生活垃圾焚烧处理蒸汽发电工艺关键指标

生活垃圾焚烧处理蒸汽发电工艺具有减容减量化高、无害化彻底、资源再利用等优点，在发达国家己被广泛采用。近年来,在我国经济发达城市，也已纷纷开始采用焚烧发电技术。焚烧后减重80%左右，减容90%左右，焚烧每吨垃圾可发电300度以上。以广州市生活垃圾焚烧发电为例，堆放三日后可燃物含量达34.15%，热值达7619kJ/kg，灰分约19%，容重约480kg/m3，焚烧后可减重80%左右，减容88%左右，每吨垃圾可发电400余度。

1．生活垃圾焚烧处理蒸汽发电工艺的总要求

生活垃圾焚烧处理和蒸汽发电对垃圾性质、关键设备和热效率等有一定要求，主要要求如下：

① 热值：入炉垃圾的湿基热值不低于5000kJ/kg时才可采用焚烧发电工艺，热值低于11000kJ/kg时焚烧发电厂的主要目的是处理垃圾，热值高于11000kJ/kg时焚烧发电厂的主要目的可认为是能量回收[1]；我国生活垃圾热值远达不到11000kJ/kg，故目前垃圾焚烧发电厂的主要目的是处理垃圾；

② 焚烧发电厂的热效率（发电效率）不得低于20%；

③ 以能量回收为主要目的时各热能动力设备的效率不得低于75%[1]；

④ 粉尘、氮氧化物、氯化氢、硫氧化物、二恶英等排放必须达到国家《生活垃圾焚烧污染控制标准》(GB18485-2001)；

⑤ 垃圾焚烧发电厂规模不宜小于500吨/日。

2．生活垃圾焚烧发电厂的主要组成

生活垃圾焚烧发电厂一般由以下系统组成：垃圾计量系统、垃圾接收系统、焚烧处理系统、热能利用系统、烟气净化系统、自动控制与监测系统、锅炉饲水系统、灰渣处理系统和飞灰固化系统。有关这些系统的介绍文章已经很多，不再赘述，本文就这些系统的物质流、能量流、处理对象和功能做些介绍。

① 一个中心——中央控制室。中央控制室具有三大功能，它们是，正常工况下的操作、紧急情况时报警和危急情况时危机管理。中央控制室可对所有设备进行操作和监控，并可对厂区内活动进行监视。

② 二个过程——物质转换过程和能量转换过程。垃圾通过焚烧转换成灰渣和高温烟气，同时垃圾的化学能转换成高温烟气的热能，高温烟气加热锅炉工质水，生产过热蒸汽，过热蒸汽驱动汽轮发电机组发电，又将热能转换成电能。采用过程能量组合技术对两个过程进行优化耦合，不仅可使垃圾高效转化，而且可使全厂热效率达到设计指标。

③ 三股物流——固相物流、气相物流和液相物流。固相物流系指垃圾到灰渣和飞灰固化块，其间经过垃圾计量系统、垃圾接收系统、焚烧处理系统，热能利用系统、烟气净化系统、灰渣处理系统和飞灰固化系统；气相物流主要指空气到高温烟气再到净化处理后的排放烟气，其间经过焚烧处理系统、热能利用系统和烟气净化系统；液相物流主要是废水处理流程。废水主要来源于冲渣水、垃圾渗出液和冷却塔排水。冲渣水易于处理，采用传统电厂废水处理工艺处理便可达标。我国垃圾焚烧发电厂的垃圾渗出液宜采用两套处理方案，一是喷入炉膛内焚烧，二是送入生活垃圾渗出液处理厂或大规模城市污水处理厂处理，两套方案可同时或单独采用，垃圾水分低于30%时可考虑将垃圾渗出液喷入炉膛内焚烧。锅炉工质由液到汽再到液，循环使用，不纳入物流之列。

