城市生活垃圾焚燒發(fā)電廠的前處理與后處理技術(shù)

吳王圣，石靖宇

(上海環(huán)境衛(wèi)生工程設(shè)計(jì)院，上海 200232)

城市生活垃圾焚燒發(fā)電廠的前處理與后處理技術(shù)

吳王圣，石靖宇

(上海環(huán)境衛(wèi)生工程設(shè)計(jì)院，上海 200232)

生活垃圾焚燒前處理系統(tǒng)，是生活垃圾發(fā)電廠的重要組成部分，也是工程設(shè)計(jì)及設(shè)備選型的重點(diǎn)和難點(diǎn),結(jié)合工程設(shè)計(jì)中的學(xué)習(xí)和實(shí)踐，簡(jiǎn)要介紹了國(guó)內(nèi)垃圾焚燒發(fā)電廠中的前后處理工藝，并對(duì)國(guó)內(nèi)主要使用設(shè)備進(jìn)行了簡(jiǎn)單的計(jì)算與分析；計(jì)算垃圾儲(chǔ)存與投料系統(tǒng)的容量，有助于設(shè)備的選型；通過(guò)對(duì)目前主要煙氣凈化技術(shù)特點(diǎn)的介紹與分析，以有助于在實(shí)際工程中更好地選擇煙氣凈化技術(shù)；并簡(jiǎn)要介紹了灰渣、飛灰、滲瀝液處理及利用的主要途徑。

垃圾；焚燒；發(fā)電；前處理；后處理

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，工業(yè)垃圾和城市生活垃圾在成倍增加，城市固體廢棄物的有效處理已成為環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域里的重要環(huán)節(jié)。垃圾焚燒處理法由于無(wú)害化程度高、減容量大、可以回收熱量、處理及時(shí)等一系列優(yōu)點(diǎn)而倍受關(guān)注，已成為發(fā)達(dá)國(guó)家處理垃圾的主要方式[1]。

焚燒生活垃圾以發(fā)電為目的，同時(shí)實(shí)現(xiàn)垃圾減容、滅菌和無(wú)害化處理的循環(huán)利用。垃圾焚燒發(fā)電、供熱利用方式主要是設(shè)置焚燒鍋爐，利用鍋爐產(chǎn)生的蒸汽供熱、發(fā)電，有效實(shí)現(xiàn)生活垃圾由化學(xué)能向熱能、電能的高效轉(zhuǎn)換[2]。

1 焚燒系統(tǒng)概述

由地磅稱重后的垃圾經(jīng)卸料大廳進(jìn)入垃圾倉(cāng)，垃圾在垃圾倉(cāng)停留5～7 d，其間經(jīng)抓斗充分混合攪拌均質(zhì)化后，送入垃圾料斗。垃圾沿垃圾溜槽下落到給料機(jī)，給料機(jī)將垃圾推送至爐排上。垃圾在爐排上滑動(dòng)、翻動(dòng)的過(guò)程中受到爐排下部的高溫一次風(fēng)干燥及爐內(nèi)輻射熱，然后著火燃燒產(chǎn)生高溫?zé)煔?。高溫?zé)煔庠?50 ℃以上溫度停留2 s后進(jìn)入余熱鍋爐，經(jīng)過(guò)余熱鍋爐換熱后，進(jìn)入減溫塔，半干式旋轉(zhuǎn)霧化反應(yīng)塔，消石灰、活性炭噴射吸附，布袋除塵器等煙氣凈化系統(tǒng)進(jìn)行脫硫脫硝、除塵處理，處理后的潔凈的煙氣通過(guò)引風(fēng)機(jī)排入煙囪。從焚燒爐出渣口排出的爐渣經(jīng)出渣機(jī)冷卻后送入爐渣貯坑中。飛灰則因?yàn)楹休^多的重金屬，而被作為危險(xiǎn)品固化后送入填埋廠做最終的處置。垃圾滲瀝水、洗車廢水、垃圾卸料平臺(tái)地面清洗水、灰渣處理設(shè)備廢水、鍋爐排污水、洗煙廢水等一部分廢水經(jīng)過(guò)處理后排入城市污水管網(wǎng)，還有一部分經(jīng)過(guò)處理的廢水則可加以利用。

