嚴 鑫，李 瑋，楊文軍

（1.中城綠建科技有限公司，浙江 杭州 310000；2.沈陽航空航天大學，遼寧 沈陽 110136）

1 工程背景概述

隨著人民生活水平的不斷提高，我國城市和村鎮(zhèn)生活垃圾產生量也在逐步增長。2023 年我國生活垃圾的總清運量高達2.64×108t，與2018 年的2.28×108t 相比提高了15.79%，平均年復合增長率約為3%［1］?！笆濉眹抑攸c研發(fā)計劃［2］“綠色宜居村鎮(zhèn)技術”創(chuàng)新專項中“村鎮(zhèn)生活垃圾高值化利用與二次污染控制技術裝備”項目和課題“村鎮(zhèn)垃圾高效熱解氣化與煙氣凈化技術及裝備”（計劃編號：2018YFD1100602）的主要任務是開發(fā)適用于村鎮(zhèn)垃圾處置的系列熱解氣化技術及裝備，實現村鎮(zhèn)垃圾就地、穩(wěn)定以及能源化潔凈處置。

固體廢物的熱解氣化技術是在無氧或缺氧的條件下，將垃圾中的有機大分子分解，從而產生小分子氣體、焦油和殘焦的過程［3］。熱解氣化技術是村鎮(zhèn)垃圾的主要處置方式之一，垃圾熱解氣化相對焚燒具有高效穩(wěn)定、污染排放低、投資運行合理等獨特優(yōu)勢［4-6］。垃圾經過熱解氣化后會產生可燃氣和爐渣，目前，對于可燃氣的資源化利用方式有兩種［7-10］。其中，一種是進入二燃室進一步燃燒，燃燒后的煙氣經余熱鍋爐進行能源利用和降溫，然后經煙氣凈化達標后排放［11］；另一種則是將熱解可燃氣直接冷卻、凈化后進入內燃機發(fā)電，內燃機尾氣經凈化達標后排放。由于可燃氣內燃機的發(fā)電效率可高達27%～30%［12］，故在工程中得到了廣泛應用。

燃氣發(fā)電機組［13-16］主要由發(fā)動機、發(fā)電機、公共底架、換熱器、機旁控制柜等部分組成，如圖1（a）所示。燃氣發(fā)電機工作過程中與氣體主要接觸的系統(tǒng)［17-18］包括進氣、燃燒、點火、排氣和潤滑等。主要部件有火花塞、氣缸套、活塞、進氣管、出氣管和氣缸蓋。燃氣發(fā)動機為四沖程發(fā)動機，每一個工作循環(huán)包括進氣、壓縮、做功和排氣4 個沖程，這期間活塞在上、下止點間往復移動了4 個行程，曲軸旋轉了兩周。燃氣發(fā)電機的結構與工作過程如圖1（b）所示。

圖1 燃氣發(fā)電機結構與工作過程Figure 1 Structure and working process of gas generator

針對500GFM 型燃氣發(fā)電機組，前期使用時CO 氧化型凈化器、選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction，SCR）脫硝凈化設備均能穩(wěn)定達到原設計指標。使用一段時間后，白色物質開始富集在反應模塊中。整個系統(tǒng)運行1 個月后，經測試兩組設備均無法達到原設計指標，拆開后發(fā)現凈化設備模塊堵塞，如圖2 所示。經初步處理，對CO 催化劑進行吹掃，催化劑孔道內吹出大量白色粉塵。吹掃結束后，將設備裝回重新測試，發(fā)現指標效果改善并不明顯。

圖2 可燃氣燃燒后不同構件上的白色粉末Figure 2 White powder on different components after gas combustion

為解決上述問題，研發(fā)組合式凈化技術，獲取可用于內燃機發(fā)電的高品質燃氣，以滿足對應的熱解氣化及煙氣污染全過程控制技術與裝備的要求。本研究針對可燃氣凈化后進入內燃機直燃發(fā)電工藝中的內燃機尾氣顆粒物進行研究和分析，并實施改進優(yōu)化。

