引言截至2022年底，煤电占总发电装机容量的比重为43.8%，非化石能源发电装机容量占比上升至49.6%，电力延续绿色低碳转型趋势[1]。在“双碳”背景下，煤电由主体性电源向基础保障性和系统调节性电源转型，燃煤发电行业正面临转型压力[2]。生活垃圾作为废弃生物质资源，在碳减排方面具有很大优势[3]。在现有燃煤锅炉中耦合处置生活垃圾，依托现役煤电高效发电系统和污染物集中治理设施，能够充分发挥燃煤电站发电效率高、污染物排放低等优势，在实现CO2减排的同时，以较低成本实现垃圾的高效、清洁处置。文中对垃圾耦合燃煤电站发电技术进行研究，开展小型回转窑垃圾处置实验，提出垃圾耦合燃煤电站技术方案，为生活垃圾的规模化、减量化、无害化和资源化处置提供有效途径，同时为我国新形势下煤电转型发展探索有效的技术路径。1我国垃圾处理现状及问题2010~2021年我国城市生活垃圾清运量如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.001.F001图12010~2021年我国城市生活垃圾清运量由图1可知，2010~2021年我国城市生活垃圾清运量增长69%。随着国民经济的迅速发展，城市生活垃圾日产量迅速增加，如何合理地处理城市生活垃圾成为人们关注的问题[4]。垃圾填埋和垃圾焚烧是常用的生活垃圾处理方式。2010~2020年我国垃圾处理方式的结构变化如图2所示。焚烧处理垃圾所占比例由18.8%增至62.3%，填埋处理垃圾所占比例逐年下降。目前，焚烧处理成为我国生活垃圾处理的主要途径。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.001.F002图22010~2020年我国城市生活垃圾处理方式的结构变化现有垃圾电站均存在建设投资费用高、锅炉热效率及发电效率低、能量利用率低等现象。为了处理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，所有垃圾电站均需要单独配置复杂的烟气净化系统进行焚烧烟气的处理，该烟气净化系统投资大、能耗高、净化效率低，对垃圾焚烧电厂的经济运行造成不利影响[5-6]。为了解决常规垃圾焚烧电站存在的上述问题，提出垃圾处置与燃煤电站协同耦合发电系统及技术思路，即“垃圾耦合燃煤电站发电技术”。该技术对于实现垃圾的减量化、资源化、无害化处理以及燃煤电厂的转型升级具有十分重要的意义。2垃圾耦合燃煤电站发电技术2.1技术路线垃圾耦合燃煤电站技术路线如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.001.F003图3垃圾耦合燃煤电站发电技术路线由图3可知，左侧垃圾处理系统为新增系统，主要包括垃圾料斗、垃圾焚烧处置回转窑、布袋除尘器、等离子飞灰熔融炉以及换热器。右侧为耦合锅炉，即原锅炉系统，主要包括锅炉本体、空预器及其烟气净化系统。2.2技术优势（1）能量利用效率高。与常规垃圾焚烧电站相比，垃圾分解产生的热量直接由燃煤机组锅炉高压给水系统吸收，在高参数蒸汽下，垃圾耦合燃煤电站的循环发电效率远高于常规垃圾焚烧电站。（2）系统投资、运行成本低。烟气后处理与电厂锅炉烟气处理系统耦合，无须额外建设新的烟气净化系统，所有烟气中的常规污染物（SO2、NOx等）均由电站锅炉烟气净化系统脱除。垃圾耦合燃煤电站节省了投资成本，在污染物脱除效率、运行成本和系统维护等方面均有较大优势。（3）垃圾处置污染物排放低。采用燃煤机组锅炉烟气高温处理系统后，烟气中的粉尘、NOx及SO2浓度均可达到电站锅炉污染物排放标准。在经过机组锅炉高温焚烧及炉膛内烟气气氛下，可以进一步降低二噁英的排放浓度，抑制二噁英生成，排放指标将优于垃圾焚烧电厂排放指标。采用等离子飞灰熔融炉，将垃圾处置产生的含有一定重金属的飞灰高温熔融成为无害的熔融玻璃体，与常规垃圾焚烧电站的螯合物处置技术相比，采用等离子飞灰熔融炉技术更加先进、处置效果更加环保。（4）充分利用电厂资源，提高垃圾处置效果及能量利用效率。电厂电源、热源充足，利用电厂丰富的热风、高温烟气等热源，可以极大限度地提高垃圾的处理效果，实现垃圾的减量化处置。