城市生活垃圾焚烧发电厂的前处理与后处理技术

吴王圣，石靖宇

(上海环境卫生工程设计院，上海 200232)

城市生活垃圾焚烧发电厂的前处理与后处理技术

吴王圣，石靖宇

(上海环境卫生工程设计院，上海 200232)

生活垃圾焚烧前处理系统，是生活垃圾发电厂的重要组成部分，也是工程设计及设备选型的重点和难点,结合工程设计中的学习和实践，简要介绍了国内垃圾焚烧发电厂中的前后处理工艺，并对国内主要使用设备进行了简单的计算与分析；计算垃圾储存与投料系统的容量，有助于设备的选型；通过对目前主要烟气净化技术特点的介绍与分析，以有助于在实际工程中更好地选择烟气净化技术；并简要介绍了灰渣、飞灰、渗沥液处理及利用的主要途径。

垃圾；焚烧；发电；前处理；后处理

随着国民经济快速发展，工业垃圾和城市生活垃圾在成倍增加，城市固体废弃物的有效处理已成为环境保护领域里的重要环节。垃圾焚烧处理法由于无害化程度高、减容量大、可以回收热量、处理及时等一系列优点而倍受关注，已成为发达国家处理垃圾的主要方式[1]。

焚烧生活垃圾以发电为目的，同时实现垃圾减容、灭菌和无害化处理的循环利用。垃圾焚烧发电、供热利用方式主要是设置焚烧锅炉，利用锅炉产生的蒸汽供热、发电，有效实现生活垃圾由化学能向热能、电能的高效转换[2]。

1 焚烧系统概述

由地磅称重后的垃圾经卸料大厅进入垃圾仓，垃圾在垃圾仓停留5～7 d，其间经抓斗充分混合搅拌均质化后，送入垃圾料斗。垃圾沿垃圾溜槽下落到给料机，给料机将垃圾推送至炉排上。垃圾在炉排上滑动、翻动的过程中受到炉排下部的高温一次风干燥及炉内辐射热，然后着火燃烧产生高温烟气。高温烟气在850 ℃以上温度停留2 s后进入余热锅炉，经过余热锅炉换热后，进入减温塔，半干式旋转雾化反应塔，消石灰、活性炭喷射吸附，布袋除尘器等烟气净化系统进行脱硫脱硝、除尘处理，处理后的洁净的烟气通过引风机排入烟囱。从焚烧炉出渣口排出的炉渣经出渣机冷却后送入炉渣贮坑中。飞灰则因为含有较多的重金属，而被作为危险品固化后送入填埋厂做最终的处置。垃圾渗沥水、洗车废水、垃圾卸料平台地面清洗水、灰渣处理设备废水、锅炉排污水、洗烟废水等一部分废水经过处理后排入城市污水管网，还有一部分经过处理的废水则可加以利用。

垃圾焚烧系统典型的工艺流程图如图1所示。

图1 垃圾焚烧系统工艺流程Fig.1 Process flow of waste incineration system

2 垃圾前处理工艺

2.1 垃圾前期处理与储存

任何的后期处理都离不开前期分类，前期分类越彻底，后期处理效果越好。只有分类后的垃圾才能更加有效地加以处理，同时可有效防止垃圾处理造成的二次污染。目前，我国基本上未对垃圾进行分类处理，除部分循环流化床焚烧炉外，基本未对垃圾进行过多的处理。

炉排炉对垃圾的热值要求较高，但对其粒径要求较低，无须严格的前处理，所以，采用炉排炉的垃圾电厂无须建设复杂的前处理系统，垃圾在场内流程图如图2所示[3]。

图2 垃圾在电厂内的流程
Fig.2 The process flow of waste in the power plant

垃圾前处理主要包括两个方面，一方面是垃圾的分类收集或预分拣，以减少生活垃圾中的氯和重金属含量高的物质进入垃圾焚烧炉，从而减少二恶英合成反应中所需要的反应物和重金属催化剂的量[4]；另一方面需要对垃圾进行充分混合，并注意投料方式，以防止由垃圾不均匀导致不易控制焚烧工况。

