摘要：城市固廢的快速增長及其再利用是當(dāng)前面臨的環(huán)境和社會問題之一，利用城市固廢作為現(xiàn)有燃煤電廠的耦合發(fā)電燃料并循環(huán)利用，可助力“無廢城市”建設(shè)。城市固廢耦合發(fā)電可通過利用燃煤電廠現(xiàn)有的系統(tǒng)和設(shè)施，對城市固廢進行破碎、擠壓成型等預(yù)處理后制成成型燃料，再通過輸煤系統(tǒng)輸送進循環(huán)流化床鍋爐爐膛完成耦合燃燒，實現(xiàn)對城市固廢的集中處置及循環(huán)利用。為此，結(jié)合實際工程應(yīng)用，探討在循環(huán)流化床鍋爐中將城市固廢作為耦合燃料進行耦合發(fā)電的工況，以及城市固廢耦合發(fā)電的效果，為實現(xiàn)城市固廢減量化和資源化利用提供有力地支撐。

關(guān)鍵詞：城市固廢；循環(huán)流化床鍋爐；耦合發(fā)電；減量化；資源化

隨著我國城市固廢產(chǎn)生量的增加，“固廢圍城”現(xiàn)象頻發(fā)，使得城市固廢減量化和資源化利用變得尤為重要。由于焚燒技術(shù)是目前處理城市固廢的有效方法之一，因而在固廢焚燒工藝中，與其他焚燒工藝相比，循環(huán)流化床技術(shù)不僅是一種采用高速氣流循環(huán)流化固體燃料的燃燒技術(shù)，可將煤炭、生物質(zhì)、廢棄物等多種固體燃料進行燃燒，還具有燃料適應(yīng)性比較廣、NOx 排放少、灰渣利用率高等優(yōu)點，可實現(xiàn)大型工程化固廢利用[1]。加之，循環(huán)流化床技術(shù)可有效地降低燃煤對環(huán)境的污染，已在燃煤電廠中被用于生產(chǎn)蒸汽以驅(qū)動渦輪機發(fā)電，從而提高發(fā)電效率、降低煤炭消耗，以及減少燃煤發(fā)電時的有害氣體排放。因此，借助循環(huán)流化床技術(shù)，讓城市固廢資源化利用與燃煤耦合發(fā)電相結(jié)合，既能使城市固廢得到無害化、減量化處理和資源化利用，解決“固廢圍城”的社會問題，又符合生態(tài)環(huán)境建設(shè)的客觀要求[2][3]。

1 城市固廢耦合發(fā)電的作用與方式

1.1 作用概述

目前，我國燃煤發(fā)電產(chǎn)業(yè)面臨機組負荷率低、發(fā)電小時數(shù)低[4]、煤炭燃料價格波動難以預(yù)測等多重轉(zhuǎn)型升級考驗，因此通過在燃煤電廠的循環(huán)流化床鍋爐中使用城市固廢替代煤炭或與煤炭混合作為燃料進行耦合發(fā)電，不僅可降低燃煤電廠的燃料成本，還可推動燃煤發(fā)電產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。根據(jù)我國固廢處置政策和技術(shù)要求，以及現(xiàn)有燃煤發(fā)電廠的實際情況，利用循環(huán)流化床技術(shù)協(xié)同處置城市固廢，是解決城市固廢處置難題最可靠和有效的一種途徑[5][6]。

1.2 耦合發(fā)電方式

直接耦合、間接耦合和并聯(lián)耦合是城市固廢耦合發(fā)電常見的3 種方式。其中，直接耦合發(fā)電是指將城市固廢在循環(huán)流化床鍋爐中直接作為燃料或與煤炭混合作為燃料進行耦合發(fā)電的技術(shù)，初始投資和運營費用較低，成熟度較高[7][8]。因此，本文依托福建省某發(fā)電有限公司2×300 MW 循環(huán)流化床鍋爐“城市固廢”綜合利用項目（下稱“案例項目”），研究在循環(huán)流化床鍋爐中使用工業(yè)固廢（服裝及鞋業(yè)的邊角料）、污泥等城市固廢作為耦合燃料進行直接耦合發(fā)電的工況，探討城市固廢耦合發(fā)電工程應(yīng)用的成效，為城市固廢無害化、減量化、資源化處理與利用提供可復(fù)制的成功經(jīng)驗。

