利用焚燒發電技術處置城市生活垃圾

尹衛平

利用焚燒發電技術處置城市生活垃圾

Incineration Power Generation Technology for Disposal of Municipal Solid Waste

尹衛平

1 前言

水泥窯協同處置生活垃圾技術的優勢在業內已經眾所周知,但由于存在水泥窯處理垃圾量相對較少、有些水泥廠相距城市較遠等不足，目前條件下，水泥窯還不能完全消納所有城市生活垃圾。而垃圾焚燒發電技術作為一種成熟的處理方法，與垃圾衛生填埋、堆肥等技術相比，是實現城市生活垃圾減量化、無害化、資源化的有效手段之一。

垃圾焚燒廠的建設內容主要包括垃圾焚燒處理及發電、爐渣填埋、污水處理、電力上網以及輔助生產車間等。在此，僅就與水泥窯處置生活垃圾不同部分加以闡述。

2 垃圾焚燒發電技術

2.1 焚燒技術概述

垃圾焚燒是上世紀三十年代在國外最先發展起來的先進垃圾處理技術。配備有熱能回收與利用裝置的垃圾焚燒處理系統，正逐漸成為垃圾焚燒處理的主流。目前，發達國家主要致力于改進原有的各種焚燒裝置及開發新型焚燒爐，使之朝著高效、節能、低造價、低污染的方向發展，自動化程度越來越高。

我國城市垃圾處理起步較晚，1985年，深圳市引進日本三菱公司的技術與裝備，建成了我國第一座大型（300t/d）現代化垃圾焚燒發電一體化處理廠。之后北京、深圳、天津、廣東等相繼建成一批生活垃圾焚燒發電廠。據環境保護部發布的《2014年全國大、中城市固體廢物污染環境防治年報》顯示：2014年我國大、中城市生活垃圾產生總量為16 148.81萬噸，處置量為15 730.65萬噸，處置率為97.41%。其中，垃圾焚燒爐處置垃圾約4 200萬噸，水泥窯協同處置垃圾約200萬噸，兩者合計處置率僅占27.2%。因此無害化、資源化、減量化處置城市生活垃圾已成為影響整個城市可持續發展的重要因素之一。

2.2 焚燒系統工藝流程

城市垃圾不經分選直接送入垃圾焚燒爐，完全焚燒后將化學能轉化為熱能，產生的熱能通過余熱蒸汽鍋爐將水加熱成蒸汽，蒸汽推動汽輪機把熱能轉化成機械能帶動汽輪機發電，垃圾焚燒產生的廢氣經煙氣凈化系統處理，達到環保標準后排放，爐渣直接送入填埋場進行衛生安全填埋。

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垃圾焚燒工藝主要由以下部分組成：垃圾接收貯存及上料系統、焚燒系統、余熱發電系統、煙氣凈化系統等（見圖1）。

2.3 焚燒爐的主要特點

2.3.1 爐型分類與選擇

垃圾焚燒爐相當于水泥生產線中的燒成系統，一般使用壽命為20年。目前，焚燒爐的種類較多，主要為爐排型垃圾焚燒爐、回轉窯垃圾焚燒爐、流化床垃圾焚燒爐和垃圾衍生燃料焚燒爐四大類型。幾種城市垃圾焚燒爐的對比見表1。

在焚燒工藝選擇中，焚燒爐型是一個關鍵核心。由于多級機械爐排爐式焚燒爐技術已成熟且品種多，爐子的結構比較緊湊，熱效率較高，設備性能可靠，自動化程度高，因此，北京、天津、上海、深圳、寧波、蘇州等地多選用此焚燒裝備。

2.3.2 焚燒爐

目前，國內引進成熟并運行較好的機械爐排式焚燒爐有法國、德國、日本和比利時爐排爐。

這種爐排爐的特點是通過活動爐排移動，推動垃圾從上層落向下層，對垃圾起到切割、翻轉和攪拌的作用，實現完全燃燒，它的爐排是由特殊合金制成的，耐磨、耐高溫，爐膛側壁和天井由水冷或耐火磚爐壁構成，保證垃圾在控制溫度條件下燃燒、燃盡。

圖1 垃圾焚燒工藝流程圖

2.3.3 焚燒爐工藝流程

垃圾運載車稱重后把垃圾倒入垃圾儲坑中，然后用抓斗將垃圾吊到焚燒爐上方投入料斗及料槽，并把垃圾送到焚燒爐爐排上。垃圾的干燥、焚燒、燃盡及冷卻的一系列過程都在爐排上完成。

煙氣的熱能被余熱鍋爐轉換成蒸汽用于發電，預熱燃燒空氣經過半干式煙氣處理裝置和布袋除塵器除去有害氣體和粉塵后，由引風機抽出經煙囪排入大氣，除塵器收集的飛灰與石灰石等混合物由排灰裝置排出，按危險廢棄物標準處理。

該焚燒工藝實行全過程計算機自動化控制。通過控制爐排的移動速度、移動頻率、料層厚度、空氣流量配比和煙氣再循環風機擋板開度來控制燃燒過程和監測各控點煙氣溫度。

一般爐排爐的燃燒可分為三個階段：干燥段、燃燒段和燃盡段。第一段為干燥段，主要是利用高溫空氣和爐壁爐頂的輻射進行垃圾干燥、預熱、氣化，滯留的時間約為30min；第二段為燃燒段，該段為靜態燃燒的中心部分，滯留的時間約為30min，爐溫在850～1 050℃；第三段為燃盡段，一般從燃燒段送來的固體碳素和爐渣中未燃盡的部分，在該段完全燃燒，滯留時間為60min，爐渣的熱灼減率達到1%～2%。爐排爐結構見圖2。

