炉排炉协同处置飞灰技术探讨

王育波

（龙净能源发展有限公司，福建 厦门 361000）

随着我国经济的发展和国民生活水平的提高，垃圾焚烧发电已经成为生活垃圾无害化处理的主流，产生的飞灰量也逐年增加，传统的飞灰处理方式就是稳定化+填埋，存在成本高及对环境污染风险大等问题，因此找到一种新的飞灰处理方式就显得很有必要。

1 研究背景

1.1 飞灰处理现状及概况

生活垃圾焚烧烟气中大部分重金属和二噁英被烟气净化系统截留而富集于飞灰中，因而飞灰是环境中重金属和二噁英的重要汇集处，是明确列入我国《国家危险废物名录》（2016 年版）HW18 焚烧处置残渣的危险废物。

截至2020 年3 月，我国已投运垃圾焚烧产能规模约为38.5 万t/d。2019—2020 年垃圾焚烧项目井喷式增加，随着新项目投产，到2021 年，我国垃圾焚烧飞灰年产量将达到1 000 万t 以上。目前主要的飞灰处理方式有稳定化+填埋处理、回转窑协同处置（制水泥）、烧结造粒（制陶粒）及高温熔融技术（制玻璃体）。填埋是我国现在主要的飞灰处理方式，但简单的填埋方式存在严重的潜在危害，而且部分地区随着飞灰量的增加，填埋条件也逐渐难以满足，探索飞灰低成本、环保的处理方式是目前垃圾焚烧企业的主要研究方向之一。

1.2 飞灰处理主要技术路线简介

安全填埋是采用水泥、沥青或螯合剂固化的方式，使得飞灰中重金属的浸出浓度满足危险废物填埋污染控制标准GB 18598—2001《危险废物填埋污染控制标准》中的入厂要求。

回转窑协同处置（制水泥）是将经过水洗脱氯后的飞灰与制水泥原料一起混合进入回转窑1 400 ℃左右高温煅烧的方法使无害化处理后的飞灰做成水泥。

烧结造粒（制陶粒）是将飞灰与黏土等辅助材料混合，采用天然气做燃料，在回转窑中1 000 ℃以上高温下烧制，烟气经急冷降温、布袋除尘等工艺净化后排放。烧制的陶粒主要用作建筑骨料。

高温熔融技术（制玻璃体）采用直流等离子体弧技术，在1 500 ℃左右将飞灰熔融，经水淬后成为无定形的玻璃渣，属于一般工业固体废物。二噁英在高温下被彻底破坏，重金属被固化在玻璃体中。

2 垃圾焚烧富氧燃烧技术

上述方法中除了安全填埋之外，其余方法的本质都是在1 000~1 500 ℃高温下把飞灰中的二噁英去除的同时将重金属固化在高温烧结或者熔融的飞灰产物之中。目前基本采用包括冲天炉、电熔炉等离子熔融炉来达到这个温度，设备投资高，能耗较大且会带来有害烟气等附加污染。

若能把飞灰再循环送回垃圾焚烧炉炉膛中高温烧结，则可以节约能耗，减少飞灰处理设备投资，把飞灰在垃圾焚烧厂内部消化。但由于生活垃圾燃料热值较低，垃圾焚烧炉炉膛的温度一般在800~1 000 ℃，这个温度仍达不到高温烧结或者熔融的温度要求。在欧洲有一种通过提高焚烧炉炉膛燃烧空气的含氧量的方法来把炉膛燃烧温度提高，达到在炉膛烧结或者熔融飞灰，将飞灰制成类似于玻璃体的晶体颗粒的目的。

2.1 垃圾焚烧电厂富氧燃烧协同处置飞灰技术分析介绍

欧洲某公司于20 世纪初开始研发的一项在垃圾焚烧电厂中采用富氧燃烧方式提高燃烧温度，并与改进过的湿式除渣机和烟气再循环技术相结合来处理垃圾焚烧电厂中的底渣以及飞灰的技术，主要就是在垃圾焚烧厂增设制氧设备，在一次风中混入约为10%的氧气，把一次风中的含氧量提高到24%~35%，使燃烧温度以及料层温度提高到1 150 ℃左右，同时还增设红外燃烧控制系统监控炉膛温度，此系统包括在安装于第一烟道顶部的红外相机火焰温度监控系统，保证炉膛温度最高不超过1 300 ℃。在提高一次风含氧量的同时也降低炉膛内烟气过量系数和一次风量，以达到减少外排烟气量的目的。

