我國(guó)生活垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀及展望

袁寅強(qiáng)，楊 旭

(廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院惠州檢測(cè)院，廣東 惠州 516003)

生活垃圾的處理方式包括垃圾回收、填埋、堆肥以及焚燒等，其中，垃圾焚燒已經(jīng)成為目前最常用的垃圾處理方式[1]。隨著我國(guó)垃圾分類政策的推進(jìn)和實(shí)施，城市生活垃圾焚燒技術(shù)將會(huì)迎來巨大發(fā)展。通過垃圾焚燒技術(shù)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)廢物的資源化/能源化利用，還能夠?qū)崿F(xiàn)減容80%以上[2]。本文綜述了我國(guó)垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)的現(xiàn)狀，重點(diǎn)針對(duì)其中的污染物排放、受熱面腐蝕以及智慧焚燒等方面進(jìn)行了總結(jié)，并展望了垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 垃圾焚燒污染物控制

1.1 垃圾焚燒污染物的組成

目前我國(guó)的生活垃圾包括可回收垃圾，如紙張、廢塑料、廢織物等；有害垃圾，如廢電池、廢油漆等；濕垃圾，如過期食品、廚余垃圾等；以及剩余的干垃圾等四類。干垃圾是垃圾焚燒處理的主要部分，其本質(zhì)是垃圾中的可燃物質(zhì)發(fā)生氧化燃燒，生產(chǎn)熱能的過程。同時(shí)，垃圾中不可燃的成分則變成了飛灰等殘?jiān)Ｒ话闱闆r下，生活垃圾的組成部分極為復(fù)雜，導(dǎo)致其燃燒產(chǎn)生的煙氣成分具有多樣性，包括了顆粒污染物(煙塵)、重金屬(Hg、Pb、Cd、Cr 等)、酸性氣體(HF、HCl、SOx、NOx等)、以及毒性很強(qiáng)的有機(jī)污染物(二噁英)等[3]。為了避免垃圾焚燒對(duì)環(huán)境造成污染，不同國(guó)家和地區(qū)針對(duì)排放煙氣中污染物的濃度制定了一系列的標(biāo)準(zhǔn)[4]。

表1 垃圾焚燒排放標(biāo)準(zhǔn)[4]

1.2 煙氣凈化工藝及現(xiàn)狀

為了滿足污染物的排放標(biāo)準(zhǔn)，需要對(duì)煙氣中的煙塵和酸性氣體等進(jìn)行減排處理。煙塵垃圾焚燒過程中產(chǎn)生的微小無機(jī)顆粒物質(zhì)，吸附能力超強(qiáng)，主要是基于物理反應(yīng)或熱化學(xué)反應(yīng)得到。由于其超強(qiáng)的吸附能力，使其成為了有毒有機(jī)物、有害重金屬的富集地，危害較大。通過在系統(tǒng)中加裝除塵凈化裝置，可有效減小煙氣中顆粒物濃度。

由于垃圾中含有Cl、S、F、N等元素，導(dǎo)致其在焚燒過程中會(huì)產(chǎn)生酸性氣體。如氯化氫主要來自于生活垃圾中的塑料、紙張和廚余等垃圾的反應(yīng)[5]。NOx主要是空氣中的氮?dú)庋趸屠械暮衔锓纸舛鴣怼Ｋ嵝詺怏w一般采用濕法、半干法和干法三種工藝脫除。針對(duì)NOx氣體，選擇性非催化還原(Selective Non-catalytic Reduction,SNCR)是最為常用的脫硝技術(shù)，該技術(shù)較為成熟，它可以在不使用催化劑的情況下，在800～1 110 ℃的煙氣環(huán)境中，讓還原劑(氨水或尿素)與NOx反應(yīng)得到氮?dú)夂退甗6]。SNCR由于具有成本低、改造方便、效率高(30%～75%)等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)被廣泛使用。

煙氣中重金屬的成分主要來源于電子產(chǎn)品、電池、油漆等物質(zhì)，含重金屬元素的成分燃燒過程中，經(jīng)歷了蒸發(fā)和表面化學(xué)反應(yīng)等過程，然后凝結(jié)成核并分布于爐渣、飛灰和底灰之中。針對(duì)這類污染物的處理過程，主要是采用飛灰及爐渣固化處理技術(shù)，然后進(jìn)行填埋或者提煉實(shí)現(xiàn)資源的再利用[7]。

二噁英因?yàn)槠鋸?qiáng)烈的毒性和致癌性，成為了垃圾焚燒產(chǎn)生的污染物中最受關(guān)注的之一。它主要發(fā)生于尾部煙道和燃燒過程中，當(dāng)反應(yīng)溫度300～500 ℃時(shí)，最容易生成二噁英[8]。針對(duì)二噁英的控制技術(shù)，嚴(yán)格調(diào)控垃圾焚燒過程的參數(shù)和燃燒條件，是控制二噁英排放的最有效措施。此外，通過噴射活性炭對(duì)二噁英進(jìn)行吸附，也是輔助凈化二噁英的重要措施。

