城市生活垃圾焚烧处理工艺系统设计分析探讨

刘彦辉

摘要：指出了国内外垃圾焚烧处理各环节工艺系统较复杂，对目前使用较为广泛且技术比较成熟的几种工艺系统，结合一些工程实践经验，从焚烧炉、余热锅炉、烟气净化等几个方面进行了比较分析，为垃圾焚烧发电项目的工艺系统设计提供参考。

关键词：生活垃圾；焚烧处理；设计分析

中图分类号： X705

文献标识码： A 文章编号： 16749944（2015）06025806

1 引言

当前，随着我国城市化进程的加快，城市人口不断增加，城市规模不断扩大，生活垃圾产生量也日益增多，目前我国已有200多个城市陷入了垃圾围城的窘境。通常所采取的垃圾填埋处理已不能满足要求，同时还会造成环境污染。垃圾焚烧发电作为一种快速处理垃圾的途径，既解决了填埋处理所带来的占地、二次污染等问题，同时又产生一定的经济效益，逐渐成为我国及世界各国倡导和推广的节能环保项目。

然而，国内外垃圾焚烧处理各环节工艺系统较复杂，本文对目前应用较为广泛且技术比较成熟的几种工艺系统，结合一些工程实践经验，以L市生活垃圾焚烧发电项目为例，从焚烧炉、余热锅炉、烟气净化等几个方面进行比较分析，以便业内同仁更好地了解和应用焚烧处理工艺（图1），为垃圾焚烧发电项目的工艺系统设计提供参考。

图1 垃圾处理工艺流程

2 焚烧炉

2.1 焚烧炉选型

国内外应用较多、技术比较成熟的生活垃圾焚烧炉炉型主要有机械炉排炉、流化床焚烧炉、热解焚烧炉、回转窑焚烧炉四类。以下对这四类焚烧炉作简要介绍和对比。

2.1.1 机械炉排炉

机械炉排炉采用层状燃烧技术，具有对垃圾的预处理要求不高、垃圾热值适应范围广和运行维护简便等优点。机械炉排炉是目前世界上最常用、处理量最大、适用性最好的城市生活垃圾焚烧炉型，在欧美等发达国家得到广泛使用，其单台最大处理规模可达1，200t/d，技术成熟可靠。生活垃圾在炉排长度方向上燃烧，整个过程分为：预热干燥段、燃烧段和燃烬段，几个燃烧阶段互相渗透，无明显界限。垃圾在炉排上着火，热量不仅来自炉膛的辐射和烟气的对流，还来自垃圾层的内部。炉排上已经着火的垃圾通过炉排的往复运动，产生强烈的翻转和搅动，引起底部的垃圾燃烧，连续的翻转和搅动也使垃圾层松动、透气性加强，有利于垃圾的干燥、着火、燃烧和燃烬。

2.1.2 流化床焚烧炉

流化床焚烧炉的焚烧原理与燃煤流化床相似，床料一般加热至600℃左右再投入垃圾，保持床层温度在850℃以上，利用床料的热容量来保证垃圾的着火燃烬。虽然流化床焚烧炉燃烧十分彻底，但对垃圾有严格的破碎预处理要求，比较容易发生故障。

流化床技术在20世纪60年代用来焚烧工业污泥，70年代用来焚烧生活垃圾。我国流化床焚烧炉有一定程度的应用，但该炉型多用于日处理垃圾500t以下规模的项目，且基本上需要加煤助燃才能保证正常运行。随着对环保指标要求的不断提高，烟气排放标准越来越严格，在90年代后期，流化床焚烧炉表现出燃烧工况不易控制、二噁英初始产量高等缺点，使其在生活垃圾焚烧上的应用受到限制。

