我国生活垃圾焚烧发电技术现状及展望

袁寅强，杨 旭

(广东省特种设备检测研究院惠州检测院，广东 惠州 516003)

生活垃圾的处理方式包括垃圾回收、填埋、堆肥以及焚烧等，其中，垃圾焚烧已经成为目前最常用的垃圾处理方式[1]。随着我国垃圾分类政策的推进和实施，城市生活垃圾焚烧技术将会迎来巨大发展。通过垃圾焚烧技术，不仅能够实现废物的资源化/能源化利用，还能够实现减容80%以上[2]。本文综述了我国垃圾焚烧发电技术的现状，重点针对其中的污染物排放、受热面腐蚀以及智慧焚烧等方面进行了总结，并展望了垃圾焚烧发电技术的发展趋势。

1 垃圾焚烧污染物控制

1.1 垃圾焚烧污染物的组成

目前我国的生活垃圾包括可回收垃圾，如纸张、废塑料、废织物等；有害垃圾，如废电池、废油漆等；湿垃圾，如过期食品、厨余垃圾等；以及剩余的干垃圾等四类。干垃圾是垃圾焚烧处理的主要部分，其本质是垃圾中的可燃物质发生氧化燃烧，生产热能的过程。同时，垃圾中不可燃的成分则变成了飞灰等残渣。一般情况下，生活垃圾的组成部分极为复杂，导致其燃烧产生的烟气成分具有多样性，包括了颗粒污染物(烟尘)、重金属(Hg、Pb、Cd、Cr 等)、酸性气体(HF、HCl、SOx、NOx等)、以及毒性很强的有机污染物(二噁英)等[3]。为了避免垃圾焚烧对环境造成污染，不同国家和地区针对排放烟气中污染物的浓度制定了一系列的标准[4]。

表1 垃圾焚烧排放标准[4]

1.2 烟气净化工艺及现状

为了满足污染物的排放标准，需要对烟气中的烟尘和酸性气体等进行减排处理。烟尘垃圾焚烧过程中产生的微小无机颗粒物质，吸附能力超强，主要是基于物理反应或热化学反应得到。由于其超强的吸附能力，使其成为了有毒有机物、有害重金属的富集地，危害较大。通过在系统中加装除尘净化装置，可有效减小烟气中颗粒物浓度。

由于垃圾中含有Cl、S、F、N等元素，导致其在焚烧过程中会产生酸性气体。如氯化氢主要来自于生活垃圾中的塑料、纸张和厨余等垃圾的反应[5]。NOx主要是空气中的氮气氧化和垃圾中的含氮化合物分解而来。酸性气体一般采用湿法、半干法和干法三种工艺脱除。针对NOx气体，选择性非催化还原(Selective Non-catalytic Reduction,SNCR)是最为常用的脱硝技术，该技术较为成熟，它可以在不使用催化剂的情况下，在800～1 110 ℃的烟气环境中，让还原剂(氨水或尿素)与NOx反应得到氮气和水[6]。SNCR由于具有成本低、改造方便、效率高(30%～75%)等优势，已经被广泛使用。

烟气中重金属的成分主要来源于电子产品、电池、油漆等物质，含重金属元素的成分燃烧过程中，经历了蒸发和表面化学反应等过程，然后凝结成核并分布于炉渣、飞灰和底灰之中。针对这类污染物的处理过程，主要是采用飞灰及炉渣固化处理技术，然后进行填埋或者提炼实现资源的再利用[7]。

二噁英因为其强烈的毒性和致癌性，成为了垃圾焚烧产生的污染物中最受关注的之一。它主要发生于尾部烟道和燃烧过程中，当反应温度300～500 ℃时，最容易生成二噁英[8]。针对二噁英的控制技术，严格调控垃圾焚烧过程的参数和燃烧条件，是控制二噁英排放的最有效措施。此外，通过喷射活性炭对二噁英进行吸附，也是辅助净化二噁英的重要措施。

图1 垃圾焚烧过程二噁英生成位置示意图

1.3 垃圾焚烧飞灰的处理工艺

垃圾焚烧产生的固体产物一般包括底渣和飞灰，飞灰是从烟气系统收集的固体颗粒，而底渣则是燃烧室底部排出的固体废弃物。根据不同的垃圾焚烧处理过程，飞灰和底渣所占的比例有所不同。对于城市生活垃圾，其经过处理之后的残渣占垃圾重量的10%～20%，其中飞灰占～5%，底渣占5%～15%。而对于一些危险废弃物燃烧产生的固废则差别较大，一般飞灰在5%～10%，底渣在5%～20%。

垃圾焚烧产生的飞灰除了造成空气中粉尘增多，降低空气质量外，飞灰中包含的有害物质也具有很大的危害性。主要体现在飞灰中可能含有大量的重金属污染物和二噁英等有机污染物。重金属难以被降解，垃圾焚烧过程中重金属的形态发生变化和迁移，富集于飞灰之中，然后通过大气、水等途径被人吸收，造成体内富集或形成强毒的化合物。此外，飞灰也是二噁英等有害有机物的重要载体，飞灰中携带的二噁英占总排放量的70%左右，一方面是由于飞灰孔隙度高、比表面积大，容易吸附二噁英；另一方面是由于飞灰中包含的重金属成为了二噁英合成的催化剂，导致了在尾部烟道处二噁英的二次合成。

目前，稳定/固化技术是最常使用的飞灰处理技术，通过添加粘合剂，通过物理和化学的方法，将飞灰中的有害组份进固化处理，然后进行安全填埋。这种方式具有工艺简单、能耗低、操作容易、固化剂原料丰富等优势，可以实现高增容比，高金属浸出率等效果。

