煤与垃圾在流化床中的混烧利用技术分析
1前言
目前大多数城市都在寻求垃圾的卫生处理方式。一般，国外处理垃圾方式分3类：填埋、堆肥和焚烧，但实际上，3种方式是互补的，各有优势。堆肥的剩余物需要焚烧和填埋，而焚烧的残余灰渣需要填埋。最佳的方式是垃圾综合利用处理。通过垃圾分类或采用机械化分拣，将垃圾分成可堆肥的生物质类、可焚烧发电的塑料类、可填埋的灰渣类以及可再利用的物资类等，然后分别处理。但是，由于经济条件所限，目前我国仍采用单纯填埋、堆肥或焚烧等。由于我国大型城市多处于人多地少的东部地区，填埋用地缺乏，因此采用焚烧制能技术处理垃圾是一种很好的选择。
单纯焚烧垃圾的技术在我国尚处于研究开发阶段[1～3]，仍需进一步改进并大型化，而采用煤与垃圾混烧发电将是一种很好的选择。与纯烧垃圾相比，混烧技术能保证燃烧稳定，提高发电效率，有利于投资回收，同时减少了垃圾焚烧炉的建设成本和投资。由于流化床是一种新型、高效和清洁的焚烧装置，具有混合迅速、燃烧效率高且污染物排放量小的特点，因此我国正在积极开发煤与垃圾在流化床中的混烧利用技术[2]。国外采用混烧技术的焚烧厂很多，并有一些研究结果[4]，而我国混烧炉尚很少，在此从技术、经济和环保的角度出发，比较详细地分析了煤与垃圾混烧利用技术。
2流化床焚烧技术
流化床燃煤技术的较大规模研究与应用已有几十年的历史，它的主要特点是燃料适应性好、燃烧效率高，可采用几乎任何含碳、氢和硫的燃料。另外，流化床属低温燃烧，床温在800～900℃，NOx排放量很低。通过添加石灰石，可实现床内脱硫，保证较低的SOx排放。
流化床技术根据不同的气流速度可分为鼓泡流化床、循环流化床和内旋流流化床等。其中鼓泡床和循环流化床已有较大规模的应用，技术较为成熟。而内旋流流化床是一种新型高效低污染流化床技术，它通过非均匀布风在砂床内形成大尺度的内循环流动，可以使燃料迅速地在床内均匀扩散，特别适合于尺寸不一、形状各异的燃料，充分发挥了流化床燃料适应性好的优点[5、6]。内旋流流化床不但可用来烧煤，还可用来焚烧垃圾，或采用煤和垃圾混烧的方式发电，是一种值得研究和具有开发潜力的流化床技术。近年来，北美重视采用流化床技术焚烧垃圾，特别是内旋流(内循环)流化床，认为该技术适合形状各异、尺寸不一的混合垃圾[6]。流化床锅炉的燃料适用性很好，因此在设计时可以考虑采用煤和垃圾的混合燃烧方式。例如在美国华盛顿州达科马市(TacomaCity)有2台流化床焚烧炉，蒸汽参数为2176MPa，400℃，发电量50MW。设计燃料为50%煤，35%木头和15%RDF(垃圾衍生燃料)，以上百分数以输入热量计。当收集的垃圾量不够多时，焚烧炉可以灵活地通过添加煤来保证满负荷运行，以确保锅炉的发电和焚烧厂的收益，可见选择混烧技术对该厂的经济运行非常重要。
垃圾的组成特点是高挥发分、低固定碳、高水分(收到基水分达40%～60%)、低热值(低位热值有3000～5000kJ/kg。垃圾的组成特点决定了其燃烧特性与煤不同，焚烧时由于水分的影响，着火比较困难，而着火后在短期内挥发分大量析出，容易造成后期的燃烧不完全现象。流化床焚烧炉采用高温砂床作为蓄热体，可保证垃圾中水分的快速蒸发并维持床温基本稳定。床面上部的二次风可有效保证挥发分和有机物质的完全燃尽和破坏。目前国内正在研究开发煤和垃圾混烧的流化床发电技术，这不但可以提高煤的燃烧效率(与常用的炉排炉相比)，而且可以解决垃圾污染问题。
