大型CFB锅炉掺烧生物质及城市固废可行性分析

张世鑫，蔡芳龙，陈玉洪，吕 勇

（1.中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司，北京 102209；2.福建华电永安发电有限公司，福建 永安 366013）

大型CFB锅炉掺烧生物质及城市固废可行性分析

张世鑫1，蔡芳龙2，陈玉洪2，吕 勇2

（1.中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司，北京 102209；2.福建华电永安发电有限公司，福建 永安 366013）

生物质及城市固废具有一定热值，可以使用现有大型循环流化床锅炉对其进行掺烧利用。本文结合目前生物质、固废利用的经验，从掺烧生物质和城市固废对循环流化床锅炉燃烧、污染物排放的影响，以及给料方式可行性来进行分析。结果表明，利用电厂目前运行的1 025 t/h CFB锅炉机组实现日掺烧生物质200 t，处理固废400 t、RDF50 t、污泥200 t是可行的，且利用电厂本身已有的除尘系统、脱硫系统、脱硝系统，可以达到生物质掺烧及城市固废处置无害化和资源化的目的。

生物质；固废；CFB；掺烧；可行性

中国是农业大国，秸秆资源十分丰富，有6亿～8亿t[1-3]。然而数据显示，许多地区都剩余大量秸秆，特别是山东、福建、四川、河南、河北等省，秸秆资源浪费现象严重，这些地区对秸秆的利用依然停留在以饲料、传统生活燃料、还田肥料为主，虽然也有部分地区用秸秆生产乙醇和生物质原油，但秸秆的总利用率仍较低[4]。同时，由于资源化利用处理成本高、处理技术不成熟、劳动力不足等原因，我国很多地区秸秆利用率低，农民以焚烧的方式处理秸秆，造成烟气对环境的严重污染[5]。

城市固废包括生活垃圾、一般工业固体废弃物、生活污泥等。本文所述“一般工业固体废弃物”是指鞋业、针织、服饰、绣花等企业在制造产品的过程中剩余的无法再用于加工产品的剩余废料、碎料及下脚料，一般也称为“边角余料”，其生成量占总用料的比例高达30%～40%。边角料无序堆放，不仅影响城市形象，而且存在火灾隐患，边角料堆场火灾事件屡见不鲜[6-9]，对环境造成污染的同时会造成经济损失。尤其是生产企业的密集地，边角料处置利用更使得当地企业及环保部门束手无策，地方既要发展生产又要保护环境，所以边角料无害处理成为人们亟待解决的问题。

CFB锅炉具有燃料适应性广、氮氧化物（NOX）排放低、易于实现灰渣利用等特点[10]，可以实现大型工程化利用生物质及城市固废。研究表明，生物质及城市固废具有一定热值，且利用电厂本身已具有的除尘系统、脱硫系统、脱硝系统，既实现了垃圾的综合利用，节约了宝贵的化石燃料，又可以保证固废燃烧所产生的粉尘、SO2、NOX排放量满足国家环保标准，且与燃煤混烧可以有效抑制垃圾燃烧过程中二噁英的生成。因此，本文欲通过对相关产业的有效整合，实现社会环境效益和经济效益多方共赢。

1 掺烧比例分析

根据初步分析数据，拟利用的生物质、城市固废（生活垃圾、工业固体废弃物、生活污泥），其热值及数量情况如表1所示。

表1 生物质及城市固废数据

首先对各燃料特点进行分析，现有1 025 t/h CFB锅炉满负荷需要设计燃料量约140 t/h，按每天20 h计算，每天燃烧设计煤2 800 t。

1.1 生活垃圾衍生燃料RDF

生活垃圾衍生物属于低热值（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。

单独掺烧生活垃圾分析：锅炉满负荷需要设计燃料量约140 t/h，按每天20 h计算，每天燃烧设计煤2 800 t。相对设计燃料量而言，生活垃圾总量只有50 t，份额较小，因此可以全部掺烧生活垃圾。

