大型CFB鍋爐摻燒生物質及城市固廢可行性分析

張世鑫，蔡芳龍，陳玉洪，呂 勇

（1.中國華能集團清潔能源技術研究院有限公司，北京 102209；2.福建華電永安發(fā)電有限公司，福建 永安 366013）

大型CFB鍋爐摻燒生物質及城市固廢可行性分析

張世鑫1，蔡芳龍2，陳玉洪2，呂 勇2

（1.中國華能集團清潔能源技術研究院有限公司，北京 102209；2.福建華電永安發(fā)電有限公司，福建 永安 366013）

生物質及城市固廢具有一定熱值，可以使用現(xiàn)有大型循環(huán)流化床鍋爐對其進行摻燒利用。本文結合目前生物質、固廢利用的經驗，從摻燒生物質和城市固廢對循環(huán)流化床鍋爐燃燒、污染物排放的影響，以及給料方式可行性來進行分析。結果表明，利用電廠目前運行的1 025 t/h CFB鍋爐機組實現(xiàn)日摻燒生物質200 t，處理固廢400 t、RDF50 t、污泥200 t是可行的，且利用電廠本身已有的除塵系統(tǒng)、脫硫系統(tǒng)、脫硝系統(tǒng)，可以達到生物質摻燒及城市固廢處置無害化和資源化的目的。

生物質；固廢；CFB；摻燒；可行性

中國是農業(yè)大國，秸稈資源十分豐富，有6億～8億t[1-3]。然而數(shù)據(jù)顯示，許多地區(qū)都剩余大量秸稈，特別是山東、福建、四川、河南、河北等省，秸稈資源浪費現(xiàn)象嚴重，這些地區(qū)對秸稈的利用依然停留在以飼料、傳統(tǒng)生活燃料、還田肥料為主，雖然也有部分地區(qū)用秸稈生產乙醇和生物質原油，但秸稈的總利用率仍較低[4]。同時，由于資源化利用處理成本高、處理技術不成熟、勞動力不足等原因，我國很多地區(qū)秸稈利用率低，農民以焚燒的方式處理秸稈，造成煙氣對環(huán)境的嚴重污染[5]。

城市固廢包括生活垃圾、一般工業(yè)固體廢棄物、生活污泥等。本文所述“一般工業(yè)固體廢棄物”是指鞋業(yè)、針織、服飾、繡花等企業(yè)在制造產品的過程中剩余的無法再用于加工產品的剩余廢料、碎料及下腳料，一般也稱為“邊角余料”，其生成量占總用料的比例高達30%～40%。邊角料無序堆放，不僅影響城市形象，而且存在火災隱患，邊角料堆場火災事件屢見不鮮[6-9]，對環(huán)境造成污染的同時會造成經濟損失。尤其是生產企業(yè)的密集地，邊角料處置利用更使得當?shù)仄髽I(yè)及環(huán)保部門束手無策，地方既要發(fā)展生產又要保護環(huán)境，所以邊角料無害處理成為人們亟待解決的問題。

CFB鍋爐具有燃料適應性廣、氮氧化物（NOX）排放低、易于實現(xiàn)灰渣利用等特點[10]，可以實現(xiàn)大型工程化利用生物質及城市固廢。研究表明，生物質及城市固廢具有一定熱值，且利用電廠本身已具有的除塵系統(tǒng)、脫硫系統(tǒng)、脫硝系統(tǒng)，既實現(xiàn)了垃圾的綜合利用，節(jié)約了寶貴的化石燃料，又可以保證固廢燃燒所產生的粉塵、SO2、NOX排放量滿足國家環(huán)保標準，且與燃煤混燒可以有效抑制垃圾燃燒過程中二噁英的生成。因此，本文欲通過對相關產業(yè)的有效整合，實現(xiàn)社會環(huán)境效益和經濟效益多方共贏。

1 摻燒比例分析

根據(jù)初步分析數(shù)據(jù)，擬利用的生物質、城市固廢（生活垃圾、工業(yè)固體廢棄物、生活污泥），其熱值及數(shù)量情況如表1所示。

表1 生物質及城市固廢數(shù)據(jù)

首先對各燃料特點進行分析，現(xiàn)有1 025 t/h CFB鍋爐滿負荷需要設計燃料量約140 t/h，按每天20 h計算，每天燃燒設計煤2 800 t。

1.1 生活垃圾衍生燃料RDF

生活垃圾衍生物屬于低熱值（10 467 kJ/kg），高水分（50%左右）、低灰分10%～15%，低硫分0.1%～0.2%燃料，折算灰分9.6 g/MJ。

單獨摻燒生活垃圾分析：鍋爐滿負荷需要設計燃料量約140 t/h，按每天20 h計算，每天燃燒設計煤2 800 t。相對設計燃料量而言，生活垃圾總量只有50 t，份額較小，因此可以全部摻燒生活垃圾。