2 直接耦合發(fā)電工藝設(shè)計應(yīng)用與運行控制

2.1 工藝路線的優(yōu)化設(shè)計與應(yīng)用

由于城市固廢具有與燃煤差別較大的物理性質(zhì)，使得其無法通過燃煤電廠現(xiàn)有的輸煤系統(tǒng)直接進行破碎利用，因而為解決城市固廢破碎與輸送至循環(huán)流化床鍋爐的問題，案例項目對城市固廢直接耦合發(fā)電工藝路線進行了優(yōu)化設(shè)計，建立了破碎系統(tǒng)及氣力輸送系統(tǒng)。城市固廢在市場前端打包成捆運至燃煤電廠后，通過叉車叉進料倉，破包后采用破碎系統(tǒng)的雙軸撕碎機將其破碎，再通過輸送皮帶和氣力輸送系統(tǒng)經(jīng)循環(huán)流化床焚燒爐回料口送至爐內(nèi)燃燒。

采用“爐內(nèi)噴鈣+SNCR 脫硝＋靜電除塵+半干法脫硫＋袋式除塵”工藝，處理城市固廢在循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)燃燒產(chǎn)生的煙氣。其中，煙氣脫硫裝置采用循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)噴鈣技術(shù)，通過氣相與固相流機制提升傳質(zhì)、傳熱效率，進而提高脫硫效率；除塵裝置為雙室四電場電除塵器，除塵效率高達99%；脫硝裝置采用選擇性非催化還原法（SNCR），脫硝效率可達80% 以上。

2.2 系統(tǒng)的集中控制與保護

城市固廢直接耦合發(fā)電的運行控制方式采用操作站集中控制，并向循環(huán)流化床鍋爐集散控制系統(tǒng)（DCS）傳送運行數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對城市固廢耦合發(fā)電系統(tǒng)中所有工藝設(shè)備的運行控制及保護。同時，就地設(shè)置視頻監(jiān)控整個系統(tǒng)運行情況，讓運行人員能根據(jù)工況與就地情況及時調(diào)整城市固廢耦合燃燒量。

3 耦合燃燒的城市固廢與工況

城市固廢包含工業(yè)固廢、農(nóng)業(yè)固廢、醫(yī)療固廢等固體廢棄物，但案例項目只在2×300MW 循環(huán)流化床鍋爐中耦合燃燒了工業(yè)固廢與污泥2 種城市固廢，因此研究只分析耦合燃燒工業(yè)固廢與污泥的成分與發(fā)電工況。

3.1 耦合燃燒的城市固廢成分與分析

3.1.1 工業(yè)固廢

案例項目中耦合燃燒的工業(yè)固廢為福建省內(nèi)服裝、鞋子及紡織品加工過程產(chǎn)生的邊角料，其成分如表1 所示。

3.1.2 污泥

污泥中不僅含有豐富的有機物及無機物，還含有較多重金屬等有害物質(zhì)[9]，因此污泥須經(jīng)有資質(zhì)的單位鑒別為一般工業(yè)固廢后方可作為耦合燃料。 案例項目中耦合燃燒的污泥主要來源于福建省內(nèi)生活污水處理廠和紡織印染企業(yè)，包含90% 的生活污泥和10% 的紡織印染企業(yè)污水處理站污泥，且耦合燃燒的污泥為干化處置后的干污泥（干污泥中的水分約為30%），其成分如表2 所示。

3.2 城市固廢耦合發(fā)電鍋爐熱效率與工況

案例項目現(xiàn)役的2×300 MW 循環(huán)流化床鍋爐，具有熱容量大、自動化高、運行控制簡單等特點，適合用于城市固廢耦合燃燒發(fā)電。鍋爐運行時間為24 h/d（5500 h/a），燃燒階段爐膛密相區(qū)的溫度始終維持在850～920 ℃。研究根據(jù)案例項目燃煤發(fā)電廠的實際情況，計算鍋爐熱效率，探討城市固廢耦合發(fā)電工況。

3.2.1 鍋爐熱效率計算

鍋爐熱效率如式（1）所示按熱損失法計算[10]。

在實際計算過程中，由于試驗狀況與鍋爐性能保證狀況會存在一定的偏離，因此在與保證值進行對比前需將計算得到的鍋爐熱效率值進行修正處理。

3.2.2 耦合發(fā)電工況分析

循環(huán)流化床鍋爐投入爐膛總風(fēng)量的變化，表現(xiàn)為爐內(nèi)氧量的變化，爐內(nèi)氧量會影響鍋爐熱效率。因此，循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)最佳氧量的具體數(shù)值，應(yīng)根據(jù)煤質(zhì)、機組負荷、城市固廢耦合燃燒量等特性確定。案例項目耦合發(fā)電機組為中負荷（蒸發(fā)量約740 t/h），耦合城市固廢量約為15 t/h。如表3 所示，當(dāng)最佳氧量為2.0% 的工況1 下，修正后的鍋爐效率最高為92.22%；當(dāng)氧量在工況2 與工況3 的1.7%～2.3% 之間時，鍋爐熱效率差異不大；當(dāng)氧量為工況4 的1.45% 時，修正后的鍋爐熱效率有明顯下降，故燃燒城市固廢直接耦合發(fā)電時應(yīng)盡量避免過低氧量的工況。