2.1.3 热解焚烧炉

热解焚烧炉是指在缺氧或非氧化性气氛中，在一定温度（500～600℃）下使垃圾中的有机物热分解为气体（可燃混合气体），将热解气引入燃烧室内燃烧，从而分解有机污染物，余热用于发电、供热。热解技术使用范围广，可用来处理多种垃圾，但城市生活垃圾性质的波动较大，热解产生的可燃混合气性质（热值、成分等）不稳定，燃烧不易控制、垃圾难以燃烬且环保不易达标。这项技术在加拿大和美国的部分小城市得到一些应用，大中型城市一般不予采用。另外，在欧洲和日本，热解焚烧炉多采用回转窑、流化床等型式，并在炉后加上燃烧熔融炉，将垃圾完全燃烬，熔融为玻璃质灰渣。此项技术在发达国家得到部分应用，但由于对垃圾热值要求较高，工厂建设成本高，且运行成本为机械炉排的两倍以上等因素，一定程度上推广受到限制。

2.1.4 回转窑焚烧炉

回转窑焚烧炉与水泥工业的回转窑相类似，主要由一个倾斜的钢制圆筒组成，筒体内壁采用耐火材料砌筑，也可采用管式水冷壁，用以保护滚筒。垃圾由进料端进入筒体，并随筒体的旋转在重力作用下翻转同时向窑的另一端运动，垃圾的干燥、着火、燃烧、燃烬均在筒体内完成，可以通过改变筒体的转速调节垃圾在窑内的停留时间。回转窑焚烧炉常用于处理成分复杂、有毒有害的工业废物和医疗垃圾，在当前城市生活垃圾焚烧中应用较少。

2.1.5 技术特点比较

技术特点比较见表1。

综合比较，机械炉排炉作为我国目前比较推崇的一种生活垃圾焚烧处理工艺，相对于其它炉型有以下几个特点。

（1）技术成熟、可靠，发达国家的大型生活垃圾焚烧厂大多采用该炉型，国内已建或在建的大型焚烧厂也多采用机械炉排炉。

（2）具有独立的预热干燥区，炉膛内垃圾焚烧产生的热量可对新进入的垃圾进行预热干燥，特别能适应我国城市生活垃圾高水分、低热值的特性。

（3）操作简单方便，对垃圾的适应性强，不易造成二次污染。

（4）经济性好，垃圾不需进行预处理直接进入炉内，运行费用相对较低。

（5）设备寿命长，稳定可靠，运行维护方便，国内已有部分配套的技术和设备。

（6）符合我国目前的政策规定：国家建设部、国家环保总局、科技部发布的《城市生活垃圾处理及污染防治技术政策》中指出：“垃圾焚烧目前宜采用以炉排炉为基础的成熟技术，审慎采用其它炉型的焚烧炉”。

2.2 焚烧线配置

L市生活垃圾焚烧发电项目拟设计日处理垃圾1500t/d，按照《生活垃圾焚烧处理工程项目建设标准》，属于Ⅰ类大型生活垃圾焚烧发电厂。根据国内外同类大型垃圾焚烧厂经验，依据L市项目处理规模，焚烧生产线宜采用2～4条。若采用2条生产线，单台炉日处理能力750t/d，实际使用业绩少，只有个别厂商有制造能力，能否适应L市当地垃圾特性尚未可知，因此不予考虑。本文只对3条和4条生产线两个方案进行比较，即单台炉能力分别为500t/d和375t/d。

（1）从技术可行性考虑，单台炉处理能力为500t/d和375t/d的焚烧系统属于同一技术层次，不存在大的技术差别，在国内都有成功运行的经验，对国内垃圾的适应程度基本一致，因此两种方案在技术上都可行。

（2）从设备维修对焚烧厂处理能力和汽轮机组工作稳定性的影响考虑，焚烧线数量越多，设备备用性越好，故障和检修对焚烧厂的影响越小，同时也有助于汽轮机组工况的稳定。

（3）从投资角度考虑，在全厂处理规模确定的前提下，采用焚烧线数量越少，单台垃圾焚烧炉规模越大，焚烧厂引进设备数量和金额也就越少，因此，采用大规模的焚烧炉能够有效减少单位投资成本和一次性投资。从土建方面考虑，3条焚烧线配置还能够有效减少占地面积和土建投资费用。

