固废耦合燃煤机组发电技术应用研究

张科

（中国大唐集团科学技术研究总院有限公司华东电力试验研究院 安徽合肥 230033）

0 引言

2021 年，李克强总理在《政府工作报告》中提出，要加强污染防治和生态建设，持续改善环境质量，巩固蓝天、碧水、净土保卫战成果，促进生产生活方式绿色转型，同时对废水、垃圾等城市污染物处理提出了更高要求。

2022 年，我国生活垃圾焚烧发电并网装机容量达到了2 386 万kW，占全部电源0.95%，年发电量1 268 亿kWh，占全部电源1.51%。相对大型燃煤机组，垃圾焚烧电厂能量利用效率低，污染物排放指标高［1］。我国拥有世界最大的清洁高效煤电体系，利用煤电机组对污泥、垃圾等进行耦合发电，是对固废进行无害化、减量化、资源化、规模化处理的重要技术手段［2］。煤电+固废耦合发电可节约垃圾焚烧电厂建设费用，实现超低排放，缓解固废处置压力，实现固废由低效处置走向高值化利用，有效解决“垃圾围城”的困境，助力“无废城市”建设［3］。

本文结合安徽某发电厂“无废电厂”项目工程，开展针对厂区或园区的固废耦合燃煤机组发电技术的探讨和应用分析。

1 项目概述

1.1 机组概况

安徽某发电厂拥有2×660 MW 超临界机组，锅炉为上海锅炉厂有限公司生产的超临界参数变压运行螺旋管圈直流炉，单炉膛，一次中间再热、采用四角切向燃烧方式、平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构Π 型锅炉；汽轮机为超临界、一次中间再热、单轴、三缸、四排汽、双背压、八级回热抽汽、凝汽式汽轮机。

1.2 项目范围

该电厂的可见废弃物主要来自生产过程中产生的粉煤灰、脱硫石膏，以及办公生活产生的污泥、厨余垃圾、生活垃圾、农林废弃物等，其中粉煤灰、脱硫石膏已实现资源化利用。本文针对污泥、厨余垃圾、生活垃圾、农林废弃物的资源回收、废物零排放的路线进行论证。

1.3 厂内固废统计

对该电厂内连续30 d 可见废弃物统计，厂内工作日可见废物产量为3 t/d，周末为1 t/d。其中，厨余垃圾工作日为0.14 t/d，周末为0.05 t/d。对厂区内采集的固废分类后进行成分分析，化验结果如表1 所示。

表1 厂内固废工业分析、元素分析、发热量

2 设计要点与工艺流程

2.1 设计要点

（1）在满足系统输送要求的前提下，应尽可能合理布置管道系统，缩短输送管道的长度［4］，尽可能减少管道弯头数量及管道附件（如阀门）。

（2）在保证满足固废输送量及合理管道阻力的前提下，应选择小管径的管道，保证固废燃烧器喷口速度，降低对锅炉燃烧设备的影响。

（3）固废外部水分、挥发分占比高，燃烧喷入口附近应增加热二次风管道，及时干燥进入炉膛的固废颗粒，同时为固废燃烧提供充足氧气，防止二次风不足引起锅炉煤粉燃烧不完全。

（4）在保证固废燃料在管内输送无堵塞风险的前提下，应选择较小的固废燃烧器喷口流速，防止影响锅炉原动力场；但不应低于燃烧器喷口所需的一次风速要求，防止燃烧器喷口烧损。

2.2 污泥掺烧方案

燃煤电厂污泥掺烧技术已经得到了广泛的推广应用，但污泥掺烧改造后的电厂所掺烧的污泥一般来自城市污水处理厂，掺烧量较大。对于厂内固废，厂内污泥产量小，掺烧比例低，对炉膛炉温没有大的影响，烟气中污染物的排放符合国家污染控制标准，其中二噁英、氯化氢浓度值均控制在较低的范围内，污泥中大部分重金属残留在灰渣中，但增加十分有限，不会影响粉煤灰的综合利用。

2.2.1 污泥处理方式

目前污泥的处置方法主要是填埋、焚烧、堆肥和作为污泥建材使用。填埋处理会造成水体和土壤污染，占用土地资源。常规焚烧处理方式主要利用焚烧炉进行处置，投资运行费用高，并且产生的烟气、炉渣等会造成二次污染。堆肥处理也会造成水体和土壤污染，且产品不能用于农作物，使用范围有限。污泥建材由于含有有毒物质和生产过程污染物的影响，利用率很低。然而，污泥与大型燃煤机组掺烧，利用现有的锅炉和环保设备，耦合燃煤发电，可以有效达到减量化、无害化、资源化处置的目的。

