淺析中國垃圾焚燒發(fā)電技術
摘 要：本文介紹了垃圾焚燒發(fā)電的基本原理、工藝技術、適用條件、優(yōu)勢和劣勢、影響推廣應用的因素以及推廣應用情況，認為垃圾焚燒發(fā)電是最有效的垃圾減量化、無害化、資源化處理方式，具有廣闊發(fā)展空間。并結合湖北咸寧焚燒發(fā)電實例分析了垃圾焚燒發(fā)電的優(yōu)勢以及未來發(fā)展。關鍵詞：
城市垃圾 焚燒發(fā)電 工藝流程 咸寧焚燒發(fā)電 推廣應用
引言
隨著城市規(guī)模不斷擴大和農(nóng)村城市化進程加快，城市垃圾處理問題已成為我國不容忽視的問題。據(jù)不完全統(tǒng)計：全國年均生活垃圾清運量1.6億t，處理率為52.15%，歷年堆存的垃圾已高達60億t，1/3的城市處于垃圾的包圍中，這些垃圾不僅占用大量土地，而且污染環(huán)境、傳播疾病，嚴重威脅著居民健康，我國政府積極探索垃圾處理模式，垃圾處理要求做到減量化、無害化、資源化，符合循環(huán)經(jīng)濟與可持續(xù)發(fā)展要求。
垃圾焚燒發(fā)電基本原理、特點以及分布
基本原理
垃圾焚燒通常在800 ～ 1000℃的高溫下使有毒有害物質充分熱解，產(chǎn)生的大量高溫煙氣經(jīng)除塵設施凈化后可通過余熱鍋爐將熱量回收，獲得一定溫度和壓力的熱蒸汽，再通過發(fā)電機組使其轉化為電能，實現(xiàn)廢物資源的再利用。焚燒處理方式具有減容減重效果好( 焚燒后垃圾體積減少80% ～90%，重量減少70%)、消毒滅菌徹底、占地面積小、釋放熱量可轉化為能、灰渣可轉化為建筑材料等優(yōu)點，因此，焚燒處理是實現(xiàn)城市生活垃圾減量化、無害化和資源化的最有效手段之一。城市土地資源非常寶貴，生活垃圾填埋場地選址越來越困難，垃圾填埋處理的成本也會越來越高。同時在能源價格大幅上漲，節(jié)能減排作為國家基本國策的大環(huán)境下，垃圾焚燒發(fā)電作為一種技術比較成熟的處理方式，在我國的大中型城市推廣應用將具有廣闊的前景。
特點
垃圾焚燒處理具有占地面積小、選址較容易,處理快速、減量化顯著,無害化較徹底以及可回收焚燒余熱等優(yōu)點,在世界各國得到越來越廣泛的應用。全世界每年垃圾焚燒量約為1. 1 億噸,絕大部分的垃圾焚燒處理廠分布于發(fā)達國家。近幾年,發(fā)達國家城市生活垃圾處理方法中焚燒處理的比重正逐年升高。
分布
國外垃圾焚燒發(fā)電現(xiàn)狀
垃圾焚燒處理已有100 多年歷史,1896 年和1898 年,德國漢堡和法國巴黎先后建立了世界上最早的生活垃圾焚燒廠,開始了生活垃圾焚燒技術的工程應用。但出現(xiàn)有控制的焚燒以及煙塵綜合處理、余熱再利用等是從20 世紀70 年代后開始的〔2〕。城市垃圾發(fā)電是近30 年發(fā)展起來的新技術,70 年代以來由于資源和能源危機的影響,發(fā)達國家對垃圾采取了“資源化”方針,垃圾電站在發(fā)達國家迅猛發(fā)展。預計到2015 年,全世界將建成8800 個垃圾焚燒廠。
我國垃圾焚燒發(fā)電現(xiàn)狀