2 工藝流程與設計參數

生活垃圾經過熱解氣化產生低熱值的可燃氣，其主要成分［19］為CO、CH4、N2、H2、CmHn。經過多級水洗、捕焦等處理后，含飽和水＜1%、含氧量＜1%。針對熱解可燃氣組分進行測量，具體數據見表1。

表1 熱解可燃氣組分Table 1 The component of pyrolysis combustible gas

經熱解后的可燃氣，直接進入到燃氣發(fā)電機組發(fā)電。燃氣發(fā)動機［20］為直列、水冷、四沖程、中低速內燃機，工作轉速為500、600 r/min，額定功率400～1 000 kW。該類型發(fā)電機具有缸徑大、行程長、功率儲備大等優(yōu)點［21-23］，適用于氣源波動大、濃度范圍廣等工況，能夠保證機組功率穩(wěn)定輸出。

發(fā)電機組的尾氣經消音器排入調試煙囪，聯網后尾氣進一步經CO 氧化型凈化器和SCR 脫硝凈化設備處理，最后進入排放煙囪排放。其中，CO 氧化型凈化器的主要作用是對煙氣中的CO 進行催化燃燒，使CO 達標排放。而SCR 脫硝凈化設備可以對煙氣中的氮氧化物作進一步反應，使氮氧化物達標排放。

3 測試指標與分析方法

為探究500GFM 型燃氣發(fā)電機組運行一段時間后尾氣中CO 和氮氧化物排放超標的具體原因，針對設備孔道內的白色粉末開展了檢測與分析。

3.1 EDS 檢測

對現場模塊吹掃出的白色粉末進行取樣檢測，測試結果如表2 和圖3 所示。

表2 白色顆粒物EDS 測試結果Table 2 EDS test results of white particle

圖3 白色顆粒物峰型測試結果Figure 3 Test results of peak pattern in white particle

根據白色顆粒物峰型和X 射線能譜儀（Energy Dispersive Spectrometer，EDS）測試結果發(fā)現，樣品白色粉末中含有Si、O、Al、C、Fe、La、Ce；各元素質量濃度由大到小依次排序為：O＞Si＞Al＞C＞Ce＞La＞Fe，其中O 的質量濃度最大。

3.2 SEM 檢測

對樣品進行掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）檢測，其結果如圖4 所示。在加速電壓5 kV、工作距離6.4 mm、工作寬度114.3μm、放大倍數1 000 的參數條件下，白色粉末顆粒大多凝聚成團，形態(tài)和尺寸大小不一，且具有一定的黏附性，如圖4（a）所示。而在加速電壓5 kV、工作距離6.5 mm、工作寬度11.43 μm、放大倍數10 000 的參數條件下，白色粉末顆粒成晶粒狀，分布不均，單獨晶粒直徑小于1μm，屬于納米級別粉末，如圖4（b）所示。晶粒黏附成團或雪花片塊狀，且分布較實，流通通道少。因此，類似白色粉末極易堵塞催化劑表面涂覆通道。

圖4 樣品SEM 結果Figure 4 SEM results of samples

3.3 XRF 檢測

X 射線熒光（X-Ray Fluorescence，XRF）檢測結果如圖5 所示。從單質模式分析，Si 濃度最大，前5 位分別是Si＞Fe＞Al＞Mg＞La；從氧化物模式分析，SiO2濃度最大，前5 位分別是SiO2＞Fe2O3＞Al2O3＞SO3＞MgO。

圖5 樣品XRF 檢測結果Figure 5 XRF results of the samples

由以上檢測結果可知：①從SEM 掃描電鏡和XRF 熒光光譜分析看，CO 催化劑表面附著的SiO2將催化劑微孔封閉，使得催化劑失去效果；②催化劑前后粉末中有害成分主要為SiO2和硫化物，因此存在化學成分導致催化劑失效的可能。