利用电厂高参数汽水资源，可以进一步提高垃圾焚烧能量的利用效率，实现垃圾能量的高效利用。3小型回转窑垃圾焚烧实验研究为了进一步验证垃圾耦合燃煤电站发电技术的可行性，结合燃煤电站机组运行现状，选取最佳的热源类型，搭建小型回转窑垃圾热解焚烧实验台，在不同热源工况下研究小型回转窑对生活垃圾的热解焚烧处置效果。3.1实验系统小型回转窑垃圾处置实验台主要设备包括：回转窑、配气预燃室、燃烧机、烟气取样管及烟气净化系统。采用燃气燃烧机并以液化气（丙烷）为燃料在燃烧室内燃烧生活垃圾，同时采用配气管路调节燃烧后的烟气组分，模拟电站锅炉烟气及热风情况。3.2实验原料实验采用的垃圾为未分拣的城市生活垃圾，主要包括厨余垃圾、废纸、废木材、塑料类垃圾等。各种类垃圾在实验前根据比例进行配比，并称取相同质量垃圾进行实验，以保证实验的可重复性。3.3实验步骤实验开始前先进行预实验。预实验内容主要为烟气温度及气氛调节实验，在回转窑内无垃圾情况下，开启燃气燃烧机，并配以适当流量的N2、CO2或O2气体，通过调整燃烧机出力、过量空气系数、各气体通入量，调整进入回转窑前的烟气温度及相应烟气气氛，为后续实验做准备。具体实验步骤如下：（1）确保实验台各设备运转正常，检查水、电、气管路无泄漏情况，确保燃烧机、引风机等设备正常运行；（2）开启回转窑尾部连接门，将适量垃圾送入回转窑内；（3）按照预实验内容预先调整各阀门开度，开启燃气燃烧机及回转窑，进行垃圾热解实验；（4）采用烟气分析仪测量热解过程中垃圾热解烟气的O2含量，采用热电偶测量垃圾热解过程中回转窑内温度；（5）通过烟气取样装置收取一定量热解气并采用气相色谱法进行化验；（6）待实验结束，停止燃烧机及配气系统，停止回转窑并进行冷却；（7）待回转窑内灰渣冷却，收集灰渣，分析灰渣含碳量，观察垃圾热解情况。3.4实验工况设置在高温(1 100 ℃)无氧、高温(1 100 ℃)低氧(3% O2)、中温(750 ℃)中氧(10% O2)、低温(330 ℃)高氧(18% O2)、中温(850 ℃)低氧(3% O2)、中温(900 ℃)低氧(3% O2)以及中温(500 ℃)热风(21% O2)等7个工况进行城市生活垃圾处置实验，处置时间2.5 h。通过对垃圾处置过程烟气成分及垃圾处置后灰渣形态及含碳量进行分析。4实验结果及分析4.1垃圾处置烟气成分分析以900 ℃、3% O2工况为例，对实验过程抽取的烟气成分进行分析，烟气主要化验成分为H2、CH4、CO等可燃气体成分以及O2、N2、CO2等常规气体成分。垃圾处理过程烟气成分如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.001.T001表1垃圾处理过程烟气成分时间/min成分含量/%H2CH4COO2CO200003.16910.960100002.92711.170190.02800.4192.21211.570240.01200.2642.20411.27037000.1132.82710.880520003.63210.720690003.24111.070880003.2659.860由表1可知，在此工况下，随着垃圾处置时间的增加，H2、CO等可燃气体成分占比呈先增长再下降趋势，在热解时间19 min左右时达到最高。此时H2含量仅为0.028%，CO含量仅为0.419%，CH4含量为0。因此，垃圾处置过程中可燃气体成分很少，仅在热解初步阶段存在，垃圾处置过程不完全燃烧较低。其他工况烟气成分均呈现该规律，仅可燃气体最大值出现时间略有区别。4.2垃圾处置效果分析不同工况的垃圾处置后灰渣形态实验结果以及垃圾灰渣含碳量如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.001.T002表2不同工况的垃圾处置后灰渣形态实验结果以及垃圾灰渣含碳量项目工况1工况2工况3工况4工况5工况6工况7温度/℃1 1001 100750330800900500氧量/%0310183321灰渣形态灰渣含碳量/%30.02.08.017.019.02.41.2实验结果灰渣呈黑色，有较多碳未完全反应。