1.2 工業(yè)固體廢棄物

工業(yè)固體廢棄物屬于較高熱值（20 934 kJ/kg），低灰分2%～2.5%燃料。平均氯0.0147%，折算灰分1.0 g/MJ。

單獨摻燒工業(yè)固廢分析：鍋爐滿負荷需要設計燃料量約140 t/h，按每天20 h計算，每天燃燒設計煤2 800 t。相對設計燃料量而言，工業(yè)固廢總量有400 t，占總燃料量的份額較高。按照每天燃燒2 400 t設計燃料，摻燒400 t工業(yè)廢棄物，混合燃料的灰分為（2 400×30%+400×2.0%）/2 800=26.0%。從混合后的灰分來看可以摻燒全部工業(yè)固體廢棄物。

國內外的研究發(fā)現(xiàn)，煤中所含的氯在鍋爐管的高溫腐蝕中起著很重要的作用。當煤中含氯量達到一定值時，它的作用遠遠超過了硫的作用。研究結果表明，當煤中氯含量大于0.3%時，與氯有關的高溫腐蝕傾向嚴重。

若按上述摻燒比例，混合燃料的氯含量為：（2 400×0%+400×0.147%）/2 800=0.021%，氯含量較低，設備可以安全運行。

1.3 生活污泥

生活污泥屬于低熱值（5 443 kJ/kg），高水分（30%左右）、低灰分25%。折算灰分45.9 g/MJ，灰分較高。

從已有的運行數(shù)據(jù)來講，每天200 t污泥可以單獨由1臺爐或2臺爐焚燒，鍋爐的燃燒穩(wěn)定性是有保證的。由于污泥含水較高（30%左右），發(fā)熱量低，從減少鍋爐磨損、降低排煙溫度、降低風機電耗來講，摻燒量越少對鍋爐經濟性影響越小。

1.4 生物質燃料

生物質的熱值屬于低熱值（17 727 kJ/kg），中等水分（10%左右）、低灰分12%燃料。高氯（參考值1%），折算灰分為6.8 g/MJ。

單獨摻燒生物質分析：鍋爐滿負荷需要設計燃料量約140 t/h，按每天20 h計算，每天燃燒設計煤2 800 t。相對設計燃料量而言，生物質總量有200 t，占總燃料量的份額較低。按照2 630 t設計燃料，200 t生物質混合來看，混合后的灰分為（2 630×30%+200×12.0%）/2 830=28.7%。從混合后的灰分來看可以摻燒全部生物質燃料。

若按上述摻燒比例，混合燃料的氯含量為：（2 200×0%+400×0.014 7%+200*1%）/2 800=0.073 5%，設備可以安全運行。

根據(jù)以上分析，最終混合燃料配比如表2所示。

這種混合燃料的燃燒特性主要考慮水分、灰分、氯離子的影響。

摻燒固廢后（燃煤2 230 t/d，摻燒生物質200 t/d、工業(yè)固廢400 t/d、污泥200 t/d、RDF50 t/d），燃料混合的熱值由20 934 kJ/kg降低到19 548 kJ/kg，水分由9%增加到9.9%，灰分由30%減少到24.5%。

燃料水分變化幅度較小，不考慮排煙溫度變化幅度，煙氣量可按鍋爐設計值計算。參考入爐煤質分析日報，相對于入爐煤熱值變化（19 259～21 771 kJ/kg）來說，摻燒城市固廢燃料對鍋爐效率的影響較小，含氧量及過量空氣系數(shù)可按設計值計算，最優(yōu)運行參數(shù)需進行燃燒調整試驗后得出。

表2 摻燒燃料配比

2 摻燒方式分析

2.1 生活污泥

方式（a）：生活污泥經污水處理廠脫水后運送至公司現(xiàn)場進行攤鋪晾曬，然后經輸煤系統(tǒng)與原煤混合入爐充分燃燒，從而達到資源化處理的效果，有效利用垃圾、污泥中的剩余熱值，減少原生垃圾及污泥因填埋對環(huán)境造成的持續(xù)污染問題。其污泥摻燒方式如圖1（a）所示。

圖1 污泥摻燒方式

方式（b）：生活污泥經污水處理廠脫水后運送至公司污泥罐，污泥罐下部布置污泥泵（柱塞泵）。污泥直接通過污泥泵輸送至爐膛進行燃燒處理。污泥給入口布置播料風，同時布置插板閥以防止污泥系統(tǒng)停運時煙氣反竄。污泥罐上部布置除臭風機，將罐內揮發(fā)氣體送至爐膛進行燃燒凈化。其污泥摻燒方式如圖1（b）所示。

此次污水廠提供的污泥水分在30%左右，表觀來看，污泥成干片狀，易粉碎。所以，此次電廠在摻燒時將污泥通過輸煤系統(tǒng)輸送至爐前煤倉，然后通過給煤機給入爐內進行處理。實際試驗方式（a）方法可行，故在此不做詳述，大量使用時需考慮水分控制，以避免篩破系統(tǒng)以及煤倉堵塞。

