我國生活垃圾焚燒工程分析

白良成，卜亞明，劉慶麗，張曉斌

（城市建設(shè)研究院，北京 100120）

我國生活垃圾焚燒工程分析

白良成，卜亞明，劉慶麗，張曉斌

（城市建設(shè)研究院，北京 100120）

分析了我國生活垃圾的基本特征、垃圾焚燒廠的效益和垃圾焚燒廠的現(xiàn)狀，展望了我國垃圾焚燒工程的發(fā)展趨勢。

生活垃圾;焚燒工程;現(xiàn)狀分析;發(fā)展趨勢

我國生活垃圾焚燒工程已經(jīng)歷了20多年的發(fā)展歷程，其中前10年主要是學(xué)習(xí)和經(jīng)驗積累的過程，此期間工程以采用進(jìn)口設(shè)備為主，建設(shè)了約10座垃圾焚燒廠，包括我國第一座日處理450t的深圳環(huán)衛(wèi)綜合處理廠，處理規(guī)模分別為1200t/d和1000t/d的上海江橋和御橋垃圾焚燒廠，處理規(guī)模為1000t/d的寧波垃圾焚燒廠，處理規(guī)模為300t/d的深圳龍崗綜合處理廠以及數(shù)座小型國產(chǎn)爐型的垃圾焚燒廠。我國的垃圾焚燒工程在建設(shè)初期就十分注重對煙氣污染物排放、滲濾液收集、惡臭及噪聲控制等環(huán)境污染問題的控制和治理，因而國內(nèi)的垃圾焚燒工程一直處于健康發(fā)展并不斷完善的過程中。進(jìn)入21世紀(jì)以來的10年，不斷深化我國的垃圾焚燒工程理論，實現(xiàn)了焚燒工程主體設(shè)備的國產(chǎn)化，確立了以環(huán)境效益（包括保護(hù)環(huán)境資源；嚴(yán)格控制污染物排放，減小土壤、大氣、水體的環(huán)境負(fù)荷）、社會效益（承擔(dān)垃圾處理與不會對暴露人群的健康造成危害的社會責(zé)任）與經(jīng)濟(jì)效益（達(dá)到資源消耗最小化，經(jīng)濟(jì)利益適度化）為支撐的垃圾焚燒處理的可持續(xù)發(fā)展，使垃圾焚燒事業(yè)進(jìn)入了高速發(fā)展時期。

1 生活垃圾的基本特征及效益分析

垃圾焚燒過程是以揮發(fā)分的空間燃燒為主。在生活垃圾的可燃物中，通常固定碳占20%左右，揮發(fā)分占70%～80%。據(jù)報道，在溫度達(dá)到600℃時一些有機(jī)物揮發(fā)分的析出比例為：塑料99.94%、橡膠55%、紙類與竹木80%等，并具有在100℃～600℃溫度環(huán)境下，短時間內(nèi)大量析出的特點。

從熱處理角度看，我國的生活垃圾大部分熱值在3800～5500kJ/kg，處于從低熱值（3350kJ/kg）向穩(wěn)定高熱值（7530kJ/kg以上）的過渡期。近兩年一些城市對生活垃圾進(jìn)行了垃圾干濕分類試點工作，通過對這些城市生活垃圾特性變化的分析估測（見表1），將會加速垃圾熱值的提高。

表1 城市生活垃圾特性

垃圾焚燒臨界熱值是實現(xiàn)垃圾持續(xù)、穩(wěn)定焚燒的基本特征參數(shù)，定義為在無輔助燃料的條件下，實現(xiàn)進(jìn)爐垃圾持續(xù)、穩(wěn)定燃燒的下限低位熱值。垃圾焚燒臨界熱值必須達(dá)到的預(yù)定狀態(tài)為燃燒性的臨界熱值、環(huán)保性的臨界熱值、經(jīng)濟(jì)性的臨界熱值（見表2）。