2 垃圾焚烧炉管壁腐蚀

垃圾焚烧过程中，由于烟气成分复杂，在高温和高尘的复杂环境下，换热器表面极易被烟气中含Cl和S的酸性气体和飞灰中的氯碱盐所腐蚀，导致换热器管壁厚度减薄，严重时发生爆炸，造成安全事故[9]。

2.1 高温腐蚀

高温腐蚀主要包括气相腐蚀和熔盐腐蚀。当入炉垃圾中含有较高的塑料和厨余垃圾时，其成分中的聚氯乙烯(PVC)和氯化钠(NaCl)会在燃烧后形成高腐蚀性的HCl。研究表明，垃圾焚烧产生的烟气中HCl 浓度可达600～1 900 mg/m3。当换热器管壁温度达到320～480 ℃时，含Cl的气体会与管壁反应，生成FeCl3，当温度进一步升高到480～800 ℃时，FeCl3进一步分解，破坏管壁外表面的氧化保护层，造成管壁腐蚀[10-11]。

垃圾焚烧产生的烟气中常含有大量的碱金属氧化物，在烟气中HCl和S的作用下形成盐类，发生类似水溶液中的电化学腐蚀现象。此外，熔盐混合物的熔点低，在高温状态下易转化为液态，加速腐蚀，并且由于金属在高温熔盐中更容易溶解，导致金属材料在高温处溶解，扩散至低温处析出，对管壁形成持续腐蚀[12]。

2.2 低温腐蚀

生活垃圾通常含有一定比例的橡胶、氟化盐、塑料、以及漂白剂等，含水量较高(40%～60%)，导致垃圾焚烧处于高湿度环境中。当复合酸性气体与水蒸气凝结，则导致低温腐蚀。此外，随着烟气温度的降低，高温环境下呈气态的二噁英和重金属等逐渐凝固和沉积于换热器表面，导致设备传热恶化。

2.3 冲刷腐蚀

此外，垃圾焚烧的烟气中常伴随有砂粒等固体颗粒物，烟气流动过程中会对受热面进行高速冲刷，造成换热器表面冲刷腐蚀。当腐蚀严重时，腐蚀产物被颗粒冲刷剥离后导致新的表面暴露，形成腐蚀-磨损-腐蚀循环作用，直接加速受热管壁的减薄和破坏[9]，减小换热器的使用寿命。

2.4 防腐蚀技术

为了保证垃圾焚烧锅炉的长期稳定安全运行，通常需要对换气热进行防腐蚀处理。堆焊是通过焊接手段，将填充金属熔覆在换热器表面，用以抵抗磨损和腐蚀，但容易导致管材热变形甚至产生裂纹。以激光作为热源的激光熔覆，能够缩短基材的受热时间，使其在自动化、稀释率等方面显著提升。热喷涂则是将熔融或者半熔融状态的陶瓷、金属或者其复合物，高压喷涂在换热器表面，形成致密的保护涂层。

图2 防腐蚀技术[10](a)堆焊，(b)激光熔覆，(c)电弧喷涂

3 智慧垃圾焚烧

实时监测垃圾燃烧和污染物排放状态，调整相关参数，对降低污染物的生成具有重要价值。垃圾焚烧过程中的酸性气体和粉尘可通过实时监测的排放数据获得，进一步结合人工智能、优化算法、数据组网通讯等技术对酸性气体和粉尘进行精准调控，减小资源浪费，提前对污染物浓度预测和预警[13]。

3.1 燃烧状态在线监测与诊断

为了实现锅炉内部垃圾焚烧状态稳定，需要对锅炉内的燃烧过程和状态进行实时监测和调整。周志成等人[14]提出了一种结合人工智能和数字图像处理技术的垃圾焚烧诊断方法。基于燃烧火焰图像特性，获得了燃烧状态诊断，指导燃烧参数的调整。薛祯祯等人[15]通过垃圾焚烧炉内火焰的彩色图像，获得了火焰的辐射强度及火焰温度，并结合监测到的烟气中NOx、SOx和HCl的浓度状态，调整火焰温度到最佳值，实现了低排放，降低了燃烧沉积。

3.2 污染物智能监测

针对烟气污染物问题，开发智能检测和反馈优化控制是优化污染物排放控制的最有效途径之一。沈翔等人[16]基于Eley-Rideal反应动力学原理，结合物联网技术和智能算法，提出了垃圾焚烧的烟气脱硝预测模型，实时改变脱硝酸剂用量。以神经网络或者数据组网等智能控制手段，可对粉尘和酸性气体进行智能化的监控，精准调控去除剂给料，有效减少脱酸剂的用量，缩减运行成本，防止污染物超标(如图3所示)[17-18]。

图3 智能化运行流程图

未来，融合垃圾分类、储运、燃烧技术、烟气处理和智能检测等多个过程，通过多技术协同，以降低污染物排放浓度、二噁英排放量、锅炉设备受损/腐蚀，是未来发展的重要方向[19]。

4 结论与展望

本文主要介绍了城市生活垃圾焚烧发电过程中的污染物排放、换热器腐蚀和智能化控制等关键问题的发展现状和趋势。通过现场历史运行数据进行预测模型的研发和训练， 结合大数据分析和云平台共享，实现对燃烧状态、污染物浓度、换热器寿命等的预测，将成为智慧焚烧的重要热点。本文为垃圾焚烧技术的安全、智能和无害化处理提供了借鉴。