（4）从运行管理角度考虑，在垃圾处理规模一定的情况下，焚烧线数量越少，维修、操作、管理越为方便。由于设备相对较少，所需运行人员比较少，全厂故障率也随之降低。

通过以上综合比较，L市生活垃圾焚烧发电项目选用单台处理能力500t/d的焚烧炉，配置3条生产线较为适宜。尽管3×500t/d焚烧线配置备用性不及4×375t/d，但可以适当加大垃圾池容量，使其具有一定的缓冲能力，当1台焚烧炉临时检修的情况下，其它2台可以在110%负荷下运行，合理安排检修进度。通过以上措施，在单台焚烧炉短期检修的情况下，不会对全厂的运行产生明显影响。

3 余热锅炉

3.1 主蒸汽参数的确定

余热锅炉主蒸汽参数高低与发电效益关系紧密，理论上蒸汽参数越高，热效率越高，发电经济效益越明显，然而，提高了蒸汽参数，锅炉设备的材料必然需要进行相应调整。在城市生活垃圾焚烧余热回收过程中，焚烧所产生的烟气含有大量的氯化氢等腐蚀性气体和灰分，锅炉选材需要应对这些不利因素。因此，焚烧厂余热锅炉主蒸汽参数的确定需要进行综合的技术经济分析，选择技术先进、经济合理的最优方案，既要关注短期内焚烧厂的发电效益，也要考虑长期运营的稳定性和安全性。

在国际上，城市生活垃圾焚烧厂主蒸汽参数有两种，即中温中压：温度400℃，压力4.0MPa；中温、次高压：温度450℃，压力6.5MPa。

德国在20世纪80年代以前多采用中温次高压参数，而在80年代以后建成的垃圾焚烧厂则基本上都采用了中温中压的参数。美国在90年代之前多数采用中温中压的余热锅炉系统，此后则偏重于采用中温次高压的主蒸汽参数。但值得注意的是，欧洲和美国的生活垃圾相对我国的生活垃圾干燥得多，而且垃圾分类收集工作做得较好，焚烧产生的腐蚀性气体及灰分较少，对过热器的腐蚀相对小一些。日本的垃圾焚烧厂目前基本上都采用中温中压参数，正在尝试采用中温次高压的参数。东南亚国家则基本都采用中温中压参数。从以上统计资料可以看出，中温中压和中温次高压参数余热锅炉技术均已十分成熟，不存在制造和运营维护上的问题。

下面将对中温中压与中温次高压两种参数进行较为全面的研究和分析，为同类工程余热锅炉主蒸汽参数的选择提供参考。

3.1.1 技术比较

两种参数的余热锅炉在国内设计和制造不存在问题，主要区别在于过热器的材质的选择。按照锅炉相关规范要求，温度430℃是锅炉过热器材质选用的分界线，430℃以下可采用碳钢，430～540℃宜选用合金钢（表2）。

事实上，《蒸汽锅炉安全技术监察规程》对于材质的要求，主要是针对普通场合下使用的蒸汽锅炉而言，如燃煤电厂中使用的蒸汽锅炉。在垃圾焚烧发电厂，垃圾焚烧产生的烟气中含有大量的HCl气体和灰分，对过热器的腐蚀相对于普通发电厂中的锅炉要大得多，当锅炉烟气侧受热面温度增加，其材料需要承受更强烈的腐蚀，对过热器的使用寿命有一定影响。图2是垃圾焚烧厂中过热器管壁最大腐蚀速度与管壁温度的关系曲线（图中HCl浓度指烟气中HCl的浓度，其值为1200mg/Nm3）。

图2 15CrMo钢过热器管壁腐蚀曲线

从图2中看出，在管壁温度达到200℃后，烟气中有HCl存在的情况下，腐蚀速度随着温度的增加而迅速增加，即使烟气中没有HCl，管壁温度超过450℃后，腐蚀速度也迅速增加。根据腐蚀学，腐蚀速率与温度呈指数关系，随着温度的升提高腐蚀不断加剧。由于垃圾燃料的特殊性，为了避免余热锅炉过热器的高温腐蚀，采用15CrMo材质的过热器时，主蒸汽参数宜小于400℃。

有关垃圾焚烧厂的余热锅炉过热器腐蚀方面，众多余热锅炉厂家参与的日本东京都共同试验和NEDO（新能源产业技术综合开发机构）共同试验积累了大量的数据，对于垃圾焚烧厂的余热锅炉过热器高温腐蚀问题，得到如下的经验公式：

