生活垃圾焚燒處理蒸汽發(fā)電工藝具有減容減量化高、無害化徹底、資源再利用等優(yōu)點(diǎn)，在發(fā)達(dá)國家己被廣泛采用。近年來,在我國經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)城市，也已紛紛開始采用焚燒發(fā)電技術(shù)。焚燒后減重80%左右，減容90%左右，焚燒每噸垃圾可發(fā)電300度以上。以廣州市生活垃圾焚燒發(fā)電為例，堆放三日后可燃物含量達(dá)34.15%，熱值達(dá)7619kJ/kg，灰分約19%，容重約480kg/m³，焚燒后可減重80%左右，減容88%左右，每噸垃圾可發(fā)電400余度。

1．生活垃圾焚燒處理蒸汽發(fā)電工藝的總要求

生活垃圾焚燒處理和蒸汽發(fā)電對垃圾性質(zhì)、關(guān)鍵設(shè)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(fā)電工藝，熱值低于11000kJ/kg時焚燒發(fā)電廠的主要目的是處理垃圾，熱值高于11000kJ/kg時焚燒發(fā)電廠的主要目的可認(rèn)為是能量回收^[1]；我國生活垃圾熱值遠(yuǎn)達(dá)不到11000kJ/kg，故目前垃圾焚燒發(fā)電廠的主要目的是處理垃圾；

②          焚燒發(fā)電廠的熱效率（發(fā)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(shè)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(dá)到國家《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB18485-2001)；

⑤          垃圾焚燒發(fā)電廠規(guī)模不宜小于500噸/日。

2．生活垃圾焚燒發(fā)電廠的主要組成

生活垃圾焚燒發(fā)電廠一般由以下系統(tǒng)組成：垃圾計(jì)量系統(tǒng)、垃圾接收系統(tǒng)、焚燒處理系統(tǒng)、熱能利用系統(tǒng)、煙氣凈化系統(tǒng)、自動控制與監(jiān)測系統(tǒng)、鍋爐飼水系統(tǒng)、灰渣處理系統(tǒng)和飛灰固化系統(tǒng)。有關(guān)這些系統(tǒng)的介紹文章已經(jīng)很多，不再贅述，本文就這些系統(tǒng)的物質(zhì)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(jī)管理。中央控制室可對所有設(shè)備進(jìn)行操作和監(jiān)控，并可對廠區(qū)內(nèi)活動進(jìn)行監(jiān)視。

②          二個過程——物質(zhì)轉(zhuǎn)換過程和能量轉(zhuǎn)換過程。垃圾通過焚燒轉(zhuǎn)換成灰渣和高溫?zé)煔?，同時垃圾的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成高溫?zé)煔獾臒崮埽邷責(zé)煔饧訜徨仩t工質(zhì)水，生產(chǎn)過熱蒸汽，過熱蒸汽驅(qū)動汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電，又將熱能轉(zhuǎn)換成電能。采用過程能量組合技術(shù)對兩個過程進(jìn)行優(yōu)化耦合，不僅可使垃圾高效轉(zhuǎn)化，而且可使全廠熱效率達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。

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(jīng)過垃圾計(jì)量系統(tǒng)、垃圾接收系統(tǒng)、焚燒處理系統(tǒng)，熱能利用系統(tǒng)、煙氣凈化系統(tǒng)、灰渣處理系統(tǒng)和飛灰固化系統(tǒng)；氣相物流主要指空氣到高溫?zé)煔庠俚絻艋幚砗蟮呐欧艧煔猓溟g經(jīng)過焚燒處理系統(tǒng)、熱能利用系統(tǒng)和煙氣凈化系統(tǒng)；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(tǒng)電廠廢水處理工藝處理便可達(dá)標(biāo)。我國垃圾焚燒發(fā)電廠的垃圾滲出液宜采用兩套處理方案，一是噴入爐膛內(nèi)焚燒，二是送入生活垃圾滲出液處理廠或大規(guī)模城市污水處理廠處理，兩套方案可同時或單獨(dú)采用，垃圾水分低于30%時可考慮將垃圾滲出液噴入爐膛內(nèi)焚燒。鍋爐工質(zhì)由液到汽再到液，循環(huán)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(jìn)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(shù)（SNCR工藝）控制氮氧化物排放、采用半干法或干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內(nèi)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(jìn)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(shè)備，二是對諸如汽輪發(fā)電機(jī)組、空壓機(jī)、引風(fēng)機(jī)、備用柴油發(fā)電機(jī)之類高聲級設(shè)備采取降噪措施，三是主廠房分區(qū)隔聲，通過這些措施，確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(fā)電廠先進(jìn)可靠工藝簡介^[2,3]

基于垃圾轉(zhuǎn)換效率、煙氣凈化率和發(fā)電效率等考慮，目前最先進(jìn)的垃圾焚燒發(fā)電工藝趨于統(tǒng)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(tǒng)，熱能利用系統(tǒng)和煙氣凈化系統(tǒng)。自動控制與監(jiān)測系統(tǒng)、鍋爐飼水系統(tǒng)、灰渣處理系統(tǒng)、飛灰固化系統(tǒng)等系統(tǒng)沒有示意在流程圖上。

