燃煤电厂城市废弃物前置干燥炭化处置技术 小型化工业应用

李帅英，周虹光，李文杰，严万军，严响林，牛国平，卢 琦， 李 刚，秦昶顺，申世飞

（西安西热锅炉环保工程有限公司，陕西 西安 710054）

2019年我国大、中城市一般工业固体废物产生量约13.8亿t，工业危险废物产生量约0.45亿t，医疗废物产生量约84.3万t，城市生活垃圾产生量约2.34亿t[1]。传统的填埋、堆肥及焚烧等处置方式[2-3]，均存在地下水及土壤二次污染等环境风险。因此，废弃物资源化及无害化处置成为城市绿色发展面临的难题。

国家能源局、环境保护部联合下发的《关于开展燃煤耦合生物质发电技改试点工作的通知》指出，优先选取热电联产煤电机组布局燃煤耦合垃圾及污泥发电技改试点项目。《2019—2020年全国碳排放权交易配额总量设定与分配实施方案（发电行业）》指出，完整履约年度内，掺烧生物质（含垃圾、污泥等）热量年均占比超过10%且不高于50%的化石燃料机组暂不纳入配额管理。因此，国家政策积极推进燃煤电厂对城市废弃物的资源化及无害化处置，充分利用国家已有火电基础设施，大量释放其对废弃物的处置潜能，将节省社会资本及土地资源，为国家循环经济建设、长江大保护及黄河大保护战略的实施提供新的技术途径，助力国家“碳达峰、碳中和”目标实现。

1 燃煤耦合废弃物发电概况

1.1 污泥耦合发电

污泥耦合发电有2种工艺路线[4-5]：污泥直掺工艺，“污泥干化+掺烧”工艺。

污泥直掺是将污水厂含水率为60%～80%[6]的污泥持续添加在输煤皮带的原煤层上，依次经过制粉系统及燃烧器后进行焚烧处理。工艺简单、投资费用小，但由于污泥混合不均匀等因素影响，容易造成原煤仓和给煤机堵塞问题，污泥掺烧量较小。

“污泥干化+掺烧”工艺先将污水厂污泥的含水率由60%～80%降至40%以下，再送入输煤系统进行掺烧。系统相对复杂，投资较大，但系统安全性高，污泥掺烧量大。一般可采用直接干化[7-8]（烟气干化技术等）、间接干化[8-9]（圆盘蒸汽干化技术等）及新兴干化[10-11]（太阳能干化等）等技术降低污泥含水率，提高综合利用价值，避免系统堵塞等问题。

1.2 垃圾耦合发电

垃圾耦合发电技术方案有燃气侧耦合、燃汽侧耦合、烟气侧耦合及气化耦合等[3,12-13]。

目前，国内外垃圾焚烧领域主要采用垃圾焚烧发电或利用水泥炉窑协同处置。其中，垃圾焚烧发电厂采用机械炉排焚烧炉的占比较大。我国70%以上垃圾电厂采用该炉型，其余主要采用流化床锅 炉[14]。水泥炉窑协同处置技术要求垃圾热值大于 10 500 kJ/kg，同时需限制垃圾中钾、钠、硫、氯元素含量，避免对炉窑安全运行造成影响，每生产1 t水泥熟料可处置垃圾约0.2 t，投资费相对较低[14-18]。

1.3 生物质耦合发电

生物质耦合发电技术主要有直接混燃耦合发电技术、分烧耦合发电技术及生物质气化耦合发电技术3种方式[19-22]。

目前，大型燃煤锅炉耦合生物质发电技术在欧洲许多国家得到应用。英国近年来发展了大型燃煤锅炉自由比例（0~100%）生物质耦合发电技术，可实现不再烧煤。我国生物质耦合发电技术发展较晚，目前处于起步阶段。

1.4 燃煤耦合废弃物发电技术原理

抽取煤粉锅炉高温烟气作为惰性加热介质，在一体化处理机内部对城市废弃物进行干燥、炭化、粉碎及输送的一体化处置，一体化处理机出口全组分产物经密闭管道直接输送至炉膛进行焚烧。1 300~1 500 ℃的高温炉膛条件遏制了废弃物焚烧过程中二噁英等污染物的生成，废弃物焚烧产生的大气污染物经锅炉尾部环保设施高效脱除后达到超低排放水平，高参数机组提高了废弃物蕴含的化学能向电能的转化率。城市废弃物前置干燥炭化技术工艺流程如图1所示。

1.5 燃煤耦合废弃物发电技术特点

1）处置对象适应性强，同一套设备能适应污泥、生物质、垃圾、碎布料及油泥等多源废弃物的处置。

2）整个处置过程处于负压环境，全组分产物经密闭管道直接输送至炉膛焚烧，无臭气及有机臭水产生。

3）一体化机内部进行了废弃物的干燥、炭化、粉碎及输送的一体化处置。

4）系统电耗小于100 kW·h/t。

5）废弃物燃烧产生的污染物排放指标达到超低排放。NOx排放质量浓度小于50 mg/m3，SO2排放质量浓度小于35 mg/m3，烟尘排放质量浓度10 mg/m3。粉煤锅炉炉膛高温条件遏制了二噁英类物质生成。

6）废弃物蕴含的化学能向电能的转化效率达37%~42%，较垃圾发电厂提高了30%~50%。

7）工艺简捷、占地小、投资省。

1.6 燃煤耦合废弃物发电技术比较

目前，行业内典型的废弃物处置技术中污泥蒸汽干化掺烧、水泥炉窑协同及垃圾发电厂与燃煤电厂城市废弃物前置干燥炭化技术关键参数[23-26]见表1。表1中燃煤耦合技术的二噁英排放限值参照上海市地方标准《燃煤耦合污泥电厂大气污染物排放标准》（DB 31/1291—2021）。

