城市生活垃圾焚燒發電廠的前處理與后處理技術

吳王圣，石靖宇

(上海環境衛生工程設計院，上海 200232)

城市生活垃圾焚燒發電廠的前處理與后處理技術

吳王圣，石靖宇

(上海環境衛生工程設計院，上海 200232)

生活垃圾焚燒前處理系統，是生活垃圾發電廠的重要組成部分，也是工程設計及設備選型的重點和難點,結合工程設計中的學習和實踐，簡要介紹了國內垃圾焚燒發電廠中的前后處理工藝，并對國內主要使用設備進行了簡單的計算與分析；計算垃圾儲存與投料系統的容量，有助于設備的選型；通過對目前主要煙氣凈化技術特點的介紹與分析，以有助于在實際工程中更好地選擇煙氣凈化技術；并簡要介紹了灰渣、飛灰、滲瀝液處理及利用的主要途徑。

垃圾；焚燒；發電；前處理；后處理

隨著國民經濟快速發展，工業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境保護領域里的重要環節。垃圾焚燒處理法由于無害化程度高、減容量大、可以回收熱量、處理及時等一系列優點而倍受關注，已成為發達國家處理垃圾的主要方式[1]。

焚燒生活垃圾以發電為目的，同時實現垃圾減容、滅菌和無害化處理的循環利用。垃圾焚燒發電、供熱利用方式主要是設置焚燒鍋爐，利用鍋爐產生的蒸汽供熱、發電，有效實現生活垃圾由化學能向熱能、電能的高效轉換[2]。

1 焚燒系統概述

由地磅稱重后的垃圾經卸料大廳進入垃圾倉，垃圾在垃圾倉停留5～7 d，其間經抓斗充分混合攪拌均質化后，送入垃圾料斗。垃圾沿垃圾溜槽下落到給料機，給料機將垃圾推送至爐排上。垃圾在爐排上滑動、翻動的過程中受到爐排下部的高溫一次風干燥及爐內輻射熱，然后著火燃燒產生高溫煙氣。高溫煙氣在850 ℃以上溫度停留2 s后進入余熱鍋爐，經過余熱鍋爐換熱后，進入減溫塔，半干式旋轉霧化反應塔，消石灰、活性炭噴射吸附，布袋除塵器等煙氣凈化系統進行脫硫脫硝、除塵處理，處理后的潔凈的煙氣通過引風機排入煙囪。從焚燒爐出渣口排出的爐渣經出渣機冷卻后送入爐渣貯坑中。飛灰則因為含有較多的重金屬，而被作為危險品固化后送入填埋廠做最終的處置。垃圾滲瀝水、洗車廢水、垃圾卸料平臺地面清洗水、灰渣處理設備廢水、鍋爐排污水、洗煙廢水等一部分廢水經過處理后排入城市污水管網，還有一部分經過處理的廢水則可加以利用。

垃圾焚燒系統典型的工藝流程圖如圖1所示。

圖1 垃圾焚燒系統工藝流程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，同時可有效防止垃圾處理造成的二次污染。目前，我國基本上未對垃圾進行分類處理，除部分循環流化床焚燒爐外，基本未對垃圾進行過多的處理。

爐排爐對垃圾的熱值要求較高，但對其粒徑要求較低，無須嚴格的前處理，所以，采用爐排爐的垃圾電廠無須建設復雜的前處理系統，垃圾在場內流程圖如圖2所示[3]。

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

垃圾前處理主要包括兩個方面，一方面是垃圾的分類收集或預分揀，以減少生活垃圾中的氯和重金屬含量高的物質進入垃圾焚燒爐，從而減少二惡英合成反應中所需要的反應物和重金屬催化劑的量[4]；另一方面需要對垃圾進行充分混合，并注意投料方式，以防止由垃圾不均勻導致不易控制焚燒工況。

城市生活垃圾剔除不可燃燒及有毒有害的廢棄物后，由專用垃圾運輸車輛送進廠區，經地磅進行稱重，然后按指定路線駛向垃圾卸料平臺，將垃圾卸入垃圾貯存池。垃圾貯存池的主要功能是儲存投入焚燒設備的垃圾，并使垃圾充分濾水，使垃圾均質化。垃圾池的必要存儲量是根據存儲相當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。

