高效率垃圾焚烧发电技术分析和应用-浙江省可再生能源协会

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高效率垃圾焚烧发电技术分析和应用

来源：《基层建设》作者：《基层建设》日期：2020-06-30

随着我国城镇化水平的提高和城市的不断发展，城市生活垃圾焚烧发电技术将发展成为我国垃圾处理的重要手段之一。目前垃圾焚烧技术的环境保护相关研究较为完善，国家制定的相关标准中都提供计算模型并要求提出合理环境保护措施，对垃圾焚烧发电技术的绿色发展提供了较好的保障。垃圾焚烧发电技术，经过有效的环保措施改善排污情况，将真正实现减少环境污染，提高垃圾的处理效率，同时通过资源整合，降低处理垃圾所需的成本，改善我们的生态环境。
　　1、垃圾焚烧发电简介
　　垃圾焚烧发电技术原理：垃圾发电是把各种垃圾收集后，进行分类处理。其中：一是对燃烧值较高的进行高温焚烧（彻底消灭病源性生物和腐蚀性有机要物），在高温焚烧（产生的烟雾经过处理）中产生的热能转化为高温蒸气，推动汽轮机转动，使发电机产生电能。二是对不能燃烧的有机物进行发酵、厌氧处理，最后干燥脱硫，产生一种气体叫甲烷（沼气），再经燃烧把热能转化为蒸气，推动汽轮机转动，带动发电机产生电能。垃圾由运输车运至焚烧厂，经地磅称重后，开至卸料门，卸到垃圾池。垃圾吊车将垃圾送入给料斗，并送入炉内，在焚烧炉内燃烧。送风机的入口与垃圾池连通，可将垃圾的臭味送入燃烧温度约850～1100℃的焚烧炉内进行热分解，变为无臭气体。垃圾经过干燥、燃烧和燃烬三个阶段，垃圾在850～1100度的高温下充分燃烧。通过DCS自动控制系统和自动燃烧控制系统能够即时监控和调整炉内垃圾的燃烧工况，及时调节炉排运行速度和燃烧空气量。燃烧的火焰及垃圾焚烧产生的高温烟气，经自然循环锅炉，产生高温蒸汽，为汽轮发电机组提供汽源。
　　2、垃圾焚烧发电运用现状
　　2.1垃圾焚烧发电技术现状
　　目前我国的垃圾焚烧焚烧炉以炉排炉为主，主蒸汽参数为4.0MPa/400℃，焚烧炉与余热锅炉的效率80%，汽轮机效率在28%，发电效率在22%左右。提高焚烧发电效率应重点从焚烧炉、余热锅炉、汽轮发电机性能着手。目前焚烧炉热灼减率3%以下，焚烧炉性能提升空间有限，因主蒸汽参数较低、余热锅炉排烟温度偏高达220℃，需要提高主蒸汽参数。
　　2.2温度存在的风险
　　采用高参数的主要风险为酸性气体对水冷壁和过热器等受热面的高温腐蚀。垃圾焚烧烟气含HCl和SO2等具有腐蚀性气体，与工质中金属氧化物生成Na2SO4、FeCl2等各种盐类，产生金属腐蚀，这些低熔点物质以液态形式附着在热交换管表面，浸透不致密的保护层，腐蚀金属基材。当管壁温度超过400℃后，壁面腐蚀速度开始上升，超过480℃后腐蚀速度指数上升，现在焚烧发电厂的过热蒸汽的温度都控制在450℃以下。
　　2.3垃圾焚烧的方式
　　(1)垃圾的收集与预处理:按照《生活垃圾焚烧污染控制标准》(GB18485-2014)的要求，危险废物不得进入生活垃圾焚烧厂处理，因此要控制污染物的产生，必须从源头上加以避免，所以应积极开展垃圾分类收集，通过分类收集或预分拣控制生活垃圾中氯和重金属含量高的有害物质进入垃圾焚烧厂。控制烟气污染物的产生根据烟气污染物的形成机理，控制垃圾焚烧条件，使燃烧处于良好状态，减少有害物质的生成。1)运用合适的炉膛和炉排结构，使垃圾在焚烧炉得以充分燃烧。而衡量垃圾是否充分燃烧的指标之一是烟气中CO的浓度，CO浓度越低说明燃烧越充分，比较理想的CO浓度指标是低于60mg/m3。2)控制焚烧炉内烟气出口温度不低于850℃，烟气在炉膛及二次燃烧室内的停留时间不小于2s，O2的浓度不少于6%，并合理控制助燃空气的风量、温度和注入位置。3)由于NOx在高温充分氧化的条件下更易生成，与减少二恶英的控制条件矛盾，一般在燃烧实际运行中保证在垃圾可燃组分充分燃烧的基础上，再兼顾NOx的产生。现在普遍处理措施是在烟气处理系统中增加脱硝装置。