表1 废弃物处置技术关键参数 Tab.1 Key parameters of waste disposal process

2 工程技术方案

2.1 锅炉概况

国内某电厂超超临界参数变压运行直流锅炉（HG-3100/27.46-YM3），采用П型布置、单炉膛、水平浓淡燃烧器低NOx分级送风燃烧系统、墙式切园燃烧方式，炉膛采用内螺纹管垂直上升膜式水冷壁、带再循环泵的启动系统、一次中间再热。过热蒸汽调温方式以煤水比为主，同时设置三级喷水减温器；再热蒸汽主要采用尾部竖井分隔烟道调温挡板调温，同时燃烧器的摆动对再热蒸汽温度也有一定的调节作用，在低温再热器入口管道上还设置有事故喷水减温器。锅炉采用平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构，燃用贫煤。锅炉主要设计参数见表2。

锅炉尾部配套了完善的污染物脱除系统，使大气污染物排放指标达到超低排放水平。其中，采用低氮燃烧器技术及选择性催化还原（SCR）脱硝技术，实现NOx排放质量浓度小于50 mg/m3；采用高效湿法脱硫技术，实现SO2排放质量浓度小于35 mg/m3；采用低低温电除尘器技术及高效除雾器技术，实现烟尘排放质量浓度小于10 mg/m3。

表2 锅炉主要设计参数 Tab.2 The main design parameters of boiler

2.2 技术方案

目前，城市废弃物前置干燥炭化技术率先在燃煤耦合污泥发电项目上进行了工业应用，主要包含一体机系统、污泥储存系统及炉烟系统。该项目采用“两炉一机”配置方式，依据《煤的工业分析方法》（GB/T 212—2018）及《燃料元素的快速分析方法》（DL/T 568—2013）等标准，对锅炉入炉煤及污泥进行了检测，详细数据详见表3，技术方案如图2所示。

表3 机组入炉煤及污泥参数 Tab.3 Parameters of coal and sludge into the boiler

1）污泥存储系统

配置1套50 m3污泥储仓，为避免腐蚀，增加污泥储仓润滑性，内壁采用内贴2 mm不锈钢或内衬PE板等措施。污泥仓底部布置螺旋给料机，给料机出口污泥经螺旋输送装置进入一体化处理机中处置，系统输送能力为5 t/h。其中，螺旋给料机采用变频方式对给料量进行调节，污泥存储系统占地约5.0 m×10.0 m。

2）一体化处理机

两台锅炉配置1套一体化处理机，由回转干燥段及粉碎输送段组成，回转干燥段功率250 kW，粉碎输送段功率220 kW。一体化处理机污泥处置能力100 t/d，占地面积为5.0 m×12.8 m。

3）炉烟系统

为保证单台锅炉停炉或检修期间，一体化处理机正常运行，5号、6号锅炉都具备抽取600 ℃和350 ℃左右烟气的能力。2种不同温度烟气混合形成500 ℃左右的混合烟气进入一体化处理机，出口烟气及产物温度约180 ℃，通过管道经增压风机输送至锅炉泥粉燃烧器，进入炉膛进行焚烧处置。增压风机功率为220 kW，采用变频电机。

4）除臭系统

污泥仓及污泥卸料间布置抽气系统，通过风道母管与增压风机入口连接。除臭系统利用抽气形成的微负压防止污泥卸料及存储过程中臭气外逸，且抽集的气体借助一体化处理机出口专门的产物输送管道，送至锅炉炉膛进行焚烧处置。

3 工程应用结果

该项目投运后，污泥处置量约100 t/d，系统电耗约82 kW·h/t。通过DCS系统，对掺烧污泥前后锅炉运行及污染物排放关键参数进行了对比，结果见表4。由表4可见，污泥掺烧前后主辅机运行参数均正常。

此外，委托权威机构对锅炉效率、烟囱入口烟气的二噁英及粉煤灰中重金属含量进行了检测。锅炉效率按《电站锅炉性能试验规程》（GB/T 10184—2015）采用反平衡法进行测试；二噁英依据《环境空气及废气二噁英类的测定》（HJ 77.2—2008）进行测试；重金属依据《固体废物 金属元素的测定电感耦合等离子体质谱法》（HJ 766—2015）进行测试。测试结果见表5。由表5可见：掺烧污泥前后，锅炉效率变化幅度较小，下降了0.05百分点，主要因为污泥中的水分及烟气再循环技术等因素导致了锅炉排烟温度的升高；掺烧污泥前后，二噁英及粉煤灰中的重金属含量无明显差别。

表4 锅炉运行及污染物排放关键参数 Tab.4 Key parameters of the boiler operation and pollutants emission

表5 二噁英及重金属排放参数 Tab.5 Emission parameters of dioxins and heavy metals

4 结 论

1）燃煤电厂城市废弃物前置干燥炭化技术具有系统简捷、占地小、投资省、处置过程无臭气及有机臭水产生等优点。另外，利用煤粉锅炉炉膛高温条件（1 300~1 500 ℃）遏制了二噁英类物质生成。

2）利用锅炉尾部环保设施使得废弃物焚烧产生的大气污染物达到超低排放水平。

3）利用高参数发电机组提高了废弃物化学能向电能的转化效率，实现了燃煤电厂对不同种类城市废弃物的资源化及无害化处置。