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石油為世界上重要的化石能源，在我國開采量相對較低。為彌補我國石油資源短缺的問題，以煤炭為原料經化學加工生成油品和石油化工產品的煤制油技術受到廣泛的關注。煤制油技術包括直接液化技術和間接液化的費托合成技術。其中，應用較多的費托合成工藝伴隨產生的固廢渣蠟主要成分是烷烴和少量烯烴組成的含氧化合物，在我國固廢管理中屬于危險廢物，長期堆放易對周圍環(huán)境帶來較大影響，且熱值較高易蓄熱自燃，會帶來較大的環(huán)境風險,急需無害化處置。若直接對渣蠟以填埋處理，會造成嚴重的環(huán)境污染問題和極大的資源浪費。鑒于渣蠟的高熱值，對渣蠟的熱量回收和資源化利用，不僅會產生經濟效益，而且能緩解資源短缺，滿足固體廢物“資源化、減量化、無害化”的管理要求，符合國家推進的“無廢城市”建設理念，具有廣闊的應用和發(fā)展前景。而渣蠟在燃煤鍋爐中摻燒是一種經濟可行的回收其熱量的處理方式，且摻混能夠利用燃料的互補特性，改善摻混后燃料的綜合性能。

目前，鍋爐摻燒的固體廢物主要包括生物質、市政污泥和醫(yī)療廢棄物等，研究方向包括摻燒比例和燃燒特性等對污染物排放和鍋爐效率的影響。RAGO等發(fā)現(xiàn)摻燒生物質得到更好的燃燒特性，主要原因是共燃過程中出現(xiàn)協(xié)同作用改善混合燃料的燃料特性，增強煤的燃燒。潘升全等對300MW燃煤機組摻燒生物質實驗研究，發(fā)現(xiàn)生物質摻燒后的鍋爐灰可以利用到建筑行業(yè)中。王荔等對生活垃圾焚燒爐中摻燒醫(yī)療廢棄物進行試驗研究，此方式達到應急處置要求，且不會對焚燒爐的溫度、爐渣中重金屬浸出和煙氣排放產生明顯影響。LI等發(fā)現(xiàn)污泥與煤摻燒后產生的CO、SO2和氮氧化物排放量并沒有大幅度增加。HAI等通過循環(huán)流化床焚燒爐研究發(fā)現(xiàn)，與污泥單獨燃燒相比，污泥與煤共燃燒能顯著降低二惡英排放。因此，利用鍋爐摻燒固體廢物減量化程度高，可以實現(xiàn)能量回收，而且不影響焚燒效率和污染物穩(wěn)定排放，成為固體廢物處理的重要方法。循環(huán)流化床(CFB)鍋爐具有燃料適應性廣、氮氧化物排放低、易于實現(xiàn)灰渣利用等特點。因此，為達到固體廢物的合理利用與處置，以及降低燃料成本，配有CFB鍋爐的發(fā)電機組大都將摻燒作為主流燃燒方式。而入爐燃料的品質會直接影響CFB鍋爐爐膛內床料的品質，及時分析摻燒燃料對CFB鍋爐運行的燃燒效率及污染物排放尤為重要。

然而，如今尚無相關數(shù)據對CFB鍋爐摻燒渣蠟的鍋爐效率和產生的粉煤灰與爐渣中特征污染物的質量分數(shù)進行研究分析。因此，本研究以國家能源集團某公司的4×106t.a-1煤制油項目及CFB鍋爐為例，對其焚燒燃料煤和摻燒燃料的2種運行工況進行對比分析，研究不同工況下鍋爐運行效率和粉煤灰與爐渣中污染物質量分數(shù)的影響，評估CFB鍋爐摻燒渣蠟的可行性和安全性，以期為渣蠟的資源化利用和CFB鍋爐摻燒渣蠟運行提供參考和依據。

1、材料與方法

1.1 摻燒工藝概況

CFB鍋爐燃煤是一種潔凈煤燃燒技術。國內目前采用CFB鍋爐摻燒固體廢物已經成為一種趨勢。CFB鍋爐所需燃料自燃料庫經皮帶輸送至爐前煤倉，后經稱重式皮帶給煤機計量后送入爐前落煤管，通過增壓的播煤風送入鍋爐爐膛，CFB鍋爐運行由分散控制系統(tǒng)(DCS)控制。CFB鍋爐的摻燒工藝流程見圖1。