垃圾焚燒系統(tǒng)典型的工藝流程圖如圖1所示。

圖1 垃圾焚燒系統(tǒng)工藝流程Fig.1 Process flow of waste incineration system

2 垃圾前處理工藝

2.1 垃圾前期處理與儲(chǔ)存

任何的后期處理都離不開前期分類，前期分類越徹底，后期處理效果越好。只有分類后的垃圾才能更加有效地加以處理，同時(shí)可有效防止垃圾處理造成的二次污染。目前，我國(guó)基本上未對(duì)垃圾進(jìn)行分類處理，除部分循環(huán)流化床焚燒爐外，基本未對(duì)垃圾進(jìn)行過(guò)多的處理。

爐排爐對(duì)垃圾的熱值要求較高，但對(duì)其粒徑要求較低，無(wú)須嚴(yán)格的前處理，所以，采用爐排爐的垃圾電廠無(wú)須建設(shè)復(fù)雜的前處理系統(tǒng)，垃圾在場(chǎng)內(nèi)流程圖如圖2所示[3]。

圖2 垃圾在電廠內(nèi)的流程
Fig.2 The process flow of waste in the power plant

垃圾前處理主要包括兩個(gè)方面，一方面是垃圾的分類收集或預(yù)分揀，以減少生活垃圾中的氯和重金屬含量高的物質(zhì)進(jìn)入垃圾焚燒爐，從而減少二惡英合成反應(yīng)中所需要的反應(yīng)物和重金屬催化劑的量[4]；另一方面需要對(duì)垃圾進(jìn)行充分混合，并注意投料方式，以防止由垃圾不均勻?qū)е虏灰卓刂品贌r。

城市生活垃圾剔除不可燃燒及有毒有害的廢棄物后，由專用垃圾運(yùn)輸車輛送進(jìn)廠區(qū)，經(jīng)地磅進(jìn)行稱重，然后按指定路線駛向垃圾卸料平臺(tái)，將垃圾卸入垃圾貯存池。垃圾貯存池的主要功能是儲(chǔ)存投入焚燒設(shè)備的垃圾，并使垃圾充分濾水，使垃圾均質(zhì)化。垃圾池的必要存儲(chǔ)量是根據(jù)存儲(chǔ)相當(dāng)于焚燒廠額定焚燒量幾天的垃圾量及垃圾的堆積比重而定的。

必要存儲(chǔ)量=垃圾焚燒量(t/d)×存儲(chǔ)天數(shù)(d)÷垃圾的堆積比重(t/m3)

在CJJ 90—2009生活垃圾焚燒處理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定[5]，垃圾池有效容積宜按5～7 d額定垃圾焚燒量確定。同時(shí)還要保證在設(shè)備出現(xiàn)事故或檢修時(shí)能正常接收垃圾。對(duì)于垃圾接收料斗、垃圾池下部的水坡度等是否包含在垃圾池的有效容積內(nèi)應(yīng)由技術(shù)人員根據(jù)設(shè)計(jì)條件確定。

2.2 垃圾投料系統(tǒng)

垃圾吊車是垃圾焚燒發(fā)電廠中垃圾投料系統(tǒng)的核心設(shè)備，位于垃圾貯池的上方，主要承擔(dān)垃圾的投料、搬運(yùn)、攪拌、取物和稱量工作。在垃圾焚燒電站中，起重機(jī)的可靠性非常重要，生產(chǎn)設(shè)施運(yùn)營(yíng)故障最主要的原因就是起重機(jī)出現(xiàn)問(wèn)題。因此，用戶在垃圾吊車的選用時(shí)要與供貨單位提供的參數(shù)進(jìn)行匹配，使其既要能夠達(dá)到預(yù)定的垃圾搬運(yùn)量，又要滿足垃圾池內(nèi)倒垛和攪拌的需要。

