城市垃圾焚燒發電技術及運用分析

1 引言

2019 年， 西安首個達到全量投產運行標準的垃圾焚燒發電項目正式啟動，該項目的落地向外界傳達了兩個信息：一是西安處理生活垃圾的模式已經和上海等城市相接軌， 二是西安已實現從早期衛生填埋向無害焚燒轉變的目標。 以往針對垃圾焚燒發電的研究多以國內一線城市為背景， 導致研究結論不具有普適性。 本文以西安為研究對象，以期彌補相關領域空白，為日后垃圾焚燒發電技術的大范圍推廣提供有力支持。

2 垃圾焚燒發電的意義

在城市化進程逐漸推進的當下，城市每日所產生垃圾總量較以往有所增加， 據統計，2007 年的垃圾清運量僅22 324萬t，2018 年增加至29 461 萬t，具體數據如圖1 所示。

圖1 城市垃圾清運量

垃圾進行無害化處理技術可分為3 類：堆肥、焚燒以及衛生填埋。 三者均存在明顯優勢及不足，只有結合居民需求、土地資源持有量和經濟水平加以選擇，才能取得良好的效果[1]。 近幾年，隨著認識水平的提高，業內人士紛紛意識到對垃圾進行無害化、減量化還有資源化處理的重要性，這也為垃圾焚燒技術的發展提供了有力支持。 全國焚燒垃圾的總量如圖2 所示。

圖2 垃圾焚燒處理量

隨著垃圾焚燒量的增多， 常規填埋處理手段逐漸退出歷史舞臺，原因在于垃圾分解產生大量病毒、細菌和滲濾液，不僅污染環境，還對人體健康造成威脅。 焚燒處理不存在以上問題，可在保證處理效率的前提下，最大限度降低垃圾處理過程中給環境帶來的影響。

3 項目概況

2019 年至今，西安先后建立多個垃圾焚燒發電廠，本文以西安某發電廠為例，圍繞焚燒垃圾發電技術展開討論。 該發電廠占地面積約53 333.3 m2，包括水泵房、廠房及綜合樓等，實測建筑面積為29 000 m2，廠內配有煙氣凈化、垃圾焚燒和汽輪機發電等設施。 該廠建成至今，每日垃圾焚燒量始終穩定在1 050 t 左右，每年發電量約1.5 億kW·h。 隨著時間推移，該廠既有焚燒模式所能發揮的作用已無法達到預期， 為保證該廠的價值得到最大化實現，有關人員決定引入新型焚燒技術，同時對現有技術進行優化。

4 垃圾焚燒發電技術的運用

4.1 前期準備

儲存垃圾的關鍵是篩選無法燃燒的垃圾及有害有毒的垃圾，正式入場前，對垃圾進行稱重，為后續工作的開展提供真實、準確的數據。一般來說，儲存池保存垃圾的時間均不超7 d，在此期間，還需要工作人員向池內加入指定試劑并攪拌，嚴格控制儲存階段所產生滲濾液的總量，避免環境受到污染[2]。

4.2 確定焚燒方式

垃圾焚燒是指通過專用設備將經過初步處理的垃圾轉移至指定焚燒平臺并焚燒。 焚燒結束后，爐內將產生一定量的爐渣。按照焚燒設備不同，可將焚燒方式分成3 種，分別是熱解爐、爐排及流化床焚燒，不同方式的適用場景、優勢和不足均有不同，只有根據實際情況加以選擇，才能使其作用得到最大程度發揮。

4.2.1 熱解爐焚燒

該技術強調將垃圾置于隔絕空氣的環境下， 通過焚燒確保垃圾所含有機物能被快速分解，隨后，再利用NaOH 堿液對焚燒所形成的廢氣進行凈化。 在現有焚燒技術中，該技術優勢最為突出，包括操作難度小、設備構成相對簡單、運行成本較低等。 該技術也存在較為明顯的不足，即：處理能力無法達到爐排、流化床焚燒的水平，焚燒產生殘渣往往含有大量碳，因此，現階段，該技術尚不具備在城市地區大范圍推廣的條件，未來應針對該技術存在的不足，擬訂相應解決方案，使其優勢得到充分發揮。

4.2.2 爐排焚燒

爐排焚燒需要先將垃圾倒入料斗，再將料斗向下傾斜，通過推料器推入爐內，等到燃油、氧氣完全混合，便可進行燃燒，這里需注意：燃燒期間應不斷攪動垃圾，保證垃圾充分接觸燃氣并徹底燃燒[3]。

