淺析城市生活垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)

陳 卓 雷佳莉 楊玉鵬

（中國(guó)中元國(guó)際工程有限公司，北京100089）

0 引言

隨著城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展和人民生活水平的提高，我國(guó)城市生活垃圾產(chǎn)量急劇增加。截至2015年，我國(guó)城鎮(zhèn)化率達(dá)到56.1%，城鎮(zhèn)常住人口達(dá)到7.7億，生活垃圾產(chǎn)生量達(dá)到1.2 kg/人，而城市生活垃圾無(wú)害化處理能力為75.8萬(wàn)t/日，生活垃圾無(wú)害化處理率達(dá)到90.2%。但是現(xiàn)階段，我國(guó)城市生活垃圾總量仍在迅速增長(zhǎng)，無(wú)害化處理能力仍相對(duì)不足，垃圾回收利用率有待提高，這些已經(jīng)成為制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要阻礙，因此，實(shí)現(xiàn)對(duì)生活垃圾的無(wú)害化處理需求十分迫切。

1 國(guó)內(nèi)外城市生活垃圾處理方式及對(duì)比

目前，國(guó)內(nèi)外處理城市生活垃圾的主要方法有填埋、堆肥、等離子氣化、焚燒等。發(fā)達(dá)國(guó)家主要采用垃圾焚燒法，其中日本、德國(guó)、新加坡、法國(guó)、荷蘭、丹麥、瑞士等國(guó)采用焚燒技術(shù)的比例分別為79%、35%、41%、32%、39%、54%、59%。

（1）填埋法是將垃圾填入已預(yù)備好的坑中蓋上壓實(shí)，使其發(fā)生生物、物理、化學(xué)變化，分解有機(jī)物，達(dá)到減量化和無(wú)害化的目的。2015年，我國(guó)衛(wèi)生填埋場(chǎng)為1748座，設(shè)計(jì)處理能力達(dá)50.15萬(wàn)噸/日，比2010年增長(zhǎng)了43%。目前，國(guó)內(nèi)多數(shù)生活垃圾填埋場(chǎng)為露天場(chǎng)地，對(duì)城市環(huán)境和公共衛(wèi)生有較大的不利影響[1]。

（2）堆肥法是在人工控制條件下，利用微生物使垃圾中的有機(jī)物發(fā)生生化反應(yīng)而降解，形成類(lèi)腐殖質(zhì)。根據(jù)原理分為厭氧性和好氧性發(fā)酵。堆肥法僅適用于有機(jī)垃圾，在國(guó)內(nèi)利潤(rùn)低、市場(chǎng)小，截至2010年，堆肥廠(chǎng)數(shù)量?jī)H為11座，處理能力為5 480 t/日。

（3）等離子氣化技術(shù)是以熱等離子體作為高溫?zé)嵩磳?duì)垃圾進(jìn)行氣化，將垃圾中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化成合成氣，將無(wú)機(jī)物轉(zhuǎn)化成熔渣。我國(guó)對(duì)等離子氣化的研究尚處于初級(jí)階段，目前投產(chǎn)項(xiàng)目極少。

（4）垃圾焚燒法是利用焚燒爐對(duì)生活垃圾中的有機(jī)可燃物進(jìn)行焚燒處理，通過(guò)高溫焚燒消除大量有害物質(zhì)，同時(shí)利用回收的熱能進(jìn)行供熱、發(fā)電的技術(shù)。垃圾焚燒的技術(shù)正日趨成熟，垃圾焚燒發(fā)電是目前垃圾處理“減量化、資源化和無(wú)害化”最有效的方法和途徑。

根據(jù)“十三五”全國(guó)城鎮(zhèn)生活垃圾無(wú)害化處理設(shè)施建設(shè)規(guī)劃，截至2015年，全國(guó)城鎮(zhèn)生活垃圾處理采用技術(shù)情況為：焚燒31%（23.52萬(wàn)t/日）、填埋66%（50.15萬(wàn)t/日）、其他3%（2.16萬(wàn)t/日）。目前，垃圾焚燒處理所占的比例較小，2020年，我國(guó)垃圾焚燒處理的規(guī)模將達(dá)到59.14萬(wàn)t/日，占比為54%，垃圾焚燒將逐步成為我國(guó)垃圾處理的主要方式。