國(guó)內(nèi)某垃圾焚燒廠，垃圾焚燒量為1000 t/d，表1為垃圾吊車性能參數(shù)。

就垃圾抓斗起重機(jī)12.5 t/8.0 m3(抓斗)的工作周期計(jì)算書的計(jì)算結(jié)果，說(shuō)明如下：

一臺(tái)起重機(jī)作業(yè)，抓滿率取0.9，壓縮系數(shù)取1.8，垃圾坑內(nèi)垃圾堆積密度取約0.35 t/m3。

(1)抓斗的抓舉重量

抓斗的抓舉重量(t)=抓斗容量(m3)×垃圾堆積比重(t/m3) ×壓縮系數(shù)×抓斗抓滿率(%)=8×0.35×1.8×90%=4.54 t。

(2)工廠垃圾焚燒處理量=1000×1.10=1100 t/d=45.8 t/h，垃圾抓斗起重機(jī)完成該任務(wù)耗時(shí)約18.0 min。式中，1.10為余量系數(shù)。

表1 垃圾抓斗起重機(jī)系統(tǒng)性能

(3)料坑內(nèi)垃圾清料/混料/倒料和堆料能力按工廠垃圾焚燒處理量的2倍計(jì)算，即：

料坑內(nèi)垃圾清料/混料/倒料和堆料能力=1100×2=2200 t/d=91.7 t/h，垃圾抓斗起重機(jī)完成該任務(wù)耗時(shí)約29.0 min。

起重機(jī)的總工作時(shí)間約為：18.0 + 29.0 = 47.0 min/h。

(4)設(shè)置臺(tái)數(shù)

設(shè)置臺(tái)數(shù)=垃圾吊車的常用運(yùn)行臺(tái)數(shù)+后備吊車臺(tái)數(shù)

在CJJ 90—2009 生活垃圾焚燒處理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，吊車設(shè)置臺(tái)數(shù)在2臺(tái)以上為好。

3 垃圾后處理系統(tǒng)

3.1 煙氣凈化與處理工藝

為了達(dá)到歐盟2000/76/EC的排放標(biāo)準(zhǔn)，需要確定相應(yīng)的煙氣凈化工藝，在通常情況下，煙氣凈化工藝主要針對(duì)酸性氣體(HCl，HF，SOx)、NOx、顆粒物、有機(jī)物及重金屬等進(jìn)行控制，其工藝設(shè)備主要由幾部分組成：即酸性氣體脫除、顆粒物捕集、NOx的去除和有機(jī)物及重金屬的去除工藝設(shè)備。

3.1.1 NOx去除工藝

NOx去除工藝主要有選擇性非催化還原法(SNCR)和選擇性催化還原法(SCR)。

SCR法是在催化劑的存在下NOx被還原成N2，為了達(dá)到SCR法還原反應(yīng)所需的400 ℃的溫度，煙氣在進(jìn)入催化脫氮器之前需要加熱，試驗(yàn)證明SCR法可以將NOx排放濃度控制在50 mg/Nm3以下。

SNCR是在高溫(800～1000 ℃)條件下，利用NH4OH(氨水)或(NH2)2CO(尿素)作為還原劑將NOx還原成N2，SNCR不需要催化劑，可將NOx排放濃度控制在200 mg/Nm3以下。但其還原反應(yīng)所需的溫度比SCR法高得多，因此SNCR需設(shè)置在焚燒爐膛內(nèi)完成。

與SNCR法相比，SCR法脫氮效果更好，但需要消耗昂貴的催化劑，加熱還需耗用大量熱能，處理成本遠(yuǎn)大于SNCR法。工程上SNCR的應(yīng)用更多。