另外，本技术采用了烟气再循环，富氧燃烧技术于2003 年在欧洲某垃圾焚烧发电项目上安装并运行至今。采用本技术提高炉膛燃烧温度的主要目的是提高燃烧效率，将燃烬的灰渣中的有机物进一步去除（酌减率小于0.1%），并将灰渣烧结成颗粒状晶体，减少其毒性浸出。另外，采取此技术可以降低CO，NOx排放，并且减少排放烟气量，减轻烟气处理系统的负担并达到碳减排的作用。后期本项目还增加了飞灰再循环设备，把锅炉炉灰以及除尘器下的飞灰搜集到一起后，将75%的飞灰输送回炉膛循环焚烧，剩余25%的飞灰外运无害化处理，大大减小了飞灰外运量，节省了飞灰处理成本。

2.2 垃圾焚烧电厂富氧燃烧协同处置飞灰技术特点总结

经过分析总结，此技术工艺有如下特点。

（1）尾气量减少35%，因此减少了污染物负担。

（2）破坏二噁英大于90%，炉膛出口二噁英含量小于0.3 ng TEQ/kg。

（3）粒状产品烧失量小于0.1%，符合HJ 1134—2020《生活垃圾焚烧飞灰污染控制技术规范》的相关要求。

（4）残余物不必玻璃化。

（5）每吨垃圾净功率输出大于500 kW·h（吨垃圾发电量）。

（6）飞灰产量减少，小于7 kg/t 垃圾（0.7%）。

此系统的工艺流程图如图1 所示[1]。

图1 炉排炉富氧燃烧协同处理飞灰总体工艺流程

3 富氧燃烧技术在国内项目实施的可行性分析

3.1 项目简介

国内某项目一期工程配置2 台单台处理能力500 t/d的机械炉排垃圾焚烧炉和余热锅炉，余热锅炉设计压力为4.0 MPa，余热利用蒸汽温度为450 ℃，配1 台25 MW 的凝汽式汽轮发电机组。项目为光大顺推炉排加风冷炉膛，目前飞灰外运量约为入厂垃圾量的4%。垃圾来源系城市生活垃圾，来自生活区、商业区、旅游区等，进炉垃圾成分见表1，入炉垃圾设计低位热值为7 535 kJ/kg。

表1 设计进炉垃圾成分

适用垃圾低位热值范围：最高工况为9 700 kJ/kg（2 317 Kcal/kg）；设计工况为7 535 kJ/kg（1 800 Kcal/kg）；最低工况为4 500 kJ/kg（1 075 Kcal/kg）。

3.2 项目实施炉排炉飞灰协同处置技术分析

如果在本项目上实施富氧燃烧技术，在推荐含氧量范围内调整空气中含氧量对炉膛理论燃烧温度、烟气量、排烟损失等重要参数的影响归纳见表2。

由表2 计算结果可以看出，在焚烧炉炉膛实施富氧燃烧，增加含氧量，提高炉膛燃烧温度的同时，可以显著减少余热锅炉出口烟气量并且降低排烟损失。当一次风中含氧量从21%提高到31%时，炉膛燃烧温度提高了近300 ℃，烟气量降低了近30%，排烟损失降低了近4%，相当于全厂发电效率提高了约1.2%。

表2 某500 t/d 项目富氧燃烧理论计算

此外由于提高炉膛含氧量可以减少一次风量以及外排烟气量，故送风机和引风机的运行电耗也可以相应降低[2]。

但是要在本项目上升级改造达到飞灰协同处置的目的，还需要考虑如下技术问题。

（1）再循环送回炉膛的飞灰，烧结成晶体颗粒后与底渣混合，需要对生成的晶体颗粒中的重金属、二噁英等有害成分做定期的检测，防止焚烧炉底渣中有害成分超标，影响底渣对外销售。

（2）增加飞灰再循环会加剧对炉膛的磨损，所以如果是水冷炉膛的话，需要考虑镍铬合金堆焊改造来保护炉膛膜式壁。

（3）提高焚烧炉炉膛燃烧温度，有可能加剧炉膛结焦结渣程度，如果是绝热炉膛或者风冷炉膛，有必要考虑改为水冷炉膛以降低结焦结渣的风险，同时也需要考虑增加烟气再循环装置，来降低余热锅炉第一烟道入口烟温，防止结焦结渣问题上延到余热锅炉水冷受热面，同时烟气再循环可以降低氮氧化物的产生。