表2 垃圾焚燒臨界熱值及說明

我國垃圾焚燒工程的經(jīng)濟(jì)效益主要來自垃圾處理費和上網(wǎng)電價，因而垃圾處理量與上網(wǎng)電量就成為了垃圾焚燒廠追求企業(yè)利潤最大化的經(jīng)濟(jì)目標(biāo)。垃圾處理量分為進(jìn)廠垃圾處理量和進(jìn)爐垃圾處理量，按每天的進(jìn)廠垃圾全部焚燒處理計，進(jìn)爐垃圾處理量是進(jìn)廠垃圾處理量與垃圾池內(nèi)析出的滲濾液量的差（滲濾液析出量統(tǒng)計值為進(jìn)廠垃圾量的10%～15%）；另考慮焚燒裝備允許每天4h多燒10%的垃圾量，則垃圾焚燒爐的處理規(guī)模為100%時，進(jìn)廠垃圾量為112%～117%。因此實際上垃圾焚燒廠一直是在超負(fù)荷運行。在正常運行條件下，連續(xù)超負(fù)荷運行，對設(shè)備短期內(nèi)的影響并不是很明顯，但將會帶來長期的損害。從保證環(huán)境效益和焚燒裝備運行壽命的基本前提出發(fā)，垃圾焚燒量不應(yīng)超過上述進(jìn)廠垃圾量的計算比例，實現(xiàn)上網(wǎng)電量最大化也是提升垃圾焚燒廠運行管理水平的具體體現(xiàn)。主要途徑是降低企業(yè)的用電率，提高上網(wǎng)電量；降低汽輪機(jī)排汽壓力及各項熱損失，提高全廠熱效率。廠用電率有設(shè)計廠用電率和運行廠用電率之分，前者大于后者。設(shè)計廠用電率是用電設(shè)備銘牌功率與運行條件的計算結(jié)果。基于目前各類污染物的排放指標(biāo)條件，大型垃圾焚燒廠的設(shè)計廠用電率約20%，中小型垃圾焚燒廠最高達(dá)24%。運行廠用電率是實際發(fā)生的廠用電率，一般在16%～18%，小型垃圾焚燒廠會大于20%。對垃圾焚燒鍋爐、汽輪發(fā)電機(jī)組及管道等系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行熱平衡分析與全廠熱效率分析找出節(jié)能降耗點，是優(yōu)化運行廠用電率的有效途徑。進(jìn)行熱平衡分析時，要求熱平衡的不平衡率≯±1%；垃圾焚燒鍋爐考核期熱效率≮78%；汽輪機(jī)內(nèi)效率達(dá)到設(shè)計值。機(jī)組排汽用水冷卻時，全廠熱效率在24%左右，用空氣冷卻時，可按降低4%考慮。

基于上述垃圾熱值、析出滲濾液量及廠用電率等的分析，以噸垃圾焚燒總收益260元為例，對單位垃圾上網(wǎng)電價和垃圾處理費進(jìn)行分析。噸垃圾發(fā)電量按下式估算。

由于該公式忽略了許多詳細(xì)計算時的邊界條件，通過對我國目前的垃圾焚燒狀態(tài)的對比分析，估算發(fā)電量比項目的詳細(xì)計算結(jié)果約低1%。測算結(jié)果如表3所示。該結(jié)果也印證了垃圾焚燒經(jīng)濟(jì)性的臨界熱值的合理性。

表3 單位垃圾上網(wǎng)電價測算

上述測算公式中的關(guān)鍵點是進(jìn)爐垃圾熱值（LHV）的確定，與之密切相關(guān)的是垃圾采樣分析的誤差率問題。垃圾采樣分析的誤差和干擾是任何檢測過程中都存在的，誤差原因主要有：樣品基質(zhì)隨檢測的區(qū)域、時間、氣候而不同；采樣計劃、采樣方法、樣品前處理、檢測范圍以及檢測溶劑、試劑及樣品處理用的設(shè)備都可能對樣品分析造成誤差和干擾。垃圾采樣分析與實際情況有偏差會導(dǎo)致全廠調(diào)試時間較長。利用統(tǒng)計分析原理，研究出垃圾物理成分與元素分析的經(jīng)驗關(guān)系（詳見《生活垃圾焚燒技術(shù)導(dǎo)則》）。經(jīng)過多年實踐證明，該《生活垃圾焚燒技術(shù)導(dǎo)則》可作為核算垃圾元素與熱值的實用工具。