爐排主要負責向下推動垃圾， 確保垃圾能快速到達爐排指定區域，在運送垃圾的過程中，爐排上方垃圾受爐排下方散發出的熱量影響，進而發生化學反應。 儲存池內抽氣抽至焚燒爐內燃燒，形成負壓，保證臭氣不外溢，其作用是保證焚燒爐內高溫煙氣通過換熱產生高溫高壓蒸汽， 并進行沖轉汽輪機做功發電。 接受干燥處理的垃圾，通常能持續獲得氧氣，隨著二次熱風的注入，爐膛內部氧氣含量將進一步增多，此時，對垃圾進行反復攪動可使垃圾充分燃燒。

實踐表明，與其他焚燒技術相比，爐排焚燒優勢在于適用范圍廣、處理效率高，可充分滿足城市對垃圾焚燒的要求，不足則表現為前期投入、后期運營成本相對較高。

4.2.3 流化床焚燒

使用該技術焚燒垃圾的步驟和原理如下：第一步，在爐膛內側底部均勻鋪設爐渣，通過預加熱的方式，將爐渣溫度提高到600 ℃；第二步，向爐內勻速注入熱風（溫度應達到200 ℃或以上）[4]；第三步，將經過破碎處理的垃圾連同熱砂、煤粉轉移至爐膛內并進行焚燒， 焚燒爐內填充砂粒的溫度直接影響其助燃作用，一般情況下，其助燃效果會隨著溫度的提高而加強；第四步，未徹底燃燒的物質將連同燃燒灰燼被排出鍋爐，隨后，由特殊設備對爐內排出物質進行處理，確保砂粒能高效分離，為后續砂粒的二次使用奠定基礎。圖3 為流化床實物圖。

圖3 流化床

利用該方式焚燒垃圾時， 通常不需要在爐內安裝爐排，故有關人員選擇在爐底均勻鋪設爐渣、石英砂，通過持續注入熱氣的方式，吹起床底料并達到加熱目的。 在吹起加熱過程中，將有少量灰料被吹出爐膛，由于鍋爐出口安裝了分離器，因此，被吹出的灰料能及時被分離并回送至爐底。 事實證明，該技術可保證爐內氣體反應良好的效果，轉移至焚化爐內的垃圾通常能在短時間內與爐內物質相遇并發生反應， 極大程度上縮短了焚燒時間。 該方式需要燃燒大量煤炭，并在換熱技術的輔助下，保證爐內蒸汽始終處于亞高壓的狀態，雖然此做法能使焚燒垃圾的成本得到控制，確保鍋爐熱效率達到預期水平，但有一定概率污染周圍環境，有悖于環保理念。

4.3 利用余熱發電

焚燒爐的配套設備有汽輪發電組、余熱鍋爐等，其運行原理如下：焚燒垃圾會產生大量熱氣，熱氣進入余熱鍋爐后，將在鍋爐內轉化成蒸汽，由此為汽輪發電組提供強大動力，確保發電組能長時間處于穩定、高效的運行狀態。余熱鍋爐的特點是以受熱面為載體，吸收焚燒垃圾形成的熱量，將熱量轉化成蒸汽并統一轉移至汽輪發電機內，由此達到為用戶提供優質電能的目的。 近幾年，該技術已在國內廣泛運用，其效果有目共睹。

4.4 其他技術要點

4.4.1 煙氣處理

焚燒垃圾往往產生大量有害氣體， 只有采取恰當手段凈化煙氣，才能避免城市環境受到嚴重污染。 對本項目焚燒垃圾產生的氣體進行監測和分析結果如表1 所示。

表1 本項目廢氣監測數據

實踐表明，要想使煙氣凈化效果達到預期水平，關鍵需搭配使用不同設施，包括但不限于濕式反應塔及干式反應塔，其中， 前者更適合凈化煙氣所含酸性氣體， 后者多用于污水處理。除此之外，還可對布袋收塵器、其他常見裝置加以應用。干法原理是將煙氣、消石灰充分結合，通過化學反應消除酸性氣體；半干法與濕法則強調向洗滌塔內注入堿溶液，待煙氣進入洗滌塔后，便會接觸堿溶液并發生反應。

4.4.2 滲濾液處理

對垃圾儲存池所堆放垃圾進行發酵處理， 通常會產生大量滲濾液，滲濾液含有氨氮及多種重金屬，具有較強的刺激性氣味。 調查儲存池發現，滲濾液占比往往達10%左右，故增設污水處理點勢在必行。 污水處理點的任務主要是處理經過燃燒的垃圾，待垃圾達到行業標準再統一對其進行排放。 考慮到有關部門對滲濾液要求較嚴格，因此，發電廠應根據自身情況酌情引入膜生物反應器或其他先進技術處理滲濾液， 將滲濾液給環境帶來的負面影響降至最低。

5 結語