2.2 生活垃圾衍生燃料、工業(yè)固體廢棄物、生物質燃料

從物理性質來看，生活垃圾衍生燃料、工業(yè)固體廢棄物、生物質燃料均可通過螺旋給料或氣力輸送至爐內進行燃燒利用。

方式（a）：燃料由單獨設置在鍋爐上的螺旋給料系統(tǒng)給入爐內，通過控制給入量，將RDF直接送入爐內燃燒；此方式需在鍋爐空間位置新建存儲倉、輸送系統(tǒng)、螺旋給料系統(tǒng)。其固廢摻燒方式如圖2（a）所示。

方式（b）：使用氣力輸送系統(tǒng)將破碎后的固廢輸送至爐膛進行燃燒利用。其固廢摻燒方式如圖2（b）所示。

圖2 固廢摻燒方式

兩種固廢摻燒方式優(yōu)缺點如表3所示。

表3 摻燒方式對比

從給入方式優(yōu)缺點來看，使用氣力輸送較為合適，堵塞問題可通過運行控制來解決。

3 鍋爐給料點分析

固廢給入點有以下4種：給煤口、二次風口、回料口、爐膛新開孔，其優(yōu)缺點如表4所示。

表4 給入點對比

對比以上幾個給入點優(yōu)缺點可見，選擇回料口作為固廢給入點較為合適。

4 污染物排放分析

由于電廠已采取了高效、完善的煙氣處理設備及煙氣達標排放控制措施，即爐內脫硫+爐后半干法CFB脫硫、每臺鍋爐兩臺雙室四電場加布袋除塵器、SNCR系統(tǒng)脫硝，可確保SO2、粉塵、NOx滿足穩(wěn)定達標排放要求。因城市固廢Cl及重金屬含量較高，下面主要考慮二噁英排放、灰渣放射性及重金屬含量的影響。生物質及城市固廢相關研究結果如表5所示。

根據(jù)前面分析結果，在1 025 t/h流化床電站鍋爐內日摻燒生物質200 t，處理工業(yè)固廢400 t、RDF50 t、污泥200 t，相對于日耗煤量2 230 t來說，摻燒量為27.6%（生物質6.5%、固廢13.0%、RDF1.6%、污泥6.5%），小于《生活垃圾焚燒污染物控制標準》（GB 18485-2014）所規(guī)定的30%摻燒量，所以此標準僅作參考。二噁英是一種難降解的致癌物，具有熱穩(wěn)定性，當溫度高于850℃時，二噁英被分解破壞。所以，一般要求焚燒爐的燃燒溫度應該高于此溫度，并保證二噁英在其中的停留時間在2 s以上，這樣才可以使二噁英的濃度降到最低，排放之后基本不會對環(huán)境和人類造成危害。目前，電廠1 025 t/h CFB鍋爐負荷率較高，鍋爐額定負荷下的燃燒溫度均在900℃以上，爐膛內煙氣停留時間大于5 s。理論上來說，摻燒生物質及城市固廢后，二噁英排放可滿足環(huán)保要求，灰渣放射性材料使用可不受限制。因各地城市固廢不同，實際應用有一定差異，建議針對項目所要摻燒的燃料進行定比例燃燒試驗，以確保項目環(huán)保達標。

表5 生物質、固廢試燒試驗主要結果

5 結語

利用電廠目前運行的2臺1 025 t/h CFB循環(huán)流化床鍋爐機組實現(xiàn)日摻燒生物質200 t，處理工業(yè)固廢400 t、RDF50 t、污泥200 t是可行的，可以達到生物質摻燒及城市固廢處置無害化和資源化的目的。

理論上來說，按照該摻燒比例，二噁英排放可滿足環(huán)保要求，灰渣放射性材料使用可不受限制。因各地城市固廢不完全相同，實際應用會有所差異，可以針對項目要摻燒的燃料進行定比例燃燒試驗，從而確保項目環(huán)保達標。

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Feasibility Analysis of Large CFB Boiler mixed burning Biomass fuels and "Urban Solid Waste"

Zhang Shixin1, Cai Fanglong2, Chen Yuhong2, Lv Yong2
(1.Huaneng Clean Energy Research Institute, Beijing 102209, China; 2.Fujian Huadian Yong’an Power Company Limited,Yong’an 366013, China)

Biomass and city solid waste has a certain calorific value, you can use the existing large-scale circulating fluidized bed boiler for its use. In this paper, based on the experience of biomass and solid waste utilization, this paper analyzes the influence of burning biomass and municipal solid waste on the combustion and pollutant discharge of circulating fluidized bed boiler and the feasibility of feeding method. The results show that it is feasible to use the 1 025 t/h CFB boiler unit which is currently running in the power plant to realize the daily doping biomass 200 t, and the treatment of solid waste 400 t, RDF 50 t and sludge 200 t is feasible and the dust System, desulfurization system, denitrification system,can achieve the purpose of biomass mixing and urban solid waste disposal harmless and resource-based.

biomass; urban solid waste; CFB; Mixed burning; feasibility

TK227.1

A

1008-9500(2017)07-0064-05

2017-05-26

張世鑫（1983-），男，河南沁陽人，工程師，從事循環(huán)流化床（CFB）鍋爐及清潔煤發(fā)電技術的研究與應用工作。