城市生活垃圾剔除不可燃烧及有毒有害的废弃物后，由专用垃圾运输车辆送进厂区，经地磅进行称重，然后按指定路线驶向垃圾卸料平台，将垃圾卸入垃圾贮存池。垃圾贮存池的主要功能是储存投入焚烧设备的垃圾，并使垃圾充分滤水，使垃圾均质化。垃圾池的必要存储量是根据存储相当于焚烧厂额定焚烧量几天的垃圾量及垃圾的堆积比重而定的。

必要存储量=垃圾焚烧量(t/d)×存储天数(d)÷垃圾的堆积比重(t/m3)

在CJJ 90—2009生活垃圾焚烧处理技术标准中规定[5]，垃圾池有效容积宜按5～7 d额定垃圾焚烧量确定。同时还要保证在设备出现事故或检修时能正常接收垃圾。对于垃圾接收料斗、垃圾池下部的水坡度等是否包含在垃圾池的有效容积内应由技术人员根据设计条件确定。

2.2 垃圾投料系统

垃圾吊车是垃圾焚烧发电厂中垃圾投料系统的核心设备，位于垃圾贮池的上方，主要承担垃圾的投料、搬运、搅拌、取物和称量工作。在垃圾焚烧电站中，起重机的可靠性非常重要，生产设施运营故障最主要的原因就是起重机出现问题。因此，用户在垃圾吊车的选用时要与供货单位提供的参数进行匹配，使其既要能够达到预定的垃圾搬运量，又要满足垃圾池内倒垛和搅拌的需要。

国内某垃圾焚烧厂，垃圾焚烧量为1000 t/d，表1为垃圾吊车性能参数。

就垃圾抓斗起重机12.5 t/8.0 m3(抓斗)的工作周期计算书的计算结果，说明如下：

一台起重机作业，抓满率取0.9，压缩系数取1.8，垃圾坑内垃圾堆积密度取约0.35 t/m3。

(1)抓斗的抓举重量

抓斗的抓举重量(t)=抓斗容量(m3)×垃圾堆积比重(t/m3) ×压缩系数×抓斗抓满率(%)=8×0.35×1.8×90%=4.54 t。

(2)工厂垃圾焚烧处理量=1000×1.10=1100 t/d=45.8 t/h，垃圾抓斗起重机完成该任务耗时约18.0 min。式中，1.10为余量系数。

表1 垃圾抓斗起重机系统性能

(3)料坑内垃圾清料/混料/倒料和堆料能力按工厂垃圾焚烧处理量的2倍计算，即：

料坑内垃圾清料/混料/倒料和堆料能力=1100×2=2200 t/d=91.7 t/h，垃圾抓斗起重机完成该任务耗时约29.0 min。

起重机的总工作时间约为：18.0 + 29.0 = 47.0 min/h。

(4)设置台数

设置台数=垃圾吊车的常用运行台数+后备吊车台数

在CJJ 90—2009 生活垃圾焚烧处理技术标准中规定，吊车设置台数在2台以上为好。

3 垃圾后处理系统

3.1 烟气净化与处理工艺

为了达到欧盟2000/76/EC的排放标准，需要确定相应的烟气净化工艺，在通常情况下，烟气净化工艺主要针对酸性气体(HCl，HF，SOx)、NOx、颗粒物、有机物及重金属等进行控制，其工艺设备主要由几部分组成：即酸性气体脱除、颗粒物捕集、NOx的去除和有机物及重金属的去除工艺设备。

3.1.1 NOx去除工艺

NOx去除工艺主要有选择性非催化还原法(SNCR)和选择性催化还原法(SCR)。

SCR法是在催化剂的存在下NOx被还原成N2，为了达到SCR法还原反应所需的400 ℃的温度，烟气在进入催化脱氮器之前需要加热，试验证明SCR法可以将NOx排放浓度控制在50 mg/Nm3以下。

SNCR是在高温(800～1000 ℃)条件下，利用NH4OH(氨水)或(NH2)2CO(尿素)作为还原剂将NOx还原成N2，SNCR不需要催化剂，可将NOx排放浓度控制在200 mg/Nm3以下。但其还原反应所需的温度比SCR法高得多，因此SNCR需设置在焚烧炉膛内完成。

