城市固廢耦合發(fā)電的研究與應(yīng)用

摘要：城市固廢的快速增長及其再利用是當(dāng)前面臨的環(huán)境和社會問題之一，利用城市固廢作為現(xiàn)有燃煤電廠的耦合發(fā)電燃料并循環(huán)利用，可助力“無廢城市”建設(shè)。城市固廢耦合發(fā)電可通過利用燃煤電廠現(xiàn)有的系統(tǒng)和設(shè)施，對城市固廢進(jìn)行破碎、擠壓成型等預(yù)處理后制成成型燃料，再通過輸煤系統(tǒng)輸送進(jìn)循環(huán)流化床鍋爐爐膛完成耦合燃燒，實(shí)現(xiàn)對城市固廢的集中處置及循環(huán)利用。為此，結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用，探討在循環(huán)流化床鍋爐中將城市固廢作為耦合燃料進(jìn)行耦合發(fā)電的工況，以及城市固廢耦合發(fā)電的效果，為實(shí)現(xiàn)城市固廢減量化和資源化利用提供有力地支撐。

關(guān)鍵詞：城市固廢；循環(huán)流化床鍋爐；耦合發(fā)電；減量化；資源化

隨著我國城市固廢產(chǎn)生量的增加，“固廢圍城”現(xiàn)象頻發(fā)，使得城市固廢減量化和資源化利用變得尤為重要。由于焚燒技術(shù)是目前處理城市固廢的有效方法之一，因而在固廢焚燒工藝中，與其他焚燒工藝相比，循環(huán)流化床技術(shù)不僅是一種采用高速氣流循環(huán)流化固體燃料的燃燒技術(shù)，可將煤炭、生物質(zhì)、廢棄物等多種固體燃料進(jìn)行燃燒，還具有燃料適應(yīng)性比較廣、NOx 排放少、灰渣利用率高等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)大型工程化固廢利用[1]。加之，循環(huán)流化床技術(shù)可有效地降低燃煤對環(huán)境的污染，已在燃煤電廠中被用于生產(chǎn)蒸汽以驅(qū)動渦輪機(jī)發(fā)電，從而提高發(fā)電效率、降低煤炭消耗，以及減少燃煤發(fā)電時的有害氣體排放。因此，借助循環(huán)流化床技術(shù)，讓城市固廢資源化利用與燃煤耦合發(fā)電相結(jié)合，既能使城市固廢得到無害化、減量化處理和資源化利用，解決“固廢圍城”的社會問題，又符合生態(tài)環(huán)境建設(shè)的客觀要求[2][3]。

1 城市固廢耦合發(fā)電的作用與方式

1.1 作用概述

目前，我國燃煤發(fā)電產(chǎn)業(yè)面臨機(jī)組負(fù)荷率低、發(fā)電小時數(shù)低[4]、煤炭燃料價格波動難以預(yù)測等多重轉(zhuǎn)型升級考驗(yàn)，因此通過在燃煤電廠的循環(huán)流化床鍋爐中使用城市固廢替代煤炭或與煤炭混合作為燃料進(jìn)行耦合發(fā)電，不僅可降低燃煤電廠的燃料成本，還可推動燃煤發(fā)電產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。根據(jù)我國固廢處置政策和技術(shù)要求，以及現(xiàn)有燃煤發(fā)電廠的實(shí)際情況，利用循環(huán)流化床技術(shù)協(xié)同處置城市固廢，是解決城市固廢處置難題最可靠和有效的一種途徑[5][6]。

1.2 耦合發(fā)電方式

直接耦合、間接耦合和并聯(lián)耦合是城市固廢耦合發(fā)電常見的3 種方式。其中，直接耦合發(fā)電是指將城市固廢在循環(huán)流化床鍋爐中直接作為燃料或與煤炭混合作為燃料進(jìn)行耦合發(fā)電的技術(shù)，初始投資和運(yùn)營費(fèi)用較低，成熟度較高[7][8]。因此，本文依托福建省某發(fā)電有限公司2×300 MW 循環(huán)流化床鍋爐“城市固廢”綜合利用項(xiàng)目（下稱“案例項(xiàng)目”），研究在循環(huán)流化床鍋爐中使用工業(yè)固廢（服裝及鞋業(yè)的邊角料）、污泥等城市固廢作為耦合燃料進(jìn)行直接耦合發(fā)電的工況，探討城市固廢耦合發(fā)電工程應(yīng)用的成效，為城市固廢無害化、減量化、資源化處理與利用提供可復(fù)制的成功經(jīng)驗(yàn)。