圖1  生活垃圾先進(jìn)可靠工藝示意圖

垃圾接收與焚燒處理系統(tǒng)主要由卸料平臺、垃圾儲倉、垃圾抓斗、焚燒爐組成；生活垃圾在焚燒爐內(nèi)焚燒，產(chǎn)生高溫?zé)煔?，釋放大量熱量；垃圾抓斗和焚燒爐爐排是其中兩臺關(guān)鍵設(shè)備。

流程從垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)車①向垃圾儲倉②卸料開始。卸料平臺應(yīng)滿足多輛垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)車同時卸料的要求，垃圾儲倉的有效容積最小應(yīng)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標(biāo)準(zhǔn)，垃圾水分在30%—40%時以儲存三日為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，垃圾水分高于40%時應(yīng)以儲存四日處理垃圾為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，儲倉大小不應(yīng)超過五日垃圾處理量。適當(dāng)延長垃圾儲存時間可降低垃圾水分，從而提高垃圾熱值，但隨著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致污染環(huán)境，儲倉應(yīng)呈負(fù)壓狀態(tài)，而且儲倉內(nèi)空氣應(yīng)送入焚燒爐做為一次助燃空氣。

垃圾儲倉上方的垃圾抓斗③將垃圾抓入垃圾進(jìn)料斗④；垃圾經(jīng)溜槽滑至爐排飼料平臺，后被推送到爐排⑥進(jìn)行全量焚燒（混燒）。垃圾抓斗，除抓送垃圾至進(jìn)料斗外，還具有三個功能：探測垃圾料位、識別大件垃圾并將其送入大件破碎機(jī)、攪拌和疏松儲倉內(nèi)垃圾。對于垃圾全量焚燒，爐排宜采用機(jī)械爐排，盡量采用逆推式馬丁爐排。爐排應(yīng)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(jīng)歷干燥、熱解氣化、固定碳著火燃燒、燃燼四個過程。

焚燒爐宜采用分區(qū)配風(fēng)以提高垃圾轉(zhuǎn)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(yù)熱后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(jī)物的熱解氣化產(chǎn)物和有機(jī)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(zhì)，如一氧化碳（CO），只有在溫度高達(dá)870℃時才能完全燃燒，生活垃圾焚燒發(fā)電廠宜將爐膛溫度控制在870℃—1050℃，煙氣在爐膛內(nèi)的停留時間宜控制在2.5秒左右，以權(quán)衡NO_X的生成、有機(jī)氣體的去除、一氧化碳完全燃燒、碳粒的燃燼以及結(jié)構(gòu)的緊湊性等因素。爐膛是焚燒爐的重要組成部分，承擔(dān)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；二是通過熱量交換將爐膛出口煙氣溫度冷卻到灰渣軟化溫度（1200℃）以下，以防止后面受熱面結(jié)渣，為此，爐膛內(nèi)必須布置足夠的受熱面（上升管或稱水冷壁）。

熱能利用系統(tǒng)由余熱鍋爐、汽輪機(jī)、凝汽式冷凝器和水泵組成；工質(zhì)水吸收高溫?zé)煔獾臒崃?，先在省煤器和水冷壁中由給水溫度（一般在120℃左右）的液態(tài)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(jìn)入汽輪機(jī)后，首先在噴管中膨脹，其壓力、溫度降低，流速增大，熱能轉(zhuǎn)換成自身的動能；高速氣流進(jìn)入葉柵，帶動葉輪旋轉(zhuǎn)，氣流的動能轉(zhuǎn)換成葉輪的機(jī)械能。汽輪機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)帶動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而切割磁場，從而發(fā)電，將葉輪的機(jī)械功轉(zhuǎn)換成電功；發(fā)出的電功約15%—20%供焚燒電廠自用，其余部分并入公用電網(wǎng)。汽輪機(jī)排出的乏汽進(jìn)入冷凝器放出熱量，凝結(jié)成水；凝結(jié)水經(jīng)水泵提壓又送回鍋爐循環(huán)使用；如此周而復(fù)始地循環(huán)，把高溫?zé)煔獾臒崮茉丛床粩嗟剞D(zhuǎn)換成電能。通過優(yōu)化一次助燃空氣預(yù)熱溫度和鍋爐蒸汽參數(shù)，可使全廠熱效率（發(fā)電效率）達(dá)到25%左右，甚至高達(dá)30%。

在熱能利用系統(tǒng)中，各種受熱面是重要設(shè)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，用以加熱管內(nèi)工質(zhì)，并對爐墻起保護(hù)作用；

②          過熱器：吸收高溫?zé)煔鉄崃浚瑢柡驼羝訜岢蛇^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，并將排煙溫度降至220℃，以節(jié)約燃料；

