利用焚烧发电技术处置城市生活垃圾

尹卫平

利用焚烧发电技术处置城市生活垃圾

Incineration Power Generation Technology for Disposal of Municipal Solid Waste

尹卫平

1 前言

水泥窑协同处置生活垃圾技术的优势在业内已经众所周知,但由于存在水泥窑处理垃圾量相对较少、有些水泥厂相距城市较远等不足，目前条件下，水泥窑还不能完全消纳所有城市生活垃圾。而垃圾焚烧发电技术作为一种成熟的处理方法，与垃圾卫生填埋、堆肥等技术相比，是实现城市生活垃圾减量化、无害化、资源化的有效手段之一。

垃圾焚烧厂的建设内容主要包括垃圾焚烧处理及发电、炉渣填埋、污水处理、电力上网以及辅助生产车间等。在此，仅就与水泥窑处置生活垃圾不同部分加以阐述。

2 垃圾焚烧发电技术

2.1 焚烧技术概述

垃圾焚烧是上世纪三十年代在国外最先发展起来的先进垃圾处理技术。配备有热能回收与利用装置的垃圾焚烧处理系统，正逐渐成为垃圾焚烧处理的主流。目前，发达国家主要致力于改进原有的各种焚烧装置及开发新型焚烧炉，使之朝着高效、节能、低造价、低污染的方向发展，自动化程度越来越高。

我国城市垃圾处理起步较晚，1985年，深圳市引进日本三菱公司的技术与装备，建成了我国第一座大型（300t/d）现代化垃圾焚烧发电一体化处理厂。之后北京、深圳、天津、广东等相继建成一批生活垃圾焚烧发电厂。据环境保护部发布的《2014年全国大、中城市固体废物污染环境防治年报》显示：2014年我国大、中城市生活垃圾产生总量为16 148.81万吨，处置量为15 730.65万吨，处置率为97.41%。其中，垃圾焚烧炉处置垃圾约4 200万吨，水泥窑协同处置垃圾约200万吨，两者合计处置率仅占27.2%。因此无害化、资源化、减量化处置城市生活垃圾已成为影响整个城市可持续发展的重要因素之一。

2.2 焚烧系统工艺流程

城市垃圾不经分选直接送入垃圾焚烧炉，完全焚烧后将化学能转化为热能，产生的热能通过余热蒸汽锅炉将水加热成蒸汽，蒸汽推动汽轮机把热能转化成机械能带动汽轮机发电，垃圾焚烧产生的废气经烟气净化系统处理，达到环保标准后排放，炉渣直接送入填埋场进行卫生安全填埋。

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垃圾焚烧工艺主要由以下部分组成：垃圾接收贮存及上料系统、焚烧系统、余热发电系统、烟气净化系统等（见图1）。

2.3 焚烧炉的主要特点

2.3.1 炉型分类与选择

垃圾焚烧炉相当于水泥生产线中的烧成系统，一般使用寿命为20年。目前，焚烧炉的种类较多，主要为炉排型垃圾焚烧炉、回转窑垃圾焚烧炉、流化床垃圾焚烧炉和垃圾衍生燃料焚烧炉四大类型。几种城市垃圾焚烧炉的对比见表1。

在焚烧工艺选择中，焚烧炉型是一个关键核心。由于多级机械炉排炉式焚烧炉技术已成熟且品种多，炉子的结构比较紧凑，热效率较高，设备性能可靠，自动化程度高，因此，北京、天津、上海、深圳、宁波、苏州等地多选用此焚烧装备。

2.3.2 焚烧炉

目前，国内引进成熟并运行较好的机械炉排式焚烧炉有法国、德国、日本和比利时炉排炉。

这种炉排炉的特点是通过活动炉排移动，推动垃圾从上层落向下层，对垃圾起到切割、翻转和搅拌的作用，实现完全燃烧，它的炉排是由特殊合金制成的，耐磨、耐高温，炉膛侧壁和天井由水冷或耐火砖炉壁构成，保证垃圾在控制温度条件下燃烧、燃尽。

图1 垃圾焚烧工艺流程图

2.3.3 焚烧炉工艺流程

垃圾运载车称重后把垃圾倒入垃圾储坑中，然后用抓斗将垃圾吊到焚烧炉上方投入料斗及料槽，并把垃圾送到焚烧炉炉排上。垃圾的干燥、焚烧、燃尽及冷却的一系列过程都在炉排上完成。

烟气的热能被余热锅炉转换成蒸汽用于发电，预热燃烧空气经过半干式烟气处理装置和布袋除尘器除去有害气体和粉尘后，由引风机抽出经烟囱排入大气，除尘器收集的飞灰与石灰石等混合物由排灰装置排出，按危险废弃物标准处理。

该焚烧工艺实行全过程计算机自动化控制。通过控制炉排的移动速度、移动频率、料层厚度、空气流量配比和烟气再循环风机挡板开度来控制燃烧过程和监测各控点烟气温度。

一般炉排炉的燃烧可分为三个阶段：干燥段、燃烧段和燃尽段。第一段为干燥段，主要是利用高温空气和炉壁炉顶的辐射进行垃圾干燥、预热、气化，滞留的时间约为30min；第二段为燃烧段，该段为静态燃烧的中心部分，滞留的时间约为30min，炉温在850～1 050℃；第三段为燃尽段，一般从燃烧段送来的固体碳素和炉渣中未燃尽的部分，在该段完全燃烧，滞留时间为60min，炉渣的热灼减率达到1%～2%。炉排炉结构见图2。