2 直接耦合發(fā)電工藝設(shè)計應(yīng)用與運(yùn)行控制

2.1 工藝路線的優(yōu)化設(shè)計與應(yīng)用

由于城市固廢具有與燃煤差別較大的物理性質(zhì)，使得其無法通過燃煤電廠現(xiàn)有的輸煤系統(tǒng)直接進(jìn)行破碎利用，因而為解決城市固廢破碎與輸送至循環(huán)流化床鍋爐的問題，案例項(xiàng)目對城市固廢直接耦合發(fā)電工藝路線進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，建立了破碎系統(tǒng)及氣力輸送系統(tǒng)。城市固廢在市場前端打包成捆運(yùn)至燃煤電廠后，通過叉車叉進(jìn)料倉，破包后采用破碎系統(tǒng)的雙軸撕碎機(jī)將其破碎，再通過輸送皮帶和氣力輸送系統(tǒng)經(jīng)循環(huán)流化床焚燒爐回料口送至爐內(nèi)燃燒。

采用“爐內(nèi)噴鈣+SNCR 脫硝＋靜電除塵+半干法脫硫＋袋式除塵”工藝，處理城市固廢在循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)燃燒產(chǎn)生的煙氣。其中，煙氣脫硫裝置采用循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)噴鈣技術(shù)，通過氣相與固相流機(jī)制提升傳質(zhì)、傳熱效率，進(jìn)而提高脫硫效率；除塵裝置為雙室四電場電除塵器，除塵效率高達(dá)99%；脫硝裝置采用選擇性非催化還原法（SNCR），脫硝效率可達(dá)80% 以上。

2.2 系統(tǒng)的集中控制與保護(hù)

城市固廢直接耦合發(fā)電的運(yùn)行控制方式采用操作站集中控制，并向循環(huán)流化床鍋爐集散控制系統(tǒng)（DCS）傳送運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對城市固廢耦合發(fā)電系統(tǒng)中所有工藝設(shè)備的運(yùn)行控制及保護(hù)。同時，就地設(shè)置視頻監(jiān)控整個系統(tǒng)運(yùn)行情況，讓運(yùn)行人員能根據(jù)工況與就地情況及時調(diào)整城市固廢耦合燃燒量。

3 耦合燃燒的城市固廢與工況

城市固廢包含工業(yè)固廢、農(nóng)業(yè)固廢、醫(yī)療固廢等固體廢棄物，但案例項(xiàng)目只在2×300MW 循環(huán)流化床鍋爐中耦合燃燒了工業(yè)固廢與污泥2 種城市固廢，因此研究只分析耦合燃燒工業(yè)固廢與污泥的成分與發(fā)電工況。

3.1 耦合燃燒的城市固廢成分與分析

3.1.1 工業(yè)固廢

案例項(xiàng)目中耦合燃燒的工業(yè)固廢為福建省內(nèi)服裝、鞋子及紡織品加工過程產(chǎn)生的邊角料，其成分如表1 所示。

3.1.2 污泥

污泥中不僅含有豐富的有機(jī)物及無機(jī)物，還含有較多重金屬等有害物質(zhì)[9]，因此污泥須經(jīng)有資質(zhì)的單位鑒別為一般工業(yè)固廢后方可作為耦合燃料。 案例項(xiàng)目中耦合燃燒的污泥主要來源于福建省內(nèi)生活污水處理廠和紡織印染企業(yè)，包含90% 的生活污泥和10% 的紡織印染企業(yè)污水處理站污泥，且耦合燃燒的污泥為干化處置后的干污泥（干污泥中的水分約為30%），其成分如表2 所示。

3.2 城市固廢耦合發(fā)電鍋爐熱效率與工況

案例項(xiàng)目現(xiàn)役的2×300 MW 循環(huán)流化床鍋爐，具有熱容量大、自動化高、運(yùn)行控制簡單等特點(diǎn)，適合用于城市固廢耦合燃燒發(fā)電。鍋爐運(yùn)行時間為24 h/d（5500 h/a），燃燒階段爐膛密相區(qū)的溫度始終維持在850～920 ℃。研究根據(jù)案例項(xiàng)目燃煤發(fā)電廠的實(shí)際情況，計算鍋爐熱效率，探討城市固廢耦合發(fā)電工況。

3.2.1 鍋爐熱效率計算

鍋爐熱效率如式（1）所示按熱損失法計算[10]。

在實(shí)際計算過程中，由于試驗(yàn)狀況與鍋爐性能保證狀況會存在一定的偏離，因此在與保證值進(jìn)行對比前需將計算得到的鍋爐熱效率值進(jìn)行修正處理。

3.2.2 耦合發(fā)電工況分析

循環(huán)流化床鍋爐投入爐膛總風(fēng)量的變化，表現(xiàn)為爐內(nèi)氧量的變化，爐內(nèi)氧量會影響鍋爐熱效率。因此，循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)最佳氧量的具體數(shù)值，應(yīng)根據(jù)煤質(zhì)、機(jī)組負(fù)荷、城市固廢耦合燃燒量等特性確定。案例項(xiàng)目耦合發(fā)電機(jī)組為中負(fù)荷（蒸發(fā)量約740 t/h），耦合城市固廢量約為15 t/h。如表3 所示，當(dāng)最佳氧量為2.0% 的工況1 下，修正后的鍋爐效率最高為92.22%；當(dāng)氧量在工況2 與工況3 的1.7%～2.3% 之間時，鍋爐熱效率差異不大；當(dāng)氧量為工況4 的1.45% 時，修正后的鍋爐熱效率有明顯下降，故燃燒城市固廢直接耦合發(fā)電時應(yīng)盡量避免過低氧量的工況。