4 運行效果分析

4.1 設備改進及運行效果

為實現發(fā)電機尾氣穩(wěn)定持續(xù)達標排放，對裝置進行了如下改進：①通過在熱解凈化工藝中新增多級捕焦裝置，將可燃氣中的焦油濃度降低至50 mg/m3以內，基本滿足了內燃機長期運行要求。實際使用過程中，按照內燃機半個月1 次保養(yǎng)的要求，內燃機火花塞上僅有極少量白色粉末，進行清理保養(yǎng)后可繼續(xù)使用；②在發(fā)電機組尾氣出口處新增高溫陶瓷除塵器，能夠對白色粉末進行攔截，可以保護后續(xù)催化劑模塊。

通過以上兩個措施，經過半年的運行，發(fā)電機組保持穩(wěn)定，催化劑依然可靠有效，尾氣排放物濃度達標。具體檢測數據如表3 所示。

表3 尾氣排放物檢測結果Table 3 Test results of exhaust emissions

4.2 尾氣顆粒物影響因素分析

熱解氣內燃機對燃氣的要求［24］為燃氣在進機前應經過除塵、焦油、苯、萘，脫硫、脫水、冷卻處理。500GFM 型燃氣發(fā)電機組對燃氣的要求須達到的標準如表4 所示。

表4 500GFM 型內燃機對燃氣的要求Table 4 The gas requirements of 500GFM internal combustion engine

實際運行過程中，因為生活垃圾的熱解氣成分比較復雜，燃氣實際運行參數較發(fā)電機燃氣要求會有差異。因為發(fā)電機尾氣顆粒物主要以SiO2為主，則將研究重點關注燃氣中的粉塵含量和粒度、焦油含量、水分含量，此外燃氣中的硅氧烷通過高溫燃燒也會存在SiO2，同樣納入研究范圍中。

4.2.1 可燃氣中水分及溫度對白色粉末生成的影響

為分析水分對白色粉末的影響，主要從燃氣中的游離水和不同溫度下可燃氣含水量兩個方面進行測試驗證。

通過在可燃氣凈化工藝末端至發(fā)電工藝前端之間新增多級捕水器，然后在發(fā)電工藝進氣端新增疏水口。燃氣經過多級捕水器中填料的捕水作用，使得燃氣中的游離水分離，此過程中燃氣溫度以40 ℃為基準，經過3×24 h 連續(xù)發(fā)電測試，發(fā)現發(fā)電機組火花塞處與發(fā)電機尾氣中的白色粉末（經收集、干燥、稱質量）質量為原來的96.53%。

通過在燃氣凈化工藝中，提升冷卻塔功率，來降低冷卻水溫度，進而降低可燃氣溫度；將燃氣溫度由40 ℃降低至20 ℃，發(fā)電工藝進氣端新增的疏水口處的冷凝水明顯增多，經過3×24 h 連續(xù)發(fā)電測試，發(fā)現發(fā)電機組火花塞處與發(fā)電機尾氣中的白色粉末（經收集、干燥、稱質量）質量為原來的91.32%。

4.2.2 可燃氣中粉塵含量對白色粉末的影響

將熱解氣化中入爐料進行篩分，篩除掉粒徑小于20 mm 的顆粒物；同時，在可燃氣凈化工藝中增加旋風除塵器和多級水洗，進一步降低可燃氣中的粉塵含量。通過對燃氣的檢測，使燃氣中的粉塵含量小于30 mg/m3，經過3×24 h 連續(xù)發(fā)電測試，發(fā)現發(fā)電機組火花塞處與發(fā)電機尾氣中的白色粉末（經收集、干燥、稱質量）質量為原來的97.91%。