圖1 垃圾焚燒過程二噁英生成位置示意圖

1.3 垃圾焚燒飛灰的處理工藝

垃圾焚燒產(chǎn)生的固體產(chǎn)物一般包括底渣和飛灰，飛灰是從煙氣系統(tǒng)收集的固體顆粒，而底渣則是燃燒室底部排出的固體廢棄物。根據(jù)不同的垃圾焚燒處理過程，飛灰和底渣所占的比例有所不同。對(duì)于城市生活垃圾，其經(jīng)過處理之后的殘?jiān)祭亓康?0%～20%，其中飛灰占～5%，底渣占5%～15%。而對(duì)于一些危險(xiǎn)廢棄物燃燒產(chǎn)生的固廢則差別較大，一般飛灰在5%～10%，底渣在5%～20%。

垃圾焚燒產(chǎn)生的飛灰除了造成空氣中粉塵增多，降低空氣質(zhì)量外，飛灰中包含的有害物質(zhì)也具有很大的危害性。主要體現(xiàn)在飛灰中可能含有大量的重金屬污染物和二噁英等有機(jī)污染物。重金屬難以被降解，垃圾焚燒過程中重金屬的形態(tài)發(fā)生變化和遷移，富集于飛灰之中，然后通過大氣、水等途徑被人吸收，造成體內(nèi)富集或形成強(qiáng)毒的化合物。此外，飛灰也是二噁英等有害有機(jī)物的重要載體，飛灰中攜帶的二噁英占總排放量的70%左右，一方面是由于飛灰孔隙度高、比表面積大，容易吸附二噁英；另一方面是由于飛灰中包含的重金屬成為了二噁英合成的催化劑，導(dǎo)致了在尾部煙道處二噁英的二次合成。

目前，穩(wěn)定/固化技術(shù)是最常使用的飛灰處理技術(shù)，通過添加粘合劑，通過物理和化學(xué)的方法，將飛灰中的有害組份進(jìn)固化處理，然后進(jìn)行安全填埋。這種方式具有工藝簡(jiǎn)單、能耗低、操作容易、固化劑原料豐富等優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)高增容比，高金屬浸出率等效果。

2 垃圾焚燒爐管壁腐蝕

垃圾焚燒過程中，由于煙氣成分復(fù)雜，在高溫和高塵的復(fù)雜環(huán)境下，換熱器表面極易被煙氣中含Cl和S的酸性氣體和飛灰中的氯堿鹽所腐蝕，導(dǎo)致?lián)Q熱器管壁厚度減薄，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生爆炸，造成安全事故[9]。

2.1 高溫腐蝕

高溫腐蝕主要包括氣相腐蝕和熔鹽腐蝕。當(dāng)入爐垃圾中含有較高的塑料和廚余垃圾時(shí)，其成分中的聚氯乙烯(PVC)和氯化鈉(NaCl)會(huì)在燃燒后形成高腐蝕性的HCl。研究表明，垃圾焚燒產(chǎn)生的煙氣中HCl 濃度可達(dá)600～1 900 mg/m3。當(dāng)換熱器管壁溫度達(dá)到320～480 ℃時(shí)，含Cl的氣體會(huì)與管壁反應(yīng)，生成FeCl3，當(dāng)溫度進(jìn)一步升高到480～800 ℃時(shí)，F(xiàn)eCl3進(jìn)一步分解，破壞管壁外表面的氧化保護(hù)層，造成管壁腐蝕[10-11]。

垃圾焚燒產(chǎn)生的煙氣中常含有大量的堿金屬氧化物，在煙氣中HCl和S的作用下形成鹽類，發(fā)生類似水溶液中的電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象。此外，熔鹽混合物的熔點(diǎn)低，在高溫狀態(tài)下易轉(zhuǎn)化為液態(tài)，加速腐蝕，并且由于金屬在高溫熔鹽中更容易溶解，導(dǎo)致金屬材料在高溫處溶解，擴(kuò)散至低溫處析出，對(duì)管壁形成持續(xù)腐蝕[12]。

2.2 低溫腐蝕

生活垃圾通常含有一定比例的橡膠、氟化鹽、塑料、以及漂白劑等，含水量較高(40%～60%)，導(dǎo)致垃圾焚燒處于高濕度環(huán)境中。當(dāng)復(fù)合酸性氣體與水蒸氣凝結(jié)，則導(dǎo)致低溫腐蝕。此外，隨著煙氣溫度的降低，高溫環(huán)境下呈氣態(tài)的二噁英和重金屬等逐漸凝固和沉積于換熱器表面，導(dǎo)致設(shè)備傳熱惡化。