但是，NOx的凈化是煙氣凈化系統(tǒng)中較為困難和運(yùn)行成本較高的技術(shù)，考慮到中國(guó)國(guó)情、煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)、煙氣原生濃度等指標(biāo)，結(jié)合爐內(nèi)燃燒等技術(shù)，早期國(guó)內(nèi)已運(yùn)行的生活垃圾焚燒廠均未設(shè)置專門的脫氮裝置，具體有以下原因：

①SNCR進(jìn)口投資較高，同時(shí)后期的使用、維護(hù)費(fèi)用也很高。

②結(jié)合爐內(nèi)燃燒技術(shù)，包括O2的控制，爐內(nèi)溫度的控制等，能夠減少NOx在鍋爐出口的原生濃度。

③NOx在鍋爐出口的原生濃度在200～600 mg/Nm3左右，一般在300 mg/Nm3以下，已經(jīng)基本接近煙氣排放指標(biāo)，同時(shí)通過(guò)活性炭吸附、石灰中和反應(yīng)等能去除一部分NOx。

未設(shè)脫氮裝置時(shí)，煙氣中的NOx排放濃度一般可控制在300～400 mg/Nm3，能夠達(dá)到GB 18485—2001中400 mg/Nm3的排放限值，但達(dá)不到EU2000/76/EC中200 mg/Nm3的排放限值。隨著燃燒技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)燃燒控制在不使用NOx去除設(shè)施的情況下，目前也可以達(dá)到排放濃度在150～400 mg/Nm3。

3.1.2 脫酸工藝

酸性氣體凈化工藝按照有無(wú)廢水排出分為干法、半干法和濕法三種。

半干法工藝特點(diǎn)：污染物去除效率高；石灰耗量低；廢水零排放；反應(yīng)殘余物干燥；對(duì)石灰漿品質(zhì)要求比較高。應(yīng)用實(shí)例：上海御橋、上海江橋、天津雙港、廣州李坑、成都洛帶、蘇州光大、北京高安屯、江蘇昆山……

干法工藝特點(diǎn)：石灰耗量高；不需要排水處理設(shè)備；工藝流程簡(jiǎn)單,設(shè)備投資低除塵和去除有害氣體效果較高。應(yīng)用實(shí)例：成都洛帶垃圾焚燒廠、太倉(cāng)垃圾焚燒廠。

濕法工藝的特點(diǎn)是[6]：(1)流程復(fù)雜，配套設(shè)備較多；(2)凈化效率較高;(3)產(chǎn)生含高濃度無(wú)機(jī)氯鹽及重金屬的廢水，需經(jīng)處理后才能排放；(4)處理后的廢氣因溫度降低至露點(diǎn)以下，需再加熱，以防止煙囪出口形成白煙現(xiàn)象，造成不良景觀；(5)設(shè)備投資高，運(yùn)行費(fèi)用也較高。

3.1.3 顆粒物去除工藝

顆粒物去除主要有電除塵器和布袋除塵器，但是，隨著環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，電除塵器不僅不能滿足脫除有機(jī)物(二惡英等)、重金屬的需要，同時(shí)也不能滿足粉塵排放的要求，所以，現(xiàn)在已基本不再采用電除塵器作為焚燒垃圾廠的粉塵處理裝置。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 18485—2001中明確規(guī)定生活垃圾焚燒爐除塵裝置必須采用布袋除塵器。袋式除塵器同時(shí)兼有二次酸氣清除的功能，上游的酸氣清除設(shè)備中部分未反應(yīng)的堿性物附著在濾袋上，在煙氣通過(guò)時(shí)再次和酸氣反應(yīng)。

綜合以上分析，結(jié)合《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18485—2001)，脫酸除塵工藝組合有以下三種形式：濕式反應(yīng)塔+袋式除塵器、半干式反應(yīng)塔+袋式除塵器、干式反應(yīng)塔+袋式除塵器。