2.4 烟气净化系统

图2 炉排炉结构示意图

目前，国内外垃圾焚烧行业的烟气净化工艺有多种方案，主要为脱酸系统和除尘系统的不同组合。

2.4.1 脱酸性气体系统

垃圾焚烧中产生的酸性气体有HCl、SO2等，脱除酸性气体的方法有湿法、半干法、干法三种。它们对HCl的去除效率分别约为98%、90%、80%，对SO2的去除效率分别约为95%、80%～90%、75%，对吸收剂消耗过量系数为1、2、3。显然湿式洗涤法对酸性气体的去除效果较好。但由于湿式洗涤法存在污水处理问题，其系统的投资费用约为半干法系统的1.75倍，同时其操作和维修费用也相应增加；半干法最大的特点是充分利用烟气中的余热使吸收剂中的水分蒸发，净化反应产物以干态固体的形式排出，避免了湿法净化技术的缺点；而干式脱酸法设备投资与半干法接近，但对酸性气体的去除效果较差。

表1 城市垃圾焚烧炉对比表

表2 设计工况表

半干法工艺较成熟、设备简单、一次性投资较低，其可靠性高、性能良好，在国内外垃圾焚烧厂应用比较广泛。

2.4.2 烟气净化组合工艺

根据烟气成分及污染排放标准，烟气净化系统由两个部分组成，即脱酸系统与除尘设备的组合。现行的工艺组合大致有以下三种形式：

（1）布袋除尘器+湿式洗涤塔（2）半干法脱酸塔+布袋除尘器（3）干法脱酸塔+袋式除尘器

烟气净化工艺以采用半干法脱酸塔加布袋除尘器组合的增湿灰吸收法（即多组分有毒废气治理技术），简称MHGT法，为较佳方案。

为确保二噁英和重金属等有害物质达到排放指标的要求，尾气处理系统设置有急冷塔，并在MHGT系统中增加活性炭喷射吸附的辅助净化措施，通过湍流与烟气混合均匀且接触时间足够长就可以达到较高的吸附净化效率，同时对SO2和NOx等酸性气体也有较高的吸附净化效率。

2.5 系统配置

一般焚烧系统配置有“两炉两机”或“三炉两机”的配制形式。“两炉两机”是两台焚烧炉+两台发电机组配置；“三炉两机”是三台焚烧炉+两台发电机组配置形式。表2为深圳宝安区某垃圾焚烧厂两台600t/d垃圾焚烧炉、两台35t/d余热锅炉、2套烟气净化系统和2台12MW汽轮发电机组的系统配置，即“两炉两机”形式的设计工况。

2.6 灰渣填埋

与水泥窑协同处置生活垃圾相比不足之处在于垃圾焚烧过程中产生灰渣，灰渣包括：焚烧炉排除的炉渣、锅炉排出的底渣、炉排缝隙中泄露垃圾、反应塔排灰、锅炉尾部烟道飞灰和除尘器收集的飞灰等，其中系统收集的飞灰属于危险废物，主要成分包括CaCl2、CaSO3、SiO2、CaO、Al2O3、Fe2O3等，另外还有少量的Hg、Pb、Cr、Ge、Mn、Zn、Mg等重金属和微量的二噁英等有毒有机物，需在厂区内经过固化处理后外运至危险废弃物处理场进行最终处置。而焚烧后燃尽的炉渣，其主要成分为MnO、SiO2、CaO、Al2O3、Fe2O3以及少量未燃尽的有机物、废金属等，直接通过皮带输送机送至厂区填埋场进行卫生填埋处理。

3 节能环保效果

按焚烧垃圾处理规模1 200t/d计，每年消纳城市生活垃圾39万吨，利用垃圾固有热值发电，每年可售电量12 416×104kWh。垃圾焚烧后减重按85%计，相当于每年减少堆存生活垃圾33.1万吨，如生活垃圾压实前容重按0.3t/m3计，每年减少垃圾堆存110.3×104m3；按1kWh电折0.17kg标煤计，每年节约标煤2.13万吨。

4 结语

水泥窑协同处置生活垃圾，有机物彻底分解，不仅具有减容、减量化特征，且燃烧后的残渣（其中含有的绝大部分重金属等有害物质）也都全部固熔在水泥熟料的晶格之中，成为水泥熟料的一部分，没有二次污染隐患。而垃圾焚烧技术的主要缺点是焚烧后残留的炉渣、飞灰（经过固化处理后）需运至危险废弃物处理场进行最终填埋处理。但在目前条件下，垃圾焚烧技术作为一种成熟的处理方式，在国外已经得到广泛应用。在国内北京、深圳、天津、广东等也已经建成了一批生活垃圾焚烧发电厂，取得了显著成效。与卫生填埋、堆肥等传统处置方式相比，可以显著减少垃圾的体积和重量，节约了土地资源，并能综合利用垃圾固有热值发电，变废为宝，环境效益是长远的。垃圾焚烧技术作为一种成熟的处理方法，是实现城市生活垃圾减量化、无害化、资源化的有效手段之一。■

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1001-6171（2015）06-0062-03

天津水泥工业设计研究院有限公司，天津300400；

2015-05-26；编辑：吕光