淺析城市生活垃圾焚燒發電技術

陳 卓 雷佳莉 楊玉鵬

（中國中元國際工程有限公司，北京100089）

0 引言

隨著城鎮化的快速發展和人民生活水平的提高，我國城市生活垃圾產量急劇增加。截至2015年，我國城鎮化率達到56.1%，城鎮常住人口達到7.7億，生活垃圾產生量達到1.2 kg/人，而城市生活垃圾無害化處理能力為75.8萬t/日，生活垃圾無害化處理率達到90.2%。但是現階段，我國城市生活垃圾總量仍在迅速增長，無害化處理能力仍相對不足，垃圾回收利用率有待提高，這些已經成為制約我國經濟可持續發展的重要阻礙，因此，實現對生活垃圾的無害化處理需求十分迫切。

1 國內外城市生活垃圾處理方式及對比

目前，國內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。發達國家主要采用垃圾焚燒法，其中日本、德國、新加坡、法國、荷蘭、丹麥、瑞士等國采用焚燒技術的比例分別為79%、35%、41%、32%、39%、54%、59%。

（1）填埋法是將垃圾填入已預備好的坑中蓋上壓實，使其發生生物、物理、化學變化，分解有機物，達到減量化和無害化的目的。2015年，我國衛生填埋場為1748座，設計處理能力達50.15萬噸/日，比2010年增長了43%。目前，國內多數生活垃圾填埋場為露天場地，對城市環境和公共衛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物發生生化反應而降解，形成類腐殖質。根據原理分為厭氧性和好氧性發酵。堆肥法僅適用于有機垃圾，在國內利潤低、市場小，截至2010年，堆肥廠數量僅為11座，處理能力為5 480 t/日。

（3）等離子氣化技術是以熱等離子體作為高溫熱源對垃圾進行氣化，將垃圾中的有機物轉化成合成氣，將無機物轉化成熔渣。我國對等離子氣化的研究尚處于初級階段，目前投產項目極少。

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

根據“十三五”全國城鎮生活垃圾無害化處理設施建設規劃，截至2015年，全國城鎮生活垃圾處理采用技術情況為：焚燒31%（23.52萬t/日）、填埋66%（50.15萬t/日）、其他3%（2.16萬t/日）。目前，垃圾焚燒處理所占的比例較小，2020年，我國垃圾焚燒處理的規模將達到59.14萬t/日，占比為54%，垃圾焚燒將逐步成為我國垃圾處理的主要方式。

2 垃圾焚燒發電工藝流程

垃圾焚燒發電的主要工藝流程包括垃圾接收及預處理、垃圾焚燒和余熱發電等。

2.1 垃圾接收及預處理系統

主要包括垃圾計量、卸料、儲存、給料和進料系統。

垃圾由垃圾車收集載入廠區后，經過地磅稱重，再沿輸送道路進入封閉式傾卸區，將垃圾傾入處于負壓狀態的垃圾池。垃圾抓斗將池中的垃圾抓入爐前給料系統，進而送入焚燒爐內焚燒。

2.2 垃圾焚燒系統

主要包括焚燒爐、燃燒空氣系統、點火及輔助燃燒系統。

通過機械設備送入到焚燒爐內的垃圾，在焚燒爐內進行燃燒。焚燒爐的一次燃燒用空氣來自垃圾池，以保持垃圾池一定的負壓；焚燒爐的二次燃燒用空氣來自焚燒車間頂部，增加焚燒車間的換氣次數，提高焚燒車間的工作環境。焚燒爐采用燃料油助燃，通過對燃料油的調節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 余熱發電系統

主要包括余熱鍋爐、省煤器、空預器、過熱器、汽輪發電機等系統。

垃圾在焚燒爐焚燒之后，所產生的熱量經過余熱鍋爐轉化之后會變成蒸汽，蒸汽推動汽輪發電機組用來發電。

3 垃圾焚燒技術的選擇

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

3.1 機械爐排焚燒爐

機械爐排焚燒爐技術成熟，在國際上約占有80%的市場份額。根據爐排形式的不同分為滾動爐排、鏈條爐排、往復爐排等，其中往復爐排分為順推傾斜往復、逆推傾斜往復爐排。該類爐型技術成熟，運行穩定，通過爐排的機械運動使垃圾有效地翻轉、攪拌，促進垃圾完全燃燒。

機械爐排爐的優點是運行可靠性高，單臺處理能力高，不需垃圾預處理；煙氣排放量較低，受熱面磨損較小，無需混煤燃燒，灰渣產量低。缺點是對爐排加工精度和控制要求較高，投資較高、運行費用較高，后期維護檢修工作量大。

