生活垃圾焚燒處理蒸汽發電工藝關鍵指标

生活垃圾焚燒處理蒸汽發電工藝具有減容減量化高、無害化徹底、資源再利用等優點，在發達國家己被廣泛采用。近年來,在我國經濟發達城市，也已紛紛開始采用焚燒發電技術。焚燒後減重80%左右，減容90%左右，焚燒每噸垃圾可發電300度以上。以廣州市生活垃圾焚燒發電為例，堆放三日後可燃物含量達34.15%，熱值達7619kJ/kg，灰分約19%，容重約480kg/m3，焚燒後可減重80%左右，減容88%左右，每噸垃圾可發電400餘度。

1．生活垃圾焚燒處理蒸汽發電工藝的總要求

生活垃圾焚燒處理和蒸汽發電對垃圾性質、關鍵設備和熱效率等有一定要求，主要要求如下：

① 熱值：入爐垃圾的濕基熱值不低于5000kJ/kg時才可采用焚燒發電工藝，熱值低于11000kJ/kg時焚燒發電廠的主要目的是處理垃圾，熱值高于11000kJ/kg時焚燒發電廠的主要目的可認為是能量回收[1]；我國生活垃圾熱值遠達不到11000kJ/kg，故目前垃圾焚燒發電廠的主要目的是處理垃圾；

② 焚燒發電廠的熱效率（發電效率）不得低于20%；

③ 以能量回收為主要目的時各熱能動力設備的效率不得低于75%[1]；

④ 粉塵、氮氧化物、氯化氫、硫氧化物、二惡英等排放必須達到國家《生活垃圾焚燒污染控制标準》(GB18485-2001)；

⑤ 垃圾焚燒發電廠規模不宜小于500噸/日。

2．生活垃圾焚燒發電廠的主要組成

生活垃圾焚燒發電廠一般由以下系統組成：垃圾計量系統、垃圾接收系統、焚燒處理系統、熱能利用系統、煙氣淨化系統、自動控制與監測系統、鍋爐飼水系統、灰渣處理系統和飛灰固化系統。有關這些系統的介紹文章已經很多，不再贅述，本文就這些系統的物質流、能量流、處理對象和功能做些介紹。

① 一個中心——中央控制室。中央控制室具有三大功能，它們是，正常工況下的操作、緊急情況時報警和危急情況時危機管理。中央控制室可對所有設備進行操作和監控，并可對廠區内活動進行監視。

② 二個過程——物質轉換過程和能量轉換過程。垃圾通過焚燒轉換成灰渣和高溫煙氣，同時垃圾的化學能轉換成高溫煙氣的熱能，高溫煙氣加熱鍋爐工質水，生産過熱蒸汽，過熱蒸汽驅動汽輪發電機組發電，又将熱能轉換成電能。采用過程能量組合技術對兩個過程進行優化耦合，不僅可使垃圾高效轉化，而且可使全廠熱效率達到設計指标。

③ 三股物流——固相物流、氣相物流和液相物流。固相物流系指垃圾到灰渣和飛灰固化塊，其間經過垃圾計量系統、垃圾接收系統、焚燒處理系統，熱能利用系統、煙氣淨化系統、灰渣處理系統和飛灰固化系統；氣相物流主要指空氣到高溫煙氣再到淨化處理後的排放煙氣，其間經過焚燒處理系統、熱能利用系統和煙氣淨化系統；液相物流主要是廢水處理流程。廢水主要來源于沖渣水、垃圾滲出液和冷卻塔排水。沖渣水易于處理，采用傳統電廠廢水處理工藝處理便可達标。我國垃圾焚燒發電廠的垃圾滲出液宜采用兩套處理方案，一是噴入爐膛内焚燒，二是送入生活垃圾滲出液處理廠或大規模城市污水處理廠處理，兩套方案可同時或單獨采用，垃圾水分低于30%時可考慮将垃圾滲出液噴入爐膛内焚燒。鍋爐工質由液到汽再到液，循環使用，不納入物流之列。