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

在CJJ 90—2009生活垃圾焚燒處理技術標準中規定[5]，垃圾池有效容積宜按5～7 d額定垃圾焚燒量確定。同時還要保證在設備出現事故或檢修時能正常接收垃圾。對于垃圾接收料斗、垃圾池下部的水坡度等是否包含在垃圾池的有效容積內應由技術人員根據設計條件確定。

2.2 垃圾投料系統

垃圾吊車是垃圾焚燒發電廠中垃圾投料系統的核心設備，位于垃圾貯池的上方，主要承擔垃圾的投料、搬運、攪拌、取物和稱量工作。在垃圾焚燒電站中，起重機的可靠性非常重要，生產設施運營故障最主要的原因就是起重機出現問題。因此，用戶在垃圾吊車的選用時要與供貨單位提供的參數進行匹配，使其既要能夠達到預定的垃圾搬運量，又要滿足垃圾池內倒垛和攪拌的需要。

國內某垃圾焚燒廠，垃圾焚燒量為1000 t/d，表1為垃圾吊車性能參數。

就垃圾抓斗起重機12.5 t/8.0 m3(抓斗)的工作周期計算書的計算結果，說明如下：

一臺起重機作業，抓滿率取0.9，壓縮系數取1.8，垃圾坑內垃圾堆積密度取約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×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，垃圾抓斗起重機完成該任務耗時約18.0 min。式中，1.10為余量系數。

表1 垃圾抓斗起重機系統性能

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

料坑內垃圾清料/混料/倒料和堆料能力=1100×2=2200 t/d=91.7 t/h，垃圾抓斗起重機完成該任務耗時約29.0 min。

起重機的總工作時間約為：18.0 + 29.0 = 47.0 min/h。

(4)設置臺數

設置臺數=垃圾吊車的常用運行臺數+后備吊車臺數

在CJJ 90—2009 生活垃圾焚燒處理技術標準中規定，吊車設置臺數在2臺以上為好。

3 垃圾后處理系統

3.1 煙氣凈化與處理工藝

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

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，為了達到SCR法還原反應所需的400 ℃的溫度，煙氣在進入催化脫氮器之前需要加熱，試驗證明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。但其還原反應所需的溫度比SCR法高得多，因此SNCR需設置在焚燒爐膛內完成。

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，處理成本遠大于SNCR法。工程上SNCR的應用更多。

但是，NOx的凈化是煙氣凈化系統中較為困難和運行成本較高的技術，考慮到中國國情、煙氣排放標準、煙氣原生濃度等指標，結合爐內燃燒等技術，早期國內已運行的生活垃圾焚燒廠均未設置專門的脫氮裝置，具體有以下原因：

①SNCR進口投資較高，同時后期的使用、維護費用也很高。

②結合爐內燃燒技術，包括O2的控制，爐內溫度的控制等，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，已經基本接近煙氣排放指標，同時通過活性炭吸附、石灰中和反應等能去除一部分NOx。

未設脫氮裝置時，煙氣中的NOx排放濃度一般可控制在300～400 mg/Nm3，能夠達到GB 18485—2001中400 mg/Nm3的排放限值，但達不到EU2000/76/EC中200 mg/Nm3的排放限值。隨著燃燒技術的發展，通過燃燒控制在不使用NOx去除設施的情況下，目前也可以達到排放濃度在150～400 mg/Nm3。

3.1.2 脫酸工藝

酸性氣體凈化工藝按照有無廢水排出分為干法、半干法和濕法三種。

半干法工藝特點：污染物去除效率高；石灰耗量低；廢水零排放；反應殘余物干燥；對石灰漿品質要求比較高。應用實例：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：石灰耗量高；不需要排水處理設備；工藝流程簡單,設備投資低除塵和去除有害氣體效果較高。應用實例：成都洛帶垃圾焚燒廠、太倉垃圾焚燒廠。

濕法工藝的特點是[6]：(1)流程復雜，配套設備較多；(2)凈化效率較高;(3)產生含高濃度無機氯鹽及重金屬的廢水，需經處理后才能排放；(4)處理后的廢氣因溫度降低至露點以下，需再加熱，以防止煙囪出口形成白煙現象，造成不良景觀；(5)設備投資高，運行費用也較高。

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，隨著環保要求的日益嚴格，電除塵器不僅不能滿足脫除有機物(二惡英等)、重金屬的需要，同時也不能滿足粉塵排放的要求，所以，現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。國家標準GB 18485—2001中明確規定生活垃圾焚燒爐除塵裝置必須采用布袋除塵器。袋式除塵器同時兼有二次酸氣清除的功能，上游的酸氣清除設備中部分未反應的堿性物附著在濾袋上，在煙氣通過時再次和酸氣反應。

