国内外生活垃圾焚烧发电及烟气控制技术比较分析.doc

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1、国内外生活垃圾焚烧发电及烟气控制技术比较分析摘要： 随着人们对环境方面要求的日益增长,垃圾合理处理在践行绿色发展理念和推动生态文明建设进程中发挥着越来越重要的作用.生活垃圾焚烧发电技术作为固废资源利用的一种方法,如今已经演变成为一种成熟的资源利用技术.分别从垃圾焚烧发电行业的上、中、下游,即从垃圾焚烧的原料性质、燃烧发电技术以及烟气控制方面对国内外生活垃圾焚烧技术进行了比较分析,认为随着生活垃圾量日益增长,生活垃圾焚烧技术仍是一种实现减量化、资源化必不可少的手段,但是需要提升焚烧技术,改进国产焚烧工艺,严格控制焚烧烟气中污染物的排放,建立实时监测点,避免造成二次污染。引言目 前， 全世界每年产

2、生的城市生活垃圾(municipal solid waste，MSW)达到了13亿t，预计到2025年，城市生活垃圾产量将达到22亿t/a，增幅达到70%。这意味着在接下来的几年内，人均生活垃圾日产量会从1.2kg/ 人增加到1.42kg/人。其中，中国是生活垃圾产量增速最快的国家，中国已经在2004年超过美国，成为全球最大的生活垃圾产生国家，预计到2030年，中国的垃圾产量将是美国的2倍。如此多的生活垃圾如果得不到合适的处理和处置，极容易引发环境问题。现今生活垃圾处理方法有以下3种：卫生填埋法、焚烧法和堆肥法。垃圾卫生填埋法应用最早、最广，其工艺简单，处理成本最低，可是占地面积很大，并且填埋

3、产生的渗滤液和填埋场臭气解决难度较大，被填埋的垃圾得不到充分的资源回收和利用，因此该法以后不再是主流的垃圾处理方向。堆肥法通过微生物消化生活垃圾中的有机物质使其变成稳定的腐殖质。但堆肥的条件控制较复杂，并且周期较长，不适合进行大量垃圾的处理。“垃圾是放错地方的资源”这一点正在逐渐为人们所接受，垃圾焚烧法是将垃圾在高温条件下快速氧化燃烧，实现垃圾的减量化、资源化和无害化。焚烧法与其他方法相比有较大的优势，焚烧法可以有效减少垃圾90%以上的体积，节约土地，并且垃圾焚烧产生的热量可以用来发电，因此焚烧法逐渐成为国内垃圾处理的主要方式。垃圾焚烧发电技术不仅能够大幅减少持续增长的垃圾量，还在能源回收利用

4、方面起着重要作用。垃圾焚烧发电在利用可再生能源的同时，起到高效处理废物的作用。现今垃圾焚烧发电技术已经趋于成熟，截至2015年年底，全球共有1179家垃圾焚烧发电厂，总处理能力超过了70万t/d。据世界能源理事会统计，垃圾焚烧发电行业每年带来的收入超过200亿美元。然而，除了以焚烧技术为核心外，垃圾焚烧行业还对原料性质和烟气处理方面有着严格要求。本文将从生活垃圾焚烧发电的上、中、下游，即原料、焚烧技术以及烟气处理3个方面将中国与发达国家(美国、欧洲、日本和韩国)垃圾焚烧行业发展现状进行对比，并对垃圾焚烧行业前景进行分析。1 生活垃圾性质对于垃圾焚烧发电行业，垃圾的性质对焚烧效果有很大的影响。本

5、文从全球生活垃圾的产量、组成及热值3个角度对生活垃圾性质进行分析。1.1 生活垃圾产量不同地区、国家甚至城市之间生活垃圾产量存在很大的差别。生活垃圾产量与地区的经济发展水平、工业化程度、公众习惯以及当地气候有关，一般来说，经济发展水平越高，其生活垃圾产量越高。图1 为全球生活垃圾产量比例，可以看出，垃圾产量最大的地区为东亚及太平洋地区，占全球总产量的23%，其次是欧洲及中亚地区，占全球总产量的20%。其中，东亚及太平洋地区的垃圾产量中有70%的生活垃圾来自中国，即中国的生活垃圾产量占全球总产量的16%，这和我国近几年经济的飞速发展有很大关系。表1为2018年世界银行统计的部分国家生活垃圾年产量

6、及人均日产量的数据。由表1可以看出，虽然中国的城市生活垃圾总产量比较高，但城市生活垃圾人均日产量比其他发达国家都要低，甚至不足美国生活垃圾人均日产量的1/5，说明经济越发达的地区，其生活垃圾产量也越高。1.2 生活垃圾组成本文将从2个角度对生活垃圾物质组成进行分类。1)将生活垃圾分为有机垃圾、废纸、塑料、玻璃、金属、橡胶皮革和其他7类。按照2018年世界银行统计数据，按经济发展水平分类讨论全球不同收入地区的垃圾组成，如图2所示。由图2 可见，从全球平均水平来看，生活垃圾中有机废物占比最大，占垃圾总量的46%。由高收入地区向低收入地区过渡，其有机废物含量逐渐增加，废纸、塑料、玻璃、金属和橡胶皮革

7、的占比逐渐降低，而其他类的占比是逐渐增大的，这体现出了高收入地区的垃圾分类效果比低收入地区好，我国属于中高收入地区。2)从焚烧角度将生活垃圾分为可燃物、水分和灰分3类。表2为不同国家垃圾焚烧厂焚烧的垃圾组分数据。由表2可以看出，我国生活垃圾中可燃物只占1/3，水分约占总量的一半，灰分含量也比日本和美国高得多。值得注意的是，美国焚烧的生活垃圾中可燃物占总量的3/4，远高于其他国家生活垃圾中可燃物的含量，这是因为美国已经先行将生活垃圾进行分类，然后将不能回收利用的垃圾作焚烧处理。1.3 生活垃圾热值确定生活垃圾能量含量的重要参数之一为热值。低位热值(low heat value，LHV)是指每千克