3煤与垃圾混烧技术的分析
3.1技术可行性
一般当垃圾低位热值高于4200～5000kJ/kg时即可进行焚烧处理，但若要保证燃烧效率很高且排放清洁，国外一般推荐热值高于6000kJ/kg，由于垃圾热值随来源、季节等因素大幅度波动，因此在没有辅助燃料时燃烧不够稳定，难于控制有害气体的生成与排放，造成环境污染。目前我国城市垃圾的低位热值一般在3000～4200kJ/kg，如果采用纯烧垃圾的方式，就要添加较多的辅助燃油，增加运行成本。采用与煤混烧的方案，可以将煤与垃圾配成有一定热值的混合燃料，使其低位热值高于6000kJ/kg，保证燃烧稳定，同时简化了燃烧系统。当焚烧炉建成后，随垃圾热值的逐年增长，可以逐渐减少煤的用量，保证了较长时间垃圾处理能力不会下降。加入的少量劣质煤不但提高了炉内的燃烧温度，而且降低了CO的排放浓度，有利于有害有机物的分解并防止二恶英类物质的生成与排放。
可见，按我国目前的垃圾热值状况，在达到良好焚烧效果的前提下，混合燃料中的煤量尚需大于10%以上，而随着我国城市垃圾热值的增大，混合燃料中的煤量即可逐渐减少，而垃圾量则可增加。当垃圾热值增长到6000kJ/kg以上时，就可单纯焚烧垃圾，不用再采用混合燃料。 3.2经济可行性
从经济可行性方面看煤与垃圾混烧技术，一是由于采用混烧方式大大提高了燃料的热值并能减轻Cl带来的高温腐蚀问题，因此可以产生较高参数的蒸汽(如中温中压蒸汽)来驱动汽轮机发电，从而提高了垃圾发电效率，如发电效率可达20%以上；二是从建造成本来说，在发电量相同的情况下，采用混烧技术大大降低了投资成本，如建造一座日处理垃圾量500t/d的混烧发电机组，按煤和垃圾的质量比为1∶5计算，可以产生相当于12MW的电力，而如果采用纯烧垃圾，500t /d的垃圾量仅可发出6MW的电力，而垃圾处理能力相同的混烧炉与纯烧垃圾炉的投资规模和建设周期相当，可见，混烧发电机组的每kW投资额约为纯烧垃圾机组的一半，显然，通过售电回收投资成本的焚烧发电厂愿意选择混烧的发电方式。垃圾焚烧厂的经济收入一般来自于政府，有售电收入和垃圾处理收费2种。为了比较不同煤与垃圾混合比例下的焚烧发电厂收益情况，计算的基础为：焚烧发电功率12MW、自用电耗15%、每kW设备投资额8300元、煤价200元/t、其它资金0.104元/度，计算时取煤和垃圾的低位热值分别为22358kJ/kg和4500kJ/kg。考虑到发电收入、垃圾处理收费补贴、运行成本 (电、煤、石灰等耗费、人员工资、流动资金)、设备投资(包括还贷付息)等因素，采用下式对焚烧厂每发1度电的总收益进行粗略的估算：焚烧厂收益＝上网电价＋垃圾收费－运行成本设备投资
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图1 改变垃圾收费时总收益与混烧比例关系
 图2 改变电费时总收益与混烧比例关系 |
图 1为不同混烧比例时的焚烧厂总收益情况(改变垃圾处理收费)，可见随着混合燃料中的垃圾比例增加，焚烧厂从纯烧煤时的负效益逐渐增加到正效益，混烧垃圾越多，收益越大，这是由于垃圾收益在焚烧厂总收益中所占比例逐渐增加。垃圾收费的多少对于焚烧厂的收益影响较大。随着垃圾处理费的增加，开始时收益曲线变化较缓，等垃圾混合比例超过50%后，收益曲线陡然上升。以我国目前的垃圾热值，混烧比例为80%～90%，在垃圾收费为50元/t的情况下，焚烧厂收益可达0.107～0.177元/度。随着我国垃圾热值的增加，混烧比例不断增加并最终实现纯烧垃圾，那时的焚烧厂收益将相当可观。