灰渣几乎全部变为灰白色回转窑出口灰渣中还有较多未燃尽的碳灰渣中有较多未燃尽物质灰渣中还存在较多灰色固体回转窑内灰渣基本变为白色回转窑内灰渣基本变为灰白色在1 100 ℃、无氧，330 ℃、18% O2，800 ℃、3% O2工况下，灰渣中有较多未燃尽物质，灰渣含碳量较高，垃圾处置效果较差。在1 100 ℃、3% O2，900 ℃、3% O2，500 ℃、21% O2工况下，灰渣基本变为灰白色，灰渣含碳量低，热解较完全。针对高温烟气，城市生活垃圾在不进行发酵、分拣及破碎的前提下，900 ℃、3% O2及更高温度条件下垃圾可以处置完全。针对热风工况（氧气含量21%），城市生活垃圾在不进行发酵、分拣及破碎的情况下，温度达到500 ℃即可将垃圾完全热解。考虑工程实施实际情况，采用高温烟气热解的方式，烟气参数较高(900 ℃)，对现场设备及管道等的要求较高。实际燃煤锅炉烟气成分中含有较多灰尘，对设备的安全稳定运行造成不利影响。因此，综合判断本技术路线采用中低温热风(500 ℃、21% O2)作为最佳的垃圾处置热源。530 t/d垃圾耦合燃煤电站系统设计5.1技术方案设计根据实验研究结果，确定垃圾在回转窑内燃烧，所用高温介质来自热一次风。因现有燃煤电站机组热一次风温仅300 ℃左右，为了使进入垃圾焚烧系统的热风温度达到500 ℃，系统采用2种技术路线实现。（1）采用高温再热蒸汽对热一次风进一步加热，使其温度达到500 ℃，换热后的高温再热蒸汽被输送至高压加热器。（2）在锅炉炉内增设烟气-空气换热器，将热（冷）一次风通入烟气-空气换热器，继续加热一次风至500 ℃。垃圾耦合燃煤电站发电技术系统流程如图4所示。图4垃圾耦合燃煤电站发电技术系统流程10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.001.F4a1（a）采用高温再热蒸汽产生热风10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.001.F4a2（b）采用烟气换热产生高温热风5.2技术方案可行性分析（1）采用本技术路线处理垃圾，需要从锅炉一次风烟道抽取一定量的热风(330 ℃、21% O2)，经高温再热蒸汽(560 ℃)或烟气（转向室位置700 ℃左右）加热后变为500 ℃高温热风，送至回转窑内对垃圾进行热解处理。针对燃煤机组锅炉，此部分工作仅需在一次风烟道及高温再热器管道上增加相应接口或在锅炉转向室内布置烟气-空气换热器，为常规操作，不会对锅炉的安全、稳定运行造成影响。（2）采用本技术路线处理垃圾，需要从一次风中抽取一定量的热风，同时向燃煤机组锅炉内输送垃圾焚烧处置后烟气。经初步计算，处理30 t/d的城市生活垃圾所需热风量约为3 000~6 000 m3/h，仅占300 MW机组一次风量的1%~2%。同时本系统设置的换热器可以将部分低温空气加热后输送至一次风，一次风总量将增加，因此抽取及输送过程均不会对锅炉造成影响。（3）将垃圾焚烧烟气输送至燃煤机组锅炉，垃圾热解气化时产生的能量均经换热器换热后输送至锅炉，锅炉所需燃料量略有降低。与锅炉燃煤量相比，垃圾量处理量较小，因此不会对锅炉造成任何影响。（4）垃圾热解过程产生的飞灰含有较多重金属，属于危废，因此本技术路线在烟气输送至燃煤机组锅炉期间降温并设置高效除尘器，将垃圾热解时产生的飞灰捕集后输送至等离子灰渣熔融炉进行玻璃体熔融处理，使气化气中的飞灰不会进入锅炉，不会对锅炉的飞灰造成影响。（5）烟气中剩余的二噁英等物质进入燃煤机组锅炉后会在锅炉1 300~1 500 ℃温度范围内完全分解，同时炉内低氧及SO2的存在也会进一步抑制二噁英生成，最终实现二噁英的高效脱除。采取有效技术措施后，垃圾耦合燃煤电站发电技术不会对电站锅炉造成不利影响。6结语现有垃圾电站存在建设投资费用高、能量利用率低等问题。因此，文章提出一种垃圾耦合燃煤电站发电技术思路。通过热风耦合、烟气耦合、汽水耦合的设计，实现更高的能量利用效率、更低的系统建设与运行成本和更好的环保效果。该技术为垃圾的减量化、资源化、无害化处理，以及燃煤电厂的转型升级提供了新思路。