存量垃圾掺烧对垃圾焚烧电厂运行的多维度影响分析

0引言

我国城市生活垃圾历经多年填埋处理,形成了大量存量垃圾填埋场。据统计,全国现有存量垃圾填埋场超过2 000座,堆存总量超过100亿t,不仅占用大量土地资源,还存在渗滤液渗漏、臭气扩散等严重环境风险[1]。随着“无废城市”建设推进及垃圾焚烧技术升级,利用现有焚烧电厂富余产能掺烧存量垃圾,成为兼具环境效益与经济效益的处置新模式[2]。

目前,国内外关于存量垃圾掺烧的研究多集中于小比例(≤30%)阶段,未涉及更高比例掺烧的系统性研究。现有研究存在两大不足:一是缺乏大比例(50%以上)掺烧的长期运行数据,二是未形成涵盖设备、环保、能耗、经济性的多维度评价体系。

广州某垃圾焚烧电厂基于前期中试情况,开展了20万t存量垃圾大规模掺烧试验,掺烧比例覆盖50%~80%。本研究在技术可行性基础上,结合试验数据,从设备运行、环保排放、产能能耗及经济性四个维度展开分析,旨在为同类项目提供技术支撑与实践参考。

1 试验方法

1.1 试验对象

试验依托某垃圾焚烧电厂二期项目焚烧炉两台超高压参数锅炉。焚烧炉炉排为多级阶梯状往复式,配套两台超高压SG—SLC900—100/13.0/485余热锅炉,处理垃圾能力2×800 t/d,锅炉为单锅筒、一次中间再热、自然循环超高压中温锅炉。

垃圾在焚烧区燃烧后产生的烟气依次通过余热炉竖直第一通道、U型第二/第三通道、水平第四通道、省煤器,再进入尾气处理系统(活性炭混合器、旋流喷射反应塔、熟石灰混合器、布袋除尘器、湿法洗涤塔系统、SCR脱硝系统),净化后的烟气经CEMS监测后,通过约90 m高的烟囱排向大气。

1.2 存量垃圾来源与特性

存量垃圾取自垃圾焚烧电厂附近的填埋场,该填埋场已封场6年,经转运至电厂后单独堆存于垃圾库指定区域,维持基础库存不低于6 000 t。

根据监测 数据 ,初始 开挖存量 垃 圾热值 为5 334.03 kJ/kg,整体热值随开挖深度增加略有下降,深层垃圾热值为4 789.21 kJ/kg。不同深度垃圾含水率差异显著,表层垃圾含水率约32.5%,深层可达48.3%,这与填埋场渗滤液导排情况密切相关。成分分析表明,存量垃圾中无机物(砂石、金属等)占比达35%~45%,显著高于原生生活垃圾(15%~20%),有机物含量则相对较低,以难降解的腐殖质为主[3]。

1.3 试验过程

试验前经历了为期1个月的基础工况稳定期,以确保设备运行参数达到设计值。试验周期为半年,分50%、60%、70%、80%等4个掺烧比例工况开展对比试验,各工况连续运行不少于15天。每个工况转换期间设置3天过渡期,逐步调整存量垃圾与原生垃圾的混合比例。重点监测以下指标:

1)设备运行:推料器/炉排速度、出渣机运行状态、辅机电流;

2)环保排放:土壤、地下水、无组织废气、烟气污染物、飞灰/炉渣特性;

3)产能能耗:吨垃圾产汽量、发电量、上网电量、耗电量、环保物料单耗;

4)经济性:售电收入、变动成本、单吨收益。

1.4 污染物监测方法

烟气污染物采用CEMS系统实时监测,数据每小时上传至国家环保平台,监测项目及频次符合监管要求,水、土、气等环境指标委托第三方监测机构按标准监测。

设备运行参数由电厂DCS系统自动记录,采样频率为1次/min,经数据处理后取小时平均值。经济性指标基于生产台账核算,涵盖垃圾接收量、发电量、物料消耗量等原始数据。

2 结果与分析

2.1 设备运行影响分析

2.1.1焚烧炉设备运行状态

掺烧存量垃圾后,入炉垃圾平均热值降低,为维持锅炉热负荷稳定,需提高推料器及炉排运行速度。掺烧期间推料器平均速度为23.83% ,较掺烧前(19.20%)提升24.11%;炉排平均速度为80.10%,较掺烧前(73.29%)提升9.30%。

