金屬等不燃物，將剩余的主要成分為可燃物的垃圾破碎至塊狀，送入烘干機中干燥，當水分降到8%以下時，對垃圾進行二次分選，分離出一次分選未分離出的金屬和碎玻璃，除去泥土灰塵等不可燃物，再將剩下的垃圾進行二次破碎，破碎成小顆粒，添加防腐劑、固硫劑和固氯劑，最后送至成型機壓縮成形。

2 RDF與煤摻燒特性

2.1 對鍋爐燃燒性能的影響

RDF中揮發分含量高、熱值低，而煤揮發分含量低、熱值高，因此摻燒時會對鍋爐熱效率造成影響。美國Ames[1]電廠最先在美國能源部和環保署的資助下進行了煤與RDF的混燒實驗，對煤與RDF混燒的技術、經濟可行性以及對環境造成的影響進行了評估。經過三年的試驗，結果表明，摻燒10%和20%RDF時，噴粉爐的熱效率分別下降了1.3%和3.3%。國內一些學者[2]在29 MW爐排爐中進行了摻混不同比例RDF的燃燒實驗，鍋爐熱工測試結果表明，摻混30%RDF時，鍋爐熱效率維持在較好的水平；摻混10%～30%RDF時，對燃料的碳含量、硫含量、氮含量、灰分、水分和低位發熱量均無不利影響。當摻混比例超過30%時，會對鍋爐燃燒性能產生較大的影響，鍋爐熱效率下降較大，因此摻混比例一般控制在30%以下。

RDF與煤摻燒還會對燃燒所需風量、燃燒室內的壓降和燃燒溫度以及爐膛溫度分布等產生影響。

由于RDF中含氧量較高，因此摻燒時所需的氧量減少，即所需空氣量減少。Lee[3]等人的研究發現當RDF摻燒比從1%增加到5%時，總空氣流量(一次風量和二次風量)逐漸減小，證實了這一點。

沿爐的壓降與壓力測量點之間的固體滯留量相關。同時，由于固體滯留量對爐壁的傳熱起著重要作用，故其性能也會受到爐內固體滯留量的影響，因此分析沿爐膛的壓降非常重要。由于RDF揮發分含量高，在進入爐膛后很容易破裂，在CFB鍋爐中，RDF停留在爐的中部而不是下部，起到流化介質的作用。因此隨RDF摻燒比的增加，總壓降和爐膛上部壓降變化不大，中間部分壓降增大，底部壓降減小[4]。

由于RDF揮發分較高，在爐膛出口處未燃揮發物劇烈燃燒，因此隨著RDF共燃比的增加，爐膛出口溫度略有升高。煤單獨燃燒時，較高含量的固定碳主要集中在密相區，因此爐膛下部溫度常常高于上部溫度；摻燒RDF時，RDF析出的揮發分被一次風帶到爐膛上部燃燒，使得稀相區溫度升高，因此摻燒時爐膛沿高度方向溫度更為均勻。與單獨燃燒煤相比，摻燒時RDF中較高的揮發分含量降低了混合燃燒的著火溫度，混合燃燒的著火溫度接近RDF單獨燃燒時的值。RDF揮發分高，燃燒主要發生在較低溫度時，而煤的燃燒主要發生在較高溫度時，摻燒時燃燒反應與單獨燃煤時相比更為激烈，具有更高的峰值溫度和更低的燃盡溫度。但RDF與煤摻燒過程中溫度的升高也使得RDF的摻燒比受到限制。

2.2 對污染物排放的影響

由于煤與RDF組成不同，灰分與氣體污染物會發生相互作用與影響，因此，研究混燒時污染物排放特性十分重要。

RDF與煤的氮含量差異較大，氮形態不同，NOx排放量隨摻燒比的變化而變化。RDF中氮主要以NH3的形式存在，NH3在流化床燃燒的典型溫度下形成一氧化氮。當只燃燒煤時，床層上方的未燃碳或半焦比摻燒RDF時多，可以將更多的NO還原為N2。因此，當RDF與煤的摻燒比增加時，NO被還原為N2的量減少，NO排放量增大。

由于煤中碳含量比RDF中高，且揮發分含量比RDF中低很多，因此RDF與煤摻燒時CO的生成量略大于煤單獨燃燒時，比RDF單獨燃燒時的CO的生成量低很多。

煙氣中的HCl濃度基本上與燃料中的Cl含量成比例，由于RDF中Cl含量較大，因此煙氣中HCl的濃度隨著RDF摻燒比的增加而增加[5]。HCl生成量的增加會帶來嚴重的爐膛腐蝕問題，因此當燃煤電廠摻燒RDF時，必須對HCl的生成進行控制。鈣基化合物如CaCO3、CaO和Ca(OH)2，是常用的HCl吸附劑。CaCO3由于其投資成本低、實施簡單等優點，通常用作燃燒室注射用HCl吸收劑。Chyang等人[6]的研究表明，隨著Ca/Cl摩爾比從0增加到5，燃燒室煙氣中HCl濃度急劇下降，因此，RDF摻燒比例的增大會增大CaCO3的使用量。

在含氯城市生活垃圾焚燒過程中，PCDD/Fs的排放已成為一個重要問題。由于RDF通常是以氯含量遠高于其它礦物燃料的城市生活垃圾為原料制成的，因此研究摻燒過程中PCDD/Fs的排放是非常有必要的。Chyang等人[6]的研究表明添加碳酸鈣后，煙氣中PCDD/Fs的濃度降低，燃燒室中注入CaCO3可以有效地抑制PCDD/Fs的生成。因此，在RDF與煤摻燒時需通入足夠的CaCO3以抑制HCl和PCDD/Fs的生成。

RDF中的硫含量與煤中的硫含量相似，摻燒時SO2排放量隨RDF摻比的增加而略有增加。由于RDF中的硫含量比焦炭中的硫含量低，RDF與焦炭摻燒時SO2排放量隨RDF摻比的增加而降低[7]。

在RDF與煤的混燒過程中，未知的灰行為和與灰有關的運行問題，如混燒對系統結渣和結垢的影響，是混燒技術的挑戰之一。結渣傾向與基于助熔氧化物與燒結氧化物之比的結渣指數相關。當指數在0.75-2范圍內時，觀察到強烈的結渣現象。Kupka[8]等人在結渣反應器中進行了南非“米德爾堡”煙煤和垃圾衍生燃料的混燒試驗，研究了添加替代燃料對混合物結渣傾向的影響。添加5%的垃圾衍生燃料(RDF)使沉積速率幾乎增加了兩倍，在沉積物中觀察到了大的RDF熔融顆粒。鋸末的添加會對混合物的沉積行為和沉積結構產生積極影響，即使在較高溫度下，沉積速率也略有下降，灰熔融行為得到改善。

3 結束語

RDF與煤的摻燒研究表明，RDF的摻混比例小于30%時，對燃料的碳、硫、氮含量、灰分、水分和低位發熱值影響不大，鍋爐熱效率也維持在較好的水平，二惡英、NOx、煙塵、SO2等污染物排放可以達到限制要求。RDF與煤混燒發電是一種良好的選擇，可實現城市生活垃圾的資源回收與無害化處理。