煤與垃圾在流化床中的混燒利用技術(shù)分析
1前言
目前大多數(shù)城市都在尋求垃圾的衛(wèi)生處理方式。一般，國(guó)外處理垃圾方式分3類：填埋、堆肥和焚燒，但實(shí)際上，3種方式是互補(bǔ)的，各有優(yōu)勢(shì)。堆肥的剩余物需要焚燒和填埋，而焚燒的殘余灰渣需要填埋。最佳的方式是垃圾綜合利用處理。通過垃圾分類或采用機(jī)械化分揀，將垃圾分成可堆肥的生物質(zhì)類、可焚燒發(fā)電的塑料類、可填埋的灰渣類以及可再利用的物資類等，然后分別處理。但是，由于經(jīng)濟(jì)條件所限，目前我國(guó)仍采用單純填埋、堆肥或焚燒等。由于我國(guó)大型城市多處于人多地少的東部地區(qū)，填埋用地缺乏，因此采用焚燒制能技術(shù)處理垃圾是一種很好的選擇。
單純焚燒垃圾的技術(shù)在我國(guó)尚處于研究開發(fā)階段[1～3]，仍需進(jìn)一步改進(jìn)并大型化，而采用煤與垃圾混燒發(fā)電將是一種很好的選擇。與純燒垃圾相比，混燒技術(shù)能保證燃燒穩(wěn)定，提高發(fā)電效率，有利于投資回收，同時(shí)減少了垃圾焚燒爐的建設(shè)成本和投資。由于流化床是一種新型、高效和清潔的焚燒裝置，具有混合迅速、燃燒效率高且污染物排放量小的特點(diǎn)，因此我國(guó)正在積極開發(fā)煤與垃圾在流化床中的混燒利用技術(shù)[2]。國(guó)外采用混燒技術(shù)的焚燒廠很多，并有一些研究結(jié)果[4]，而我國(guó)混燒爐尚很少，在此從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的角度出發(fā)，比較詳細(xì)地分析了煤與垃圾混燒利用技術(shù)。
2流化床焚燒技術(shù)
流化床燃煤技術(shù)的較大規(guī)模研究與應(yīng)用已有幾十年的歷史，它的主要特點(diǎn)是燃料適應(yīng)性好、燃燒效率高，可采用幾乎任何含碳、氫和硫的燃料。另外，流化床屬低溫燃燒，床溫在800～900℃，NOx排放量很低。通過添加石灰石，可實(shí)現(xiàn)床內(nèi)脫硫，保證較低的SOx排放。
流化床技術(shù)根據(jù)不同的氣流速度可分為鼓泡流化床、循環(huán)流化床和內(nèi)旋流流化床等。其中鼓泡床和循環(huán)流化床已有較大規(guī)模的應(yīng)用，技術(shù)較為成熟。而內(nèi)旋流流化床是一種新型高效低污染流化床技術(shù)，它通過非均勻布風(fēng)在砂床內(nèi)形成大尺度的內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，可以使燃料迅速地在床內(nèi)均勻擴(kuò)散，特別適合于尺寸不一、形狀各異的燃料，充分發(fā)揮了流化床燃料適應(yīng)性好的優(yōu)點(diǎn)[5、6]。內(nèi)旋流流化床不但可用來燒煤，還可用來焚燒垃圾，或采用煤和垃圾混燒的方式發(fā)電，是一種值得研究和具有開發(fā)潛力的流化床技術(shù)。近年來，北美重視采用流化床技術(shù)焚燒垃圾，特別是內(nèi)旋流(內(nèi)循環(huán))流化床，認(rèn)為該技術(shù)適合形狀各異、尺寸不一的混合垃圾[6]。流化床鍋爐的燃料適用性很好，因此在設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮采用煤和垃圾的混合燃燒方式。例如在美國(guó)華盛頓州達(dá)科馬市(TacomaCity)有2臺(tái)流化床焚燒爐，蒸汽參數(shù)為2176MPa，400℃，發(fā)電量50MW。設(shè)計(jì)燃料為50%煤，35%木頭和15%RDF(垃圾衍生燃料)，以上百分?jǐn)?shù)以輸入熱量計(jì)。當(dāng)收集的垃圾量不夠多時(shí)，焚燒爐可以靈活地通過添加煤來保證滿負(fù)荷運(yùn)行，以確保鍋爐的發(fā)電和焚燒廠的收益，可見選擇混燒技術(shù)對(duì)該廠的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行非常重要。
垃圾的組成特點(diǎn)是高揮發(fā)分、低固定碳、高水分(收到基水分達(dá)40%～60%)、低熱值(低位熱值有3000～5000kJ/kg。垃圾的組成特點(diǎn)決定了其燃燒特性與煤不同，焚燒時(shí)由于水分的影響，著火比較困難，而著火后在短期內(nèi)揮發(fā)分大量析出，容易造成后期的燃燒不完全現(xiàn)象。流化床焚燒爐采用高溫砂床作為蓄熱體，可保證垃圾中水分的快速蒸發(fā)并維持床溫基本穩(wěn)定。床面上部的二次風(fēng)可有效保證揮發(fā)分和有機(jī)物質(zhì)的完全燃盡和破壞。目前國(guó)內(nèi)正在研究開發(fā)煤和垃圾混燒的流化床發(fā)電技術(shù)，這不但可以提高煤的燃燒效率(與常用的爐排爐相比)，而且可以解決垃圾污染問題。