渣蠟是煤制油過程中費托合成工藝反應器過濾系統(tǒng)產生的固體廢物。本研究將通過預過濾器、過濾器和穩(wěn)定過濾器分別排出的一級渣蠟、二級渣蠟和穩(wěn)定渣蠟按3∶1∶1進行破碎混合，得到混合渣蠟。再將混合渣蠟與已破碎的燃料煤按1∶1比例通過裝載機進行摻配均勻，后將摻配均勻的燃料撒入緊急下料口內，與同時撒入下料口燃料煤共同通過皮帶送CFB鍋爐爐前煤倉，燃料煤與渣蠟按30∶1比例均勻制備摻燒燃料，經稱重式皮帶給煤機送入爐膛焚燒。

1.2 樣品采集及分析

本研究分別對空白工況(燃料僅為燃料煤)和摻燒工況(燃料為燃料煤和渣蠟混合得摻燒燃料)的粉煤灰和爐渣進行采樣分析，采樣標準參考《工業(yè)固體廢物采樣制樣技術規(guī)范》(HJ/T20-1998)和《危險廢物鑒別技術規(guī)范》(HJ298-2019)，爐渣的采樣位置為爐膛下部的排渣口，粉煤灰的采樣位置為電袋除塵裝置后的粉煤灰?guī)臁Ｍ瑫r對入爐燃料煤、3種渣蠟、摻燒燃料分別進行樣品采集，其中摻燒燃料取樣為混合均勻后的樣品，現(xiàn)場取樣照片如圖2所示。以上每個樣品采集2000g左右，爐渣和粉煤灰樣品各取3次樣品，燃料煤、各種渣蠟和摻燒燃料各取2次樣品。對各樣品進行灰分、熱值、熱灼減率、二惡英和重金屬含量等指標進行檢測，得到原料組分特性和灰渣特征污染物定量分析數(shù)據，以此判斷摻燒渣蠟對CFB鍋爐運行和灰渣特征污染物的影響。本研究所測算數(shù)據均為以上指標檢測值的平均值。

2、結果與討論

2.1 燃料組分分析

本次CFB鍋爐摻燒試驗燃料為燃料煤和摻燒燃料2種，其中摻燒燃料中含有燃料煤、一級渣蠟、二級渣蠟和穩(wěn)定渣蠟。燃料組分的工業(yè)分析、元素分析、熱值及氟元素和氯元素含量分析表1。

由表1可知，燃料煤和渣蠟的水分、灰分和熱值等差異較明顯，而3種渣蠟之間的元素含量、水分和灰分等差異不大。其中，渣蠟的水分、碳元素和硫元素含量明顯低于燃料煤，但熱值高于燃料煤。渣蠟中的揮發(fā)分含量高(>30%)，使摻燒燃料的揮發(fā)分含量達到中等水平，在進入鍋爐后更利于著火，提高著火性能。雖然摻燒燃料中渣蠟占比較小，但在煤與渣蠟配料的充分混合過程中，燃料煤的部分水分揮發(fā)，導致燃料體系中的水分降低，摻燒燃料的發(fā)熱量也會升高，使得煤與渣蠟混合后的燃料熱值較高。

燃料煤、渣蠟、摻燒燃料中的重金屬含量見表2，燃料煤中各重金屬元素含量與渣蠟相比差異明顯。燃料煤中鉛、鉻、錫、鎳、錳、銅、鋅、銀、硒的含量低于渣蠟中含量，而鈷、釩、鋇在燃料煤中含量高于渣蠟；燃料煤和渣蠟中汞、砷、鈹、銻含量無明顯差異。摻燒燃料中錳和銅含量是燃料煤的3~6倍，主要原因是一級渣蠟和二級渣蠟中的錳和銅含量遠高于燃料煤中的含量，其他重金屬含量相差無異。