2 垃圾焚燒發(fā)電工藝流程

垃圾焚燒發(fā)電的主要工藝流程包括垃圾接收及預(yù)處理、垃圾焚燒和余熱發(fā)電等。

2.1 垃圾接收及預(yù)處理系統(tǒng)

主要包括垃圾計(jì)量、卸料、儲(chǔ)存、給料和進(jìn)料系統(tǒng)。

垃圾由垃圾車(chē)收集載入廠(chǎng)區(qū)后，經(jīng)過(guò)地磅稱(chēng)重，再沿輸送道路進(jìn)入封閉式傾卸區(qū)，將垃圾傾入處于負(fù)壓狀態(tài)的垃圾池。垃圾抓斗將池中的垃圾抓入爐前給料系統(tǒng)，進(jìn)而送入焚燒爐內(nèi)焚燒。

2.2 垃圾焚燒系統(tǒng)

主要包括焚燒爐、燃燒空氣系統(tǒng)、點(diǎn)火及輔助燃燒系統(tǒng)。

通過(guò)機(jī)械設(shè)備送入到焚燒爐內(nèi)的垃圾，在焚燒爐內(nèi)進(jìn)行燃燒。焚燒爐的一次燃燒用空氣來(lái)自垃圾池，以保持垃圾池一定的負(fù)壓；焚燒爐的二次燃燒用空氣來(lái)自焚燒車(chē)間頂部，增加焚燒車(chē)間的換氣次數(shù)，提高焚燒車(chē)間的工作環(huán)境。焚燒爐采用燃料油助燃，通過(guò)對(duì)燃料油的調(diào)節(jié)使燃燒溫度始終控制在850℃以上，以使二惡英得到充分分解。

2.3 余熱發(fā)電系統(tǒng)

主要包括余熱鍋爐、省煤器、空預(yù)器、過(guò)熱器、汽輪發(fā)電機(jī)等系統(tǒng)。

垃圾在焚燒爐焚燒之后，所產(chǎn)生的熱量經(jīng)過(guò)余熱鍋爐轉(zhuǎn)化之后會(huì)變成蒸汽，蒸汽推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組用來(lái)發(fā)電。

3 垃圾焚燒技術(shù)的選擇

可控制的垃圾焚燒技術(shù)、燃燒煙塵處理及熱能發(fā)電再利用等技術(shù)始于20世紀(jì)70年代[2]。常見(jiàn)的垃圾焚燒爐爐型主要有機(jī)械爐排焚燒爐、流化床焚燒爐、回轉(zhuǎn)窯式焚燒爐、熱解氣化焚燒爐。

3.1 機(jī)械爐排焚燒爐

機(jī)械爐排焚燒爐技術(shù)成熟，在國(guó)際上約占有80%的市場(chǎng)份額。根據(jù)爐排形式的不同分為滾動(dòng)爐排、鏈條爐排、往復(fù)爐排等，其中往復(fù)爐排分為順推傾斜往復(fù)、逆推傾斜往復(fù)爐排。該類(lèi)爐型技術(shù)成熟，運(yùn)行穩(wěn)定，通過(guò)爐排的機(jī)械運(yùn)動(dòng)使垃圾有效地翻轉(zhuǎn)、攪拌，促進(jìn)垃圾完全燃燒。

機(jī)械爐排爐的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行可靠性高，單臺(tái)處理能力高，不需垃圾預(yù)處理；煙氣排放量較低，受熱面磨損較小，無(wú)需混煤燃燒，灰渣產(chǎn)量低。缺點(diǎn)是對(duì)爐排加工精度和控制要求較高，投資較高、運(yùn)行費(fèi)用較高，后期維護(hù)檢修工作量大。

3.2 流化床焚燒爐

流化床燃燒技術(shù)，即生活垃圾與流化載體以一定的比例通過(guò)流化床上部進(jìn)入焚燒爐內(nèi)，借助流化載體的作用，垃圾在爐內(nèi)激烈翻騰，同時(shí)循環(huán)流動(dòng)，處于懸浮燃燒狀態(tài)。流化床焚燒工藝的主要種類(lèi)有鼓泡流化床、轉(zhuǎn)動(dòng)流化床、循環(huán)流化床，其中國(guó)內(nèi)較多采用循環(huán)流化床形式。