2 我國垃圾焚燒廠的現(xiàn)狀分析

2.1 國內(nèi)垃圾焚燒廠的現(xiàn)狀

2009年，我國大陸地區(qū)已經(jīng)運行的垃圾焚燒廠為93座，日處理總規(guī)模71,253t，單位廠日處理規(guī)模766.16t，實際日處理量55,396t，實際單位廠日處理量595.66t，焚燒設(shè)施利用率77.75%（見表4）。與歐盟、日本、美國等其他國家的垃圾焚燒廠建設(shè)運行情況比（見表5），我國單位垃圾焚燒廠處理規(guī)模最大，結(jié)合歷年垃圾處理情況，說明我國垃圾焚燒廠的建設(shè)規(guī)模趨于大型化。此外2010年垃圾焚燒廠達(dá)到106座，表明我國垃圾焚燒項目正在高速發(fā)展中。從年等效利用時數(shù)與焚燒設(shè)施利用率看，我國垃圾焚燒廠的運行狀況處于偏低水平，表明需進(jìn)一步提高我國垃圾焚燒廠的運行管理水平。另一原因是，我國的垃圾焚燒技術(shù)是爐排型與流化床型（處理規(guī)模占30%以上）焚燒爐技術(shù)共同發(fā)展。其中，采用流化床焚燒鍋爐的多屬于大中型垃圾焚燒廠，但等效利用時數(shù)及焚燒設(shè)施利用率低于爐排型焚燒爐，需提高其設(shè)施的可靠度。

表4 2001—2010年國內(nèi)垃圾焚燒廠運行情況

表5 我國與部分國外垃圾焚燒廠建設(shè)運行的對比（2009年）

2.2 國內(nèi)的垃圾焚燒設(shè)備現(xiàn)狀

我國爐排型焚燒爐裝備國產(chǎn)化的路線圖是：引進(jìn)—消化—吸收—創(chuàng)新。至今，國際公認(rèn)的優(yōu)秀焚燒技術(shù)設(shè)備都已引進(jìn)到我國，各項可靠性指標(biāo)都較高，對我國垃圾特征的適應(yīng)性基本良好，但DCS尚不能充分發(fā)揮功能。隨著爐排型焚燒爐產(chǎn)品進(jìn)口減免稅門檻提高，進(jìn)一步促進(jìn)了垃圾焚燒技術(shù)裝備的國產(chǎn)化。在消化吸收過程中，引進(jìn)技術(shù)國產(chǎn)化設(shè)備的類型有5（已運行）+1（未運行）種，技術(shù)原型有MATIN、CITY2000、VON ROLL、SIGHERS、WATERLUE及VOLUND。全面引進(jìn)技術(shù)、結(jié)構(gòu)、制造、組裝、調(diào)試等的國產(chǎn)化設(shè)備運行良好；但無全面引進(jìn)的設(shè)備需注意防止重大故障發(fā)生。杭州新世紀(jì)、偉明、綠色動力等在馬丁技術(shù)基礎(chǔ)上的創(chuàng)新工作，獲得了實用新型專利，總體運行狀況正常。在焚燒設(shè)備國產(chǎn)化進(jìn)程中，爐排片鑄造質(zhì)量與鋼結(jié)構(gòu)加工精度達(dá)到引進(jìn)技術(shù)的要求甚至高于了引進(jìn)部件的要求；設(shè)備裝配精度仍有進(jìn)一步提高空間；液壓缸的質(zhì)量與國際先進(jìn)水平尚有差距。我國一些企業(yè)自主研發(fā)的垃圾焚燒裝備主要以小型設(shè)備為主，大部分可靠性較低，一些環(huán)保不達(dá)標(biāo)的企業(yè)已被關(guān)停。

2.3 垃圾焚燒熱解氣化技術(shù)