2.2 摻燒對CFB鍋爐運行影響

實驗期間CFB鍋爐運行時的DCS數(shù)據如圖3所示，整個試驗過程中CFB鍋爐運行負荷為80.9%~96.8%。根據稱重式給煤機稱重數(shù)據統(tǒng)計入爐燃料數(shù)量，在2種工況下，入爐燃料的投加量基本保持一致。根據DCS數(shù)據發(fā)現(xiàn)空白工況期間鍋爐負荷為86.2%~89.6%，摻燒工況期間鍋爐負荷為85.4%~94.3%，在摻燒前期(0~5h)鍋爐負荷有個明顯升高的過程，之后測試期間鍋爐工況較為穩(wěn)定，未發(fā)生較大波動，穩(wěn)定后的摻燒工況鍋爐負荷要高于空白工況。分析可知，在摻燒工況下?lián)綗剂系臒嶂递^高，且摻燒燃料在摻配過程中多次將物料翻拋混合，制備的燃料顆粒度降低，入爐燃燒較燃料煤更加充分。

CFB鍋爐的溫度檢測主要包括前墻床溫度、后墻床溫度、密相區(qū)溫度、稀相區(qū)溫度、爐膛出口溫度，各區(qū)域溫度均設置多個測點。分析表3中CFB鍋爐爐膛中各區(qū)域監(jiān)測點的平均溫度數(shù)據結果，得到摻燒工況各區(qū)域溫度平均值較空白工況的溫度平均值都高，摻燒工況較空白工況爐膛出口溫度在運行初期有明顯的升溫過程。爐膛出口溫度變化曲線詳見圖4，可以發(fā)現(xiàn)，隨摻燒實驗開展，摻燒工況下鍋爐爐膛出口溫度整體處于上升趨勢，最后穩(wěn)定在875℃以上，但空白工況溫度未出現(xiàn)明顯上升，最高溫度在860℃左右。這說明，摻燒燃料在CFB鍋爐運行中產生的熱量高于燃料煤，從而印證摻燒工況鍋爐負荷高于空白工況。

2.3 CFB鍋爐摻燒對灰渣中特征污染物的影響

為了確定摻燒對CFB鍋爐運行產生粉煤灰和爐渣特征污染物的影響，選擇空白和摻燒2種運行工況下，對采集的粉煤灰和爐渣樣品中二惡英、重金屬、有機質、熱灼減率等指標進行檢測，進而分析CFB鍋爐摻燒渣蠟后灰渣中的特征污染物質量分數(shù)變化情況。

1)摻燒對一般指標的影響。摻燒前后粉煤灰和爐渣樣品中氟元素、硫元素、有機質、水分及熱灼減率檢測結果見表4所示。對比CFB鍋爐空白和摻燒2種運行工況，粉煤灰和爐渣中除硫外其他指標變化較小。

2)摻燒對二惡英類質量分數(shù)和毒性當量的影響。在空白工況下粉煤灰與爐渣中二惡英單體只有OCDD被檢測出。摻燒渣蠟后粉煤灰中新增了1,2,3,4,6,7,8-HCDF和OCDF單體可檢出，檢出的1,2,3,4,6,7,8-HCDF單體質量分數(shù)為6.6ng·kg-1，OCDF單體質量分數(shù)為12ng·kg-1。摻燒渣蠟后爐渣中新增了1,2,3,4,6,7,8-HCDF單體可檢出，檢出的1,2,3,4,6,7,8-HCDF單體質量分數(shù)為0.69ng·kg-1。對2種工況下二惡英毒性當量進行計算(單體質量分數(shù)未檢出時，以檢測限的0.5倍計)，在空白工況下，粉煤灰和爐渣的二惡英毒性當量分別為6.0和0.61ngTEQ·kg-1，在摻燒工況下，粉煤灰和爐渣的二惡英毒性當量分別為6.1和0.61ngTEQ·kg-1，均遠低于《危險廢物鑒別標準毒性物質含量鑒別》(GB/T5085.6-2007)中規(guī)定的二惡英類質量分數(shù)限值：15μgTEQ·kg-1和《生活垃圾填埋場污染控制標準》(GB16889-2008)中規(guī)定的二惡英類質量分數(shù)限值：3μgTEQ·kg-1。以上結果說明，按照30∶1的比例摻燒渣蠟對于粉煤灰中可檢出的二惡英同系物的質量分數(shù)和二惡英類的毒性當量稍有增加，但遠低于固體廢物危廢鑒別標準限值，增加的環(huán)境風險可控制，爐渣中二惡英類的毒性當量沒有變化。粉煤灰與爐渣中二惡英類質量分數(shù)均主要由OCDD主導。