图2为改变售电价格时不同垃圾混烧比例下的焚烧厂总收益情况，可见售电价格对于焚烧厂的收益影响更大。随着售电价格增加，对于纯烧煤的情况，收益从电价为0.5元/度时的-0.05元/度增至电价为0.65元/度时的0.08元/度，净增0.13元/度；而对于纯烧垃圾的情况，收益从0.18元/度增至0.31元 /度，净增值仍为0.13元/度。可见，这与图3的情况不一样，该图中当垃圾收费从20元/t增至50元/t时，纯烧垃圾的利益净增长0.12元/度，而纯烧煤时的收益净增长为0。由此可见，盲目增加电价不利于鼓励焚烧垃圾，在保证正常收入的同时，焚烧厂可能会降低混烧垃圾的比例。因此，适当增加垃圾处理收费有利于鼓励焚烧厂更多地混烧垃圾。
3.3环境保护
一般煤和垃圾中含有有害元素硫、氮、氯及较多灰分等，它们会在燃烧过程中释放出来并生成污染性物质。附表给出了我国典型垃圾和煤的组成成分，可以看出，两者的灰分和氮含量相当，而煤中的硫含量远大于垃圾，氯含量却远小于垃圾。
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附表 典型垃圾与煤的组成特性(应用基)%  |
图3给出了不同垃圾比例时污染物质NOx、SOx、HCl、CO和颗粒物的原始排放变化情况，所谓原始排放是指仅有除尘设备(除尘效率99%)情况下，未采用任何针对垃圾燃料的炉膛二次风特殊设计(降低CO排放)以及烟气处理后污染物排放。显然，除SOx随垃圾比例增加而减少外，NOx、HCl、CO和颗粒物均增加很多，尤其是HCl排放增加最多，值得注意的是虽然煤和垃圾中的灰分和氮含量接近，但颗粒物和NOx排放量却增加，这是由于单位质量垃圾焚烧产生的烟气量只有煤燃烧产生烟气量的1/3左右，因此垃圾焚烧产生的污染物排放浓度远大于相同污染元素含量下煤燃烧的结果。
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图3 污染物原始排放浓度随垃圾比例的变化情况
由于垃圾是一种对环境有害的废弃物，因此各国都制定了严格的焚烧炉环保标准。参照国外九十年代的标准，一般需将污染物控制在以下参考水平 [7]：CO＜150mg/m3；NOx＜350mg/m3；SOx＜300mg/m3；HCl＜60mg/m3；颗粒物＜100mg/m3；汞＜0.2mg/m3；镉＜0.2mg/m3；铅＜0.2mg/m3；二恶英和呋喃类＜0.1ng-TEQ/m3；林格曼黑度＜1级。显然垃圾焚烧的环保标准非常严格，而煤燃烧的标准相对宽松，由于煤与垃圾混烧炉肯定要满足垃圾焚烧的标准，因此将增加尾气处理设备的成本和负担。
4结束语
目前，煤和垃圾混烧技术无疑是当前处理我国垃圾问题经济可行的一种方法，具有较强的应用需求。然而，如果采用RDF制作技术，那么垃圾热值可增加1倍，考虑到经济的发展，我国十年后的垃圾热值可能在6000kJ/kg以上，达到良好焚烧的程度，可见，从技术和社会进步的角度看，这又是一种“过渡”技术。
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