④ 四类污染物——大气有害物（包括粉尘、酸性气体、二恶英、重金属蒸气和废热）、废水、飞灰和噪声。大气有害物主要存在于烟气中。目前先进可靠的烟气治理工艺是：采用选择性非催化还原烟气脱硝技术（SNCR工艺）控制氮氧化物排放、采用半干法或干法吸收工艺去除氯化氢等酸性气体、采用控制炉膛温度和烟气在炉膛内的停留时间，以及活性炭吸附工艺去除二恶英和重金属蒸气、采用高效布袋除尘器去除粉尘及进一步吸附二恶英和重金属蒸气。至于对大气有害的废热和垃圾储仓臭气的控制，以及废水、飞灰都已有成熟工艺与方法加以治理。对于噪声污染，建议通过以下三条途径予以控制：一是选用低噪声设备，二是对诸如汽轮发电机组、空压机、引风机、备用柴油发电机之类高声级设备采取降噪措施，三是主厂房分区隔声，通过这些措施，确保厂界外一米处夜间噪声不高于50分贝。

3．生活垃圾焚烧发电厂先进可靠工艺简介[2,3]

基于垃圾转换效率、烟气净化率和发电效率等考虑，目前最先进的垃圾焚烧发电工艺趋于统一，主要工艺部分示于图一，图中包括垃圾接收与焚烧处理系统，热能利用系统和烟气净化系统。自动控制与监测系统、锅炉饲水系统、灰渣处理系统、飞灰固化系统等系统没有示意在流程图上。

图1 生活垃圾先进可靠工艺示意图

垃圾接收与焚烧处理系统主要由卸料平台、垃圾储仓、垃圾抓斗、焚烧炉组成；生活垃圾在焚烧炉内焚烧，产生高温烟气，释放大量热量；垃圾抓斗和焚烧炉炉排是其中两台关键设备。

流程从垃圾转运车①向垃圾储仓②卸料开始。卸料平台应满足多辆垃圾转运车同时卸料的要求，垃圾储仓的有效容积最小应保证储存两日处理的垃圾，建议垃圾水分低于30%时储仓大小以储存两日垃圾为标准，垃圾水分在30%—40%时以储存三日为设计标准，垃圾水分高于40%时应以储存四日处理垃圾为设计标准，储仓大小不应超过五日垃圾处理量。适当延长垃圾储存时间可降低垃圾水分，从而提高垃圾热值，但随着垃圾储存时间的延长，臭气浓度增大，失水率也会逐渐降低。为了不让臭气外逸以致污染环境，储仓应呈负压状态，而且储仓内空气应送入焚烧炉做为一次助燃空气。

垃圾储仓上方的垃圾抓斗③将垃圾抓入垃圾进料斗④；垃圾经溜槽滑至炉排饲料平台，后被推送到炉排⑥进行全量焚烧（混烧）。垃圾抓斗，除抓送垃圾至进料斗外，还具有三个功能：探测垃圾料位、识别大件垃圾并将其送入大件破碎机、搅拌和疏松储仓内垃圾。对于垃圾全量焚烧，炉排宜采用机械炉排，尽量采用逆推式马丁炉排。炉排应具有三大功能：承载垃圾并使之通过焚烧炉⑤、搅拌混合炉排上垃圾、允许一次助燃空气通过炉排喷入炉膛。垃圾在炉排上经历干燥、热解气化、固定碳着火燃烧、燃烬四个过程。

焚烧炉宜采用分区配风以提高垃圾转换效率和控制炉膛温度。60%左右的一次空气被蒸汽或烟气预热后由炉排下方鼓入焚烧炉，40%左右的二次空气在炉排上方鼓入以控制燃烧效率和炉温。有机物的热解气化产物和有机颗粒，甚至固定碳颗粒上升到炉膛⑦，必须予以完全燃烧，而且其中有些物质，如一氧化碳（CO），只有在温度高达870℃时才能完全燃烧，生活垃圾焚烧发电厂宜将炉膛温度控制在870℃—1050℃，烟气在炉膛内的停留时间宜控制在2.5秒左右，以权衡NOX的生成、有机气体的去除、一氧化碳完全燃烧、碳粒的燃烬以及结构的紧凑性等因素。炉膛是焚烧炉的重要组成部分，承担燃烧和传热两大功能，一是保证燃料完全燃烧，提高燃烧效率和降低大气有害物排放；二是通过热量交换将炉膛出口烟气温度冷却到灰渣软化温度（1200℃）以下，以防止后面受热面结渣，为此，炉膛内必须布置足够的受热面（上升管或称水冷壁）。