试验全程未出现炉排卡涩、设备损坏等异常,表明焚烧炉主体设备可适应80%以下比例掺烧。但出渣机运行受存量垃圾成分影响显著。试验期间共发现18次床垫类大件垃圾入炉,导致44次出渣机堵塞,堵塞原因主要为铁丝、铁桶、水泥墩等异物卡涩,需人工打开人孔清理,每次清理耗时约2 h,增加了检修风险和人工成本。这表明存量垃圾开挖及转运过程的精细化分拣是保障设备稳定运行的关键。

2.1.2辅机设备运行情况

随掺烧比例升高,辅机运行参数呈现差异化变化(表1)。一次风机电流从50%比例的116.55 A增至80%的138.48 A,增幅18.82%;引风机电流从53.25 A增至58.60 A,增幅10.05%;二次风机电流则维持在7.18~7.85 A,波动较小。

分析认为,高比例存量垃圾掺烧需要更高一次风压及风量以强化扰动燃烧,因此一次风机负荷升高;引风机负荷增加与烟气量增大相关;二次风机电流稳定则需通过减少二次风量控制炉膛温度。试验期间炉膛温度均维持在990~1 030℃,满足850℃以上的环保要求。所有辅机实际电流均低于额定值(一次风机287 A、二次风机26 A、引风机132 A),表明设备仍有余量。

2.2环保排放影响分析2.2.1周边环境质量

第三方监测结果显示,掺烧前、中、后三个阶段的土壤、地下水、无组织废气及环境空气质量均符合国家标准。厂界无组织废气中氨气、硫化氢浓度分别低于1.5 mg/m³和0.06 mg/m³,未因存量垃圾开挖、转运及掺烧出现污染超标现象,表明试验期间的臭气防控(作业面覆盖、除臭药剂喷洒)、雨污分流等措施有效。

2.2.2烟气污染物排放

掺烧期间烟气污染物排放浓度均优于环评要求(表2),其中HCl (3.96~6.20mg/m³)、NOx(31.73~43.57mg/m³)、SO2 (5.18~9.18mg/m³)、CO(1.98~3.29mg/m³)、颗粒物 (1.14~1.65mg/m³)均远低于国标限值。

尽管存量垃圾热值较低,但通过提高焚烧量维持炉膛温度稳定,避免了因燃烧不充分导致的CO及颗粒物超标;通过调整SNCR脱硝及脱酸系统运行参数,有效控制了NOx及酸性气体排放[4]。

2.2.3副产物产生分析

飞灰产生率随掺烧比例从60%升至80%呈递增趋势,每提升10%掺烧比例,产灰率上升0.33%~0.35%0 炉渣产生率在50%~70%递增,70%比例时达峰值,随后略有下降。这主要与存量垃圾中无机杂质(砂石、金属)含量较高相关,需强化飞灰稳定化处理及炉渣资源化利用。

2.3 经济性影响分析

2.3.1产能指标变化

随掺烧比例升高,吨垃圾产汽量及发电量均呈下降趋势(表3)。掺烧前吨垃圾产汽量2.67 t/t、发电量677.2(kw.h)/t;50%掺烧比例时分别降至2.03 t/t、506.95(kw.h)/t,降幅约24%、25%;80%掺烧时进一步降至1.80 t/t、479.37 (kw.h)/t。锅炉负荷率则从掺烧前的94.77%降至80%左右,这与存量垃圾热值较低导致的热输入不足直接相关。

对比分析发现,本研究中50%掺烧比例下吨发电量降幅为25%,这主要是由于本试验采用了更精准的炉膛温度控制(维持在1 000℃左右)和优化的炉排配风方式。能量平衡计算表明,存量垃圾掺烧导致的热损失主要包括:垃圾热值降低导致的化学不完全燃烧损失增加(5%~8%)、过量空气系数增大导致的排烟热损失增加(3%~5%)。

