生活垃圾热解可燃气内燃机发电机尾气颗粒物特性及改进净化＊

严 鑫，李 玮，杨文军

（1.中城绿建科技有限公司，浙江 杭州 310000；2.沈阳航空航天大学，辽宁 沈阳 110136）

1 工程背景概述

随着人民生活水平的不断提高，我国城市和村镇生活垃圾产生量也在逐步增长。2023 年我国生活垃圾的总清运量高达2.64×108t，与2018 年的2.28×108t 相比提高了15.79%，平均年复合增长率约为3%［1］。“十三五”国家重点研发计划［2］“绿色宜居村镇技术”创新专项中“村镇生活垃圾高值化利用与二次污染控制技术装备”项目和课题“村镇垃圾高效热解气化与烟气净化技术及装备”（计划编号：2018YFD1100602）的主要任务是开发适用于村镇垃圾处置的系列热解气化技术及装备，实现村镇垃圾就地、稳定以及能源化洁净处置。

固体废物的热解气化技术是在无氧或缺氧的条件下，将垃圾中的有机大分子分解，从而产生小分子气体、焦油和残焦的过程［3］。热解气化技术是村镇垃圾的主要处置方式之一，垃圾热解气化相对焚烧具有高效稳定、污染排放低、投资运行合理等独特优势［4-6］。垃圾经过热解气化后会产生可燃气和炉渣，目前，对于可燃气的资源化利用方式有两种［7-10］。其中，一种是进入二燃室进一步燃烧，燃烧后的烟气经余热锅炉进行能源利用和降温，然后经烟气净化达标后排放［11］；另一种则是将热解可燃气直接冷却、净化后进入内燃机发电，内燃机尾气经净化达标后排放。由于可燃气内燃机的发电效率可高达27%～30%［12］，故在工程中得到了广泛应用。

燃气发电机组［13-16］主要由发动机、发电机、公共底架、换热器、机旁控制柜等部分组成，如图1（a）所示。燃气发电机工作过程中与气体主要接触的系统［17-18］包括进气、燃烧、点火、排气和润滑等。主要部件有火花塞、气缸套、活塞、进气管、出气管和气缸盖。燃气发动机为四冲程发动机，每一个工作循环包括进气、压缩、做功和排气4 个冲程，这期间活塞在上、下止点间往复移动了4 个行程，曲轴旋转了两周。燃气发电机的结构与工作过程如图1（b）所示。

图1 燃气发电机结构与工作过程Figure 1 Structure and working process of gas generator

针对500GFM 型燃气发电机组，前期使用时CO 氧化型净化器、选择性催化还原（Selective Catalytic Reduction，SCR）脱硝净化设备均能稳定达到原设计指标。使用一段时间后，白色物质开始富集在反应模块中。整个系统运行1 个月后，经测试两组设备均无法达到原设计指标，拆开后发现净化设备模块堵塞，如图2 所示。经初步处理，对CO 催化剂进行吹扫，催化剂孔道内吹出大量白色粉尘。吹扫结束后，将设备装回重新测试，发现指标效果改善并不明显。

图2 可燃气燃烧后不同构件上的白色粉末Figure 2 White powder on different components after gas combustion

为解决上述问题，研发组合式净化技术，获取可用于内燃机发电的高品质燃气，以满足对应的热解气化及烟气污染全过程控制技术与装备的要求。本研究针对可燃气净化后进入内燃机直燃发电工艺中的内燃机尾气颗粒物进行研究和分析，并实施改进优化。

2 工艺流程与设计参数

生活垃圾经过热解气化产生低热值的可燃气，其主要成分［19］为CO、CH4、N2、H2、CmHn。经过多级水洗、捕焦等处理后，含饱和水＜1%、含氧量＜1%。针对热解可燃气组分进行测量，具体数据见表1。

表1 热解可燃气组分Table 1 The component of pyrolysis combustible gas

经热解后的可燃气，直接进入到燃气发电机组发电。燃气发动机［20］为直列、水冷、四冲程、中低速内燃机，工作转速为500、600 r/min，额定功率400～1 000 kW。该类型发电机具有缸径大、行程长、功率储备大等优点［21-23］，适用于气源波动大、浓度范围广等工况，能够保证机组功率稳定输出。

发电机组的尾气经消音器排入调试烟囱，联网后尾气进一步经CO 氧化型净化器和SCR 脱硝净化设备处理，最后进入排放烟囱排放。其中，CO 氧化型净化器的主要作用是对烟气中的CO 进行催化燃烧，使CO 达标排放。而SCR 脱硝净化设备可以对烟气中的氮氧化物作进一步反应，使氮氧化物达标排放。