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

3.2 滲瀝液處理工藝

目前，填埋場垃圾滲濾液處理是我國填埋場建設和管理較薄弱環節之一，由于滲濾液水質水量變化大，且污染物濃度高，垃圾滲濾液現場處理并達標排放，要求較復雜的處理工藝、較高的管理水平和較高成本。《生活垃圾填埋污染控制標準》(GB 16889—2008)中規定，生活垃圾填埋場應設置污水處理裝置，垃圾滲濾液(含蓄水池廢水)等污水經處理并符合本標準規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，從技術上分析，如果要達到此要求就需要采用膜處理技術，采用膜處理技術工藝處理成本超過20元/t。此外，膜處理往往會產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，由此造成膜處理出水率進一步降低。

3.3 爐渣處理工藝

焚燒發電模式處理垃圾之所以受到認可，就在于這種方式可以實現垃圾的無害化、減量化處理和資源化利用，而一個垃圾焚燒發電項目其處理效果是否真正稱得上無害化、減量化和資源化，重要的評判標準之一就是該項目的灰渣處理。廢棄物垃圾進入垃圾焚燒發電廠進行處理，處理產生的飛灰和爐渣等廢棄物再次得到資源化利用，這樣的生產處理過程才能稱其為循壞經濟。目前國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，同時也可減少爐渣填埋造成的運行成本的增加和占用填埋場地。

3.4 飛灰處理工藝

飛灰指煙氣凈化系統(噴霧反應器和袋式除塵器)收集的粉塵，因其成分復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。大多數國 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、丹麥等歐盟國家有少部分飛灰用作瀝青鋪路的細骨料，以及日本將飛灰熔融后用作路基材料或水泥的骨料[7]。

在國內，普遍的也是最好的飛灰處理方法是先化學穩定化后再進行固化或填埋處理。

飛灰的固化/穩定化技術，主要有水泥固化法、熔融固化法、化學藥劑穩定化處理法等。目前國內垃圾焚燒廠的飛灰一般經水泥固化后送往危險廢物填埋場填埋處理，費用一般需1000元/t以上。

4 結論

城市生活垃圾焚燒發電廠實現了垃圾處理的無害化、減量化、資源化。 雖然垃圾焚燒發電項目前期投資相比填理等傳統處理工藝高出很多，但是通過發電、供熱、有用物質的回收，產出效應良好。 經過焚燒處理，垃圾可減量 85%，而且爐渣還可以再利用，比用填埋方式處理，每年節約用地80畝左右。經過焚燒處理，每噸垃圾可發電300 kW·h左右，按日處理垃圾1000 t計算，每年可發電1億kW·h左右，可節省標煤約48 000 t。

歐洲垃圾焚燒起步較早，垃圾發電是已經成熟的技術，各項工藝、流程、法規均已較完善，通過對垃圾焚燒發電整個工藝流程的實時監控，可有效控制各類污染物排放[8]。由于國內外的差異，我們難以像發達國家那樣全部使用高標準的、先進的工藝措施，但我們可以使用合理的生產工藝，形成具有中國特色的工藝結構來適應環保的要求。

[1] 鄧高峰, 張衍國, 李清海, 等. 150t/d循環流化床生活垃圾焚燒爐的工藝結構與污染排放[J]. 環境污染治理技術與設備, 2003, 4(1): 81- 84.

[2] 韋立新, 黃文清. 生活垃圾焚燒發電廠工程實例[J]. 裝備制

造技術, 2008(6): 161- 165.

[3] 李金偉. 城市生活垃圾發電廠的垃圾前處理系統的設計[J]. 能源與環境, 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] 中華人民共和國住房和城鄉建設部. CJJ 90—2009 生活垃圾焚燒處理工程技術規范[S]. 北京: 中國建筑工業出版社, 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，劉陽生. 垃圾焚燒飛灰處置與資源化利用研究進展[J]. 四川環境, 2008, 27(1): 61- 65.

[8] 施慶燕, 焦學軍, 周洪權. 歐洲生活垃圾焚燒發電發展現狀[J]. 環境衛生工程, 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電廠的設計工作，E-mail：wuws@huanke.com.cn

10.14068/j.ceia.2017.03.019

X705

A

2095-6444(2017)03-0075-04