　　(2)烟气净化处理:烟气净化系统是城市生活垃圾焚烧污染控制的关键，烟气净化后各种污染物的排放浓度应达到新国标的规定。目前国内烟气净化普遍采用半干法+干法+活性炭吸附+布袋除尘工艺。分为两步：第一步脱酸，除去酸性气体;第二步除尘，收集颗粒物、重金属和二噁英类有机物。1)除尘:除尘器是烟气净化系统的末端设备。国标GB18485-2014中规定生活垃圾焚烧炉除尘装置必须采用袋式除尘器。袋式除尘器不仅收捕一般颗粒物，而且能收除挥发性重金属或其氯化物、硫酸盐或氧化物凝结成直径≤0.5μm的气溶胶，还能收除吸附在灰分或活性炭颗粒上的二恶英等有机类污染物。袋式除尘系统中的布袋是由玻璃纤维制成滤布，对尾气进行过滤，达到除尘及吸附二噁英的目的。烟尘颗粒在滤布表面堆积形成致密的薄层，因此布袋式除尘器对粉尘去除率一般都很高。受布袋玻璃纤维的耐热强度限制，尾气温度一般须控制在250℃左右，低于二噁英的再合成温度。2)二恶英类和重金属污染物的去除:二噁英及重金属在飞灰和炉渣中的比例差别很大。由于飞灰的比表面积很大，对二噁英有很强的吸附作用，导致飞灰中二噁英浓度很高，通常占焚烧过程二恶英总排放量的70%左右。而大部分的重金属(>70%)都仍留存于炉渣中，仅Hg和Cd在高温下挥发，进入飞灰中或小部分随焚烧烟气排放。为提高烟气中二噁英类和重金属污染物的去除率，可以采取以下方法：(1)减少烟气在200~350℃温度域的停留时间，有利于减少二噁英类污染物再次生成，控制除尘器入口烟气温度低于200℃，有利于有机类及重金属污染物的脱除，即在设计和运行中采用“温度控制”;(2)在喷雾反应塔和除尘器之间，通过混粉器在烟气中喷入活性炭或多孔性吸附剂，可吸附二噁英类和重金属污染物，再用布袋除尘器捕集。3)脱硝:常采用氨接触还原法来控制NOx的排放。起还原作用的氨水与烟气中的NOx反应，在充当催化剂的活性炭的作用下，NOx被还原为无害的氮气和水。NOx的排放量可减少90%以上，脱硝效果好。
　　2.4工艺选择原则
　　（1）技术采用原则：先进可靠、运行稳定、经济合理及维护方便等。（2）全过程控制原则：对垃圾发电厂渗滤液产生、处理、排放的全过程进行控制。（3）达标与风险控制相结合原则：全面考虑垃圾发电厂渗滤液达标排放的基本要求，同时加强风险控制意识，从工艺技术、工程建设和监督管理等方面提高应对突发事件的能力。（4）安全原则：有效去除渗滤液处理系统中的有毒有害物质，减少处理过程中产生的臭气、污泥、浓缩液等污染物，保护生态安全。（5）稳定可靠原则：为提高整个系统的运行稳定性及可靠性，所有过流介质为垃圾渗滤液的设备、阀门、仪表、管道、管件必须具备防腐蚀性能；所有设备、阀门、仪表、管材必须具备足够的耐压等级、防渗漏等级；设备电机具有足够的防护等级、绝缘等级和防爆等级。（6）综合考虑原则：结合垃圾发电厂对出水及综合利用的要求，考虑深度处理及浓缩液处理工艺。适用于以生活垃圾为主要燃料的垃圾发电厂渗滤液处理站的新建、改建及扩建工程，可以作为可行性研究、环境影响评价、设计施工、系统调试、环保验收、运行管理及维护的技术指导。
　　3、垃圾焚烧发电技术的解决措施