1.2 工业固体废弃物

工业固体废弃物属于较高热值（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。

单独掺烧工业固废分析：锅炉满负荷需要设计燃料量约140 t/h，按每天20 h计算，每天燃烧设计煤2 800 t。相对设计燃料量而言，工业固废总量有400 t，占总燃料量的份额较高。按照每天燃烧2 400 t设计燃料，掺烧400 t工业废弃物，混合燃料的灰分为（2 400×30%+400×2.0%）/2 800=26.0%。从混合后的灰分来看可以掺烧全部工业固体废弃物。

国内外的研究发现，煤中所含的氯在锅炉管的高温腐蚀中起着很重要的作用。当煤中含氯量达到一定值时，它的作用远远超过了硫的作用。研究结果表明，当煤中氯含量大于0.3%时，与氯有关的高温腐蚀倾向严重。

若按上述掺烧比例，混合燃料的氯含量为：（2 400×0%+400×0.147%）/2 800=0.021%，氯含量较低，设备可以安全运行。

1.3 生活污泥

生活污泥属于低热值（5 443 kJ/kg），高水分（30%左右）、低灰分25%。折算灰分45.9 g/MJ，灰分较高。

从已有的运行数据来讲，每天200 t污泥可以单独由1台炉或2台炉焚烧，锅炉的燃烧稳定性是有保证的。由于污泥含水较高（30%左右），发热量低，从减少锅炉磨损、降低排烟温度、降低风机电耗来讲，掺烧量越少对锅炉经济性影响越小。

1.4 生物质燃料

生物质的热值属于低热值（17 727 kJ/kg），中等水分（10%左右）、低灰分12%燃料。高氯（参考值1%），折算灰分为6.8 g/MJ。

单独掺烧生物质分析：锅炉满负荷需要设计燃料量约140 t/h，按每天20 h计算，每天燃烧设计煤2 800 t。相对设计燃料量而言，生物质总量有200 t，占总燃料量的份额较低。按照2 630 t设计燃料，200 t生物质混合来看，混合后的灰分为（2 630×30%+200×12.0%）/2 830=28.7%。从混合后的灰分来看可以掺烧全部生物质燃料。

若按上述掺烧比例，混合燃料的氯含量为：（2 200×0%+400×0.014 7%+200*1%）/2 800=0.073 5%，设备可以安全运行。

根据以上分析，最终混合燃料配比如表2所示。

这种混合燃料的燃烧特性主要考虑水分、灰分、氯离子的影响。

掺烧固废后（燃煤2 230 t/d，掺烧生物质200 t/d、工业固废400 t/d、污泥200 t/d、RDF50 t/d），燃料混合的热值由20 934 kJ/kg降低到19 548 kJ/kg，水分由9%增加到9.9%，灰分由30%减少到24.5%。

燃料水分变化幅度较小，不考虑排烟温度变化幅度，烟气量可按锅炉设计值计算。参考入炉煤质分析日报，相对于入炉煤热值变化（19 259～21 771 kJ/kg）来说，掺烧城市固废燃料对锅炉效率的影响较小，含氧量及过量空气系数可按设计值计算，最优运行参数需进行燃烧调整试验后得出。

表2 掺烧燃料配比

2 掺烧方式分析

2.1 生活污泥

方式（a）：生活污泥经污水处理厂脱水后运送至公司现场进行摊铺晾晒，然后经输煤系统与原煤混合入炉充分燃烧，从而达到资源化处理的效果，有效利用垃圾、污泥中的剩余热值，减少原生垃圾及污泥因填埋对环境造成的持续污染问题。其污泥掺烧方式如图1（a）所示。

图1 污泥掺烧方式

方式（b）：生活污泥经污水处理厂脱水后运送至公司污泥罐，污泥罐下部布置污泥泵（柱塞泵）。污泥直接通过污泥泵输送至炉膛进行燃烧处理。污泥给入口布置播料风，同时布置插板阀以防止污泥系统停运时烟气反窜。污泥罐上部布置除臭风机，将罐内挥发气体送至炉膛进行燃烧净化。其污泥掺烧方式如图1（b）所示。