2.4 煙氣凈化系統

圖2 爐排爐結構示意圖

目前，國內外垃圾焚燒行業的煙氣凈化工藝有多種方案，主要為脫酸系統和除塵系統的不同組合。

2.4.1 脫酸性氣體系統

垃圾焚燒中產生的酸性氣體有HCl、SO2等，脫除酸性氣體的方法有濕法、半干法、干法三種。它們對HCl的去除效率分別約為98%、90%、80%，對SO2的去除效率分別約為95%、80%～90%、75%，對吸收劑消耗過量系數為1、2、3。顯然濕式洗滌法對酸性氣體的去除效果較好。但由于濕式洗滌法存在污水處理問題，其系統的投資費用約為半干法系統的1.75倍，同時其操作和維修費用也相應增加；半干法最大的特點是充分利用煙氣中的余熱使吸收劑中的水分蒸發，凈化反應產物以干態固體的形式排出，避免了濕法凈化技術的缺點；而干式脫酸法設備投資與半干法接近，但對酸性氣體的去除效果較差。

表1 城市垃圾焚燒爐對比表

表2 設計工況表

半干法工藝較成熟、設備簡單、一次性投資較低，其可靠性高、性能良好，在國內外垃圾焚燒廠應用比較廣泛。

2.4.2 煙氣凈化組合工藝

根據煙氣成分及污染排放標準，煙氣凈化系統由兩個部分組成，即脫酸系統與除塵設備的組合。現行的工藝組合大致有以下三種形式：

（1）布袋除塵器+濕式洗滌塔（2）半干法脫酸塔+布袋除塵器（3）干法脫酸塔+袋式除塵器

煙氣凈化工藝以采用半干法脫酸塔加布袋除塵器組合的增濕灰吸收法（即多組分有毒廢氣治理技術），簡稱MHGT法，為較佳方案。

為確保二噁英和重金屬等有害物質達到排放指標的要求，尾氣處理系統設置有急冷塔，并在MHGT系統中增加活性炭噴射吸附的輔助凈化措施，通過湍流與煙氣混合均勻且接觸時間足夠長就可以達到較高的吸附凈化效率，同時對SO2和NOx等酸性氣體也有較高的吸附凈化效率。

2.5 系統配置

一般焚燒系統配置有“兩爐兩機”或“三爐兩機”的配制形式。“兩爐兩機”是兩臺焚燒爐+兩臺發電機組配置；“三爐兩機”是三臺焚燒爐+兩臺發電機組配置形式。表2為深圳寶安區某垃圾焚燒廠兩臺600t/d垃圾焚燒爐、兩臺35t/d余熱鍋爐、2套煙氣凈化系統和2臺12MW汽輪發電機組的系統配置，即“兩爐兩機”形式的設計工況。

2.6 灰渣填埋

與水泥窯協同處置生活垃圾相比不足之處在于垃圾焚燒過程中產生灰渣，灰渣包括：焚燒爐排除的爐渣、鍋爐排出的底渣、爐排縫隙中泄露垃圾、反應塔排灰、鍋爐尾部煙道飛灰和除塵器收集的飛灰等，其中系統收集的飛灰屬于危險廢物，主要成分包括CaCl2、CaSO3、SiO2、CaO、Al2O3、Fe2O3等，另外還有少量的Hg、Pb、Cr、Ge、Mn、Zn、Mg等重金屬和微量的二噁英等有毒有機物，需在廠區內經過固化處理后外運至危險廢棄物處理場進行最終處置。而焚燒后燃盡的爐渣，其主要成分為MnO、SiO2、CaO、Al2O3、Fe2O3以及少量未燃盡的有機物、廢金屬等，直接通過皮帶輸送機送至廠區填埋場進行衛生填埋處理。

3 節能環保效果

按焚燒垃圾處理規模1 200t/d計，每年消納城市生活垃圾39萬噸，利用垃圾固有熱值發電，每年可售電量12 416×104kWh。垃圾焚燒后減重按85%計，相當于每年減少堆存生活垃圾33.1萬噸，如生活垃圾壓實前容重按0.3t/m3計，每年減少垃圾堆存110.3×104m3；按1kWh電折0.17kg標煤計，每年節約標煤2.13萬噸。

4 結語

水泥窯協同處置生活垃圾，有機物徹底分解，不僅具有減容、減量化特征，且燃燒后的殘渣（其中含有的絕大部分重金屬等有害物質）也都全部固熔在水泥熟料的晶格之中，成為水泥熟料的一部分，沒有二次污染隱患。而垃圾焚燒技術的主要缺點是焚燒后殘留的爐渣、飛灰（經過固化處理后）需運至危險廢棄物處理場進行最終填埋處理。但在目前條件下，垃圾焚燒技術作為一種成熟的處理方式，在國外已經得到廣泛應用。在國內北京、深圳、天津、廣東等也已經建成了一批生活垃圾焚燒發電廠，取得了顯著成效。與衛生填埋、堆肥等傳統處置方式相比，可以顯著減少垃圾的體積和重量，節約了土地資源，并能綜合利用垃圾固有熱值發電，變廢為寶，環境效益是長遠的。垃圾焚燒技術作為一種成熟的處理方法，是實現城市生活垃圾減量化、無害化、資源化的有效手段之一。■

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1001-6171（2015）06-0062-03

天津水泥工業設計研究院有限公司，天津300400；

2015-05-26；編輯：呂光