与SNCR法相比，SCR法脱氮效果更好，但需要消耗昂贵的催化剂，加热还需耗用大量热能，处理成本远大于SNCR法。工程上SNCR的应用更多。

但是，NOx的净化是烟气净化系统中较为困难和运行成本较高的技术，考虑到中国国情、烟气排放标准、烟气原生浓度等指标，结合炉内燃烧等技术，早期国内已运行的生活垃圾焚烧厂均未设置专门的脱氮装置，具体有以下原因：

①SNCR进口投资较高，同时后期的使用、维护费用也很高。

②结合炉内燃烧技术，包括O2的控制，炉内温度的控制等，能够减少NOx在锅炉出口的原生浓度。

③NOx在锅炉出口的原生浓度在200～600 mg/Nm3左右，一般在300 mg/Nm3以下，已经基本接近烟气排放指标，同时通过活性炭吸附、石灰中和反应等能去除一部分NOx。

未设脱氮装置时，烟气中的NOx排放浓度一般可控制在300～400 mg/Nm3，能够达到GB 18485—2001中400 mg/Nm3的排放限值，但达不到EU2000/76/EC中200 mg/Nm3的排放限值。随着燃烧技术的发展，通过燃烧控制在不使用NOx去除设施的情况下，目前也可以达到排放浓度在150～400 mg/Nm3。

3.1.2 脱酸工艺

酸性气体净化工艺按照有无废水排出分为干法、半干法和湿法三种。

半干法工艺特点：污染物去除效率高；石灰耗量低；废水零排放；反应残余物干燥；对石灰浆品质要求比较高。应用实例：上海御桥、上海江桥、天津双港、广州李坑、成都洛带、苏州光大、北京高安屯、江苏昆山……

干法工艺特点：石灰耗量高；不需要排水处理设备；工艺流程简单,设备投资低除尘和去除有害气体效果较高。应用实例：成都洛带垃圾焚烧厂、太仓垃圾焚烧厂。

湿法工艺的特点是[6]：(1)流程复杂，配套设备较多；(2)净化效率较高;(3)产生含高浓度无机氯盐及重金属的废水，需经处理后才能排放；(4)处理后的废气因温度降低至露点以下，需再加热，以防止烟囱出口形成白烟现象，造成不良景观；(5)设备投资高，运行费用也较高。

3.1.3 颗粒物去除工艺

颗粒物去除主要有电除尘器和布袋除尘器，但是，随着环保要求的日益严格，电除尘器不仅不能满足脱除有机物(二恶英等)、重金属的需要，同时也不能满足粉尘排放的要求，所以，现在已基本不再采用电除尘器作为焚烧垃圾厂的粉尘处理装置。国家标准GB 18485—2001中明确规定生活垃圾焚烧炉除尘装置必须采用布袋除尘器。袋式除尘器同时兼有二次酸气清除的功能，上游的酸气清除设备中部分未反应的碱性物附着在滤袋上，在烟气通过时再次和酸气反应。

综合以上分析，结合《生活垃圾焚烧污染控制标准》(GB 18485—2001)，脱酸除尘工艺组合有以下三种形式：湿式反应塔+袋式除尘器、半干式反应塔+袋式除尘器、干式反应塔+袋式除尘器。

3.2 渗沥液处理工艺

目前，填埋场垃圾渗滤液处理是我国填埋场建设和管理较薄弱环节之一，由于渗滤液水质水量变化大，且污染物浓度高，垃圾渗滤液现场处理并达标排放，要求较复杂的处理工艺、较高的管理水平和较高成本。《生活垃圾填埋污染控制标准》(GB 16889—2008)中规定，生活垃圾填埋场应设置污水处理装置，垃圾渗滤液(含蓄水池废水)等污水经处理并符合本标准规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，悬浮物低于30 mg/L，总氮低于40 mg/L，总磷低于3 mg/L，从技术上分析，如果要达到此要求就需要采用膜处理技术，采用膜处理技术工艺处理成本超过20元/t。此外，膜处理往往会产生大量的浓缩液需要处理，目前为了降低成本，大多将浓缩液直接回灌填埋场，由此造成膜处理出水率进一步降低。