目前，垃圾焚燒行業(yè)的熱解氣化理論已經(jīng)不是傳統(tǒng)意義上的干餾概念，而是將氣化與干餾統(tǒng)稱為熱解氣化技術(shù)，這也是國際上有較大爭論的原因。該技術(shù)目前在國際上處于市場應(yīng)用初級階段并具有發(fā)展?jié)摿?，我國目前幾乎還沒有實質(zhì)上的熱解氣化應(yīng)用技術(shù)。垃圾熱解氣化技術(shù)的主要特點有：發(fā)電效率高、能實現(xiàn)對焦油的控制、能耗較高、可燃?xì)怏w凈化投資高；采用干餾技術(shù)的垃圾處理規(guī)模?。徊恍锜煔鈨艋O(shè)施，但對前處理要求較高；氣化技術(shù)對燃燒段溫度的控制困難，市場化進(jìn)程尚不明朗。

2.4 爐排型焚燒爐運行情況

（1）進(jìn)口設(shè)備與引進(jìn)技術(shù)國產(chǎn)化設(shè)備均可實現(xiàn)年運行8000h的要求，國產(chǎn)技術(shù)設(shè)備需進(jìn)一步減少非計劃停爐時間。

（2）存在連續(xù)超負(fù)荷20%～30%運行的狀況，原因解釋為“垃圾熱值偏低，要達(dá)到爐膛出口處溫度850℃/2s的要求，就要增加垃圾處理量”。但實際上，垃圾焚燒鍋爐在設(shè)計時考慮到20～30年長期運行的要求，運行初期的爐膛熱負(fù)荷要低于額定值。正常運行的垃圾處理量控制在70%～100%（實際控制在80%以上），相應(yīng)總發(fā)熱量控制在65%～100%，爐膛熱負(fù)荷也在此區(qū)域內(nèi)，即垃圾熱值在燃燒圖確定的穩(wěn)定燃燒區(qū)域內(nèi)時，均可保證設(shè)備連續(xù)、穩(wěn)定運行。

（3）爐渣熱灼減率≯5%是在我國垃圾焚燒裝備國產(chǎn)化進(jìn)程初期缺乏相應(yīng)工程經(jīng)驗條件下的規(guī)定，其中對引進(jìn)技術(shù)的國產(chǎn)化垃圾焚燒爐的爐渣熱灼減率要求≯3%。實踐證明，此規(guī)定對推動我國焚燒裝備的發(fā)展及保證引進(jìn)焚燒技術(shù)設(shè)備的可靠性具有保駕護(hù)航作用。至今，無論是采用引進(jìn)技術(shù)還是具有專利技術(shù)的國產(chǎn)設(shè)備，大都以3%作為爐渣熱灼減率的運行控制目標(biāo)。主要問題是對采集樣品代表性的質(zhì)疑。對此，《福建省生活垃圾焚燒廠運行維護(hù)、檢測監(jiān)管及考核評價標(biāo)準(zhǔn)》中首次提出焚燒爐渣熱酌減率按照《工業(yè)固體廢物采樣制樣技術(shù)規(guī)范》HJ/T20采樣的規(guī)定，彌補(bǔ)了國內(nèi)對該采樣規(guī)范的空白。

（4）針對爐排下灰斗易發(fā)生再燃燒事故，經(jīng)對設(shè)備和運行狀態(tài)分析，提出爐排漏渣率≯0.5%的參考指標(biāo)，實際可達(dá)到≯0.2%。

（5）鍋爐出口煙氣含氧量一般控制在6%～10%，目前大多按8%控制，相應(yīng)CO量控制在80mg/Nm3以內(nèi)。

2.5 煙氣凈化系統(tǒng)