2.3.2能耗及物料消耗

1)吨垃圾电耗:试验期间累计耗电量3166.8万kw.h,吨掺烧垃圾耗电量74.29 kw.h,其中存量垃圾单吨耗电量84.53 kw.h[电费按0.453元/(kw.h)核算],高于原生生活垃圾[65.24(kw.h)/t],主要是因为辅机负荷升高。

2)环保物料:熟石灰单耗随掺烧比例升高显著增加,从50%的9.38 kg/t增至80%的13.58 kg/t,因需强化脱酸以控制SO₂排放;氨水单耗维持在1.09~1.21 kg/t,波动较小;氢氧化钠单耗在70%比例时达峰值(1.45 kg/t),随后下降,整体与烟气污染物浓度变化匹配。采用分级脱酸技术后,熟石灰消耗较传统工艺降低约15%,这为高比例掺烧时控制物料成本提供了有效途径[5]。

2.4 经济性影响分析

以单吨存量垃圾为核算单位,售电量32057(kw.h)/t,变动成本包括环保主材、飞灰处置、设备维修、清灰清渣及开挖运输,合计133.39元/t。 不同电价补贴下的收益情况如表4所示,无补贴时单吨收益11.83元,仅实现微利。盈亏平衡分析表明,无补贴时吨售电量不低于294.46 kw.h即可盈利。

2.5 试验结果分析

2.5.1掺烧比例的优化选择

试验表明,80%掺烧比例虽技术可行,但存在吨发电量下降、熟石灰单耗升高及出渣机堵塞风险增加等问题。综合设备稳定性、环保可控性及经济性,50%~70%掺烧比例更具实操价值:此区间内锅炉负荷率维持在80%以上,吨收益可达11.83~39.83元,且出渣机堵塞频率较低。

2.5.2关键技术瓶颈与改进建议

1)存量垃圾预处理:针对大件垃圾及异物导致的设备堵塞问题,建议在填埋场开挖阶段增设分拣工序,采用人工十机械联合分拣,移除床垫、金属、混凝土块等大件杂质。

2)燃烧系统优化:高比例掺烧时,可通过调整一次风温(从200℃提升至250℃)及炉排分区配风,强化存量垃圾燃烧效率,减少不完全燃烧损失;同时优化推料节奏,避免垃圾层过厚导致的热负荷波动。

3)经济性提升路径:除争取电价补贴外,可通过规模化掺烧降低单位开挖运输成本,推动炉渣资源化利用,优化环保物料投加量,通过精准喷氨、分级脱酸等技术降低药剂消耗。

3结论

1)垃圾焚烧电厂可实现50%~80%比例存量垃圾掺烧,焚烧炉、辅机及环保设备运行稳定,无设备损坏及环保超标现象,单日最大接收存量垃圾1 500 t,技术可行性得到验证。

2)随掺烧比例升高,吨垃圾产汽量、发电量呈下降趋势,一次风机电耗及熟石灰单耗递增;渗滤液析出比降低,飞灰、炉渣产生率升高,需针对性优化预处理及运行参数。

3)经济性方面,无电价补贴时单吨存量垃圾收益11.83元,吨售电量≥294.46 kw.h即可实现盈亏平衡,具备推广潜力。

4)建议后续推广中采用50%~70%掺烧比例,强化存量垃圾预处理,优化燃烧及环保系统运行,并争取政策补贴,以实现环境效益与经济效益双赢。

[参考文献]

[1]耿欣,段怡彤,白旭光,等.存量垃圾安全高效处理对策探讨[J].资源节约与环保,2019(6):75.

[2]尧文元,李亚静,张俊文,等.利用焚烧富余处理能力腾退填埋场库容的研究:以南方某市为例 [J].环境卫生工程,2019,27(5):22-25.

[3] 白秀佳,张红玉,顾军,等.填埋场陈腐垃圾理化特性与资源化利用研究[J].环境工程,2021,39(2):116-120.

[4]尹文华,龙世康,何志远,等.陈腐垃圾掺烧对垃圾焚烧烟气中污染物排放的影响 [J].环境工程,2022,40 (7):76-80.

[5]武鹏飞.生活垃圾焚烧发电厂烟气污染治理技术[J].科技创新与应用,2020(32):138-139.

《机电信息》2025年第23期第13篇