④ 四類污染物——大氣有害物（包括粉塵、酸性氣體、二惡英、重金屬蒸氣和廢熱）、廢水、飛灰和噪聲。大氣有害物主要存在于煙氣中。目前先進可靠的煙氣治理工藝是：采用選擇性非催化還原煙氣脫硝技術（SNCR工藝）控制氮氧化物排放、采用半幹法或幹法吸收工藝去除氯化氫等酸性氣體、采用控制爐膛溫度和煙氣在爐膛内的停留時間，以及活性炭吸附工藝去除二惡英和重金屬蒸氣、采用高效布袋除塵器去除粉塵及進一步吸附二惡英和重金屬蒸氣。至于對大氣有害的廢熱和垃圾儲倉臭氣的控制，以及廢水、飛灰都已有成熟工藝與方法加以治理。對于噪聲污染，建議通過以下三條途徑予以控制：一是選用低噪聲設備，二是對諸如汽輪發電機組、空壓機、引風機、備用柴油發電機之類高聲級設備采取降噪措施，三是主廠房分區隔聲，通過這些措施，确保廠界外一米處夜間噪聲不高于50分貝。

3．生活垃圾焚燒發電廠先進可靠工藝簡介[2,3]

基于垃圾轉換效率、煙氣淨化率和發電效率等考慮，目前最先進的垃圾焚燒發電工藝趨于統一，主要工藝部分示于圖一，圖中包括垃圾接收與焚燒處理系統，熱能利用系統和煙氣淨化系統。自動控制與監測系統、鍋爐飼水系統、灰渣處理系統、飛灰固化系統等系統沒有示意在流程圖上。

圖1 生活垃圾先進可靠工藝示意圖

垃圾接收與焚燒處理系統主要由卸料平台、垃圾儲倉、垃圾抓鬥、焚燒爐組成；生活垃圾在焚燒爐内焚燒，産生高溫煙氣，釋放大量熱量；垃圾抓鬥和焚燒爐爐排是其中兩台關鍵設備。

流程從垃圾轉運車①向垃圾儲倉②卸料開始。卸料平台應滿足多輛垃圾轉運車同時卸料的要求，垃圾儲倉的有效容積最小應保證儲存兩日處理的垃圾，建議垃圾水分低于30%時儲倉大小以儲存兩日垃圾為标準，垃圾水分在30%—40%時以儲存三日為設計标準，垃圾水分高于40%時應以儲存四日處理垃圾為設計标準，儲倉大小不應超過五日垃圾處理量。适當延長垃圾儲存時間可降低垃圾水分，從而提高垃圾熱值，但随着垃圾儲存時間的延長，臭氣濃度增大，失水率也會逐漸降低。為了不讓臭氣外逸以緻污染環境，儲倉應呈負壓狀态，而且儲倉内空氣應送入焚燒爐做為一次助燃空氣。

垃圾儲倉上方的垃圾抓鬥③将垃圾抓入垃圾進料鬥④；垃圾經溜槽滑至爐排飼料平台，後被推送到爐排⑥進行全量焚燒（混燒）。垃圾抓鬥，除抓送垃圾至進料鬥外，還具有三個功能：探測垃圾料位、識别大件垃圾并将其送入大件破碎機、攪拌和疏松儲倉内垃圾。對于垃圾全量焚燒，爐排宜采用機械爐排，盡量采用逆推式馬丁爐排。爐排應具有三大功能：承載垃圾并使之通過焚燒爐⑤、攪拌混合爐排上垃圾、允許一次助燃空氣通過爐排噴入爐膛。垃圾在爐排上經曆幹燥、熱解氣化、固定碳着火燃燒、燃燼四個過程。

焚燒爐宜采用分區配風以提高垃圾轉換效率和控制爐膛溫度。60%左右的一次空氣被蒸汽或煙氣預熱後由爐排下方鼓入焚燒爐，40%左右的二次空氣在爐排上方鼓入以控制燃燒效率和爐溫。有機物的熱解氣化産物和有機顆粒，甚至固定碳顆粒上升到爐膛⑦，必須予以完全燃燒，而且其中有些物質，如一氧化碳（CO），隻有在溫度高達870℃時才能完全燃燒，生活垃圾焚燒發電廠宜将爐膛溫度控制在870℃—1050℃，煙氣在爐膛内的停留時間宜控制在2.5秒左右，以權衡NOX的生成、有機氣體的去除、一氧化碳完全燃燒、碳粒的燃燼以及結構的緊湊性等因素。爐膛是焚燒爐的重要組成部分，承擔燃燒和傳熱兩大功能，一是保證燃料完全燃燒，提高燃燒效率和降低大氣有害物排放；二是通過熱量交換将爐膛出口煙氣溫度冷卻到灰渣軟化溫度（1200℃）以下，以防止後面受熱面結渣，為此，爐膛内必須布置足夠的受熱面（上升管或稱水冷壁）。