3煤與垃圾混燒技術(shù)的分析
3.1技術(shù)可行性
一般當(dāng)垃圾低位熱值高于4200～5000kJ/kg時(shí)即可進(jìn)行焚燒處理，但若要保證燃燒效率很高且排放清潔，國(guó)外一般推薦熱值高于6000kJ/kg，由于垃圾熱值隨來源、季節(jié)等因素大幅度波動(dòng)，因此在沒有輔助燃料時(shí)燃燒不夠穩(wěn)定，難于控制有害氣體的生成與排放，造成環(huán)境污染。目前我國(guó)城市垃圾的低位熱值一般在3000～4200kJ/kg，如果采用純燒垃圾的方式，就要添加較多的輔助燃油，增加運(yùn)行成本。采用與煤混燒的方案，可以將煤與垃圾配成有一定熱值的混合燃料，使其低位熱值高于6000kJ/kg，保證燃燒穩(wěn)定，同時(shí)簡(jiǎn)化了燃燒系統(tǒng)。當(dāng)焚燒爐建成后，隨垃圾熱值的逐年增長(zhǎng)，可以逐漸減少煤的用量，保證了較長(zhǎng)時(shí)間垃圾處理能力不會(huì)下降。加入的少量劣質(zhì)煤不但提高了爐內(nèi)的燃燒溫度，而且降低了CO的排放濃度，有利于有害有機(jī)物的分解并防止二惡英類物質(zhì)的生成與排放。
可見，按我國(guó)目前的垃圾熱值狀況，在達(dá)到良好焚燒效果的前提下，混合燃料中的煤量尚需大于10%以上，而隨著我國(guó)城市垃圾熱值的增大，混合燃料中的煤量即可逐漸減少，而垃圾量則可增加。當(dāng)垃圾熱值增長(zhǎng)到6000kJ/kg以上時(shí)，就可單純焚燒垃圾，不用再采用混合燃料。 3.2經(jīng)濟(jì)可行性
從經(jīng)濟(jì)可行性方面看煤與垃圾混燒技術(shù)，一是由于采用混燒方式大大提高了燃料的熱值并能減輕Cl帶來的高溫腐蝕問題，因此可以產(chǎn)生較高參數(shù)的蒸汽(如中溫中壓蒸汽)來驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電，從而提高了垃圾發(fā)電效率，如發(fā)電效率可達(dá)20%以上；二是從建造成本來說，在發(fā)電量相同的情況下，采用混燒技術(shù)大大降低了投資成本，如建造一座日處理垃圾量500t/d的混燒發(fā)電機(jī)組，按煤和垃圾的質(zhì)量比為1∶5計(jì)算，可以產(chǎn)生相當(dāng)于12MW的電力，而如果采用純燒垃圾，500t /d的垃圾量?jī)H可發(fā)出6MW的電力，而垃圾處理能力相同的混燒爐與純燒垃圾爐的投資規(guī)模和建設(shè)周期相當(dāng)，可見，混燒發(fā)電機(jī)組的每kW投資額約為純燒垃圾機(jī)組的一半，顯然，通過售電回收投資成本的焚燒發(fā)電廠愿意選擇混燒的發(fā)電方式。垃圾焚燒廠的經(jīng)濟(jì)收入一般來自于政府，有售電收入和垃圾處理收費(fèi)2種。為了比較不同煤與垃圾混合比例下的焚燒發(fā)電廠收益情況，計(jì)算的基礎(chǔ)為：焚燒發(fā)電功率12MW、自用電耗15%、每kW設(shè)備投資額8300元、煤價(jià)200元/t、其它資金0.104元/度，計(jì)算時(shí)取煤和垃圾的低位熱值分別為22358kJ/kg和4500kJ/kg。考慮到發(fā)電收入、垃圾處理收費(fèi)補(bǔ)貼、運(yùn)行成本 (電、煤、石灰等耗費(fèi)、人員工資、流動(dòng)資金)、設(shè)備投資(包括還貸付息)等因素，采用下式對(duì)焚燒廠每發(fā)1度電的總收益進(jìn)行粗略的估算：焚燒廠收益＝上網(wǎng)電價(jià)＋垃圾收費(fèi)－運(yùn)行成本設(shè)備投資
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圖1 改變垃圾收費(fèi)時(shí)總收益與混燒比例關(guān)系
 圖2 改變電費(fèi)時(shí)總收益與混燒比例關(guān)系 |
圖 1為不同混燒比例時(shí)的焚燒廠總收益情況(改變垃圾處理收費(fèi))，可見隨著混合燃料中的垃圾比例增加，焚燒廠從純燒煤時(shí)的負(fù)效益逐漸增加到正效益，混燒垃圾越多，收益越大，這是由于垃圾收益在焚燒廠總收益中所占比例逐漸增加。垃圾收費(fèi)的多少對(duì)于焚燒廠的收益影響較大。隨著垃圾處理費(fèi)的增加，開始時(shí)收益曲線變化較緩，等垃圾混合比例超過50%后，收益曲線陡然上升。以我國(guó)目前的垃圾熱值，混燒比例為80%～90%，在垃圾收費(fèi)為50元/t的情況下，焚燒廠收益可達(dá)0.107～0.177元/度。隨著我國(guó)垃圾熱值的增加，混燒比例不斷增加并最終實(shí)現(xiàn)純燒垃圾，那時(shí)的焚燒廠收益將相當(dāng)可觀。