如表4 所示，當(dāng)投入的耦合城市固廢量為10.3 t/h 且投風(fēng)時，工況5 修正后的鍋爐熱效率為91.93%；當(dāng)不投城市固廢、投風(fēng)時，工況6 修正后的鍋爐熱效率為92.20%；當(dāng)不投城市固廢、不投風(fēng)時，工況7 修正后的鍋爐熱效率為92.57%。無論是否耦合城市固廢，循環(huán)流化床鍋爐的熱效率都比較高。

從工況5 與工況7 的對比可以看出，當(dāng)投入10.3 t/h 的正常量城市固廢且投風(fēng)時，受排煙溫度和灰渣含碳量差異的綜合影響，無組織風(fēng)量增加，空預(yù)器換熱減少，影響了排煙溫度，使得修正后的鍋爐熱效率降低了0.64%。但投入10.3 t/h 的正常量城市固廢，會增加1.2%左右的飛灰含碳量，不過底渣含碳量基本不受影響。因此，為穩(wěn)定循環(huán)流化床鍋爐的熱效率，在實(shí)際日常運(yùn)行中，應(yīng)根據(jù)實(shí)時監(jiān)控數(shù)據(jù)調(diào)整城市固廢耦合量。

從工況6 與工況7 的對比可以看出，當(dāng)不投城市固廢停而投風(fēng)時，修正后的鍋爐熱效率下降了0.37%，主要原因是在同樣氧量下爐內(nèi)無組織風(fēng)量增加，降低了通過空預(yù)器的風(fēng)量，使得換熱效果相應(yīng)降低。因此，當(dāng)短時間內(nèi)無法投運(yùn)城市固廢時，應(yīng)注意及時停風(fēng)，避免增加循環(huán)流化床鍋爐與機(jī)組能耗。

4 城市固廢耦合發(fā)電煙氣達(dá)標(biāo)排放與效益

4.1 煙氣達(dá)標(biāo)排放

城市固廢在循環(huán)流化床鍋爐耦合燃燒產(chǎn)生的煙氣，依托燃煤電廠發(fā)電機(jī)組已有的煙氣凈化系統(tǒng)進(jìn)行處理。依托煙氣凈化系統(tǒng)中新型布袋除塵器良好的重金屬脫除效果，使得城市固廢耦合發(fā)電燃燒排放的煙氣中重金屬基本為零，且由于重金屬含量較低，耦合發(fā)電燃燒產(chǎn)生的飛灰中重金屬含量也符合達(dá)標(biāo)排放要求。

城市固廢耦合發(fā)電燃燒產(chǎn)生的煙氣在循環(huán)流化床鍋爐的爐膛內(nèi)停留時間為4～5 s，且鍋爐實(shí)際燃燒溫度可達(dá)880 ℃以上，因而有效防止了二噁英在300～500 ℃時的再合成[11]，其燃燒特性對二噁英具有顯著的抑制作用。加之，爐內(nèi)噴鈣及爐后半干法脫硫工藝對煙氣中的二噁英具有很好的脫除效果，使得二噁英的排放指標(biāo)遠(yuǎn)低于規(guī)定的0.1 ngTEQ/m3 允許值，實(shí)現(xiàn)了達(dá)標(biāo)排放。煙氣中二噁英含量監(jiān)測數(shù)據(jù)如表5 所示。

4.2 環(huán)境與經(jīng)濟(jì)效益顯著

按循環(huán)經(jīng)濟(jì)計算口徑，案例項(xiàng)目耦合燃燒城市固廢17 萬t/a，可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤10 萬t/a，減排NOx 約740 t/a、減排SO2 約850 t/a、減排CO2 約27.7 萬 t/a，節(jié)約碳排放交易費(fèi)用約1606.6 萬元/a，降低脫硫成本34.87 萬元/a，具有良好的環(huán)境及經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

隨著我國“雙碳”工作的推進(jìn)，城市固廢減量化、資源化處理與利用，以及燃煤電廠低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展任務(wù)愈加緊迫。在燃煤電廠現(xiàn)役循環(huán)流化床鍋爐中直接耦合城市固廢進(jìn)行發(fā)電，不僅可實(shí)現(xiàn)城市固廢無害化、減量化、資源化處理與利用，也能在燃煤電廠低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展方面發(fā)揮更重要的作用。

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作者簡介

許翔（1975—），男，漢族，福建福州人，高級工程師，碩士，主要從事環(huán)境工程、環(huán)保核心工藝研發(fā)工作。

通信作者

黃文財（1978—），男，漢族，福建龍海人，高級工程師，學(xué)士，主要從事環(huán)境工程、環(huán)保核心工藝、造價預(yù)算工作。

加工編輯：馮為為

收稿日期：2024-09-30