2.2.2 污泥掺烧工艺路线

对于污泥掺烧量不大（热值比例＜3%）的电厂，一般采用直接掺烧的方式，例如大唐南京发电厂、国能神皖马鞍山发电责任有限公司、江苏镇江发电有限公司等。相对于干化掺烧和其他污泥焚烧方式，污泥直接掺烧具有占地面积小、投资小、建设周期短、运行成本低、设备维护检修费用低等特点。

该电厂厂内污泥主要来源于煤场、化学前池、生活污水前池等废水管道底部淤积，含水率可达80%以上，污泥总量较少。

对于电厂产生的污泥，定期清理后由车辆集中运输至煤场，在煤场倾倒晾晒。在煤仓上煤时，斗轮堆取料机将污泥与原煤同时送至输煤皮带，通过原煤与污泥的混合覆盖，减少污泥的运输过程中产生的臭味。掺混后送入原煤仓，通过给煤机进入磨煤机，进行干燥研磨，经过风粉系统进入炉膛焚烧。燃烧后的烟气利用尾部环保设施处理后排放，燃烧后的固体混入炉渣和粉煤灰作为资源综合利用。

该项目选取的污泥掺烧工艺如图1 所示，借助电厂现有的贮煤、输煤系统，无需新增设备。

图1 污泥掺烧工艺流程图

2.3 厨余垃圾掺烧方案

厨余垃圾是电厂食堂和厂区内丢弃的果蔬及食物下脚料、剩菜剩饭、瓜果皮、加工过程废弃物等易腐有机垃圾。厨余垃圾含有较多的油脂成分，容易腐坏、产生恶臭。

2.3.1 厨余垃圾处理方式

对于厨余垃圾的处理，往往采用填埋、好氧堆肥、厌氧消化技术等方式。

填埋处理对环境的负面影响很大，不仅破坏了地表的植被和空气，而且会污染垃圾场附近的土壤和水源［5］。厨余垃圾中还含有大量微生物，成了病菌、病毒、害虫等的滋生地和繁殖地。

应用厌氧技术发酵处理厨余垃圾，在生态环境方面具有突出优势，但是存在投资大、适合大规模厨余垃圾处理等问题［6］。对于厨余垃圾处理量大于200 t/d 时，可以采用厌氧发酵技术，不仅技术可靠，而且能产生沼气进行二次利用。对于电厂来说，厨余垃圾产生量不足，采用厌氧发酵工艺无法完成经济效益回收。

厨余垃圾含水率往往在60%～85%之间，根据调研数据，我国厨余垃圾收到基低位发热量为3.1 MJ/kg，低于垃圾焚烧炉5.0～7.5 MJ/kg 的低位热值要求。厨余垃圾在电厂中露天暴露的时间很短，一般不会超过1 d，往往不会在发出浓重恶臭的时候就进行掺烧，产生病菌的可能性较小，对土壤、空气和水源的污染自然会少很多。因此对于该电厂，可采用掺烧的方式对厨余垃圾进行处理。

2.3.2 厨余垃圾掺烧工艺路线

厨余垃圾含水率高、成分复杂，需经过脱水破碎，送入炉内掺烧。

（1）厨余垃圾的破碎脱水。将收集后的厨余垃圾，倒入破碎机内破碎至3～30 mm 粒径物料。破碎机采用剪切式破碎机，由大功率电动力通过减速箱带动轴和刀具互相对转，以达到将物料挤压、撕碎和剪切的目的。该破碎机不受物料黏度、硬度、纤维等限制，对任何物料都能起到较好的破碎作用，同时可以脱去部分水分。

（2）厨余垃圾的输送。破碎成型后的厨余垃圾及渗滤液，通过螺旋输送机运送至斗提机处，由斗提机提升至料仓内贮存。

螺旋输送机采用无轴全封闭式螺旋输送机，材质选用不锈钢材料，螺旋表面易清洗，可保证环境卫生和所送物料不受污染、不泄漏。由于螺旋无轴，物料不易堵塞，排料口不堵塞，因而可以较低速度运转，平稳传动。

螺旋输送机输送来的垃圾物料，由斗提机提升运输至1、2号锅炉房内的料仓，斗提机为不锈钢材质的全封闭式斗提机。

料仓设2 台，分别位于1 号机组炉右43.8 m 平台和2 号机组炉左43.8 m 平台。料仓顶部由密封盖，防止厨余垃圾异味的散发；料仓中部设有振打装置，当仓内垃圾无法正常下料时，进行振打；料仓底部为常开式放料机构，通过软连接与单缸柱塞泵相连；在单缸柱塞泵末端，设有水平开合防火门，防止炉膛压力波动时，高温烟气到窜入给料系统中。