3.2 流化床焚燒爐

流化床燃燒技術，即生活垃圾與流化載體以一定的比例通過流化床上部進入焚燒爐內，借助流化載體的作用，垃圾在爐內激烈翻騰，同時循環流動，處于懸浮燃燒狀態。流化床焚燒工藝的主要種類有鼓泡流化床、轉動流化床、循環流化床，其中國內較多采用循環流化床形式。

循環流化床焚燒爐的優點是運行穩定，燃料適應性強；氮氧化物生成量少；結構緊湊，投資較低。缺點是需要垃圾預處理，需補加燃煤，因而增加占地且對環境有影響，飛灰產量大；受熱面磨損嚴重，動力消耗較大。

3.3 回轉窯式焚燒爐

回轉窯焚燒爐技術通過爐本體滾筒連續緩慢轉動，利用內壁耐高溫抄板將垃圾由筒體下部在筒體滾動時帶到筒體上部，然后靠垃圾自重落下。對高水分、低熱值的生活垃圾燃燒有難度。回轉窯焚燒爐的優點是燃料適應性好，運行穩定。缺點是需設后燃室，窯身較長，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，系統可分為加熱干燥、熱解氣化、殘碳燃燒、可燃氣燃燒等4個區域。

熱解氣化焚燒爐的優點是設備結構簡單，維護較容易，煙氣中氮氧化物含量較低。缺點是設備處理能力較小（＜150 t/日），不能適應高水分、低熱值垃圾；廠房占地較大，熱量回收率低。

目前熱解氣化焚燒技術的廣泛應用尚有困難。

綜合以上幾種爐型的特點，機械爐排爐一般適用于各種規模的垃圾焚燒廠，尤其是大中型的垃圾焚燒廠；流化床爐投資較少，一般處理規模較小，適用于中小型城市、垃圾質量較不穩定的焚燒廠；回轉窯焚燒爐一般用于小規模特種垃圾，如醫療垃圾、工業垃圾等的處理；熱解氣化焚燒爐單臺處理能力小、對垃圾含水率要求高，不能滿足大型垃圾焚燒廠的要求。

4 垃圾焚燒煙氣處理工藝

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

常用的煙氣凈化工藝系統是由石灰漿配制、煙氣處理（噴霧反應及袋式除塵）、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與水混合配置成20%～25%的濃石灰漿，送入稀釋槽后進一步加水稀釋為10%～15%的稀石灰漿，后送入煙氣處理系統之旋轉霧化器中。

4.2 煙氣處理

煙氣處理包括噴霧反應、袋式除塵和引風機等主要設備，煙氣經處理后達到排放要求。

4.2.1 噴霧反應

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

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，從噴霧反應器下部位置進入袋式除塵器。煙氣從濾袋外部進入，從隔倉頂部排出，焚燒產生的煙塵、石灰反應劑和生成物、凝結的重金屬、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量的反應劑進一步反應；活性炭在濾袋表面進一步吸附。附著于濾袋外表面的飛灰經壓縮空氣反吹排入除塵器灰斗。飛灰經旋轉排灰閥排至飛灰輸送部分的埋刮板輸送機。

4.2.3 引風排煙系統

布袋除塵器出口設置引風機，煙氣經煙囪排入大氣。

4.3 活性炭噴射

活性炭用來吸附煙氣中的重金屬、有機污染物等，活性炭的噴射點設在除塵器前的煙氣管道上，沿著煙氣流動的方向噴入，隨煙氣一起進入后續的除塵器由布袋捕集下來。

4.4 飛灰輸送

飛灰是指煙氣凈化系統收集的粉塵，其成分復雜且含有毒性物質，故與爐渣分開處理，設置單獨的輸送及貯存設備，經穩定化處理后送入垃圾填埋場填埋。

4.5 脫氮（NOx）

煙氣脫氮技術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，在有氧環境下，與NOx進行選擇性反應，使NOx還原為N2和H2O，達到脫氮的目的。該工藝能將煙氣中NOx的濃度控制在200 mg/m3內。與SCR工藝相比，SNCR工藝設備簡單，投資小。

5 結論

（1）通過四種垃圾處理方式的對比分析，得出垃圾焚燒發電是目前垃圾處理“減量化、資源化和無害化”最有效的方法和途徑，也逐漸成為我國垃圾處理的主要方式。（2）國外垃圾焚燒技術的發展已相對成熟，我國目前在技術上尚有一定差距。在選擇垃圾焚燒技術時，應綜合考慮經濟、環境等因素確定合適的焚燒技術。（3）垃圾焚燒發電過程中會產生大量的有毒有害氣體、粉塵等污染物，因此需要采用嚴格的煙氣處理工藝，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比研究[J].環境科學與管理，2017，42（7）：29-31.

[2]徐艷萍，黃力華，崔方娜.國內城市生活垃圾焚燒技術應用現狀與進展[J].廣東化工，2015，42（12）：140-141.

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