固廢耦合燃煤機(jī)組發(fā)電技術(shù)應(yīng)用研究

張科

（中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究總院有限公司華東電力試驗(yàn)研究院 安徽合肥 230033）

0 引言

2021 年，李克強(qiáng)總理在《政府工作報(bào)告》中提出，要加強(qiáng)污染防治和生態(tài)建設(shè)，持續(xù)改善環(huán)境質(zhì)量，鞏固藍(lán)天、碧水、凈土保衛(wèi)戰(zhàn)成果，促進(jìn)生產(chǎn)生活方式綠色轉(zhuǎn)型，同時(shí)對(duì)廢水、垃圾等城市污染物處理提出了更高要求。

2022 年，我國(guó)生活垃圾焚燒發(fā)電并網(wǎng)裝機(jī)容量達(dá)到了2 386 萬(wàn)kW，占全部電源0.95%，年發(fā)電量1 268 億kWh，占全部電源1.51%。相對(duì)大型燃煤機(jī)組，垃圾焚燒電廠能量利用效率低，污染物排放指標(biāo)高［1］。我國(guó)擁有世界最大的清潔高效煤電體系，利用煤電機(jī)組對(duì)污泥、垃圾等進(jìn)行耦合發(fā)電，是對(duì)固廢進(jìn)行無(wú)害化、減量化、資源化、規(guī)模化處理的重要技術(shù)手段［2］。煤電+固廢耦合發(fā)電可節(jié)約垃圾焚燒電廠建設(shè)費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)超低排放，緩解固廢處置壓力，實(shí)現(xiàn)固廢由低效處置走向高值化利用，有效解決“垃圾圍城”的困境，助力“無(wú)廢城市”建設(shè)［3］。

本文結(jié)合安徽某發(fā)電廠“無(wú)廢電廠”項(xiàng)目工程，開展針對(duì)廠區(qū)或園區(qū)的固廢耦合燃煤機(jī)組發(fā)電技術(shù)的探討和應(yīng)用分析。

1 項(xiàng)目概述

1.1 機(jī)組概況

安徽某發(fā)電廠擁有2×660 MW 超臨界機(jī)組，鍋爐為上海鍋爐廠有限公司生產(chǎn)的超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行螺旋管圈直流爐，單爐膛，一次中間再熱、采用四角切向燃燒方式、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)Π 型鍋爐；汽輪機(jī)為超臨界、一次中間再熱、單軸、三缸、四排汽、雙背壓、八級(jí)回?zé)岢槠?、凝汽式汽輪機(jī)。

1.2 項(xiàng)目范圍

該電廠的可見廢棄物主要來(lái)自生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的粉煤灰、脫硫石膏，以及辦公生活產(chǎn)生的污泥、廚余垃圾、生活垃圾、農(nóng)林廢棄物等，其中粉煤灰、脫硫石膏已實(shí)現(xiàn)資源化利用。本文針對(duì)污泥、廚余垃圾、生活垃圾、農(nóng)林廢棄物的資源回收、廢物零排放的路線進(jìn)行論證。

1.3 廠內(nèi)固廢統(tǒng)計(jì)

對(duì)該電廠內(nèi)連續(xù)30 d 可見廢棄物統(tǒng)計(jì)，廠內(nèi)工作日可見廢物產(chǎn)量為3 t/d，周末為1 t/d。其中，廚余垃圾工作日為0.14 t/d，周末為0.05 t/d。對(duì)廠區(qū)內(nèi)采集的固廢分類后進(jìn)行成分分析，化驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

表1 廠內(nèi)固廢工業(yè)分析、元素分析、發(fā)熱量

2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)與工藝流程

2.1 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（1）在滿足系統(tǒng)輸送要求的前提下，應(yīng)盡可能合理布置管道系統(tǒng)，縮短輸送管道的長(zhǎng)度［4］，盡可能減少管道彎頭數(shù)量及管道附件（如閥門）。