我國垃圾焚燒發(fā)電、供熱技術起步較晚,現(xiàn)在還處于研究開發(fā)階段?，F(xiàn)已建立的部分垃圾發(fā)電站,基本上是引進國外的設備和技術。資料表明,我國第一座垃圾發(fā)電站建在深圳市市政環(huán)衛(wèi)綜合處理廠,垃圾焚燒設備已于1988 年投入運行,引進的是日本三菱重工生產(chǎn)的兩臺爐排式垃圾焚燒爐,日處理垃圾150t ,配置500kW的汽輪發(fā)電機組來發(fā)電供熱。1992 年又上了一臺杭州鍋爐廠(引進日本三菱重工技術) 制造的垃圾焚燒爐,日處理垃圾150t ,配置1500kW汽輪發(fā)電機組。1993 年珠海市環(huán)衛(wèi)處為無害化處理城市生活垃圾,在珠海市籌建一座3 ×200t/ d 鍋爐配6000kW發(fā)電機組的垃圾發(fā)電廠。2000 年通過了鍋爐、汽輪發(fā)電機整機啟動試運行。爐排采用美國DetroilStoker 公司的四階梯順推式往復爐排,在試運期間鍋爐燃燒工況良好,三臺鍋爐總的蒸汽負荷可達到42t/ h 左右,純冷凝工況最大發(fā)電負荷6300kW,抽汽工況超過500kW。
垃圾焚燒發(fā)電工藝流程
垃圾焚燒發(fā)電工藝流程如下圖所示：
而垃圾焚燒發(fā)電工藝流程分為以下幾部分：
垃圾接受工藝
城市生活垃圾剔除不可燃燒及有毒有害的廢棄物后，由專用垃圾運輸車輛送進廠區(qū)，駛上地磅進行稱重，然后按指定路線駛向垃圾卸料平臺，將垃圾卸入垃圾貯存池可貯存5~7天的處理量，貯存池上方設有垃圾吊，對池內垃圾進行搬運、攪拌和倒垛，以確保入爐垃圾組分均勻。
垃圾焚燒工藝
垃圾焚燒系統(tǒng)包括從垃圾吊車接到垃圾后送至二次燃燒室進行燃燒以及垃圾焚燒爐出渣。焚燒爐的種類很多，焚燒工藝也因焚燒爐的不同而各有差別，焚燒爐主要有爐排爐、熱解爐、流化床等幾種。
爐排爐垃圾焚燒爐在國外是成熟的技術,國外焚燒垃圾的熱值大多2000kcal/kg以上。國內目前自行開發(fā)研制的爐排爐多屬于簡易焚燒爐,尚不能實現(xiàn)高效焚燒和低污染物排放。引進爐排爐則價格昂貴,經(jīng)濟性較差.
流化床焚燒技術是本世紀六十年代初迅速發(fā)展起來的一種新型清潔燃燒技術。流化床垃圾焚燒爐是一種綜合性能優(yōu)越的焚燒方式,尤其適合我國垃圾成分復雜、熱值低的國情.
余熱鍋爐發(fā)電工藝
垃圾焚燒爐的配套余熱鍋爐和氣輪發(fā)電機組。將垃圾焚燒產(chǎn)生的熱能通過余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽，然后用蒸汽供氣輪機組發(fā)電、上網(wǎng)。
煙氣凈化與處理工藝
生活垃圾焚燒過程中產(chǎn)生的煙氣中會有煙塵、酸性氣體、重金屬及二惡英等污染物。為了防止垃圾焚燒過程中對環(huán)境產(chǎn)生二次污染。為避免二次污染,在垃圾焚燒發(fā)電的同時,必須要采取高效的尾氣凈化措施。一般廢氣經(jīng)吸收凈化、活性炭吸附、袋式除塵器等設施處理,運用中和、吸附、過濾的原理對廢氣中的有害物質進行治理達標后由煙囪排入大氣中.
滲濾液處理工藝
垃圾滲濾液主要產(chǎn)生于垃圾貯存池,是垃圾在貯存池中發(fā)酵腐爛后,由垃圾內的水分排出而造成的.它的特點是臭味重,有機污染濃度高,氨氮含量高.其含量約占垃圾量的10%左右.一般由廢水處理站處理后排放.
爐渣爐灰處理工藝
垃圾焚燒后產(chǎn)生的爐渣占垃圾量的10%～15%左右，它屬于一般廢棄物，它從爐中落入輸送機，經(jīng)過降溫后送至爐渣堆放處，然后外運到指定地點，再經(jīng)過加工處理后，可作鋪路、制磚的輔料，進行再利用。經(jīng)布袋回收下來的飛灰，占垃圾總量的3%左右，它屬于危險廢棄物。將對產(chǎn)生的飛灰進行無害化處理，再送填埋場進行填埋.
惡臭控制和防治工藝
垃圾焚燒廠的惡臭味主要來源于垃圾貯存池，一般采用的控制與防治工藝是加強密封。一是對可能發(fā)生臭氣外泄的部位都采用密封材料進行封堵；二是在卸料平臺進門處設有風幕，防止垃圾車進廠時帶來的臭味外泄；三是將垃圾池的臭味抽到燃燒爐膛，用燃燒的辦法把臭味成分燒掉，達到脫臭效果.