（4）炉膛温度在富氧情况下燃烧温度提高，对炉膛浇筑料的高温稳定性能会有更高的要求[3]。

（5）炉膛燃烧温度的提高，对焚烧炉炉排片的要求更高，传统的风冷炉排片表面金属温度会进一步升高，需要确认炉排片的表面金属温度不超过其最高耐热温度，有必要的话，需要考虑把风冷炉排片更换为水冷炉排片，以保证在高炉膛燃烧温度下，炉排片金属温度仍然处于较低的水平。

（6）在一次风风道混入纯氧，存在一定的安全隐患，在增设相关设备时，需要充分考虑安全因素。

（7）现有湿式除渣机需要增加包括水洗、筛分等设备和工序，以及改造后是否会因为故障率提高而影响连续运行。

（8）根据目前的标准，飞灰属于危废，只能无害化处理。故在实施本技术前，需要跟政府环保部门从技术和经济的角度充分沟通，以避免环保处罚。

3.3 项目实施炉排炉飞灰协同处置经济性分析

按照日均进厂垃圾1 000 t 来估算，本项目每天产生飞灰大约40 t，按照年运行8 000 h 来计算，每年飞灰产量约为13 000 t，目前飞灰为原灰外运处置，处理价格为2 000 元/t，折算下来平均每年飞灰处理费用高达2 600 万元。飞灰中的盐和重金属含量很高，为了避免重金属富集污染底渣烧结产生的晶体颗粒产物，只能再循环一部分飞灰（最高75%）在炉膛烧结无害化处理，而剩余25%的飞灰仍然需要外运处置。所以理论上可以把本厂每年飞灰处理费用减少75%，节约近2 000万元。

此外，由上述理论计算得出，全厂发电效率通过实施富氧燃烧的方式，全厂发电效率可以提高1.2%左右，本厂配置25 MW 发电机组，按照全年运行时间8 000 h 计算，通过提高发电效率每年可以增加发电量240 万度，按照本项目上网电价0.508 元/度的价格估算的，年增加售电收入约为120 万元。

另一方面，本技术的实施成本包括氧气成本，炉膛浇筑料升级成本、炉排片更换成本、炉膛水冷膜式壁改造成本、炉膛膜式壁镍铬合金堆焊成本、飞灰再循环输灰装置成本、飞灰水洗装置成本、烟气再循环装置成本、底渣和飞灰烧结晶体颗粒检测成本等。

上述各项成本，要作出精确的估算较困难，目前仅从氧气成本来举例分析，2×500 t/d 的垃圾焚烧项目一次风量约为56 000 Nm3/h 每台，根据欧洲试点项目的经验，需要在一次风中混入约为10%的纯氧气，故需要消耗的总氧气量高达11 200 Nm3/h，如此大的氧气消耗量采用氧气罐储存供应从经济上和实际应用上不具备可行性，故只能考虑增设工业制氧机，一般一台2 000 Nm3/h 的工业制氧机采购成本约为15 万元，更大型的制氧机需要定制询价。

此外，炉膛膜式壁镍铬合金堆焊的价格约为1 万元/m2，目前此技术较成熟，此改造的价格需要根据具体方案制定之后堆焊的面积来确定。

由上述分析可以看出，此技术改造的收益可观，但是如果要将现有项目作为技改升级，改造成本会比较高。相比之下，此技术若在新建项目上实施，技术和经济上可行性会相对较高。

4 总结和分析

炉排炉飞灰协同处置最大的优势在于创造性地将列为危废的飞灰产物在厂内内部消化，大幅度减少了需要外运处理的飞灰，大大降低了飞灰处理成本，同时通过富氧燃烧提高了底渣的质量，提高了底渣外售价格。此外，此技术提高了全厂发电效率，增加了售电收入，减少了外排烟气量和二氧化碳量，对碳减排、碳达峰有着积极的意义。

但是目前阶段要在垃圾焚烧发电厂大规模实施此项技术，还需要解决成本问题、技术问题以及是否与环保法律法规相符的问题。要解决这些问题，还需要进一步的实验、测试以及跟政府环保部门沟通交流。