W=1043×Tgas10×Tme4×HCl0.6×Cl0.4×Cr-0.4×t

上式中：

W：腐蚀量（mm）；

Tgas：烟气温度（℃），这项参数影响最大，必须把过热器入口烟气温度控制在650℃以下；

Tme：管壁温度（℃），这项参数影响也较大，管壁温度为470℃（蒸汽温度450℃）时，腐蚀速度比管壁温度为420℃（蒸汽温度为400℃）时增加约60%；

HCl：氯化氢浓度（×10-6）；

Cl：附着灰尘中的氯浓度（重量%），一般浓度为5%，当垃圾中水产废弃物含量高时，附着灰尘含盐分也较多；

Cr：导热管材组成中的Cr、Ni、Mo的含量总值（%），合金成分的增加对于管材耐腐蚀性能的提高效果并不显著，且高质量合金造价提高余热锅炉的制造成本；

t：运行时间（h），过热器的腐蚀基于直线定律。

从上式可以看出，管壁温度以及烟气本身的温度是换热部件管材腐蚀速度大小最主要的决定因素，在实际的焚烧厂设计中，既要尽量提高锅炉主蒸汽参数以增加发电量，也要综合考虑管材的腐蚀问题从而保障焚烧厂连续的安全、稳定、经济运行。

因此如果采用中温次高压参数余热锅炉，受热面面积有所增加，本体尺寸变化较小。由于提高了主蒸汽参数，使热机设备的承压部件（主要有锅炉、汽轮机、给水泵等）、管道及其附件等的制造成本增加，从而增加了锅炉设备的初期投资。

3.1.2 初期投资分析

主蒸汽参数不同，锅炉制造对相关部件材质要求有所区别。造价方面，中温次高压锅炉要高于中温中压锅炉，主要在于高温过热器的材质差异较大；其次，水冷壁、省煤器材质同样也会随参数变化。综合考虑，余热锅炉采用中温次高压参数比采用中温中压参数的造价大约高36%。

3.1.3 运营与维护

在烟气具有强腐蚀性的条件下，提高余热锅炉主蒸汽参数，会降低系统的安全性，对系统维护、检修等带来较大风险，降低了整个焚烧厂运行的稳定性。

3.1.4 综合分析

垃圾焚烧厂以无害化处理生活垃圾为主要目的，余热发电可以回收能源、降低焚烧厂运行费用、减少垃圾收费补贴。因此，首要任务应确保焚烧厂稳定、安全、环保地运行。

对于同一种过热器材质，采用中温中压参数（400℃，4MPa）的锅炉过热器使用寿命相对较长且成本较低，国内加工能力也相对较强。中温次高压参数（450℃，6.5MPa）的锅炉过热器需采用耐腐蚀的合金钢才能达到合理的使用寿命和性能，合金钢价格昂贵，势必造成锅炉成本的大幅增加。综合分析，选用中温中压（400℃，4.0MPa）余热锅炉，应用于我国城市生活垃圾焚烧发电厂更为稳定、可靠。

3.2 余热锅炉选型

垃圾焚烧厂余热锅炉一般由3～4通道组成的单锅筒自然循环水管式锅炉，按其对流受热面的布置形式通常可分为立式锅炉和卧式锅炉。对流受热面布置形式主要决定因素是造价、耗钢材量、使用性能、安装检修维护的方便性等。

3.2.1 卧式余热锅炉

优点：①持续运行时间长，更能够保证年8000h以上的运行；②炉内管束为垂直悬吊结构，积灰程度轻；③可采用机械振打清灰装置，对受热面损伤小，且清灰效果好；④漏风量小；⑤受热面管束易于组装、检修、维护。

缺点：占地面积大。

3.2.2 立式余热锅炉

优点：①对流管束为常规弯管，焊接少，成本低；②整体耗钢材料少，设备投资小；③锅炉占地小；④灰斗数量少，输灰系统简单；⑤对流段水平布置，便于疏水；⑥炉内水循环系统简单。

缺点：①受热面管束为水平布置，易于造成飞灰靠重力沉积在管束上；②清灰较难，采用一般清灰装置易造成清灰不彻底且损伤管束；③受热面检修维护吊装不方便；④保证年8000h运行的可靠性逊于卧式锅炉。