以咸寧焚燒發(fā)電為例分析焚燒發(fā)電帶來的經(jīng)濟效益
咸寧焚燒發(fā)電概況
咸寧市于2009年奠基的豐泉垃圾焚燒發(fā)電項目位于咸寧市市區(qū)以西約3．5 km的孝子山毛山坳。該項目由咸寧市人民政府與中德環(huán)?？萍脊煞莨驹谥袊鴩鴥鹊娜Y子公司一福建豐泉公司合作建設，項目計劃總資20217．75萬元，廠區(qū)占地面積19 hm2，一期項目建設規(guī)模為日處理600 t，遠期規(guī)模達日處理1000 t。在額定工況下，每年最大可向電網(wǎng)供電6000萬kW·h，每天發(fā)電收入預計為5萬元左右。
與垃圾填埋比較
垃圾焚燒發(fā)電可以減少對土地資源的占用，極大地提高城市的后備空間發(fā)展能力，同時也保障了城市的后備土地資源，促進城市規(guī)模的擴展以及城市總體實力的提升。垃圾焚燒技術可以減少垃圾的體積和重量，處理后的垃圾體積僅為焚燒前的5％一15％，重量也只有焚燒前的20％～30％。這樣就可以有效地減少對土地資源的占用。以咸寧市垃圾焚燒發(fā)電項目為例，該項目占地19 hm2，若使用30年一共可以處理垃圾1095萬t，但是如果用垃圾填埋的方式來處理這些垃圾的話，則至少需1000萬n12的土地。
垃圾焚燒發(fā)電可以有效地調整能源結構
目前，咸寧市的主要電力來源是火電，其次是水電，然后就是九宮山的風力發(fā)電。每到冬季時節(jié)，降水量減少，各流域都進入枯水期，水電站開工不足，于是就造成電力緊缺，居民生活和工業(yè)生產(chǎn)用電緊張。湖北省的煤炭資源稀少，電廠發(fā)電所需的煤炭資源均需從外省調入。在冬季鐵路運輸緊張以及電廠的電煤庫存不足的情況下就不得不拉閘限電。成寧市垃圾焚燒發(fā)電項目的實施則可以有效地緩解冬季用電緊張的局面。據(jù)介紹，成寧市垃圾發(fā)電項目每年可發(fā)電60萬度電。屆時，咸寧市的供電來源就可以分為水電、火電、風電和垃圾發(fā)電，以及即將開工的我國內陸第一座核電站——通山核電。因此就可以形成供電渠道的多樣化，更好地保障城市用電，最終促進經(jīng)濟的發(fā)展.
垃圾焚燒發(fā)電可以解決垃圾的污染問題，提升城市的環(huán)境質量
垃圾焚燒發(fā)電技術將垃圾集中在焚燒爐內，可以對垃圾的焚燒處理程度進行控制，將垃圾焚燒過程中產(chǎn)生的污染降低到最小范圍。因此也不會對土壤和水體產(chǎn)生污染。垃圾焚燒發(fā)電也避免了垃圾填埋和垃圾堆肥所產(chǎn)生的惡臭，從而有效地保護了所在城市的人居環(huán)境。同時垃圾焚燒發(fā)電技術通過對垃圾的集中密封處理，遏制了垃圾堆中病毒和細菌的傳播所產(chǎn)生的對居民身體健康的威脅。垃圾焚燒發(fā)電項目可以有效地保護咸寧市的空氣質量和生態(tài)環(huán)境，促進人與自然和諧共處。從而將成寧市打造成為一個自然、無污染的原生態(tài)城市，成為武漢市的后花園。
我國焚燒發(fā)電存在的問題以及對策
我國生活垃圾特性
1996 年，有關專家對我國城市垃圾的成分進行了分析統(tǒng)計，當時有機垃圾占60%～70%，塑料占8%～9%，玻璃占3%～5%，紙張占2%～3%隨著時代變遷，我國垃圾成分也在逐漸發(fā)生變化?，F(xiàn)在城市垃圾中的無機爐灰、食品廢物、城市建筑垃圾明顯減少，紙張、塑料、金屬、玻璃燈、廢舊家電等電子產(chǎn)品比例大大增加。但是生活垃圾的特性與發(fā)達國家相比還是有很大差別，我國生活垃圾的主要特性與發(fā)達國家的差別
我國生活垃圾特性主要體現(xiàn)在：①我國垃圾含水量較高，是國外的1.5～2 倍；②平均熱值低，僅為發(fā)達國家的40%；③有機成分高，我國垃圾中廚余和餐飲等有機物占比例較大；④垃圾中可回收成分低。造成這些差異的一個原因是：我國垃圾依然以混合收集為主，而發(fā)達國家生活垃圾分類收集率在60%以上，德國等一些歐洲國家超過了80%。瑞典垃圾處理系統(tǒng)更是領先，97%廢棄物得到回收。
針對以上情況應該:
（1）減少水分進入垃圾。環(huán)衛(wèi)部門收集的生活垃圾成分中大部分是水：一是因為廚余類垃圾含水量高，二是因為收集系統(tǒng)密閉程度低，使得雨水進入城市生活垃圾。1 噸水通過下水道進入污水處理廠的處理成本在1 元左右，而通過垃圾收運處理高達100 元以上。因此，要做好垃圾收集的密閉工作，減少雨水進入生活垃圾，同時也要控制家庭垃圾中的湯水進入城市生活垃圾。
（2）施行垃圾分類政策，從源頭控制垃圾組分。在國外不僅市民有良好的垃圾分類習慣，市政部門也為垃圾分類提供了便利，不同種類的垃圾有不同的回收地點，甚至是回收時間。理想的垃圾分類模式應該是，分類投放、分類收集、分類運輸、分類利用、分類處理。這樣可做到垃圾從源頭削減，實現(xiàn)垃圾減量化、資源化、無害化。而我國的垃圾傾倒順序是，家庭傾倒、個體揀拾、小區(qū)集中、粗放分類、填埋場。個別城市小區(qū)有分類投放，但卻混合收集，有的城市先混合收集，而后粗放分類。這樣既浪費了垃圾資源，也增加了垃圾處理成本。
我國政府也應該制定相關法規(guī)政策，引導居民實施垃圾分類。在垃圾傾倒點，放置具有醒目標識的垃圾桶，具體可分為三類：可燃垃圾、不可燃垃圾、可回收垃圾。并將分類方法印成宣傳冊在居民區(qū)發(fā)放或上門發(fā)放，從幼兒開始就加強垃圾分類的教育，使垃圾分類觀念深入人心。
焚燒發(fā)電過程產(chǎn)生的污染問題
垃圾焚燒發(fā)電的流程大致為：由環(huán)衛(wèi)部門將垃圾收集、運送并倒入到垃圾儲坑內，儲存堆5～7天，經(jīng)滲水發(fā)酵后，進入焚燒爐內在800～1000 ℃溫度下燃燒，垃圾燃燒產(chǎn)生熱量使爐內水蒸汽升溫升壓后，沖轉汽輪機并帶動發(fā)電機發(fā)電；垃圾焚燒產(chǎn)生的尾氣通過除塵處理后排放；同時排出飛灰和底灰。在整個過程中會產(chǎn)生廢氣、廢渣和廢液等廢物。其中最受人們關注和困擾發(fā)展垃圾焚燒發(fā)電技術的一個原因是二口惡英/呋喃（PCDD/ Fs）問題。
通常采用以下處理方式來減少垃圾焚燒過程中PCDD/Fs 的生成：① 垃圾的前處理，挑選出可作為催化劑的金屬物質和為生成二口惡英提供氯源的垃圾組分；② 控制燃燒溫度在850 ℃以上。研究結果表明，700～850 ℃這個溫度段最容易產(chǎn)生PCDD/Fs。PCDD/Fs 在900 ℃下2 秒或是1000 ℃下1 秒會徹底分解：③保持含氧量在一定的水平，在控氣型焚燒爐中，一燃室始終處于缺氧狀態(tài)（還原氣氛），僅有的氧原子優(yōu)先與C、H 結合， Cu、Al、Fe 等不易被氧化，削弱了二口惡英的生成環(huán)境；④選擇合適的焚燒爐。經(jīng)過實踐表明，流化床焚燒也可使爐煙氣中實測的二口惡英類排放體積質量遠低于排放標準。
對于生成的PCDD/Fs 可通過凈化方式去除。目前推薦采用布袋式除塵器+半干法脫除酸性氣體的方法，比如利用堿性的反應劑（CaO）或熟石灰粉[Ca(OH)2]作吸收劑，吸收煙氣中的酸性組分；同時利用粉體活性炭的多孔性及對重會屬和有機廢氣選擇性吸收的特性，經(jīng)多次循環(huán)吸收使煙氣中的二口惡英，重金屬等，使有毒組份降到標準范圍以內[16]。實時在線檢測系統(tǒng)，目前還沒有在線檢測系統(tǒng)，但是研究表明PCDD 的含量與CO 的濃度密切相關，當CO 的濃度在（10～2144）×10-6 時，PCDD/Fs 的排放因數(shù)和CO 存在線性關系。因此可以通過監(jiān)測CO 的方式來間接檢測PCDD/Fs。
影響焚燒發(fā)電推廣的因素以及在我國的推廣情況
影響焚燒發(fā)電推廣的因素
垃圾發(fā)電的盈利問題
垃圾處理費補貼和上網(wǎng)電價收入是垃圾發(fā)電廠成本補償和合理利潤的主要來源，垃圾發(fā)電廠建設投資大、運行費用高。由于我國垃圾沒有實現(xiàn)分類收集，大多數(shù)生活垃圾含水率高、熱值低，垃圾焚燒時需添加大量燃料助燃，使垃圾處理和發(fā)電成本大幅提高，企業(yè)經(jīng)濟效益差，投資積極性受到影響.