柱塞泵选用带剪切闸阀、柱塞冲剪头的单柱塞泵的单缸柱塞泵，输送粒径可达输送缸径的80%。输送管道上设有膨胀节。

（3）焚烧入口位置。分别选取1 号锅炉右墙、2 号锅炉左墙标高41.7 m 的观火孔，将观火孔与输料管道通过扩口连接，垃圾物料由此处送入炉内。

垃圾入炉所利用的观火孔位于SOFA 风区域，此区域空气、烟气扰动能力较强，空气、烟气温度高，局部氧气含量较高，利于燃尽。喷入炉内的垃圾物料在高温烟气卷吸下脱出部分水分，比重较高的垃圾物料在下落过程中继续完成干燥、热解、燃烧过程，比重较低物料随烟气在上升过程中完成燃尽。

（4）厨余垃圾的焚烧。由于厨余垃圾长时间存放后，病菌会大量繁殖。因此，经过脱水粉碎后的厨余垃圾颗粒需要当天进入炉内掺烧。与柱塞泵出口输料管道与观火孔利用扩口管段相连。利用单缸柱塞泵，将垃圾颗粒由改造后的锅炉左（右）侧墙观火孔喷入炉内进行焚烧。

2.4 生活垃圾、农林废弃物掺烧方案

生活垃圾来自于办公产生的废弃物，主要有废纸、废弃塑料、纺织品等，易燃烧，但燃烧温度低于800 ℃时会产生二噁英等有害化学物质。农林废弃物主要来自于电厂内盆栽绿化等植物的枯枝败叶，可以燃烧，但燃烧会生成大量飞灰。生活垃圾、农林废弃物均具有较高的发热量。

2.4.1 生活垃圾、农林废弃物处理方式

常见的生活垃圾和农林废弃物的处理方式是卫生填埋和焚烧。其中集中焚烧现在成为各地广泛采用的处理技术。然而垃圾焚烧产生的二噁英、氯化物、二氧化硫、氮氧化物等污染物，均需垃圾焚烧电厂单独配备复杂的烟气净化系统进行处理，投资大、能耗高、净化效率低，传统的垃圾焚烧发电机组效率仅为18%～25%。相较于垃圾焚烧电厂，大型燃煤机组耦合垃圾发电可以利用高校热力循环系统的优势，提高发电效率10%以上，还可以避免垃圾焚烧机组排烟温度高、飞灰沾污、二噁英等污染物处理成本高等问题。

因此，对于该电厂厂内产生的生活垃圾和农林废弃物，均适合在锅炉内进行燃烧，通过炉内高温减少二噁英等有毒气体的产生，燃烧产生的飞灰由烟气除尘系统进行捕集脱除。

2.4.2 生活垃圾、农林废弃物掺烧工艺路线

（1）生活垃圾、农林废弃物的分拣与破碎。厂内生活垃圾应做好分类，金属等可回收垃圾筛选后回收利用，不可回收垃圾与厂内产生的生物质秸秆等送至破碎机进行破碎。厨余垃圾与生活垃圾等共用1 台剪切式破碎机。

（2）生活垃圾、农林废弃物的输送与焚烧。破碎后的生活垃圾、农林废弃物与厨余垃圾一起通过输料系统运送至料仓，由给料系统，将垃圾颗粒由给料口喷入炉内焚烧平台进行焚烧。工艺流程如图2 所示。

图2 厨余垃圾、生活垃圾、农林废弃物处理工艺流程图

3 设备选型及布置

本工程应用中增加设备：1 台生活垃圾破碎机、1 台螺旋输送机、2 台斗提机、2 台柱塞泵，并对41.7 m 处的观火孔进行改造。在该层平台处增设料仓，料仓内厨余垃圾、生活垃圾、农林废弃物等物料进入炉内焚烧平台进行焚烧，厂内污泥通过输煤系统进入炉内燃烧。主设备参数及布置如表2、图3 所示。

图3 锅炉设备布置图

4 应用效果及建议

该电厂每年掺烧垃圾量为1 040 t，收到基低位发热量为6.27 MJ/kg，每年可节约标煤222.5 t，每年可减少CO2排放量554.7 t。按照碳交易市场2021—2022 年度交易周期价格50 元/t 及2022 年度入厂标煤单价1 120 元/ t 计算，碳减排和节约燃煤所带来的直接经济收益为52.6 万元。

项目投产后，固废燃烧器喷口附近腐蚀结焦明显。经分析发现，固废颗粒在燃烧器喷口流速仅为15 m/s，当燃用有机质较高的固废时，着火位置提前，造成喷口结焦腐蚀。若进行更高比例的固废耦合量改造，建议选取气力输送系统，以提高固废颗粒喷口流速。