城市生活垃圾衍生燃料在燃煤电厂中的应用

王静毅

(浙江浙能北仑发电有限公司，宁波 315000)

0 引 言

近年来，城市生活垃圾(MSW)的产量逐渐增长，2016年，全球产生的废物超过20.1亿t，预计到2050年全球垃圾产量将超过34亿t。实现城市生活垃圾的减容化、资源化和无害化是处理城市生活垃圾的首要目标。垃圾焚烧法与其他处理方法相比占地面积小、减量化显著、处理时间短且可实现热能回收，因此许多国家和地区将生活垃圾焚烧发电作为处理生活垃圾的首要方式。然而，垃圾焚烧发电受到不燃成分和水分的限制，效率较低。

垃圾衍生燃料(RDF)是从城市生活垃圾中分选出可燃成分经过破碎、干燥、添加药剂、压缩成形等工艺制成的高热值、易于运输和储存、燃烧稳定的燃料。与城市固体废物相比，它是一种更均匀的燃料，具有更高的热值和能量密度。随着垃圾衍生燃料制作工艺的成熟，将垃圾衍生燃料与化石燃料共燃已成为降低燃料总成本的一种方法，可以在现有的燃煤电厂中实施，以补充不断减少的煤炭供应，并降低能源生产的成本。近年来，国内外许多学者对垃圾衍生燃料与煤掺烧发电进行了研究。

1 RDF的制作流程

垃圾衍生燃料(RDF)经过一系列的减量、分离、干燥、致密化等处理工艺，比城市生活垃圾具有更高的热值和更好的燃烧性能。在制作RDF时，首先对回收的垃圾进行一次分选，分离出玻璃、金属等不燃物，将剩余的主要成分为可燃物的垃圾破碎至块状，送入烘干机中干燥，当水分降到8%以下时，对垃圾进行二次分选，分离出一次分选未分离出的金属和碎玻璃，除去泥土灰尘等不可燃物，再将剩下的垃圾进行二次破碎，破碎成小颗粒，添加防腐剂、固硫剂和固氯剂，最后送至成型机压缩成形。

2 RDF与煤掺烧特性

2.1 对锅炉燃烧性能的影响

RDF中挥发分含量高、热值低，而煤挥发分含量低、热值高，因此掺烧时会对锅炉热效率造成影响。美国Ames[1]电厂最先在美国能源部和环保署的资助下进行了煤与RDF的混烧实验，对煤与RDF混烧的技术、经济可行性以及对环境造成的影响进行了评估。经过三年的试验，结果表明，掺烧10%和20%RDF时，喷粉炉的热效率分别下降了1.3%和3.3%。国内一些学者[2]在29 MW炉排炉中进行了掺混不同比例RDF的燃烧实验，锅炉热工测试结果表明，掺混30%RDF时，锅炉热效率维持在较好的水平；掺混10%～30%RDF时，对燃料的碳含量、硫含量、氮含量、灰分、水分和低位发热量均无不利影响。当掺混比例超过30%时，会对锅炉燃烧性能产生较大的影响，锅炉热效率下降较大，因此掺混比例一般控制在30%以下。

RDF与煤掺烧还会对燃烧所需风量、燃烧室内的压降和燃烧温度以及炉膛温度分布等产生影响。

由于RDF中含氧量较高，因此掺烧时所需的氧量减少，即所需空气量减少。Lee[3]等人的研究发现当RDF掺烧比从1%增加到5%时，总空气流量(一次风量和二次风量)逐渐减小，证实了这一点。

沿炉的压降与压力测量点之间的固体滞留量相关。同时，由于固体滞留量对炉壁的传热起着重要作用，故其性能也会受到炉内固体滞留量的影响，因此分析沿炉膛的压降非常重要。由于RDF挥发分含量高，在进入炉膛后很容易破裂，在CFB锅炉中，RDF停留在炉的中部而不是下部，起到流化介质的作用。因此随RDF掺烧比的增加，总压降和炉膛上部压降变化不大，中间部分压降增大，底部压降减小[4]。