　　3.1提高主蒸汽参数
　　朗肯循环:垃圾焚烧发电热力系统理论依据为朗肯循环。下图为朗肯循环示意图，1-2为在汽轮机做工过程，2-2’为冷凝过程，2’-4为给水泵压缩过程，4-1为加热过程。在冷凝温度一定的条件下，热效率取决于主蒸汽参数，包括主蒸汽压力和主蒸汽温度。
　　3.2温度问题需要优化炉膛设计
　　管道的磨损与烟气流速的3.6次方成正比，通过采用大炉膛设计，降低烟气流速，可显著降低水冷壁管的磨损，如荷兰AEB公司蒸汽参数为13MPa/440℃/290℃（母管制中间再热），其炉膛垂直烟道流速小于3m/s，显著低于国内垃圾焚烧余热锅炉烟气流速（4~5m/s）。
　　3.3浓缩液处置
　　浓缩液的处理应结合浓水产量、水质等特点，以及终端处置的要求进行工艺路线选择，可采用化学软化+微滤+RO、DTRO/STRO及蒸发等工艺。浓缩液可根据环评批复要求回用到石灰制浆、飞灰固化或炉膛回喷等用水点。
　　3.4污泥处置
　　渗滤液处理中产生的污泥宜采用密闭性好的脱水设备，如离心脱水机、旋转挤压脱水机等。脱水后污泥含水率不应超过80%，如脱水污泥进行入炉焚烧处理则可设计污泥缓存储罐，宜采用密闭的输送方式入炉焚烧。
　　3.5预处理
　　沉淀:预处理工艺设计主要包括过滤装置、沉淀装置、气浮、氨吹脱、芬顿等设施。
　　3.6厌氧生物处理工艺
　　厌氧生物处理工艺可采用升流式污泥床厌氧反应器（UASB）、升流式厌氧生物滤池反应器(UBF)以及内循环厌氧反应器（IC）等，反应器数量应不少于2套（1）宜为中温厌氧硝化，厌氧系统应考虑加温及保温措施，温度范围宜为30℃-38℃；（2）容积负荷、停留时间及污泥浓度应根据进水水质特点和工艺要求选择，容积负荷宜为5-10kgCOD/(m³.d)；（3）厌氧反应装置应达到水密性与气密性要求，池体内壁及管路进行防腐处理，应设置防正负压过载保护装置；（4）厌氧反应器布水应选用合理的布水方式，以保证渗滤液均匀布水，避免短流、沟流、结垢；（5）沼气处置系统必须设置安全防护设施，并应考虑沼气处理或处置措施。如用于沼气发电、沼气提纯或引入焚烧炉助燃，沼气综合利用时应设置沼气应急处理装置；（6）厌氧反应器及设置沼气储罐的防火和防护设计应符合GB50016及GB/T51063的相关规定。
　　3.7二次污染控制
　　(1)泡沫：渗滤液处理好氧系统容易产生泡沫，宜采用化学药剂、物理喷淋或溢流导出等方式处理，化学药剂的选用应不抑制微生物的活性及对后续膜系统无影响的药剂。(2)废液：对渗滤液处理生产过程中产生的冲洗或清洗等产生的废液应集中收集并进行处理。(3)臭气：渗滤液处理系统中的所有臭气源均应密闭收集并采用负压方式输送至主厂房垃圾坑、一次风机入口或渗滤液处理站单独设置臭气处理装置并达标排放。(4)噪声：对渗滤液处理过程中产生噪声的工艺单元应采取有效的控制措施，厂界噪声应符合GB12348中的相关要求，车间内噪声应符合GBZ1的要求。
　　综上所述，垃圾的焚烧发电有效地将环境保护与能源的节约有机地结合起来会有很好的发展前景，垃圾的回收、处理、运输等环节的技术在不断地发展，其工艺日益科学先进。就目前来看，垃圾焚烧发电技术很可能成为最经济的发电技术。随着资金投入的不断加大，技术也在不断地提升，现代化的垃圾发电厂将建成并应用投产，垃圾焚烧发电产业也将会随之应用起来，变得壮大，使垃圾焚烧发电处理走上可持续发展的道路，并为其做出巨大的贡献。

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