（2）在保證滿足固廢輸送量及合理管道阻力的前提下，應(yīng)選擇小管徑的管道，保證固廢燃燒器噴口速度，降低對(duì)鍋爐燃燒設(shè)備的影響。

（3）固廢外部水分、揮發(fā)分占比高，燃燒噴入口附近應(yīng)增加熱二次風(fēng)管道，及時(shí)干燥進(jìn)入爐膛的固廢顆粒，同時(shí)為固廢燃燒提供充足氧氣，防止二次風(fēng)不足引起鍋爐煤粉燃燒不完全。

（4）在保證固廢燃料在管內(nèi)輸送無(wú)堵塞風(fēng)險(xiǎn)的前提下，應(yīng)選擇較小的固廢燃燒器噴口流速，防止影響鍋爐原動(dòng)力場(chǎng)；但不應(yīng)低于燃燒器噴口所需的一次風(fēng)速要求，防止燃燒器噴口燒損。

2.2 污泥摻燒方案

燃煤電廠污泥摻燒技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的推廣應(yīng)用，但污泥摻燒改造后的電廠所摻燒的污泥一般來(lái)自城市污水處理廠，摻燒量較大。對(duì)于廠內(nèi)固廢，廠內(nèi)污泥產(chǎn)量小，摻燒比例低，對(duì)爐膛爐溫沒有大的影響，煙氣中污染物的排放符合國(guó)家污染控制標(biāo)準(zhǔn)，其中二噁英、氯化氫濃度值均控制在較低的范圍內(nèi)，污泥中大部分重金屬殘留在灰渣中，但增加十分有限，不會(huì)影響粉煤灰的綜合利用。

2.2.1 污泥處理方式

目前污泥的處置方法主要是填埋、焚燒、堆肥和作為污泥建材使用。填埋處理會(huì)造成水體和土壤污染，占用土地資源。常規(guī)焚燒處理方式主要利用焚燒爐進(jìn)行處置，投資運(yùn)行費(fèi)用高，并且產(chǎn)生的煙氣、爐渣等會(huì)造成二次污染。堆肥處理也會(huì)造成水體和土壤污染，且產(chǎn)品不能用于農(nóng)作物，使用范圍有限。污泥建材由于含有有毒物質(zhì)和生產(chǎn)過(guò)程污染物的影響，利用率很低。然而，污泥與大型燃煤機(jī)組摻燒，利用現(xiàn)有的鍋爐和環(huán)保設(shè)備，耦合燃煤發(fā)電，可以有效達(dá)到減量化、無(wú)害化、資源化處置的目的。

2.2.2 污泥摻燒工藝路線

對(duì)于污泥摻燒量不大（熱值比例＜3%）的電廠，一般采用直接摻燒的方式，例如大唐南京發(fā)電廠、國(guó)能神皖馬鞍山發(fā)電責(zé)任有限公司、江蘇鎮(zhèn)江發(fā)電有限公司等。相對(duì)于干化摻燒和其他污泥焚燒方式，污泥直接摻燒具有占地面積小、投資小、建設(shè)周期短、運(yùn)行成本低、設(shè)備維護(hù)檢修費(fèi)用低等特點(diǎn)。

該電廠廠內(nèi)污泥主要來(lái)源于煤場(chǎng)、化學(xué)前池、生活污水前池等廢水管道底部淤積，含水率可達(dá)80%以上，污泥總量較少。

對(duì)于電廠產(chǎn)生的污泥，定期清理后由車輛集中運(yùn)輸至煤場(chǎng)，在煤場(chǎng)傾倒晾曬。在煤倉(cāng)上煤時(shí)，斗輪堆取料機(jī)將污泥與原煤同時(shí)送至輸煤皮帶，通過(guò)原煤與污泥的混合覆蓋，減少污泥的運(yùn)輸過(guò)程中產(chǎn)生的臭味。摻混后送入原煤倉(cāng)，通過(guò)給煤機(jī)進(jìn)入磨煤機(jī)，進(jìn)行干燥研磨，經(jīng)過(guò)風(fēng)粉系統(tǒng)進(jìn)入爐膛焚燒。燃燒后的煙氣利用尾部環(huán)保設(shè)施處理后排放，燃燒后的固體混入爐渣和粉煤灰作為資源綜合利用。