國家政策的幫助
如上訴所說垃圾的分類以及焚燒垃圾的補助都需要政府的大力支持，所以國家政策的幫助成為焚燒垃圾發(fā)電推廣的一大影響因素，而十一五與今年的十二五計劃都將焚燒發(fā)電作為我國垃圾處理有效方式而大力推廣。
社會壓力
垃圾發(fā)電，最大的阻力其實在于社會阻力，因為宣傳不到位和老百姓對于垃圾發(fā)電工藝的一些不解，近些年，垃圾發(fā)電項目遲遲不能立項屢見不鮮。
焚燒發(fā)電在我國的推廣情況
焚燒發(fā)電東南及沿海地區(qū)占比近半
據(jù)有關媒體最新報告《中國城市生活垃圾行業(yè)投資分析報告(2012)》不完全統(tǒng)計，1998年至2012年3月，我國垃圾焚燒發(fā)電項目市場的累計投資總額為1469億元，共449個項目。圖1為各地垃圾焚燒發(fā)電項目數(shù)量分布及占比情況。其中，廣東垃圾焚燒發(fā)電項目市場投資總額最高，為272億元，占全國垃圾焚燒發(fā)電項目投資額的比例為18%；其次是江蘇、福建、山東和浙江，這五個地區(qū)的占比總額為48%，其中廣東，江蘇及福建項目投資均超百億元?？梢钥吹?，全國近一半的垃圾焚燒發(fā)電項目分布東南及沿海地區(qū).
“十二五”垃圾焚燒發(fā)電投資快速增長
據(jù)《“十二五”全國城鎮(zhèn)生活垃圾無害化處理設施建設規(guī)劃》，“十二五”期間，全國城鎮(zhèn)生活垃圾無害化處理設施建設總投資約2636億元，到2015年，全國城鎮(zhèn)生活垃圾焚燒處理設施能力達到無害化處理總能力的35%以上，處理能力達到307155噸/日(根據(jù)《中國城市建設統(tǒng)計年鑒(2010年)》，2010年為8.49萬噸/日)，按廠均處理能力817噸/日測算，“十二五”期間還需要新建約272座垃圾焚燒廠。按每個項目3.27億元投資計算，“十二五”期間垃圾焚燒發(fā)電項目總投資將達889億元，產(chǎn)業(yè)各環(huán)節(jié)的垃圾焚燒設備供應商、工程承包商、運營商等將因此而受益。
結束語
垃圾焚燒發(fā)電技術成熟，在國外已得到廣泛應用，而在我國還處于初級階段。與填埋、堆肥等傳統(tǒng)垃圾處置方式相比，由于其技術含量高、環(huán)保要求嚴，因而基礎投資要高許多，但垃圾焚燒發(fā)電技術可以顯著減少垃圾的體積和重量，并能綜合利用余熱和廢渣，帶來的環(huán)境效益是長遠的。垃圾焚燒發(fā)電是最有效的垃圾減量化、無害化、資源化處理手段，對解決“垃圾圍城”這一難題具有積極作用，且符合我國循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展要求，正逐漸成為大中型城市主要垃圾處理方式。隨著垃圾分類投放、分類處理的規(guī)范化和國產(chǎn)化焚燒爐術水平的提高，垃圾焚燒安全性將不斷提高，焚燒發(fā)電的投資運營成本將進一步降低，焚燒發(fā)電效率也有較大提升空間，客觀上為垃圾焚燒發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展奠定了堅實基礎。加之國家政策的良好引導和大力支持，我國的垃圾焚燒發(fā)電產(chǎn)業(yè)將會具有更廣闊的空間。