浅析城市生活垃圾焚烧发电技术

陈 卓 雷佳莉 杨玉鹏

（中国中元国际工程有限公司，北京100089）

0 引言

随着城镇化的快速发展和人民生活水平的提高，我国城市生活垃圾产量急剧增加。截至2015年，我国城镇化率达到56.1%，城镇常住人口达到7.7亿，生活垃圾产生量达到1.2 kg/人，而城市生活垃圾无害化处理能力为75.8万t/日，生活垃圾无害化处理率达到90.2%。但是现阶段，我国城市生活垃圾总量仍在迅速增长，无害化处理能力仍相对不足，垃圾回收利用率有待提高，这些已经成为制约我国经济可持续发展的重要阻碍，因此，实现对生活垃圾的无害化处理需求十分迫切。

1 国内外城市生活垃圾处理方式及对比

目前，国内外处理城市生活垃圾的主要方法有填埋、堆肥、等离子气化、焚烧等。发达国家主要采用垃圾焚烧法，其中日本、德国、新加坡、法国、荷兰、丹麦、瑞士等国采用焚烧技术的比例分别为79%、35%、41%、32%、39%、54%、59%。

（1）填埋法是将垃圾填入已预备好的坑中盖上压实，使其发生生物、物理、化学变化，分解有机物，达到减量化和无害化的目的。2015年，我国卫生填埋场为1748座，设计处理能力达50.15万吨/日，比2010年增长了43%。目前，国内多数生活垃圾填埋场为露天场地，对城市环境和公共卫生有较大的不利影响[1]。

（2）堆肥法是在人工控制条件下，利用微生物使垃圾中的有机物发生生化反应而降解，形成类腐殖质。根据原理分为厌氧性和好氧性发酵。堆肥法仅适用于有机垃圾，在国内利润低、市场小，截至2010年，堆肥厂数量仅为11座，处理能力为5 480 t/日。

（3）等离子气化技术是以热等离子体作为高温热源对垃圾进行气化，将垃圾中的有机物转化成合成气，将无机物转化成熔渣。我国对等离子气化的研究尚处于初级阶段，目前投产项目极少。

（4）垃圾焚烧法是利用焚烧炉对生活垃圾中的有机可燃物进行焚烧处理，通过高温焚烧消除大量有害物质，同时利用回收的热能进行供热、发电的技术。垃圾焚烧的技术正日趋成熟，垃圾焚烧发电是目前垃圾处理“减量化、资源化和无害化”最有效的方法和途径。

根据“十三五”全国城镇生活垃圾无害化处理设施建设规划，截至2015年，全国城镇生活垃圾处理采用技术情况为：焚烧31%（23.52万t/日）、填埋66%（50.15万t/日）、其他3%（2.16万t/日）。目前，垃圾焚烧处理所占的比例较小，2020年，我国垃圾焚烧处理的规模将达到59.14万t/日，占比为54%，垃圾焚烧将逐步成为我国垃圾处理的主要方式。

2 垃圾焚烧发电工艺流程

垃圾焚烧发电的主要工艺流程包括垃圾接收及预处理、垃圾焚烧和余热发电等。

2.1 垃圾接收及预处理系统

主要包括垃圾计量、卸料、储存、给料和进料系统。

垃圾由垃圾车收集载入厂区后，经过地磅称重，再沿输送道路进入封闭式倾卸区，将垃圾倾入处于负压状态的垃圾池。垃圾抓斗将池中的垃圾抓入炉前给料系统，进而送入焚烧炉内焚烧。

2.2 垃圾焚烧系统

主要包括焚烧炉、燃烧空气系统、点火及辅助燃烧系统。

通过机械设备送入到焚烧炉内的垃圾，在焚烧炉内进行燃烧。焚烧炉的一次燃烧用空气来自垃圾池，以保持垃圾池一定的负压；焚烧炉的二次燃烧用空气来自焚烧车间顶部，增加焚烧车间的换气次数，提高焚烧车间的工作环境。焚烧炉采用燃料油助燃，通过对燃料油的调节使燃烧温度始终控制在850℃以上，以使二恶英得到充分分解。