④          空氣預(yù)熱器：利用汽輪機(jī)中壓缸的排汽或煙氣將一次助燃空氣加熱至220℃—320℃，以提高垃圾干燥速率、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(fā)電廠，受熱面可能還包括再熱器。再熱器加熱汽輪機(jī)中間抽汽，以提高熱效率（發(fā)電效率）。

完善的煙氣凈化工藝是生活垃圾焚燒發(fā)電廠必不可少的部分。煙氣凈化系統(tǒng)由氮氧化物（NO_X）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(tǒng)四部分組成。

氮氧化物（NO_X）控制工藝采用選擇性非催化還原煙氣脫硝技術(shù)（SNCR工藝），可將氮氧化物濃度控制在200mg/Nm³以內(nèi)，足以滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求（400mg/Nm³）。尿素溶液或氨水溶液噴入溫度900℃—1050℃的爐膛區(qū)域，分解成高活性還原劑，將煙氣中的氮氧化物選擇性非催化還原成氮?dú)猓?span lang=EN-US>N₂）。該工藝從20世紀(jì)70年代開始應(yīng)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干燥工藝（半干法吸收工藝）或爐內(nèi)噴鈣尾部煙氣增濕工藝（干法吸收工藝），可將氯化氫濃度控制在40mg/Nm³以內(nèi)，氟化氫濃度控制在0.4mg/Nm³以內(nèi)，二氧化硫濃度控制在40mg/Nm³以內(nèi)，這些指標(biāo)都遠(yuǎn)高于國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

半干法吸收工藝先將石灰加水消化制成活性更高的氫氧化鈣（Ca（OH）₂）漿液，然后利用高速旋轉(zhuǎn)的霧化器將氫氧化鈣漿液霧化成霧滴并噴入吸收塔內(nèi)，霧化器的霧化輪轉(zhuǎn)速為11000轉(zhuǎn)/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(fā)表面，水分很快蒸發(fā)，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秒左右時間內(nèi)氯化氫和氟化氫的去除率高達(dá)95%以上，而二氧化硫的去除率高于80%，這是因?yàn)?，一方面有利于氯化氫、二氧化硫?span lang=EN-US>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(kuò)散傳質(zhì)阻力，加速了它們的傳質(zhì)擴(kuò)散速度。同時，煙氣的熱量傳遞給霧滴，使之不斷干燥，最終變成粉體。粉體產(chǎn)物由氯化鈣、硫酸鈣、氟酸鈣及未完全反應(yīng)的氫氧化鈣等組成，大部分在塔內(nèi)與煙氣分離，由錐體出口排出，少部分隨煙氣進(jìn)入布帶除塵器收集。

干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），爐膛內(nèi)石灰粉吸收部分酸性氣體；爐膛內(nèi)未反應(yīng)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(jìn)一步吸收酸性氣體。大部分產(chǎn)物及未反應(yīng)的吸收劑（氧化鈣和氫氧化鈣）被慣性除塵器收集，少部分隨煙氣進(jìn)入后面的布帶除塵器收集。

煙氣在進(jìn)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。活性炭隨煙氣進(jìn)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(dá)99.9%，同時，黏附在布袋表面的粉層進(jìn)一步吸附煙氣中的重金屬和二惡英氣體。煙氣經(jīng)過活性炭吸附與布袋除塵器過濾后，其內(nèi)粉塵濃度將低于5mg/Nm³，二惡英濃度將遠(yuǎn)低于0.1ng/Nm³，汞濃度將低于0.01mg/Nm³，這些指標(biāo)也都遠(yuǎn)高于國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

焚燒爐底部灰渣先加濕冷卻，再經(jīng)磁選除鐵后，進(jìn)入灰渣坑?；以淖茰p率應(yīng)小于3%，使灰渣成為真正的穩(wěn)定無害的固體混合物?；以捎糜谥拼u、制作陶料或筑路材料，灰渣最現(xiàn)實(shí)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，然后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(yīng)交給環(huán)保部門安全填埋。

4．結(jié)論

①          生活垃圾焚燒發(fā)電對垃圾性質(zhì)尤其是熱值、發(fā)電效率、大氣有害物排放指標(biāo)等有一定要求；

②          生活垃圾焚燒發(fā)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(fā)電廠的目的是處理垃圾；

③          焚燒發(fā)電廠宜采用目前國內(nèi)外最先進(jìn)可靠的工藝；核心系統(tǒng)包括垃圾接收與焚燒處理系統(tǒng)、熱能利用系統(tǒng)和煙氣凈化系統(tǒng)；

④          目前過熱蒸汽溫度不宜超過400℃以延長過熱器壽命；

⑤          煙氣凈化可采用SNCR脫硝工藝、酸性氣體半干法或干法吸收工藝、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(xiàn)

[1]江源，劉運(yùn)通，邵培.城市生活垃圾管理。北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2004，P.37

[2]解強(qiáng)，邊炳鑫，趙由才.城市固體廢棄物能源化利用技術(shù)。北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004