3.2 滲瀝液處理工藝

目前，填埋場(chǎng)垃圾滲濾液處理是我國(guó)填埋場(chǎng)建設(shè)和管理較薄弱環(huán)節(jié)之一，由于滲濾液水質(zhì)水量變化大，且污染物濃度高，垃圾滲濾液現(xiàn)場(chǎng)處理并達(dá)標(biāo)排放，要求較復(fù)雜的處理工藝、較高的管理水平和較高成本。《生活垃圾填埋污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 16889—2008)中規(guī)定，生活垃圾填埋場(chǎng)應(yīng)設(shè)置污水處理裝置，垃圾滲濾液(含蓄水池廢水)等污水經(jīng)處理并符合本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的污染物排放控制要求后，可直接排放。

GB 16889—2008中要求，BOD5低于30 mg/L，COD低于100 mg/L，懸浮物低于30 mg/L，總氮低于40 mg/L，總磷低于3 mg/L，從技術(shù)上分析，如果要達(dá)到此要求就需要采用膜處理技術(shù)，采用膜處理技術(shù)工藝處理成本超過(guò)20元/t。此外，膜處理往往會(huì)產(chǎn)生大量的濃縮液需要處理，目前為了降低成本，大多將濃縮液直接回灌填埋場(chǎng)，由此造成膜處理出水率進(jìn)一步降低。

3.3 爐渣處理工藝

焚燒發(fā)電模式處理垃圾之所以受到認(rèn)可，就在于這種方式可以實(shí)現(xiàn)垃圾的無(wú)害化、減量化處理和資源化利用，而一個(gè)垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目其處理效果是否真正稱得上無(wú)害化、減量化和資源化，重要的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)之一就是該項(xiàng)目的灰渣處理。廢棄物垃圾進(jìn)入垃圾焚燒發(fā)電廠進(jìn)行處理，處理產(chǎn)生的飛灰和爐渣等廢棄物再次得到資源化利用，這樣的生產(chǎn)處理過(guò)程才能稱其為循壞經(jīng)濟(jì)。目前國(guó)際上灰渣的資源化利用途徑主要有：①石油瀝青路面的替代骨料；②水泥/混凝土的替代骨料；③填埋場(chǎng)覆蓋材料；④路堤、路基等的填充材料等。爐渣的綜合利用，既有效利用了資源，同時(shí)也可減少爐渣填埋造成的運(yùn)行成本的增加和占用填埋場(chǎng)地。

3.4 飛灰處理工藝

飛灰指煙氣凈化系統(tǒng)(噴霧反應(yīng)器和袋式除塵器)收集的粉塵，因其成分復(fù)雜且含有較高浸出濃度的鉛(Pb)和鎘(Cd)等重金屬和其他毒性物質(zhì)如二英等，大量的飛灰處理一直是困擾垃圾焚燒廠的一大難題。大多數(shù)國(guó) 家目前仍然采用填埋方式處理飛灰，因此飛灰的資源化利用率目前很低，僅在荷蘭、丹麥等歐盟國(guó)家有少部分飛灰用作瀝青鋪路的細(xì)骨料，以及日本將飛灰熔融后用作路基材料或水泥的骨料[7]。

在國(guó)內(nèi)，普遍的也是最好的飛灰處理方法是先化學(xué)穩(wěn)定化后再進(jìn)行固化或填埋處理。

飛灰的固化/穩(wěn)定化技術(shù)，主要有水泥固化法、熔融固化法、化學(xué)藥劑穩(wěn)定化處理法等。目前國(guó)內(nèi)垃圾焚燒廠的飛灰一般經(jīng)水泥固化后送往危險(xiǎn)廢物填埋場(chǎng)填埋處理，費(fèi)用一般需1000元/t以上。