2.3 余热发电系统

主要包括余热锅炉、省煤器、空预器、过热器、汽轮发电机等系统。

垃圾在焚烧炉焚烧之后，所产生的热量经过余热锅炉转化之后会变成蒸汽，蒸汽推动汽轮发电机组用来发电。

3 垃圾焚烧技术的选择

可控制的垃圾焚烧技术、燃烧烟尘处理及热能发电再利用等技术始于20世纪70年代[2]。常见的垃圾焚烧炉炉型主要有机械炉排焚烧炉、流化床焚烧炉、回转窑式焚烧炉、热解气化焚烧炉。

3.1 机械炉排焚烧炉

机械炉排焚烧炉技术成熟，在国际上约占有80%的市场份额。根据炉排形式的不同分为滚动炉排、链条炉排、往复炉排等，其中往复炉排分为顺推倾斜往复、逆推倾斜往复炉排。该类炉型技术成熟，运行稳定，通过炉排的机械运动使垃圾有效地翻转、搅拌，促进垃圾完全燃烧。

机械炉排炉的优点是运行可靠性高，单台处理能力高，不需垃圾预处理；烟气排放量较低，受热面磨损较小，无需混煤燃烧，灰渣产量低。缺点是对炉排加工精度和控制要求较高，投资较高、运行费用较高，后期维护检修工作量大。

3.2 流化床焚烧炉

流化床燃烧技术，即生活垃圾与流化载体以一定的比例通过流化床上部进入焚烧炉内，借助流化载体的作用，垃圾在炉内激烈翻腾，同时循环流动，处于悬浮燃烧状态。流化床焚烧工艺的主要种类有鼓泡流化床、转动流化床、循环流化床，其中国内较多采用循环流化床形式。

循环流化床焚烧炉的优点是运行稳定，燃料适应性强；氮氧化物生成量少；结构紧凑，投资较低。缺点是需要垃圾预处理，需补加燃煤，因而增加占地且对环境有影响，飞灰产量大；受热面磨损严重，动力消耗较大。

3.3 回转窑式焚烧炉

回转窑焚烧炉技术通过炉本体滚筒连续缓慢转动，利用内壁耐高温抄板将垃圾由筒体下部在筒体滚动时带到筒体上部，然后靠垃圾自重落下。对高水分、低热值的生活垃圾燃烧有难度。回转窑焚烧炉的优点是燃料适应性好，运行稳定。缺点是需设后燃室，窑身较长，占地面积大，投资较高；热效率低，处理能力低。

3.4 热解气化焚烧炉

垃圾热解气化焚烧炉是一种控制空气燃烧技术，系统可分为加热干燥、热解气化、残碳燃烧、可燃气燃烧等4个区域。

热解气化焚烧炉的优点是设备结构简单，维护较容易，烟气中氮氧化物含量较低。缺点是设备处理能力较小（＜150 t/日），不能适应高水分、低热值垃圾；厂房占地较大，热量回收率低。

目前热解气化焚烧技术的广泛应用尚有困难。

综合以上几种炉型的特点，机械炉排炉一般适用于各种规模的垃圾焚烧厂，尤其是大中型的垃圾焚烧厂；流化床炉投资较少，一般处理规模较小，适用于中小型城市、垃圾质量较不稳定的焚烧厂；回转窑焚烧炉一般用于小规模特种垃圾，如医疗垃圾、工业垃圾等的处理；热解气化焚烧炉单台处理能力小、对垃圾含水率要求高，不能满足大型垃圾焚烧厂的要求。

4 垃圾焚烧烟气处理工艺

烟气净化工艺主要是对烟气中的酸性气体（如HCl、HF、SOx）、氮氧化物、粉尘、重金属及有机物（二恶英）等污染物根据烟气排放标准的要求进行控制。烟气污染物排放标准有GB 18485—2014《生活垃圾焚烧污染控制标准》及2000年欧盟标准（2000/76/EU）。