熱能利用系統由餘熱鍋爐、汽輪機、凝汽式冷凝器和水泵組成；工質水吸收高溫煙氣的熱量，先在省煤器和水冷壁中由給水溫度（一般在120℃左右）的液态水變成飽和蒸汽，再在低、中、高溫過熱器中加熱成過熱蒸汽，過熱蒸汽溫度宜控制在400℃左右以延長過熱器壽命。過熱蒸汽具有做功能力，進入汽輪機後，首先在噴管中膨脹，其壓力、溫度降低，流速增大，熱能轉換成自身的動能；高速氣流進入葉栅，帶動葉輪旋轉，氣流的動能轉換成葉輪的機械能。汽輪機葉輪旋轉帶動發電機轉子旋轉而切割磁場，從而發電，将葉輪的機械功轉換成電功；發出的電功約15%—20%供焚燒電廠自用，其餘部分并入公用電網。汽輪機排出的乏汽進入冷凝器放出熱量，凝結成水；凝結水經水泵提壓又送回鍋爐循環使用；如此周而複始地循環，把高溫煙氣的熱能源源不斷地轉換成電能。通過優化一次助燃空氣預熱溫度和鍋爐蒸汽參數，可使全廠熱效率（發電效率）達到25%左右，甚至高達30%。

在熱能利用系統中，各種受熱面是重要設備，主要受熱面如下：

① 水冷壁：布置在爐膛四周，吸收爐膛的輻射熱，用以加熱管内工質，并對爐牆起保護作用；

② 過熱器：吸收高溫煙氣熱量，将飽和蒸汽加熱成過熱蒸汽；

③ 省煤器：吸收尾部煙氣的熱量加熱鍋爐給水，提升鍋爐給水溫度，并将排煙溫度降至220℃，以節約燃料；

④ 空氣預熱器：利用汽輪機中壓缸的排汽或煙氣将一次助燃空氣加熱至220℃—320℃，以提高垃圾幹燥速率、燃燒溫度和燃燒效率。

對于以能量回收為目的的垃圾焚燒發電廠，受熱面可能還包括再熱器。再熱器加熱汽輪機中間抽汽，以提高熱效率（發電效率）。

完善的煙氣淨化工藝是生活垃圾焚燒發電廠必不可少的部分。煙氣淨化系統由氮氧化物（NOX）控制工藝、氯化氫（HCl）/二氧化硫（SO2）/氟化氫（HF）等酸性氣體吸收工藝、重金屬蒸氣和二惡英氣體吸附工藝和布袋除塵系統四部分組成。

氮氧化物（NOX）控制工藝采用選擇性非催化還原煙氣脫硝技術（SNCR工藝），可将氮氧化物濃度控制在200mg/Nm3以内，足以滿足國家标準要求（400mg/Nm3）。尿素溶液或氨水溶液噴入溫度900℃—1050℃的爐膛區域，分解成高活性還原劑，将煙氣中的氮氧化物選擇性非催化還原成氮氣（N2）。該工藝從20世紀70年代開始應用，在日本、歐盟和美國得到迅速推廣。

氯化氫（HCl）等酸性氣體吸收工藝廣泛采用氫氧化鈣漿液噴霧吸收幹燥工藝（半幹法吸收工藝）或爐内噴鈣尾部煙氣增濕工藝（幹法吸收工藝），可将氯化氫濃度控制在40mg/Nm3以内，氟化氫濃度控制在0.4mg/Nm3以内，二氧化硫濃度控制在40mg/Nm3以内，這些指标都遠高于國家标準要求。