4 結(jié)論

城市生活垃圾焚燒發(fā)電廠實(shí)現(xiàn)了垃圾處理的無(wú)害化、減量化、資源化。 雖然垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目前期投資相比填理等傳統(tǒng)處理工藝高出很多，但是通過(guò)發(fā)電、供熱、有用物質(zhì)的回收，產(chǎn)出效應(yīng)良好。 經(jīng)過(guò)焚燒處理，垃圾可減量 85%，而且爐渣還可以再利用，比用填埋方式處理，每年節(jié)約用地80畝左右。經(jīng)過(guò)焚燒處理，每噸垃圾可發(fā)電300 kW·h左右，按日處理垃圾1000 t計(jì)算，每年可發(fā)電1億kW·h左右，可節(jié)省標(biāo)煤約48 000 t。

歐洲垃圾焚燒起步較早，垃圾發(fā)電是已經(jīng)成熟的技術(shù)，各項(xiàng)工藝、流程、法規(guī)均已較完善，通過(guò)對(duì)垃圾焚燒發(fā)電整個(gè)工藝流程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，可有效控制各類污染物排放[8]。由于國(guó)內(nèi)外的差異，我們難以像發(fā)達(dá)國(guó)家那樣全部使用高標(biāo)準(zhǔn)的、先進(jìn)的工藝措施，但我們可以使用合理的生產(chǎn)工藝，形成具有中國(guó)特色的工藝結(jié)構(gòu)來(lái)適應(yīng)環(huán)保的要求。

[1] 鄧高峰, 張衍國(guó), 李清海, 等. 150t/d循環(huán)流化床生活垃圾焚燒爐的工藝結(jié)構(gòu)與污染排放[J]. 環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備, 2003, 4(1): 81- 84.

[2] 韋立新, 黃文清. 生活垃圾焚燒發(fā)電廠工程實(shí)例[J]. 裝備制

造技術(shù), 2008(6): 161- 165.

[3] 李金偉. 城市生活垃圾發(fā)電廠的垃圾前處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 能源與環(huán)境, 2009(2): 49- 51.

[4] Tejima Hajime, Shibakawa Shigehira, Osumi Kazuo,etal. Dioxin emission behavior in MSW incinerator designed after Japanese guidelines for controlling dioxin[J]. Chemosphere, 1998, 37(9): 2309- 2314.

[5] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. CJJ 90—2009 生活垃圾焚燒處理工程技術(shù)規(guī)范[S]. 北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2009.

[6] 生活垃圾焚燒廠煙氣凈化工藝選擇及案例分析.

[7] 占子玉，劉陽(yáng)生. 垃圾焚燒飛灰處置與資源化利用研究進(jìn)展[J]. 四川環(huán)境, 2008, 27(1): 61- 65.

[8] 施慶燕, 焦學(xué)軍, 周洪權(quán). 歐洲生活垃圾焚燒發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 環(huán)境衛(wèi)生工程, 2010, 18(6): 36- 39.

Technologies of Pre-treatment and Post-treatment in Municipal Solid Waste Incineration Power Plants

WU Wang-sheng, SHI Jing-yu

(Shanghai Environmental Sanitation Engineering Design Institute, Shanghai 200232, China)

The pre-treatment processing system of domestic waste incineration is an important part of domestic waste incineration power plant, and also the focus and difficulty of engineering design and equipment selection. Combined with learning and practice in the engineering design, this paper briefly introduced the technologies of pre-treatment and post-treatment in solid waste incineration power plants, and then calculated and analyzed the main equipment. The capacity of the waste storage and feeding system also calculated which was helpful for the equipment selection. This paper introduced and analyzed the characteristics of flue gas purification technology, so as to help better choose flue gas purification technology in the practical engineering. In addition, the key methods of treatment and utilization of ash, fly ash and leachate were introduced.

waste; incineration; electricity generation; pre-treatment; post-treatment

2017-03-08

吳王圣(1989—)，男，上海人，本科，主要從事垃圾焚燒發(fā)電廠的設(shè)計(jì)工作，E-mail：wuws@huanke.com.cn

10.14068/j.ceia.2017.03.019

X705

A

2095-6444(2017)03-0075-04