該項(xiàng)目選取的污泥摻燒工藝如圖1 所示，借助電廠現(xiàn)有的貯煤、輸煤系統(tǒng)，無(wú)需新增設(shè)備。

圖1 污泥摻燒工藝流程圖

2.3 廚余垃圾摻燒方案

廚余垃圾是電廠食堂和廠區(qū)內(nèi)丟棄的果蔬及食物下腳料、剩菜剩飯、瓜果皮、加工過(guò)程廢棄物等易腐有機(jī)垃圾。廚余垃圾含有較多的油脂成分，容易腐壞、產(chǎn)生惡臭。

2.3.1 廚余垃圾處理方式

對(duì)于廚余垃圾的處理，往往采用填埋、好氧堆肥、厭氧消化技術(shù)等方式。

填埋處理對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響很大，不僅破壞了地表的植被和空氣，而且會(huì)污染垃圾場(chǎng)附近的土壤和水源［5］。廚余垃圾中還含有大量微生物，成了病菌、病毒、害蟲等的滋生地和繁殖地。

應(yīng)用厭氧技術(shù)發(fā)酵處理廚余垃圾，在生態(tài)環(huán)境方面具有突出優(yōu)勢(shì)，但是存在投資大、適合大規(guī)模廚余垃圾處理等問題［6］。對(duì)于廚余垃圾處理量大于200 t/d 時(shí)，可以采用厭氧發(fā)酵技術(shù)，不僅技術(shù)可靠，而且能產(chǎn)生沼氣進(jìn)行二次利用。對(duì)于電廠來(lái)說(shuō)，廚余垃圾產(chǎn)生量不足，采用厭氧發(fā)酵工藝無(wú)法完成經(jīng)濟(jì)效益回收。

廚余垃圾含水率往往在60%～85%之間，根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)，我國(guó)廚余垃圾收到基低位發(fā)熱量為3.1 MJ/kg，低于垃圾焚燒爐5.0～7.5 MJ/kg 的低位熱值要求。廚余垃圾在電廠中露天暴露的時(shí)間很短，一般不會(huì)超過(guò)1 d，往往不會(huì)在發(fā)出濃重惡臭的時(shí)候就進(jìn)行摻燒，產(chǎn)生病菌的可能性較小，對(duì)土壤、空氣和水源的污染自然會(huì)少很多。因此對(duì)于該電廠，可采用摻燒的方式對(duì)廚余垃圾進(jìn)行處理。

2.3.2 廚余垃圾摻燒工藝路線

廚余垃圾含水率高、成分復(fù)雜，需經(jīng)過(guò)脫水破碎，送入爐內(nèi)摻燒。

（1）廚余垃圾的破碎脫水。將收集后的廚余垃圾，倒入破碎機(jī)內(nèi)破碎至3～30 mm 粒徑物料。破碎機(jī)采用剪切式破碎機(jī)，由大功率電動(dòng)力通過(guò)減速箱帶動(dòng)軸和刀具互相對(duì)轉(zhuǎn)，以達(dá)到將物料擠壓、撕碎和剪切的目的。該破碎機(jī)不受物料黏度、硬度、纖維等限制，對(duì)任何物料都能起到較好的破碎作用，同時(shí)可以脫去部分水分。

（2）廚余垃圾的輸送。破碎成型后的廚余垃圾及滲濾液，通過(guò)螺旋輸送機(jī)運(yùn)送至斗提機(jī)處，由斗提機(jī)提升至料倉(cāng)內(nèi)貯存。

螺旋輸送機(jī)采用無(wú)軸全封閉式螺旋輸送機(jī)，材質(zhì)選用不銹鋼材料，螺旋表面易清洗，可保證環(huán)境衛(wèi)生和所送物料不受污染、不泄漏。由于螺旋無(wú)軸，物料不易堵塞，排料口不堵塞，因而可以較低速度運(yùn)轉(zhuǎn)，平穩(wěn)傳動(dòng)。