根据以上分析，从运行可靠性和检修维护方便性方面考虑，采用卧式余热锅炉。

4 烟气净化

烟气净化工艺是根据烟气排放标准对烟气中的飞灰，包括HCL、HF、SOx等酸性污染物，重金属及残余有机物等污染物进行控制。

4.1 烟气排放指标

按照L市生活垃圾焚烧发电项目设计资料，额定工况每台锅炉出口烟气流量估算为87500m3/h，烟气性质如表3。

在可靠、稳定地处理生活垃圾的同时，必须严格遵守环保标准，降低污染物排放浓度。L市项目拟定的烟气污染物排放指标见表4。

4.2 烟气净化工艺方案

4.2.1 脱酸

烟气中酸性气体的脱除有三种处理工艺：干法、半干法与湿法。

（1）干法。向进入除尘器前的烟道内喷入干性药剂（大多采用消石灰），在烟道及除尘器内药剂微粒表面直接和酸性气体接触，发生化学中和反应，生成无害的中性盐颗粒。在除尘器内，反应产物连同烟气中的粉尘和未反应的药剂均被捕集下来，达到净化酸性气体的目的。此中和反应的发生，需要在合适的温度（155℃左右）条件下进行，而从余热锅炉出来的烟气往往高于这个温度，因此通过喷淋冷却水降低烟气温度。

此方法的特点是：工艺简单，不需配置复杂的石灰浆制备系统，设备故障率低，维护简便，节省占地；药剂使用量大，运行费用略高；除酸效率可达90%，相对其他两种方法较低；系统压力损失比较小，降低了设备能耗；整套工艺系统无废水产生。

（2）半干法。一般用氢氧化钙（Ca（OH）2）或氧化钙（CaO）为原料，制备成氢氧化钙（Ca（OH）2）溶液，由喷嘴或旋转喷雾器将溶液喷入反应器，形成微米级粒径的雾状液体，溶液中水分蒸发使烟气温度降低同时湿度提高，酸性气体与石灰浆反应成为盐类，掉落至底部的灰斗。烟气和石灰浆采用顺流或逆流设计，维持烟气与石灰浆液滴接触时间，使二者充分反应，以获得较高的除酸效率。未反应完全的石灰浆，可随烟气进入除尘器，部分将附着于滤袋上，与通过的酸性气体再次反应，使脱酸效果更好，也提高了石灰浆的利用率。

此方法的特点是：除酸效率较高，对HCl的脱除可达96%以上，对一般有机污染物及重金属也有一定的去除效果，国外大多采用半干法除酸，达到欧盟2000排放标准；不产生废水排放，耗水量相对湿式较少；工艺流程较简单；石灰浆制备系统较复杂。

（3）湿法。湿法脱酸采用洗涤塔形式，洗涤塔分为吸收部和减湿部。在吸收部喷入NaOH溶液，烟气进入吸收部后与NaOH溶液充分接触达到很好的脱酸效果，并且可以喷入少量的螯合剂去除烟气中的Hg。经吸收部处理后的烟气进入减湿部，通过喷入大量自来水使烟气急骤冷却达到饱和温度以下，降低烟气中水分。湿法洗涤塔产生的废水经处理后，产生的污泥经浓缩脱水，以干态形式排出。

此方法的特点是：净化效率很高，国外多年的应用业绩均可证实其对HCl的脱除效率可达99%以上，对SO2亦可达95%以上；产生含高浓度无机氯盐及重金属的废水，根据项目所在地环保排放要求，需采用相应处理工艺，达标后排入城市污水管网；处理后的烟气因温度降至露点温度以下，需要配置再加热装置，以避免烟囱出口形成白烟现象；设备投资高，运行费用也较高。

通过对比，湿法净化工艺的酸性气体脱除效率最高，可满足L市项目酸性气体脱除需要，但工艺流程过于复杂，并有后续的废水处理问题。

实践证明，采用干法与半干法组合工艺的研究成果是目前较好的选择。考虑L市当地垃圾特性，采用“半干法（Ca（OH）2）+干法（NaHCO3）”的组合工艺脱酸。从余热锅炉出来的烟气进入半干式反应塔，塔的顶部设有Ca（OH）2浆液喷射装置，控制塔中减温水的喷射量以保持出口烟气温度稳定在155℃左右，烟气经半干式反应塔后进入布袋除尘器，在反应塔与布袋除尘器之间的烟道喷射NaHCO3粉末进一步中和烟气中的酸性气体。此系统设备简单、可靠性高，同时确保烟气中的酸性气体排放稳定达标。