煙氣凈化系統(tǒng)中，脫酸系統(tǒng)以旋轉(zhuǎn)霧化半干法為多，其關(guān)鍵設(shè)備采用下圖所示的三種進(jìn)口設(shè)備，這些設(shè)備的運行可靠性較高，但對Ca(OH)2粒度與品質(zhì)要求也高，計劃停運系數(shù)高。對于循環(huán)流化法脫酸系統(tǒng)，國內(nèi)的垃圾焚燒廠從瑞士引進(jìn)了一套GSA系統(tǒng)，從日本引進(jìn)了一套NID系統(tǒng)，運行狀態(tài)均優(yōu)于國產(chǎn)同類系統(tǒng)。隨著煙氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，一些新建的垃圾焚燒廠將采用半干法+干法等組合工藝。目前濕法在上海老港項目上準(zhǔn)備嘗試應(yīng)用，實際運行費用與全廠的熱效率等經(jīng)濟(jì)性問題尚待實踐證實。

除塵器本體目前已基本實現(xiàn)國產(chǎn)化，但不同產(chǎn)品的質(zhì)量差異比較明顯。國產(chǎn)覆膜PTFE濾袋已成功應(yīng)用，具有與進(jìn)口產(chǎn)品強(qiáng)有力的市場競爭能力。以SNCR系統(tǒng)為主的脫氮裝置陸續(xù)應(yīng)用于垃圾焚燒廠，以提高脫氮效率為目的的改進(jìn)型裝置也在逐漸進(jìn)入市場，但我國還沒有應(yīng)用。SCR系統(tǒng)受運行費和催化材料等問題的困擾，尚未有運行業(yè)績。采取高效袋除塵+規(guī)定質(zhì)量的活性炭吸附，加之燃燒控制措施，可有效控制二英達(dá)到目前嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)。由于二英的多類型與痕量特點，現(xiàn)還不能實現(xiàn)在線監(jiān)測，現(xiàn)階段的研究成果可從包括CO與爐渣熱灼減率等完全燃燒指標(biāo)進(jìn)行日常運行的間接控制，具體指標(biāo)可參考現(xiàn)行的歐盟標(biāo)準(zhǔn)。

3 我國垃圾焚燒工程的發(fā)展趨勢

近十年來，我國垃圾焚燒項目取得了較快發(fā)展，一線城市絕大部分已經(jīng)建設(shè)了垃圾焚燒廠，二線城市的需求量仍較大，且按城鄉(xiāng)一體化發(fā)展的需求，仍有較大發(fā)展空間。我國垃圾焚燒項目的建設(shè)資金來自政府投資與企業(yè)投資。從垃圾處理規(guī)模、發(fā)電功率與規(guī)劃投資等方面看，截至2008年底，政府投資建設(shè)項目所占的比例較小，通常建設(shè)周期較長。民營企業(yè)的投資占大多數(shù)，已成為垃圾焚燒事業(yè)主力軍，但建設(shè)資金與總建設(shè)規(guī)模的矛盾比較突出（見表6）。近年來，央企、國企市場占有率大幅提高，其明顯優(yōu)勢在于資金有保證。按目前的政策，垃圾焚燒項目近期仍以企業(yè)投資為主。

表6 垃圾焚燒項目建設(shè)資金及總建設(shè)規(guī)模情況

從我國垃圾焚燒處理的發(fā)展趨勢看，應(yīng)進(jìn)一步樹立環(huán)境、社會與經(jīng)濟(jì)效益高度統(tǒng)一的理念，建立良好的投資環(huán)境，避免惡性競爭。應(yīng)結(jié)合垃圾焚燒廠設(shè)計運行全過程的經(jīng)驗積累，針對本垃圾焚燒廠特點，加強(qiáng)對垃圾特性的分析與工程理論研究，提高過程維護(hù)，提高安全運行水平，提高量化管理水平。

Engineering Analysis on China’s Municipal Solid Waste Incineration

BAI Liang-cheng, BU Ya-ming, LIU Qing-li, ZHANG Xiao-bin
(Urban Construction Design & Research Institute, Beijing 100120, China)

This paper discusses the basic characteristics of the municipal solid waste(MSW), the benifit of MSW incineration plant and the current situation of MSW incineration plant in China, and puts forward views on the development trend of MSW incineration engineering.

municipal solid waste; incineration project; present situation; growing trend

X705

A

1006-5377（2012）02-0025-05