循環(huán)流化床焚燒爐的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行穩(wěn)定，燃料適應(yīng)性強(qiáng)；氮氧化物生成量少；結(jié)構(gòu)緊湊，投資較低。缺點(diǎn)是需要垃圾預(yù)處理，需補(bǔ)加燃煤，因而增加占地且對(duì)環(huán)境有影響，飛灰產(chǎn)量大；受熱面磨損嚴(yán)重，動(dòng)力消耗較大。

3.3 回轉(zhuǎn)窯式焚燒爐

回轉(zhuǎn)窯焚燒爐技術(shù)通過(guò)爐本體滾筒連續(xù)緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，利用內(nèi)壁耐高溫抄板將垃圾由筒體下部在筒體滾動(dòng)時(shí)帶到筒體上部，然后靠垃圾自重落下。對(duì)高水分、低熱值的生活垃圾燃燒有難度?；剞D(zhuǎn)窯焚燒爐的優(yōu)點(diǎn)是燃料適應(yīng)性好，運(yùn)行穩(wěn)定。缺點(diǎn)是需設(shè)后燃室，窯身較長(zhǎng)，占地面積大，投資較高；熱效率低，處理能力低。

3.4 熱解氣化焚燒爐

垃圾熱解氣化焚燒爐是一種控制空氣燃燒技術(shù)，系統(tǒng)可分為加熱干燥、熱解氣化、殘?zhí)既紵⒖扇細(xì)馊紵?個(gè)區(qū)域。

熱解氣化焚燒爐的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)較容易，煙氣中氮氧化物含量較低。缺點(diǎn)是設(shè)備處理能力較?。ǎ?50 t/日），不能適應(yīng)高水分、低熱值垃圾；廠(chǎng)房占地較大，熱量回收率低。

目前熱解氣化焚燒技術(shù)的廣泛應(yīng)用尚有困難。

綜合以上幾種爐型的特點(diǎn)，機(jī)械爐排爐一般適用于各種規(guī)模的垃圾焚燒廠(chǎng)，尤其是大中型的垃圾焚燒廠(chǎng)；流化床爐投資較少，一般處理規(guī)模較小，適用于中小型城市、垃圾質(zhì)量較不穩(wěn)定的焚燒廠(chǎng)；回轉(zhuǎn)窯焚燒爐一般用于小規(guī)模特種垃圾，如醫(yī)療垃圾、工業(yè)垃圾等的處理；熱解氣化焚燒爐單臺(tái)處理能力小、對(duì)垃圾含水率要求高，不能滿(mǎn)足大型垃圾焚燒廠(chǎng)的要求。

4 垃圾焚燒煙氣處理工藝

煙氣凈化工藝主要是對(duì)煙氣中的酸性氣體（如HCl、HF、SOx）、氮氧化物、粉塵、重金屬及有機(jī)物（二惡英）等污染物根據(jù)煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行控制。煙氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)有GB 18485—2014《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》及2000年歐盟標(biāo)準(zhǔn)（2000/76/EU）。

常用的煙氣凈化工藝系統(tǒng)是由石灰漿配制、煙氣處理（噴霧反應(yīng)及袋式除塵）、活性炭噴射、飛灰輸送和脫氮（NOx）部分組成。

4.1 石灰漿配制

石灰漿的配制，原材料采用Ca（OH）2。在石灰漿配置槽中將石灰通過(guò)與水混合配置成20%～25%的濃石灰漿，送入稀釋槽后進(jìn)一步加水稀釋為10%～15%的稀石灰漿，后送入煙氣處理系統(tǒng)之旋轉(zhuǎn)霧化器中。

4.2 煙氣處理

煙氣處理包括噴霧反應(yīng)、袋式除塵和引風(fēng)機(jī)等主要設(shè)備，煙氣經(jīng)處理后達(dá)到排放要求。

4.2.1 噴霧反應(yīng)