此次污水厂提供的污泥水分在30%左右，表观来看，污泥成干片状，易粉碎。所以，此次电厂在掺烧时将污泥通过输煤系统输送至炉前煤仓，然后通过给煤机给入炉内进行处理。实际试验方式（a）方法可行，故在此不做详述，大量使用时需考虑水分控制，以避免筛破系统以及煤仓堵塞。

2.2 生活垃圾衍生燃料、工业固体废弃物、生物质燃料

从物理性质来看，生活垃圾衍生燃料、工业固体废弃物、生物质燃料均可通过螺旋给料或气力输送至炉内进行燃烧利用。

方式（a）：燃料由单独设置在锅炉上的螺旋给料系统给入炉内，通过控制给入量，将RDF直接送入炉内燃烧；此方式需在锅炉空间位置新建存储仓、输送系统、螺旋给料系统。其固废掺烧方式如图2（a）所示。

方式（b）：使用气力输送系统将破碎后的固废输送至炉膛进行燃烧利用。其固废掺烧方式如图2（b）所示。

图2 固废掺烧方式

两种固废掺烧方式优缺点如表3所示。

表3 掺烧方式对比

从给入方式优缺点来看，使用气力输送较为合适，堵塞问题可通过运行控制来解决。

3 锅炉给料点分析

固废给入点有以下4种：给煤口、二次风口、回料口、炉膛新开孔，其优缺点如表4所示。

表4 给入点对比

对比以上几个给入点优缺点可见，选择回料口作为固废给入点较为合适。

4 污染物排放分析

由于电厂已采取了高效、完善的烟气处理设备及烟气达标排放控制措施，即炉内脱硫+炉后半干法CFB脱硫、每台锅炉两台双室四电场加布袋除尘器、SNCR系统脱硝，可确保SO2、粉尘、NOx满足稳定达标排放要求。因城市固废Cl及重金属含量较高，下面主要考虑二噁英排放、灰渣放射性及重金属含量的影响。生物质及城市固废相关研究结果如表5所示。

根据前面分析结果，在1 025 t/h流化床电站锅炉内日掺烧生物质200 t，处理工业固废400 t、RDF50 t、污泥200 t，相对于日耗煤量2 230 t来说，掺烧量为27.6%（生物质6.5%、固废13.0%、RDF1.6%、污泥6.5%），小于《生活垃圾焚烧污染物控制标准》（GB 18485-2014）所规定的30%掺烧量，所以此标准仅作参考。二噁英是一种难降解的致癌物，具有热稳定性，当温度高于850℃时，二噁英被分解破坏。所以，一般要求焚烧炉的燃烧温度应该高于此温度，并保证二噁英在其中的停留时间在2 s以上，这样才可以使二噁英的浓度降到最低，排放之后基本不会对环境和人类造成危害。目前，电厂1 025 t/h CFB锅炉负荷率较高，锅炉额定负荷下的燃烧温度均在900℃以上，炉膛内烟气停留时间大于5 s。理论上来说，掺烧生物质及城市固废后，二噁英排放可满足环保要求，灰渣放射性材料使用可不受限制。因各地城市固废不同，实际应用有一定差异，建议针对项目所要掺烧的燃料进行定比例燃烧试验，以确保项目环保达标。

表5 生物质、固废试烧试验主要结果

5 结语

利用电厂目前运行的2台1 025 t/h CFB循环流化床锅炉机组实现日掺烧生物质200 t，处理工业固废400 t、RDF50 t、污泥200 t是可行的，可以达到生物质掺烧及城市固废处置无害化和资源化的目的。

理论上来说，按照该掺烧比例，二噁英排放可满足环保要求，灰渣放射性材料使用可不受限制。因各地城市固废不完全相同，实际应用会有所差异，可以针对项目要掺烧的燃料进行定比例燃烧试验，从而确保项目环保达标。

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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

张世鑫（1983-），男，河南沁阳人，工程师，从事循环流化床（CFB）锅炉及清洁煤发电技术的研究与应用工作。