城市生活垃圾衍生燃料在燃煤電廠中的應(yīng)用

王靜毅

(浙江浙能北侖發(fā)電有限公司，寧波 315000)

0 引 言

近年來，城市生活垃圾(MSW)的產(chǎn)量逐漸增長，2016年，全球產(chǎn)生的廢物超過20.1億t，預(yù)計到2050年全球垃圾產(chǎn)量將超過34億t。實現(xiàn)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(biāo)。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(xiàn)熱能回收，因此許多國家和地區(qū)將生活垃圾焚燒發(fā)電作為處理生活垃圾的首要方式。然而，垃圾焚燒發(fā)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(jīng)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(wěn)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(xiàn)有的燃煤電廠中實施，以補充不斷減少的煤炭供應(yīng)，并降低能源生產(chǎn)的成本。近年來，國內(nèi)外許多學(xué)者對垃圾衍生燃料與煤摻燒發(fā)電進行了研究。

1 RDF的制作流程

垃圾衍生燃料(RDF)經(jīng)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(dāng)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(fā)分含量高、熱值低，而煤揮發(fā)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(huán)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(shù)、經(jīng)濟可行性以及對環(huán)境造成的影響進行了評估。經(jīng)過三年的試驗，結(jié)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(nèi)一些學(xué)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(jié)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(fā)熱量均無不利影響。當(dāng)摻混比例超過30%時，會對鍋爐燃燒性能產(chǎn)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(fēng)量、燃燒室內(nèi)的壓降和燃燒溫度以及爐膛溫度分布等產(chǎn)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(fā)現(xiàn)當(dāng)RDF摻燒比從1%增加到5%時，總空氣流量(一次風(fēng)量和二次風(fēng)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(guān)。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(nèi)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(fā)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(zhì)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(fā)分較高，在爐膛出口處未燃揮發(fā)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(qū)，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(fā)分被一次風(fēng)帶到爐膛上部燃燒，使得稀相區(qū)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(fā)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(fā)分高，燃燒主要發(fā)生在較低溫度時，而煤的燃燒主要發(fā)生在較高溫度時，摻燒時燃燒反應(yīng)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(fā)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(tài)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(dāng)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(dāng)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(fā)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(dāng)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(yōu)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(guān)的運行問題，如混燒對系統(tǒng)結(jié)渣和結(jié)垢的影響，是混燒技術(shù)的挑戰(zhàn)之一。結(jié)渣傾向與基于助熔氧化物與燒結(jié)氧化物之比的結(jié)渣指數(shù)相關(guān)。當(dāng)指數(shù)在0.75-2范圍內(nèi)時，觀察到強烈的結(jié)渣現(xiàn)象。Kupka[8]等人在結(jié)渣反應(yīng)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(jié)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(jié)構(gòu)產(chǎn)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(jié)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(fā)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(fā)電是一種良好的選擇，可實現(xiàn)城市生活垃圾的資源回收與無害化處理。