2.3 沖刷腐蝕

此外，垃圾焚燒的煙氣中常伴隨有砂粒等固體顆粒物，煙氣流動(dòng)過程中會(huì)對(duì)受熱面進(jìn)行高速?zèng)_刷，造成換熱器表面沖刷腐蝕。當(dāng)腐蝕嚴(yán)重時(shí)，腐蝕產(chǎn)物被顆粒沖刷剝離后導(dǎo)致新的表面暴露，形成腐蝕-磨損-腐蝕循環(huán)作用，直接加速受熱管壁的減薄和破壞[9]，減小換熱器的使用壽命。

2.4 防腐蝕技術(shù)

為了保證垃圾焚燒鍋爐的長(zhǎng)期穩(wěn)定安全運(yùn)行，通常需要對(duì)換氣熱進(jìn)行防腐蝕處理。堆焊是通過焊接手段，將填充金屬熔覆在換熱器表面，用以抵抗磨損和腐蝕，但容易導(dǎo)致管材熱變形甚至產(chǎn)生裂紋。以激光作為熱源的激光熔覆，能夠縮短基材的受熱時(shí)間，使其在自動(dòng)化、稀釋率等方面顯著提升。熱噴涂則是將熔融或者半熔融狀態(tài)的陶瓷、金屬或者其復(fù)合物，高壓噴涂在換熱器表面，形成致密的保護(hù)涂層。

圖2 防腐蝕技術(shù)[10](a)堆焊，(b)激光熔覆，(c)電弧噴涂

3 智慧垃圾焚燒

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)垃圾燃燒和污染物排放狀態(tài)，調(diào)整相關(guān)參數(shù)，對(duì)降低污染物的生成具有重要價(jià)值。垃圾焚燒過程中的酸性氣體和粉塵可通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的排放數(shù)據(jù)獲得，進(jìn)一步結(jié)合人工智能、優(yōu)化算法、數(shù)據(jù)組網(wǎng)通訊等技術(shù)對(duì)酸性氣體和粉塵進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控，減小資源浪費(fèi)，提前對(duì)污染物濃度預(yù)測(cè)和預(yù)警[13]。

3.1 燃燒狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)與診斷

為了實(shí)現(xiàn)鍋爐內(nèi)部垃圾焚燒狀態(tài)穩(wěn)定，需要對(duì)鍋爐內(nèi)的燃燒過程和狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)整。周志成等人[14]提出了一種結(jié)合人工智能和數(shù)字圖像處理技術(shù)的垃圾焚燒診斷方法。基于燃燒火焰圖像特性，獲得了燃燒狀態(tài)診斷，指導(dǎo)燃燒參數(shù)的調(diào)整。薛禎禎等人[15]通過垃圾焚燒爐內(nèi)火焰的彩色圖像，獲得了火焰的輻射強(qiáng)度及火焰溫度，并結(jié)合監(jiān)測(cè)到的煙氣中NOx、SOx和HCl的濃度狀態(tài)，調(diào)整火焰溫度到最佳值，實(shí)現(xiàn)了低排放，降低了燃燒沉積。

3.2 污染物智能監(jiān)測(cè)

針對(duì)煙氣污染物問題，開發(fā)智能檢測(cè)和反饋優(yōu)化控制是優(yōu)化污染物排放控制的最有效途徑之一。沈翔等人[16]基于Eley-Rideal反應(yīng)動(dòng)力學(xué)原理，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智能算法，提出了垃圾焚燒的煙氣脫硝預(yù)測(cè)模型，實(shí)時(shí)改變脫硝酸劑用量。以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或者數(shù)據(jù)組網(wǎng)等智能控制手段，可對(duì)粉塵和酸性氣體進(jìn)行智能化的監(jiān)控，精準(zhǔn)調(diào)控去除劑給料，有效減少脫酸劑的用量，縮減運(yùn)行成本，防止污染物超標(biāo)(如圖3所示)[17-18]。

圖3 智能化運(yùn)行流程圖

未來，融合垃圾分類、儲(chǔ)運(yùn)、燃燒技術(shù)、煙氣處理和智能檢測(cè)等多個(gè)過程，通過多技術(shù)協(xié)同，以降低污染物排放濃度、二噁英排放量、鍋爐設(shè)備受損/腐蝕，是未來發(fā)展的重要方向[19]。

4 結(jié)論與展望

本文主要介紹了城市生活垃圾焚燒發(fā)電過程中的污染物排放、換熱器腐蝕和智能化控制等關(guān)鍵問題的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)。通過現(xiàn)場(chǎng)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)模型的研發(fā)和訓(xùn)練， 結(jié)合大數(shù)據(jù)分析和云平臺(tái)共享，實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒狀態(tài)、污染物濃度、換熱器壽命等的預(yù)測(cè)，將成為智慧焚燒的重要熱點(diǎn)。本文為垃圾焚燒技術(shù)的安全、智能和無害化處理提供了借鑒。