热能利用系统由余热锅炉、汽轮机、凝汽式冷凝器和水泵组成；工质水吸收高温烟气的热量，先在省煤器和水冷壁中由给水温度（一般在120℃左右）的液态水变成饱和蒸汽，再在低、中、高温过热器中加热成过热蒸汽，过热蒸汽温度宜控制在400℃左右以延长过热器寿命。过热蒸汽具有做功能力，进入汽轮机后，首先在喷管中膨胀，其压力、温度降低，流速增大，热能转换成自身的动能；高速气流进入叶栅，带动叶轮旋转，气流的动能转换成叶轮的机械能。汽轮机叶轮旋转带动发电机转子旋转而切割磁场，从而发电，将叶轮的机械功转换成电功；发出的电功约15%—20%供焚烧电厂自用，其余部分并入公用电网。汽轮机排出的乏汽进入冷凝器放出热量，凝结成水；凝结水经水泵提压又送回锅炉循环使用；如此周而复始地循环，把高温烟气的热能源源不断地转换成电能。通过优化一次助燃空气预热温度和锅炉蒸汽参数，可使全厂热效率（发电效率）达到25%左右，甚至高达30%。

在热能利用系统中，各种受热面是重要设备，主要受热面如下：

① 水冷壁：布置在炉膛四周，吸收炉膛的辐射热，用以加热管内工质，并对炉墙起保护作用；

② 过热器：吸收高温烟气热量，将饱和蒸汽加热成过热蒸汽；

③ 省煤器：吸收尾部烟气的热量加热锅炉给水，提升锅炉给水温度，并将排烟温度降至220℃，以节约燃料；

④ 空气预热器：利用汽轮机中压缸的排汽或烟气将一次助燃空气加热至220℃—320℃，以提高垃圾干燥速率、燃烧温度和燃烧效率。

对于以能量回收为目的的垃圾焚烧发电厂，受热面可能还包括再热器。再热器加热汽轮机中间抽汽，以提高热效率（发电效率）。

完善的烟气净化工艺是生活垃圾焚烧发电厂必不可少的部分。烟气净化系统由氮氧化物（NOX）控制工艺、氯化氢（HCl）/二氧化硫（SO2）/氟化氢（HF）等酸性气体吸收工艺、重金属蒸气和二恶英气体吸附工艺和布袋除尘系统四部分组成。

氮氧化物（NOX）控制工艺采用选择性非催化还原烟气脱硝技术（SNCR工艺），可将氮氧化物浓度控制在200mg/Nm3以内，足以满足国家标准要求（400mg/Nm3）。尿素溶液或氨水溶液喷入温度900℃—1050℃的炉膛区域，分解成高活性还原剂，将烟气中的氮氧化物选择性非催化还原成氮气（N2）。该工艺从20世纪70年代开始应用，在日本、欧盟和美国得到迅速推广。

氯化氢（HCl）等酸性气体吸收工艺广泛采用氢氧化钙浆液喷雾吸收干燥工艺（半干法吸收工艺）或炉内喷钙尾部烟气增湿工艺（干法吸收工艺），可将氯化氢浓度控制在40mg/Nm3以内，氟化氢浓度控制在0.4mg/Nm3以内，二氧化硫浓度控制在40mg/Nm3以内，这些指标都远高于国家标准要求。