圖2為改變售電價(jià)格時(shí)不同垃圾混燒比例下的焚燒廠總收益情況，可見售電價(jià)格對(duì)于焚燒廠的收益影響更大。隨著售電價(jià)格增加，對(duì)于純燒煤的情況，收益從電價(jià)為0.5元/度時(shí)的-0.05元/度增至電價(jià)為0.65元/度時(shí)的0.08元/度，凈增0.13元/度；而對(duì)于純燒垃圾的情況，收益從0.18元/度增至0.31元 /度，凈增值仍為0.13元/度？梢，這與圖3的情況不一樣，該圖中當(dāng)垃圾收費(fèi)從20元/t增至50元/t時(shí)，純燒垃圾的利益凈增長(zhǎng)0.12元/度，而純燒煤時(shí)的收益凈增長(zhǎng)為0。由此可見，盲目增加電價(jià)不利于鼓勵(lì)焚燒垃圾，在保證正常收入的同時(shí)，焚燒廠可能會(huì)降低混燒垃圾的比例。因此，適當(dāng)增加垃圾處理收費(fèi)有利于鼓勵(lì)焚燒廠更多地混燒垃圾。
3.3環(huán)境保護(hù)
一般煤和垃圾中含有有害元素硫、氮、氯及較多灰分等，它們會(huì)在燃燒過程中釋放出來并生成污染性物質(zhì)。附表給出了我國(guó)典型垃圾和煤的組成成分，可以看出，兩者的灰分和氮含量相當(dāng)，而煤中的硫含量遠(yuǎn)大于垃圾，氯含量卻遠(yuǎn)小于垃圾。
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附表 典型垃圾與煤的組成特性(應(yīng)用基)%  |
圖3給出了不同垃圾比例時(shí)污染物質(zhì)NOx、SOx、HCl、CO和顆粒物的原始排放變化情況，所謂原始排放是指僅有除塵設(shè)備(除塵效率99%)情況下，未采用任何針對(duì)垃圾燃料的爐膛二次風(fēng)特殊設(shè)計(jì)(降低CO排放)以及煙氣處理后污染物排放。顯然，除SOx隨垃圾比例增加而減少外，NOx、HCl、CO和顆粒物均增加很多，尤其是HCl排放增加最多，值得注意的是雖然煤和垃圾中的灰分和氮含量接近，但顆粒物和NOx排放量卻增加，這是由于單位質(zhì)量垃圾焚燒產(chǎn)生的煙氣量只有煤燃燒產(chǎn)生煙氣量的1/3左右，因此垃圾焚燒產(chǎn)生的污染物排放濃度遠(yuǎn)大于相同污染元素含量下煤燃燒的結(jié)果。
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圖3 污染物原始排放濃度隨垃圾比例的變化情況
由于垃圾是一種對(duì)環(huán)境有害的廢棄物，因此各國(guó)都制定了嚴(yán)格的焚燒爐環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。參照國(guó)外九十年代的標(biāo)準(zhǔn)，一般需將污染物控制在以下參考水平 [7]：CO＜150mg/m3；NOx＜350mg/m3；SOx＜300mg/m3；HCl＜60mg/m3；顆粒物＜100mg/m3；汞＜0.2mg/m3；鎘＜0.2mg/m3；鉛＜0.2mg/m3；二惡英和呋喃類＜0.1ng-TEQ/m3；林格曼黑度＜1級(jí)。顯然垃圾焚燒的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)非常嚴(yán)格，而煤燃燒的標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)寬松，由于煤與垃圾混燒爐肯定要滿足垃圾焚燒的標(biāo)準(zhǔn)，因此將增加尾氣處理設(shè)備的成本和負(fù)擔(dān)。
4結(jié)束語
目前，煤和垃圾混燒技術(shù)無疑是當(dāng)前處理我國(guó)垃圾問題經(jīng)濟(jì)可行的一種方法，具有較強(qiáng)的應(yīng)用需求。然而，如果采用RDF制作技術(shù)，那么垃圾熱值可增加1倍，考慮到經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)十年后的垃圾熱值可能在6000kJ/kg以上，達(dá)到良好焚燒的程度，可見，從技術(shù)和社會(huì)進(jìn)步的角度看，這又是一種“過渡”技術(shù)。
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