半幹法吸收工藝先将石灰加水消化制成活性更高的氫氧化鈣（Ca（OH）2）漿液，然後利用高速旋轉的霧化器将氫氧化鈣漿液霧化成霧滴并噴入吸收塔内，霧化器的霧化輪轉速為11000轉/分鐘，霧滴的平均直徑為150微米。由于大量霧滴具有極大的蒸發表面，水分很快蒸發，使煙氣迅速降溫和增大相對濕度，這種情況有利于酸性氣體的吸收，保證在1秒左右時間内氯化氫和氟化氫的去除率高達95%以上，而二氧化硫的去除率高于80%，這是因為，一方面有利于氯化氫、二氧化硫（SO2）等氣體溶解并離子化，另一方面使脫硫劑表面的液膜變薄，減少了二氧化硫（SO2）、三氧化硫（SO3）等分子或離子的擴散傳質阻力，加速了它們的傳質擴散速度。同時，煙氣的熱量傳遞給霧滴，使之不斷幹燥，最終變成粉體。粉體産物由氯化鈣、硫酸鈣、氟酸鈣及未完全反應的氫氧化鈣等組成，大部分在塔内與煙氣分離，由錐體出口排出，少部分随煙氣進入布帶除塵器收集。

幹法吸收工藝先向爐膛上部噴入石灰粉（活性成分為氧化鈣CaO），爐膛内石灰粉吸收部分酸性氣體；爐膛内未反應的石灰粉在鍋爐尾部加濕活化成氫氧化鈣（Ca（OH）2），氫氧化鈣的活性高于石灰，進一步吸收酸性氣體。大部分産物及未反應的吸收劑（氧化鈣和氫氧化鈣）被慣性除塵器收集，少部分随煙氣進入後面的布帶除塵器收集。

煙氣在進入布袋除塵器之前，被噴入含碘活性炭，含碘活性炭對二惡英有良好的吸附作用，并對重金屬蒸氣有好的吸附作用。活性炭随煙氣進入布袋除塵器。布袋除塵器的主要功能是收集粉塵，除塵效率高達99.9%，同時，黏附在布袋表面的粉層進一步吸附煙氣中的重金屬和二惡英氣體。煙氣經過活性炭吸附與布袋除塵器過濾後，其内粉塵濃度将低于5mg/Nm3，二惡英濃度将遠低于0.1ng/Nm3，汞濃度将低于0.01mg/Nm3，這些指标也都遠高于國家标準要求。

焚燒爐底部灰渣先加濕冷卻，再經磁選除鐵後，進入灰渣坑。灰渣的灼減率應小于3%，使灰渣成為真正的穩定無害的固體混合物。灰渣可用于制磚、制作陶料或築路材料，灰渣最現實的用途是用做垃圾填埋廠的覆蓋材料。

過熱器和省煤器收集的飛灰、吸收塔或慣性除塵器收集的粉體及布袋除塵器收集到的粉塵是有毒固體廢棄物，必須予以處理。這些固體廢棄物一并輸送到飛灰倉，然後送入飛灰固化車間制成飛灰固化塊；飛灰固化塊是有毒固體廢棄物，應交給環保部門安全填埋。

4．結論

① 生活垃圾焚燒發電對垃圾性質尤其是熱值、發電效率、大氣有害物排放指标等有一定要求；

② 生活垃圾焚燒發電廠存在處理垃圾和能量回收兩目的，目前我國垃圾焚燒發電廠的目的是處理垃圾；

③ 焚燒發電廠宜采用目前國内外最先進可靠的工藝；核心系統包括垃圾接收與焚燒處理系統、熱能利用系統和煙氣淨化系統；

④ 目前過熱蒸汽溫度不宜超過400℃以延長過熱器壽命；

⑤ 煙氣淨化可采用SNCR脫硝工藝、酸性氣體半幹法或幹法吸收工藝、活性炭吸附工藝與布袋除塵工藝；

⑥ 飛粉是有毒固體廢棄物，必須予以安全處理。

參考文獻

[1]江源，劉運通，邵培.城市生活垃圾管理。北京：中國環境科學出版社，2004，P.37

[2]解強，邊炳鑫，趙由才.城市固體廢棄物能源化利用技術。北京：化學工業出版社，2004