如表4 所示，當(dāng)投入的耦合城市固廢量為10.3 t/h 且投風(fēng)時，工況5 修正后的鍋爐熱效率為91.93%；當(dāng)不投城市固廢、投風(fēng)時，工況6 修正后的鍋爐熱效率為92.20%；當(dāng)不投城市固廢、不投風(fēng)時，工況7 修正后的鍋爐熱效率為92.57%。無論是否耦合城市固廢，循環(huán)流化床鍋爐的熱效率都比較高。

從工況5 與工況7 的對比可以看出，當(dāng)投入10.3 t/h 的正常量城市固廢且投風(fēng)時，受排煙溫度和灰渣含碳量差異的綜合影響，無組織風(fēng)量增加，空預(yù)器換熱減少，影響了排煙溫度，使得修正后的鍋爐熱效率降低了0.64%。但投入10.3 t/h 的正常量城市固廢，會增加1.2%左右的飛灰含碳量，不過底渣含碳量基本不受影響。因此，為穩(wěn)定循環(huán)流化床鍋爐的熱效率，在實際日常運行中，應(yīng)根據(jù)實時監(jiān)控數(shù)據(jù)調(diào)整城市固廢耦合量。

從工況6 與工況7 的對比可以看出，當(dāng)不投城市固廢停而投風(fēng)時，修正后的鍋爐熱效率下降了0.37%，主要原因是在同樣氧量下爐內(nèi)無組織風(fēng)量增加，降低了通過空預(yù)器的風(fēng)量，使得換熱效果相應(yīng)降低。因此，當(dāng)短時間內(nèi)無法投運城市固廢時，應(yīng)注意及時停風(fēng)，避免增加循環(huán)流化床鍋爐與機組能耗。

4 城市固廢耦合發(fā)電煙氣達標(biāo)排放與效益

4.1 煙氣達標(biāo)排放

城市固廢在循環(huán)流化床鍋爐耦合燃燒產(chǎn)生的煙氣，依托燃煤電廠發(fā)電機組已有的煙氣凈化系統(tǒng)進行處理。依托煙氣凈化系統(tǒng)中新型布袋除塵器良好的重金屬脫除效果，使得城市固廢耦合發(fā)電燃燒排放的煙氣中重金屬基本為零，且由于重金屬含量較低，耦合發(fā)電燃燒產(chǎn)生的飛灰中重金屬含量也符合達標(biāo)排放要求。

城市固廢耦合發(fā)電燃燒產(chǎn)生的煙氣在循環(huán)流化床鍋爐的爐膛內(nèi)停留時間為4～5 s，且鍋爐實際燃燒溫度可達880 ℃以上，因而有效防止了二噁英在300～500 ℃時的再合成[11]，其燃燒特性對二噁英具有顯著的抑制作用。加之，爐內(nèi)噴鈣及爐后半干法脫硫工藝對煙氣中的二噁英具有很好的脫除效果，使得二噁英的排放指標(biāo)遠低于規(guī)定的0.1 ngTEQ/m3 允許值，實現(xiàn)了達標(biāo)排放。煙氣中二噁英含量監(jiān)測數(shù)據(jù)如表5 所示。

4.2 環(huán)境與經(jīng)濟效益顯著

按循環(huán)經(jīng)濟計算口徑，案例項目耦合燃燒城市固廢17 萬t/a，可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤10 萬t/a，減排NOx 約740 t/a、減排SO2 約850 t/a、減排CO2 約27.7 萬 t/a，節(jié)約碳排放交易費用約1606.6 萬元/a，降低脫硫成本34.87 萬元/a，具有良好的環(huán)境及經(jīng)濟效益。

5 結(jié)論

隨著我國“雙碳”工作的推進，城市固廢減量化、資源化處理與利用，以及燃煤電廠低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展任務(wù)愈加緊迫。在燃煤電廠現(xiàn)役循環(huán)流化床鍋爐中直接耦合城市固廢進行發(fā)電，不僅可實現(xiàn)城市固廢無害化、減量化、資源化處理與利用，也能在燃煤電廠低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展方面發(fā)揮更重要的作用。

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作者簡介

許翔（1975—），男，漢族，福建福州人，高級工程師，碩士，主要從事環(huán)境工程、環(huán)保核心工藝研發(fā)工作。

通信作者

黃文財（1978—），男，漢族，福建龍海人，高級工程師，學(xué)士，主要從事環(huán)境工程、環(huán)保核心工藝、造價預(yù)算工作。

加工編輯：馮為為

收稿日期：2024-09-30