3 测试指标与分析方法

为探究500GFM 型燃气发电机组运行一段时间后尾气中CO 和氮氧化物排放超标的具体原因，针对设备孔道内的白色粉末开展了检测与分析。

3.1 EDS 检测

对现场模块吹扫出的白色粉末进行取样检测，测试结果如表2 和图3 所示。

表2 白色颗粒物EDS 测试结果Table 2 EDS test results of white particle

图3 白色颗粒物峰型测试结果Figure 3 Test results of peak pattern in white particle

根据白色颗粒物峰型和X 射线能谱仪（Energy Dispersive Spectrometer，EDS）测试结果发现，样品白色粉末中含有Si、O、Al、C、Fe、La、Ce；各元素质量浓度由大到小依次排序为：O＞Si＞Al＞C＞Ce＞La＞Fe，其中O 的质量浓度最大。

3.2 SEM 检测

对样品进行扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）检测，其结果如图4 所示。在加速电压5 kV、工作距离6.4 mm、工作宽度114.3µm、放大倍数1 000 的参数条件下，白色粉末颗粒大多凝聚成团，形态和尺寸大小不一，且具有一定的黏附性，如图4（a）所示。而在加速电压5 kV、工作距离6.5 mm、工作宽度11.43 µm、放大倍数10 000 的参数条件下，白色粉末颗粒成晶粒状，分布不均，单独晶粒直径小于1µm，属于纳米级别粉末，如图4（b）所示。晶粒黏附成团或雪花片块状，且分布较实，流通通道少。因此，类似白色粉末极易堵塞催化剂表面涂覆通道。

图4 样品SEM 结果Figure 4 SEM results of samples

3.3 XRF 检测

X 射线荧光（X-Ray Fluorescence，XRF）检测结果如图5 所示。从单质模式分析，Si 浓度最大，前5 位分别是Si＞Fe＞Al＞Mg＞La；从氧化物模式分析，SiO2浓度最大，前5 位分别是SiO2＞Fe2O3＞Al2O3＞SO3＞MgO。

图5 样品XRF 检测结果Figure 5 XRF results of the samples

由以上检测结果可知：①从SEM 扫描电镜和XRF 荧光光谱分析看，CO 催化剂表面附着的SiO2将催化剂微孔封闭，使得催化剂失去效果；②催化剂前后粉末中有害成分主要为SiO2和硫化物，因此存在化学成分导致催化剂失效的可能。

4 运行效果分析

4.1 设备改进及运行效果

为实现发电机尾气稳定持续达标排放，对装置进行了如下改进：①通过在热解净化工艺中新增多级捕焦装置，将可燃气中的焦油浓度降低至50 mg/m³以内，基本满足了内燃机长期运行要求。实际使用过程中，按照内燃机半个月1 次保养的要求，内燃机火花塞上仅有极少量白色粉末，进行清理保养后可继续使用；②在发电机组尾气出口处新增高温陶瓷除尘器，能够对白色粉末进行拦截，可以保护后续催化剂模块。

通过以上两个措施，经过半年的运行，发电机组保持稳定，催化剂依然可靠有效，尾气排放物浓度达标。具体检测数据如表3 所示。

表3 尾气排放物检测结果Table 3 Test results of exhaust emissions

4.2 尾气颗粒物影响因素分析

热解气内燃机对燃气的要求［24］为燃气在进机前应经过除尘、焦油、苯、萘，脱硫、脱水、冷却处理。500GFM 型燃气发电机组对燃气的要求须达到的标准如表4 所示。

表4 500GFM 型内燃机对燃气的要求Table 4 The gas requirements of 500GFM internal combustion engine

实际运行过程中，因为生活垃圾的热解气成分比较复杂，燃气实际运行参数较发电机燃气要求会有差异。因为发电机尾气颗粒物主要以SiO2为主，则将研究重点关注燃气中的粉尘含量和粒度、焦油含量、水分含量，此外燃气中的硅氧烷通过高温燃烧也会存在SiO2，同样纳入研究范围中。

4.2.1 可燃气中水分及温度对白色粉末生成的影响

为分析水分对白色粉末的影响，主要从燃气中的游离水和不同温度下可燃气含水量两个方面进行测试验证。

通过在可燃气净化工艺末端至发电工艺前端之间新增多级捕水器，然后在发电工艺进气端新增疏水口。燃气经过多级捕水器中填料的捕水作用，使得燃气中的游离水分离，此过程中燃气温度以40 ℃为基准，经过3×24 h 连续发电测试，发现发电机组火花塞处与发电机尾气中的白色粉末（经收集、干燥、称质量）质量为原来的96.53%。

通过在燃气净化工艺中，提升冷却塔功率，来降低冷却水温度，进而降低可燃气温度；将燃气温度由40 ℃降低至20 ℃，发电工艺进气端新增的疏水口处的冷凝水明显增多，经过3×24 h 连续发电测试，发现发电机组火花塞处与发电机尾气中的白色粉末（经收集、干燥、称质量）质量为原来的91.32%。