螺旋輸送機(jī)輸送來(lái)的垃圾物料，由斗提機(jī)提升運(yùn)輸至1、2號(hào)鍋爐房?jī)?nèi)的料倉(cāng)，斗提機(jī)為不銹鋼材質(zhì)的全封閉式斗提機(jī)。

料倉(cāng)設(shè)2 臺(tái)，分別位于1 號(hào)機(jī)組爐右43.8 m 平臺(tái)和2 號(hào)機(jī)組爐左43.8 m 平臺(tái)。料倉(cāng)頂部由密封蓋，防止廚余垃圾異味的散發(fā)；料倉(cāng)中部設(shè)有振打裝置，當(dāng)倉(cāng)內(nèi)垃圾無(wú)法正常下料時(shí)，進(jìn)行振打；料倉(cāng)底部為常開式放料機(jī)構(gòu)，通過(guò)軟連接與單缸柱塞泵相連；在單缸柱塞泵末端，設(shè)有水平開合防火門，防止?fàn)t膛壓力波動(dòng)時(shí)，高溫?zé)煔獾礁Z入給料系統(tǒng)中。

柱塞泵選用帶剪切閘閥、柱塞沖剪頭的單柱塞泵的單缸柱塞泵，輸送粒徑可達(dá)輸送缸徑的80%。輸送管道上設(shè)有膨脹節(jié)。

（3）焚燒入口位置。分別選取1 號(hào)鍋爐右墻、2 號(hào)鍋爐左墻標(biāo)高41.7 m 的觀火孔，將觀火孔與輸料管道通過(guò)擴(kuò)口連接，垃圾物料由此處送入爐內(nèi)。

垃圾入爐所利用的觀火孔位于SOFA 風(fēng)區(qū)域，此區(qū)域空氣、煙氣擾動(dòng)能力較強(qiáng)，空氣、煙氣溫度高，局部氧氣含量較高，利于燃盡。噴入爐內(nèi)的垃圾物料在高溫?zé)煔饩砦旅摮霾糠炙郑戎剌^高的垃圾物料在下落過(guò)程中繼續(xù)完成干燥、熱解、燃燒過(guò)程，比重較低物料隨煙氣在上升過(guò)程中完成燃盡。

（4）廚余垃圾的焚燒。由于廚余垃圾長(zhǎng)時(shí)間存放后，病菌會(huì)大量繁殖。因此，經(jīng)過(guò)脫水粉碎后的廚余垃圾顆粒需要當(dāng)天進(jìn)入爐內(nèi)摻燒。與柱塞泵出口輸料管道與觀火孔利用擴(kuò)口管段相連。利用單缸柱塞泵，將垃圾顆粒由改造后的鍋爐左（右）側(cè)墻觀火孔噴入爐內(nèi)進(jìn)行焚燒。

2.4 生活垃圾、農(nóng)林廢棄物摻燒方案

生活垃圾來(lái)自于辦公產(chǎn)生的廢棄物，主要有廢紙、廢棄塑料、紡織品等，易燃燒，但燃燒溫度低于800 ℃時(shí)會(huì)產(chǎn)生二噁英等有害化學(xué)物質(zhì)。農(nóng)林廢棄物主要來(lái)自于電廠內(nèi)盆栽綠化等植物的枯枝敗葉，可以燃燒，但燃燒會(huì)生成大量飛灰。生活垃圾、農(nóng)林廢棄物均具有較高的發(fā)熱量。