3.3 炉渣处理工艺

焚烧发电模式处理垃圾之所以受到认可，就在于这种方式可以实现垃圾的无害化、减量化处理和资源化利用，而一个垃圾焚烧发电项目其处理效果是否真正称得上无害化、减量化和资源化，重要的评判标准之一就是该项目的灰渣处理。废弃物垃圾进入垃圾焚烧发电厂进行处理，处理产生的飞灰和炉渣等废弃物再次得到资源化利用，这样的生产处理过程才能称其为循坏经济。目前国际上灰渣的资源化利用途径主要有：①石油沥青路面的替代骨料；②水泥/混凝土的替代骨料；③填埋场覆盖材料；④路堤、路基等的填充材料等。炉渣的综合利用，既有效利用了资源，同时也可减少炉渣填埋造成的运行成本的增加和占用填埋场地。

3.4 飞灰处理工艺

飞灰指烟气净化系统(喷雾反应器和袋式除尘器)收集的粉尘，因其成分复杂且含有较高浸出浓度的铅(Pb)和镉(Cd)等重金属和其他毒性物质如二英等，大量的飞灰处理一直是困扰垃圾焚烧厂的一大难题。大多数国 家目前仍然采用填埋方式处理飞灰，因此飞灰的资源化利用率目前很低，仅在荷兰、丹麦等欧盟国家有少部分飞灰用作沥青铺路的细骨料，以及日本将飞灰熔融后用作路基材料或水泥的骨料[7]。

在国内，普遍的也是最好的飞灰处理方法是先化学稳定化后再进行固化或填埋处理。

飞灰的固化/稳定化技术，主要有水泥固化法、熔融固化法、化学药剂稳定化处理法等。目前国内垃圾焚烧厂的飞灰一般经水泥固化后送往危险废物填埋场填埋处理，费用一般需1000元/t以上。

4 结论

城市生活垃圾焚烧发电厂实现了垃圾处理的无害化、减量化、资源化。 虽然垃圾焚烧发电项目前期投资相比填理等传统处理工艺高出很多，但是通过发电、供热、有用物质的回收，产出效应良好。 经过焚烧处理，垃圾可减量 85%，而且炉渣还可以再利用，比用填埋方式处理，每年节约用地80亩左右。经过焚烧处理，每吨垃圾可发电300 kW·h左右，按日处理垃圾1000 t计算，每年可发电1亿kW·h左右，可节省标煤约48 000 t。

欧洲垃圾焚烧起步较早，垃圾发电是已经成熟的技术，各项工艺、流程、法规均已较完善，通过对垃圾焚烧发电整个工艺流程的实时监控，可有效控制各类污染物排放[8]。由于国内外的差异，我们难以像发达国家那样全部使用高标准的、先进的工艺措施，但我们可以使用合理的生产工艺，形成具有中国特色的工艺结构来适应环保的要求。

[1] 邓高峰, 张衍国, 李清海, 等. 150t/d循环流化床生活垃圾焚烧炉的工艺结构与污染排放[J]. 环境污染治理技术与设备, 2003, 4(1): 81- 84.

[2] 韦立新, 黄文清. 生活垃圾焚烧发电厂工程实例[J]. 装备制

造技术, 2008(6): 161- 165.

[3] 李金伟. 城市生活垃圾发电厂的垃圾前处理系统的设计[J]. 能源与环境, 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] 中华人民共和国住房和城乡建设部. CJJ 90—2009 生活垃圾焚烧处理工程技术规范[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2009.

[6] 生活垃圾焚烧厂烟气净化工艺选择及案例分析.

[7] 占子玉，刘阳生. 垃圾焚烧飞灰处置与资源化利用研究进展[J]. 四川环境, 2008, 27(1): 61- 65.

[8] 施庆燕, 焦学军, 周洪权. 欧洲生活垃圾焚烧发电发展现状[J]. 环境卫生工程, 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

吴王圣(1989—)，男，上海人，本科，主要从事垃圾焚烧发电厂的设计工作，E-mail：wuws@huanke.com.cn

10.14068/j.ceia.2017.03.019

X705

A

2095-6444(2017)03-0075-04