4.2.2 除尘

袋式除尘器目前已广泛应用于城市垃圾焚烧厂，可除去粒状污染物及重金属。烟气进入布袋除尘器，其中的粉尘会吸附在滤袋表层，形成粉尘层。粉尘层中含有部分未反应的碳酸氢钠，可以与烟气中的有害酸性气体继续进行反应，提高去除率。净化后的烟气离开布袋后由引风机经烟囱排至大气。

除尘器采用压缩空气脉冲清灰，压缩空气由空压站提供。压缩空气在极短的时间内，顺序通过各脉冲阀，由喷嘴向滤袋内喷射。附着在滤袋外表面上的粉尘在滤袋膨胀产生振动和反向气流的作用下，脱离滤袋落入灰斗。

垃圾焚烧烟气中水分比较高，再经过半干法反应塔内增湿降温，到除尘器时，烟气中水分含量在23%～25%之间，甚至于高达30%。因此，L市项目选用电伴热装置及灰斗外保温措施，保证除尘器壁温在110℃以上，高温高湿烟气与除尘器接触时不会发生冷凝。

4.2.3 NOx脱除

生活垃圾焚烧产生的烟气中，含有一定量的NOx，这主要是由于垃圾中的含氮无机物及有机物在焚烧过程中形成的。

L市项目采用烟气再循环技术，将尾部烟气抽出一部分代替二次风供入炉内相应部位，降低该区域的氧气浓度从而有效抑制了NOx的生成。在MCR工况下，不需要采取专门的脱氮处理工艺，NOx排放量也能满足L市项目排放要求。

同时，考虑到烟气再循环系统故障以及短期内超负荷的情况，L市项目还设置SNCR（选择性非催化还原法）技术作为备用，NOx排放达到200mg/Nm3要求。

4.2.4 重金属及二噁英去除

首先，通过控制焚烧技术避免二噁英的产生，工艺中采取以下措施：

（1）在焚烧过程中对垃圾进行充分的翻动和混合，确保燃烧均匀与完全；

（2）控制炉膛内烟气在850℃以上的条件下滞留时间大于2s，保证二噁英的充分分解；

（3）尽量缩短烟气在300～500℃温度区的停留时间，减少二噁英类物质的重新生成。

其次，烟气中的重金属及有机物等污染物在上述几步处理工艺中部分已经被捕集，为控制重金属及二噁英类等残余有机污染物，采取在除尘器前烟道内喷入活性炭的措施。通过活性炭贮仓底部的定量出料装置，排出的活性炭由风机喷入布袋除尘器之前的烟道中，吸附杂质后的活性炭在布袋除尘器中收集。

国外一些公司对半干法的烟气净化工艺研究表明，当进入除尘器的烟气温度为140～160℃时，对二噁英类的去除率达到99%以上。

5 结论

上文对生活垃圾焚烧处理各环节工艺系统设计及流程作了简要的说明，供参考使用。现阶段城市生活垃圾焚烧处理工艺系统已经逐步趋于系统化和模块化，焚烧厂规模相对稳定，采用的各种技术方案相对成熟，但在工程设计、设备制造、运行管理等方面仍会遇到一些新的课题，积累并对每一个工程曾经出现的问题并进行分析显得尤为重要。笔者盼望能与广大设计者共同合作，在我国垃圾焚烧处理领域共同研究，使工艺系统更为简洁流畅，设计方案既能够适应企业经济能力，同时运行安全、技术先进且绿色环保。

参考文献：

[1]白良成.生活垃圾焚烧处理工程技术[M].北京：中国建筑工业出版社，2009.

[2]中华人民共和国住房和城乡建设部.生活垃圾焚烧处理工程技术规范CJJ90-2009[S].北京：中华人民共和国住房和城乡建设部，2009.