4.2.3 焦油對白色粉末的影響

垃圾熱解氣中焦油的去除是垃圾凈化的難點，通過對初始焦油的組分進行工業(yè)分析（圖6）可知，垃圾熱解氣中的粉塵含量僅為0.88%，可見焦油中含有的粉塵量較大。

圖6 焦油的工業(yè)元素分析Figure 6 Industrial element analysis of tar

通過對可燃氣進行多級水洗和多級捕焦措施，可以大幅降低燃氣中的焦油。在燃氣凈化工藝中設置三級水洗和二級捕焦后，可將燃氣中的焦油降低至50 mg/m3以下，滿足發(fā)電機組長期運行要求。經過3×24 h 連續(xù)發(fā)電測試，發(fā)電機組火花塞處與發(fā)電機尾氣中的白色粉末經收集、干燥、稱質量后質量為原來的1.36%，其中發(fā)電機組尾氣中的白色粉末幾乎不見，發(fā)電機組火花塞處有極少量白色粉末；再經過進一步的捕焦措施，燃氣中的焦油降低至10 mg/m3以下，經過3×24 h 連續(xù)發(fā)電測試，發(fā)電機組火花塞處與發(fā)電機尾氣中的白色粉末經收集、干燥、稱質量后質量為原來的1.02%。取白色粉末進行SEM 測試，此時的白色粉末顆粒為納米級別，屬于超細粉末。

4.2.4 白色粉末的生成原因

生活垃圾中硅氧烷的主要來源是含硅物質［25］，如醫(yī)療保健、食品添加劑、塑料、洗滌劑、化妝品等。最常見的硅氧烷是D3、D4、D5、L2 和L3，一般D4 是主要部分，占含硅物質總量的60%，其次是L2，再次分別是D5 和L3，分為水溶性硅氧烷和憎水性硅氧烷。

目前，對于可燃氣中硅氧烷的測定分析方法還沒有統(tǒng)一的標準。盡管已有幾種可行的方法，但精確的定性定量分析仍然具有很大的挑戰(zhàn)性。因為有機硅聚合物具有許多類型，且可燃氣中硅氧烷的各組分濃度通常十分微小。此外，生活垃圾熱解可燃氣中還有部分的硅醇（主要為三甲基硅醇），可占總硅質的50%。D3 和三甲基硅醇的化學穩(wěn)定性差，易發(fā)生化學轉化，從而進一步增加了測定分析工作的難度。

從滿足內燃機發(fā)電要求的可燃氣中抽取樣氣開展測試。將獲取的樣氣進行預先干燥，冷卻到5 ℃，然后預加熱到15 ℃，處理后的氣體經過活性炭層吸附單元后再進行燃燒，并采集燃燒灰燼。試驗中，幾乎采集不到相關白色粉末，說明垃圾熱解可燃氣中存在部分硅氧烷。

5 成本經濟分析

經過對內燃機發(fā)電機組的工藝改進及處理，獲得了1.865 萬元/d 的經濟效益。具體如下：

1） 通過凈化，每月可降低8 臺發(fā)電機組維修配件等費用20 萬元；

2） 實現了連續(xù)發(fā)電，實際運行每日提升發(fā)電量15 000 kWh，提高收入29.25 萬元/月；

3） 增長了催化劑使用壽命，由2 個月延長至12 個月，降低成本90 萬元/a。

6 存在問題與展望

1）存在問題：硅氧烷與焦油混合在垃圾熱解燃氣中，傳統(tǒng)去除方法的工程運行成本較高、去除難度大；采用固定式內燃機用于垃圾熱解氣發(fā)電，對燃氣中的焦油和粉塵濃度要求高，需要采用多級凈化措施來滿足要求，但在一定程度上也增加了運營成本。

2）未來展望：研發(fā)創(chuàng)新的焦油催化技術，從源頭減少粉塵與焦油量，以降低凈化設備運行負荷來降低成本。同時，提升高溫燃氣內燃機發(fā)電技術，在燃氣高溫階段分離粉塵和減少焦油產生量，以改善提升能源利用率。

7 結論

1） 垃圾熱解可燃氣中燃燒產生的白色粉末以SiO2為主，其主要來源為熱解可燃氣中的焦油和硅氧烷。

2） 新增多級捕焦裝置可將熱解可燃氣中的焦油降低至50 mg/m3以下，排放煙氣中粉塵量低于5 mg/m3。

3） 垃圾熱解可燃氣中硅氧烷燃燒產生的SiO2為納米級超細粉末，利用高溫陶瓷除塵可進行有效捕捉，實現對發(fā)電機組尾氣催化劑的保護。

致謝：感謝浙江大學金余其研究員、李曉東教授以及林曉青副教授在課題實施中給予的指導和幫助，同時感謝淄博淄柴新能源有限公司為內燃機發(fā)電技術提供的相關支持。