2.4.1 生活垃圾、農(nóng)林廢棄物處理方式

常見的生活垃圾和農(nóng)林廢棄物的處理方式是衛(wèi)生填埋和焚燒。其中集中焚燒現(xiàn)在成為各地廣泛采用的處理技術(shù)。然而垃圾焚燒產(chǎn)生的二噁英、氯化物、二氧化硫、氮氧化物等污染物，均需垃圾焚燒電廠單獨(dú)配備復(fù)雜的煙氣凈化系統(tǒng)進(jìn)行處理，投資大、能耗高、凈化效率低，傳統(tǒng)的垃圾焚燒發(fā)電機(jī)組效率僅為18%～25%。相較于垃圾焚燒電廠，大型燃煤機(jī)組耦合垃圾發(fā)電可以利用高校熱力循環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，提高發(fā)電效率10%以上，還可以避免垃圾焚燒機(jī)組排煙溫度高、飛灰沾污、二噁英等污染物處理成本高等問題。

因此，對(duì)于該電廠廠內(nèi)產(chǎn)生的生活垃圾和農(nóng)林廢棄物，均適合在鍋爐內(nèi)進(jìn)行燃燒，通過(guò)爐內(nèi)高溫減少二噁英等有毒氣體的產(chǎn)生，燃燒產(chǎn)生的飛灰由煙氣除塵系統(tǒng)進(jìn)行捕集脫除。

2.4.2 生活垃圾、農(nóng)林廢棄物摻燒工藝路線

（1）生活垃圾、農(nóng)林廢棄物的分揀與破碎。廠內(nèi)生活垃圾應(yīng)做好分類，金屬等可回收垃圾篩選后回收利用，不可回收垃圾與廠內(nèi)產(chǎn)生的生物質(zhì)秸稈等送至破碎機(jī)進(jìn)行破碎。廚余垃圾與生活垃圾等共用1 臺(tái)剪切式破碎機(jī)。

（2）生活垃圾、農(nóng)林廢棄物的輸送與焚燒。破碎后的生活垃圾、農(nóng)林廢棄物與廚余垃圾一起通過(guò)輸料系統(tǒng)運(yùn)送至料倉(cāng)，由給料系統(tǒng)，將垃圾顆粒由給料口噴入爐內(nèi)焚燒平臺(tái)進(jìn)行焚燒。工藝流程如圖2 所示。

圖2 廚余垃圾、生活垃圾、農(nóng)林廢棄物處理工藝流程圖

3 設(shè)備選型及布置

本工程應(yīng)用中增加設(shè)備：1 臺(tái)生活垃圾破碎機(jī)、1 臺(tái)螺旋輸送機(jī)、2 臺(tái)斗提機(jī)、2 臺(tái)柱塞泵，并對(duì)41.7 m 處的觀火孔進(jìn)行改造。在該層平臺(tái)處增設(shè)料倉(cāng)，料倉(cāng)內(nèi)廚余垃圾、生活垃圾、農(nóng)林廢棄物等物料進(jìn)入爐內(nèi)焚燒平臺(tái)進(jìn)行焚燒，廠內(nèi)污泥通過(guò)輸煤系統(tǒng)進(jìn)入爐內(nèi)燃燒。主設(shè)備參數(shù)及布置如表2、圖3 所示。

圖3 鍋爐設(shè)備布置圖

4 應(yīng)用效果及建議

該電廠每年摻燒垃圾量為1 040 t，收到基低位發(fā)熱量為6.27 MJ/kg，每年可節(jié)約標(biāo)煤222.5 t，每年可減少CO2排放量554.7 t。按照碳交易市場(chǎng)2021—2022 年度交易周期價(jià)格50 元/t 及2022 年度入廠標(biāo)煤?jiǎn)蝺r(jià)1 120 元/ t 計(jì)算，碳減排和節(jié)約燃煤所帶來(lái)的直接經(jīng)濟(jì)收益為52.6 萬(wàn)元。

項(xiàng)目投產(chǎn)后，固廢燃燒器噴口附近腐蝕結(jié)焦明顯。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，固廢顆粒在燃燒器噴口流速僅為15 m/s，當(dāng)燃用有機(jī)質(zhì)較高的固廢時(shí)，著火位置提前，造成噴口結(jié)焦腐蝕。若進(jìn)行更高比例的固廢耦合量改造，建議選取氣力輸送系統(tǒng)，以提高固廢顆粒噴口流速。