半干法吸收工艺先将石灰加水消化制成活性更高的氢氧化钙（Ca（OH）2）浆液，然后利用高速旋转的雾化器将氢氧化钙浆液雾化成雾滴并喷入吸收塔内，雾化器的雾化轮转速为11000转/分钟，雾滴的平均直径为150微米。由于大量雾滴具有极大的蒸发表面，水分很快蒸发，使烟气迅速降温和增大相对湿度，这种情况有利于酸性气体的吸收，保证在1秒左右时间内氯化氢和氟化氢的去除率高达95%以上，而二氧化硫的去除率高于80%，这是因为，一方面有利于氯化氢、二氧化硫（SO2）等气体溶解并离子化，另一方面使脱硫剂表面的液膜变薄，减少了二氧化硫（SO2）、三氧化硫（SO3）等分子或离子的扩散传质阻力，加速了它们的传质扩散速度。同时，烟气的热量传递给雾滴，使之不断干燥，最终变成粉体。粉体产物由氯化钙、硫酸钙、氟酸钙及未完全反应的氢氧化钙等组成，大部分在塔内与烟气分离，由锥体出口排出，少部分随烟气进入布带除尘器收集。

干法吸收工艺先向炉膛上部喷入石灰粉（活性成分为氧化钙CaO），炉膛内石灰粉吸收部分酸性气体；炉膛内未反应的石灰粉在锅炉尾部加湿活化成氢氧化钙（Ca（OH）2），氢氧化钙的活性高于石灰，进一步吸收酸性气体。大部分产物及未反应的吸收剂（氧化钙和氢氧化钙）被惯性除尘器收集，少部分随烟气进入后面的布带除尘器收集。

烟气在进入布袋除尘器之前，被喷入含碘活性炭，含碘活性炭对二恶英有良好的吸附作用，并对重金属蒸气有好的吸附作用。活性炭随烟气进入布袋除尘器。布袋除尘器的主要功能是收集粉尘，除尘效率高达99.9%，同时，黏附在布袋表面的粉层进一步吸附烟气中的重金属和二恶英气体。烟气经过活性炭吸附与布袋除尘器过滤后，其内粉尘浓度将低于5mg/Nm3，二恶英浓度将远低于0.1ng/Nm3，汞浓度将低于0.01mg/Nm3，这些指标也都远高于国家标准要求。

焚烧炉底部灰渣先加湿冷却，再经磁选除铁后，进入灰渣坑。灰渣的灼减率应小于3%，使灰渣成为真正的稳定无害的固体混合物。灰渣可用于制砖、制作陶料或筑路材料，灰渣最现实的用途是用做垃圾填埋厂的覆盖材料。

过热器和省煤器收集的飞灰、吸收塔或惯性除尘器收集的粉体及布袋除尘器收集到的粉尘是有毒固体废弃物，必须予以处理。这些固体废弃物一并输送到飞灰仓，然后送入飞灰固化车间制成飞灰固化块；飞灰固化块是有毒固体废弃物，应交给环保部门安全填埋。

4．结论

① 生活垃圾焚烧发电对垃圾性质尤其是热值、发电效率、大气有害物排放指标等有一定要求；

② 生活垃圾焚烧发电厂存在处理垃圾和能量回收两目的，目前我国垃圾焚烧发电厂的目的是处理垃圾；

③ 焚烧发电厂宜采用目前国内外最先进可靠的工艺；核心系统包括垃圾接收与焚烧处理系统、热能利用系统和烟气净化系统；

④ 目前过热蒸汽温度不宜超过400℃以延长过热器寿命；

⑤ 烟气净化可采用SNCR脱硝工艺、酸性气体半干法或干法吸收工艺、活性炭吸附工艺与布袋除尘工艺；

⑥ 飞粉是有毒固体废弃物，必须予以安全处理。

参考文献

[1]江源，刘运通，邵培.城市生活垃圾管理。北京：中国环境科学出版社，2004，P.37

[2]解强，边炳鑫，赵由才.城市固体废弃物能源化利用技术。北京：化学工业出版社，2004