4.2.2 可燃气中粉尘含量对白色粉末的影响

将热解气化中入炉料进行筛分，筛除掉粒径小于20 mm 的颗粒物；同时，在可燃气净化工艺中增加旋风除尘器和多级水洗，进一步降低可燃气中的粉尘含量。通过对燃气的检测，使燃气中的粉尘含量小于30 mg/m³，经过3×24 h 连续发电测试，发现发电机组火花塞处与发电机尾气中的白色粉末（经收集、干燥、称质量）质量为原来的97.91%。

4.2.3 焦油对白色粉末的影响

垃圾热解气中焦油的去除是垃圾净化的难点，通过对初始焦油的组分进行工业分析（图6）可知，垃圾热解气中的粉尘含量仅为0.88%，可见焦油中含有的粉尘量较大。

图6 焦油的工业元素分析Figure 6 Industrial element analysis of tar

通过对可燃气进行多级水洗和多级捕焦措施，可以大幅降低燃气中的焦油。在燃气净化工艺中设置三级水洗和二级捕焦后，可将燃气中的焦油降低至50 mg/m³以下，满足发电机组长期运行要求。经过3×24 h 连续发电测试，发电机组火花塞处与发电机尾气中的白色粉末经收集、干燥、称质量后质量为原来的1.36%，其中发电机组尾气中的白色粉末几乎不见，发电机组火花塞处有极少量白色粉末；再经过进一步的捕焦措施，燃气中的焦油降低至10 mg/m³以下，经过3×24 h 连续发电测试，发电机组火花塞处与发电机尾气中的白色粉末经收集、干燥、称质量后质量为原来的1.02%。取白色粉末进行SEM 测试，此时的白色粉末颗粒为纳米级别，属于超细粉末。

4.2.4 白色粉末的生成原因

生活垃圾中硅氧烷的主要来源是含硅物质［25］，如医疗保健、食品添加剂、塑料、洗涤剂、化妆品等。最常见的硅氧烷是D3、D4、D5、L2 和L3，一般D4 是主要部分，占含硅物质总量的60%，其次是L2，再次分别是D5 和L3，分为水溶性硅氧烷和憎水性硅氧烷。

目前，对于可燃气中硅氧烷的测定分析方法还没有统一的标准。尽管已有几种可行的方法，但精确的定性定量分析仍然具有很大的挑战性。因为有机硅聚合物具有许多类型，且可燃气中硅氧烷的各组分浓度通常十分微小。此外，生活垃圾热解可燃气中还有部分的硅醇（主要为三甲基硅醇），可占总硅质的50%。D3 和三甲基硅醇的化学稳定性差，易发生化学转化，从而进一步增加了测定分析工作的难度。

从满足内燃机发电要求的可燃气中抽取样气开展测试。将获取的样气进行预先干燥，冷却到5 ℃，然后预加热到15 ℃，处理后的气体经过活性炭层吸附单元后再进行燃烧，并采集燃烧灰烬。试验中，几乎采集不到相关白色粉末，说明垃圾热解可燃气中存在部分硅氧烷。

5 成本经济分析

经过对内燃机发电机组的工艺改进及处理，获得了1.865 万元/d 的经济效益。具体如下：

1） 通过净化，每月可降低8 台发电机组维修配件等费用20 万元；

2） 实现了连续发电，实际运行每日提升发电量15 000 kWh，提高收入29.25 万元/月；

3） 增长了催化剂使用寿命，由2 个月延长至12 个月，降低成本90 万元/a。

6 存在问题与展望

1）存在问题：硅氧烷与焦油混合在垃圾热解燃气中，传统去除方法的工程运行成本较高、去除难度大；采用固定式内燃机用于垃圾热解气发电，对燃气中的焦油和粉尘浓度要求高，需要采用多级净化措施来满足要求，但在一定程度上也增加了运营成本。

2）未来展望：研发创新的焦油催化技术，从源头减少粉尘与焦油量，以降低净化设备运行负荷来降低成本。同时，提升高温燃气内燃机发电技术，在燃气高温阶段分离粉尘和减少焦油产生量，以改善提升能源利用率。

7 结论

1） 垃圾热解可燃气中燃烧产生的白色粉末以SiO2为主，其主要来源为热解可燃气中的焦油和硅氧烷。

2） 新增多级捕焦装置可将热解可燃气中的焦油降低至50 mg/m³以下，排放烟气中粉尘量低于5 mg/m³。

3） 垃圾热解可燃气中硅氧烷燃烧产生的SiO2为纳米级超细粉末，利用高温陶瓷除尘可进行有效捕捉，实现对发电机组尾气催化剂的保护。

致谢：感谢浙江大学金余其研究员、李晓东教授以及林晓青副教授在课题实施中给予的指导和帮助，同时感谢淄博淄柴新能源有限公司为内燃机发电技术提供的相关支持。