常用的烟气净化工艺系统是由石灰浆配制、烟气处理（喷雾反应及袋式除尘）、活性炭喷射、飞灰输送和脱氮（NOx）部分组成。

4.1 石灰浆配制

石灰浆的配制，原材料采用Ca（OH）2。在石灰浆配置槽中将石灰通过与水混合配置成20%～25%的浓石灰浆，送入稀释槽后进一步加水稀释为10%～15%的稀石灰浆，后送入烟气处理系统之旋转雾化器中。

4.2 烟气处理

烟气处理包括喷雾反应、袋式除尘和引风机等主要设备，烟气经处理后达到排放要求。

4.2.1 喷雾反应

从余热锅炉来的热烟气从喷雾反应器顶部进入，顶部通道的倒流板使烟气呈螺旋状向下运动。石灰浆泵入旋转雾化器，形成微小液滴，与烟气形成逆流，在此过程中，石灰浆与烟气中的酸性气体HCl、HF、SO2等发生反应，并使二恶英、呋喃和重金属产生凝结。飞灰经底部排出，挟带着飞灰及各种粉尘的烟气进入袋式除尘器。

4.2.2 袋式除尘

与电除尘器相比，袋式除尘器更适用于烟气处理工艺，占地面积小，效率高，除尘效果更显著[3]。

带有飞灰及各种粉尘的温度为140～160℃的烟气，从喷雾反应器下部位置进入袋式除尘器。烟气从滤袋外部进入，从隔仓顶部排出，焚烧产生的烟尘、石灰反应剂和生成物、凝结的重金属、喷入的活性炭等均附着于滤袋表面，形成一层滤饼，烟气中的酸性气体与过量的反应剂进一步反应；活性炭在滤袋表面进一步吸附。附着于滤袋外表面的飞灰经压缩空气反吹排入除尘器灰斗。飞灰经旋转排灰阀排至飞灰输送部分的埋刮板输送机。

4.2.3 引风排烟系统

布袋除尘器出口设置引风机，烟气经烟囱排入大气。

4.3 活性炭喷射

活性炭用来吸附烟气中的重金属、有机污染物等，活性炭的喷射点设在除尘器前的烟气管道上，沿着烟气流动的方向喷入，随烟气一起进入后续的除尘器由布袋捕集下来。

4.4 飞灰输送

飞灰是指烟气净化系统收集的粉尘，其成分复杂且含有毒性物质，故与炉渣分开处理，设置单独的输送及贮存设备，经稳定化处理后送入垃圾填埋场填埋。

4.5 脱氮（NOx）

烟气脱氮技术选用选择性非催化脱氮工艺（SNCR），该工艺选择以氨水或尿素作为还原剂，将其喷入焚烧炉内，在有氧环境下，与NOx进行选择性反应，使NOx还原为N2和H2O，达到脱氮的目的。该工艺能将烟气中NOx的浓度控制在200 mg/m3内。与SCR工艺相比，SNCR工艺设备简单，投资小。

5 结论

（1）通过四种垃圾处理方式的对比分析，得出垃圾焚烧发电是目前垃圾处理“减量化、资源化和无害化”最有效的方法和途径，也逐渐成为我国垃圾处理的主要方式。（2）国外垃圾焚烧技术的发展已相对成熟，我国目前在技术上尚有一定差距。在选择垃圾焚烧技术时，应综合考虑经济、环境等因素确定合适的焚烧技术。（3）垃圾焚烧发电过程中会产生大量的有毒有害气体、粉尘等污染物，因此需要采用严格的烟气处理工艺，避免造成二次污染。

[1]王蕾，刘思成，荀世忠，等.城市生活垃圾处理方式的对比研究[J].环境科学与管理，2017，42（7）：29-31.

[2]徐艳萍，黄力华，崔方娜.国内城市生活垃圾焚烧技术应用现状与进展[J].广东化工，2015，42（12）：140-141.

[3]吴学峰，邱睿.浅析垃圾焚烧发电烟气处理技术[J].科学与信息化，2018（4）：96，98.