CFB鍋爐運行中二惡英的組成特征主要受爐溫度、氧含量和含氯情況的影響。而混合渣蠟后氯元素含量較燃料煤并未發(fā)生明顯變化。而且CFB鍋爐的運行負荷較高，各相區(qū)域的溫度平均值也在850℃以上，煙氣停留時間大于2s，滿足二惡英高溫分解的工藝要求。本實驗產生的粉煤灰中二惡英類毒性當量遠低于城市生活垃圾焚燒產生粉煤灰中二惡英類毒性當量(0.78~2.86ngTEQ·g-1)和干季條件下市政污泥與垃圾協(xié)同焚燒產生飛灰的二惡英類毒性當量(12.2~17.6ngTEQ·g-1)。

3)摻燒對重金屬含量的影響。不同重金屬化學性質及在煤中存在形式不同，導致它們在燃燒中的行為也有所不同。如銅在焚燒過程易形成不易揮發(fā)的氧化物，而焚燒過程溫度低于銅單質和氧化物的沸點，所以灰渣中銅在焚燒時很難揮發(fā)；而汞的沸點為356℃，屬于低沸點金屬，具有較高蒸氣壓，難以與礦物結合形成穩(wěn)定的化合物，極易在高溫下變?yōu)闅鈶B(tài)，揮發(fā)性較高。

在2種工況下，CFB鍋爐產生的粉煤灰和爐渣中重金屬遷移情況，如圖5所示，爐渣中的釩和錳重金屬質量分數(shù)高于粉煤灰，其他重金屬質量分數(shù)差異不大。其可能原因是，釩和錳元素不易揮發(fā)，導致其主要富集在爐渣中，部分遷移到粉煤灰中。通過空白和摻燒2種工況的對比，發(fā)現(xiàn)摻燒工況下粉煤灰中的鉻、錳和銅重金屬質量分數(shù)稍高于空白工況，分別為空白工況的1.43倍、2.75倍和3.01倍，而爐渣中的鉻、錳和銅重金屬質量分數(shù)也高于空白工況，分別為空白工況的1.71倍、2.16倍和3.89倍，其他類別的重金屬含量未發(fā)現(xiàn)明顯差異。結合渣蠟中重金屬含量和摻燒燃料特性分析，其可能原因是受渣蠟原料中的重金屬含量影響，導致?lián)綗筱t、錳和銅重金屬質量分數(shù)明顯高于空白工況。總體上，摻燒渣蠟對CFB鍋爐產生的粉煤灰和爐渣的重金屬含量會有部分影響，但整體影響可控，且摻燒工況下的重金屬質量分數(shù)與空白工況差異較小，部分重金屬甚至出現(xiàn)下降趨勢。這與閆大海等研究水泥窯共處置固體廢物過程中重金屬分配結果一致，大部分重金屬在不同相的分配，分配率在摻燒前后基本不受影響。

3、結論

1)燃料煤經過與渣蠟混合后，摻燒燃料的揮發(fā)分、固定碳、水分含量和熱值等基本組分特性均發(fā)生明顯變化，熱值得到明顯增加，而且錳和銅等部分重金屬含量受渣量影響也較為顯著，含量是燃料煤的3~6倍。

2)摻燒渣蠟后，CFB鍋爐運行負荷最大值從89.6%提高到94.3%，CFB鍋爐各區(qū)域溫度也隨之升高，摻燒中各區(qū)域平均溫度均高于空白工況，摻燒工況穩(wěn)定后溫度波動不明顯。

3)CFB鍋爐摻燒渣蠟前后產生的粉煤灰和爐渣中有機質和熱灼減率無明顯差異，摻燒渣蠟后產生的粉煤灰和爐渣中二惡英類質量分數(shù)相較CFB鍋爐摻燒其他類別較低，但不易揮發(fā)的鉻、錳和銅重金屬質量分數(shù)要高于空白工況。