從余熱鍋爐來(lái)的熱煙氣從噴霧反應(yīng)器頂部進(jìn)入，頂部通道的倒流板使煙氣呈螺旋狀向下運(yùn)動(dòng)。石灰漿泵入旋轉(zhuǎn)霧化器，形成微小液滴，與煙氣形成逆流，在此過(guò)程中，石灰漿與煙氣中的酸性氣體HCl、HF、SO2等發(fā)生反應(yīng)，并使二惡英、呋喃和重金屬產(chǎn)生凝結(jié)。飛灰經(jīng)底部排出，挾帶著飛灰及各種粉塵的煙氣進(jìn)入袋式除塵器。

4.2.2 袋式除塵

與電除塵器相比，袋式除塵器更適用于煙氣處理工藝，占地面積小，效率高，除塵效果更顯著[3]。

帶有飛灰及各種粉塵的溫度為140～160℃的煙氣，從噴霧反應(yīng)器下部位置進(jìn)入袋式除塵器。煙氣從濾袋外部進(jìn)入，從隔倉(cāng)頂部排出，焚燒產(chǎn)生的煙塵、石灰反應(yīng)劑和生成物、凝結(jié)的重金屬、噴入的活性炭等均附著于濾袋表面，形成一層濾餅，煙氣中的酸性氣體與過(guò)量的反應(yīng)劑進(jìn)一步反應(yīng)；活性炭在濾袋表面進(jìn)一步吸附。附著于濾袋外表面的飛灰經(jīng)壓縮空氣反吹排入除塵器灰斗。飛灰經(jīng)旋轉(zhuǎn)排灰閥排至飛灰輸送部分的埋刮板輸送機(jī)。

4.2.3 引風(fēng)排煙系統(tǒng)

布袋除塵器出口設(shè)置引風(fēng)機(jī)，煙氣經(jīng)煙囪排入大氣。

4.3 活性炭噴射

活性炭用來(lái)吸附煙氣中的重金屬、有機(jī)污染物等，活性炭的噴射點(diǎn)設(shè)在除塵器前的煙氣管道上，沿著煙氣流動(dòng)的方向噴入，隨煙氣一起進(jìn)入后續(xù)的除塵器由布袋捕集下來(lái)。

4.4 飛灰輸送

飛灰是指煙氣凈化系統(tǒng)收集的粉塵，其成分復(fù)雜且含有毒性物質(zhì)，故與爐渣分開(kāi)處理，設(shè)置單獨(dú)的輸送及貯存設(shè)備，經(jīng)穩(wěn)定化處理后送入垃圾填埋場(chǎng)填埋。

4.5 脫氮（NOx）

煙氣脫氮技術(shù)選用選擇性非催化脫氮工藝（SNCR），該工藝選擇以氨水或尿素作為還原劑，將其噴入焚燒爐內(nèi)，在有氧環(huán)境下，與NOx進(jìn)行選擇性反應(yīng)，使NOx還原為N2和H2O，達(dá)到脫氮的目的。該工藝能將煙氣中NOx的濃度控制在200 mg/m3內(nèi)。與SCR工藝相比，SNCR工藝設(shè)備簡(jiǎn)單，投資小。

5 結(jié)論

（1）通過(guò)四種垃圾處理方式的對(duì)比分析，得出垃圾焚燒發(fā)電是目前垃圾處理“減量化、資源化和無(wú)害化”最有效的方法和途徑，也逐漸成為我國(guó)垃圾處理的主要方式。（2）國(guó)外垃圾焚燒技術(shù)的發(fā)展已相對(duì)成熟，我國(guó)目前在技術(shù)上尚有一定差距。在選擇垃圾焚燒技術(shù)時(shí)，應(yīng)綜合考慮經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等因素確定合適的焚燒技術(shù)。（3）垃圾焚燒發(fā)電過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的有毒有害氣體、粉塵等污染物，因此需要采用嚴(yán)格的煙氣處理工藝，避免造成二次污染。

[1]王蕾，劉思成，荀世忠，等.城市生活垃圾處理方式的對(duì)比研究[J].環(huán)境科學(xué)與管理，2017，42（7）：29-31.

[2]徐艷萍，黃力華，崔方娜.國(guó)內(nèi)城市生活垃圾焚燒技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].廣東化工，2015，42（12）：140-141.

[3]吳學(xué)峰，邱睿.淺析垃圾焚燒發(fā)電煙氣處理技術(shù)[J].科學(xué)與信息化，2018（4）：96，98.