由于RDF挥发分较高，在炉膛出口处未燃挥发物剧烈燃烧，因此随着RDF共燃比的增加，炉膛出口温度略有升高。煤单独燃烧时，较高含量的固定碳主要集中在密相区，因此炉膛下部温度常常高于上部温度；掺烧RDF时，RDF析出的挥发分被一次风带到炉膛上部燃烧，使得稀相区温度升高，因此掺烧时炉膛沿高度方向温度更为均匀。与单独燃烧煤相比，掺烧时RDF中较高的挥发分含量降低了混合燃烧的着火温度，混合燃烧的着火温度接近RDF单独燃烧时的值。RDF挥发分高，燃烧主要发生在较低温度时，而煤的燃烧主要发生在较高温度时，掺烧时燃烧反应与单独燃煤时相比更为激烈，具有更高的峰值温度和更低的燃尽温度。但RDF与煤掺烧过程中温度的升高也使得RDF的掺烧比受到限制。

2.2 对污染物排放的影响

由于煤与RDF组成不同，灰分与气体污染物会发生相互作用与影响，因此，研究混烧时污染物排放特性十分重要。

RDF与煤的氮含量差异较大，氮形态不同，NOx排放量随掺烧比的变化而变化。RDF中氮主要以NH3的形式存在，NH3在流化床燃烧的典型温度下形成一氧化氮。当只燃烧煤时，床层上方的未燃碳或半焦比掺烧RDF时多，可以将更多的NO还原为N2。因此，当RDF与煤的掺烧比增加时，NO被还原为N2的量减少，NO排放量增大。

由于煤中碳含量比RDF中高，且挥发分含量比RDF中低很多，因此RDF与煤掺烧时CO的生成量略大于煤单独燃烧时，比RDF单独燃烧时的CO的生成量低很多。

烟气中的HCl浓度基本上与燃料中的Cl含量成比例，由于RDF中Cl含量较大，因此烟气中HCl的浓度随着RDF掺烧比的增加而增加[5]。HCl生成量的增加会带来严重的炉膛腐蚀问题，因此当燃煤电厂掺烧RDF时，必须对HCl的生成进行控制。钙基化合物如CaCO3、CaO和Ca(OH)2，是常用的HCl吸附剂。CaCO3由于其投资成本低、实施简单等优点，通常用作燃烧室注射用HCl吸收剂。Chyang等人[6]的研究表明，随着Ca/Cl摩尔比从0增加到5，燃烧室烟气中HCl浓度急剧下降，因此，RDF掺烧比例的增大会增大CaCO3的使用量。

在含氯城市生活垃圾焚烧过程中，PCDD/Fs的排放已成为一个重要问题。由于RDF通常是以氯含量远高于其它矿物燃料的城市生活垃圾为原料制成的，因此研究掺烧过程中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钙后，烟气中PCDD/Fs的浓度降低，燃烧室中注入CaCO3可以有效地抑制PCDD/Fs的生成。因此，在RDF与煤掺烧时需通入足够的CaCO3以抑制HCl和PCDD/Fs的生成。

RDF中的硫含量与煤中的硫含量相似，掺烧时SO2排放量随RDF掺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与焦炭掺烧时SO2排放量随RDF掺比的增加而降低[7]。

在RDF与煤的混烧过程中，未知的灰行为和与灰有关的运行问题，如混烧对系统结渣和结垢的影响，是混烧技术的挑战之一。结渣倾向与基于助熔氧化物与烧结氧化物之比的结渣指数相关。当指数在0.75-2范围内时，观察到强烈的结渣现象。Kupka[8]等人在结渣反应器中进行了南非“米德尔堡”烟煤和垃圾衍生燃料的混烧试验，研究了添加替代燃料对混合物结渣倾向的影响。添加5%的垃圾衍生燃料(RDF)使沉积速率几乎增加了两倍，在沉积物中观察到了大的RDF熔融颗粒。锯末的添加会对混合物的沉积行为和沉积结构产生积极影响，即使在较高温度下，沉积速率也略有下降，灰熔融行为得到改善。

3 结束语

RDF与煤的掺烧研究表明，RDF的掺混比例小于30%时，对燃料的碳、硫、氮含量、灰分、水分和低位发热值影响不大，锅炉热效率也维持在较好的水平，二恶英、NOx、烟尘、SO2等污染物排放可以达到限制要求。RDF与煤混烧发电是一种良好的选择，可实现城市生活垃圾的资源回收与无害化处理。