8、燃料完全燃烧后，其烟气被冷却至原始温度，但烟气中的水蒸气仍为蒸汽状态时所放出的热量。热值大小对垃圾焚烧厂后续运行和维护起着重要作用，一般认为垃圾低位热值达5000kJ/kg时，无需添加辅助燃料即可维持焚烧炉正常燃烧。垃圾热值越高，获得的经济效益也就越大。不同国家生活垃圾低位热值如图3所示。由图3可以看出，韩国的生活垃圾热值整体水平最高，中值和平均值均达到了11000kJ/kg，这是由于韩国在生活垃圾处理源头处将生活垃圾进行分类处理，回收可利用的生活垃圾，生活垃圾回收率达到58%，而进行焚烧处理的生活垃圾仅占垃圾总量的25%。另外，欧盟国家、美国和日本焚烧处理的生活垃圾的热值分别为10065、1

9、0341、9485kJ/kg，均高于我国焚烧处理的生活垃圾的热值5781kJ/kg。我国焚烧处理的生活垃圾一般为城市居民的生活垃圾，垃圾含水量高是造成热值低的主要原因，因此降低垃圾的含水率是提高热值的关键。其中，干燥稳定技术是降低垃圾含水率，进一步提高热值的有效方法，即将混合垃圾进行为期5.7d的生物堆肥处理，在堆放的过程中，多余的水分由于重力的作用而滤走;另外由于微生物的活动，垃圾的温度可高达70，再加入过量的空气，可对垃圾进行脱水。经过5.7d堆放后的垃圾含水率可由原来的60%70%降至10%15%，大大提高了垃圾的热值。目前大部分地区(如深圳、珠海、上海、广州等地)的垃圾发电厂都采用该项

10、技术。图4是北京市城区生活垃圾低位热值及含水率随季节变化情况。可以看出，垃圾热值受季节性影响较大，这主要是不同季节垃圾中的含水率不同。在夏季，居民所吃的瓜果较多，垃圾中果皮较多，垃圾含水率明显增加，导致垃圾热值的减少;冬季由于是在年前，家家户户准备年货，因此造成了垃圾含水率较高，进而造成垃圾热值的减少。针对这个问题，可以专门在夏季和冬季设置瓜果蔬皮回收设施，以减少垃圾中的含水率，进而提高热值。2 垃圾发电技术燃烧系统是生活垃圾焚烧系统的核心，其工艺性和设计的合理性决定着垃圾处理的效果和焚烧厂运行的经济性，也对后续烟气处理有直接影响。垃圾要在焚烧炉中经充分燃烧后才能达到无害化和减量化目标。目前，

11、生活垃圾焚烧技术主要分为移动炉排焚烧技术、流化床焚烧炉技术和回转窑焚烧技术3 类，这3 种技术早在20 世纪上半叶就已经在使用。2.1 焚烧炉型统计全球生活垃圾焚烧炉型的数据如图5 所示。由图5可见，移动炉排焚烧炉技术在世界生活垃圾焚烧技术中占主导地位，被认为是一种经过技术测试的环保可行的生活垃圾焚烧技术。在全球范围看，发达国家的生活垃圾焚烧技术大多数选用移动炉排焚烧技术。而在我国有29%的生活垃圾焚烧厂采用流化床焚烧炉，这是由于在生活垃圾焚烧初期时建厂者热衷于将国产锅炉技术应用于垃圾焚烧，并且该技术的建设成本较低。但是后续存在很多问题(如生活垃圾需要预处理，飞灰产生量大，容易产生二噁英等)，

12、这导致了流化床焚烧技术逐渐遭到淘汰。我国目前在建的生活垃圾焚烧厂中采用移动炉排焚烧技术的占了绝大多数。2.2 焚烧技术对比移动炉排焚烧炉适用于大规模燃烧不均匀的生活垃圾，而流化床焚烧炉只适用于燃烧经过预处理的和均质的生活垃圾。2种焚烧技术的工艺对比如表3所示。此外，移动炉排焚烧技术和流化床焚烧炉技术在运行方面还存在以下区别：1)移动炉排焚烧技术的处理能力一般为8001 200 t/d，处理能力较大，并且设备每年运行时间8000h，此外，该技术燃烧状态稳定，依靠炉排机械运动，控制垃圾在炉内的停留时间，确保充分燃烧，炉排炉由于采用层燃方式，在燃烧过程中燃料基本上都呈烧结状态，炉排炉的飞灰量相比流化

13、床少很多，约为入炉垃圾量的3%5%，用的空气量也比流化床少得多，相应的烟气量也少很多，同时炉排炉一般控制排烟温度为185 左右，因此，在烧同等量垃圾时，炉排炉的灰、渣、烟气中的有毒成分相对是浓缩的，一般符合危险废弃物的处置条件，热灼减率低，炉排炉的点火启动一般耗费较大，从冷炉到850 的给料启动的费用要十多万元;2)单个流化床焚烧炉的处理能力一般在600t/d 左右，总的有效运行时间约为6000h左右，燃烧效率达到95%99%，由于流化床自身的燃烧方式，炉温可以控制在850950 ，适合炉内脱硫的温度，流化床的飞灰产量很大，约为垃圾入炉量的10%15%，但也因此导致流化床的灰渣、烟气中的有毒成

14、分相对是被稀释的，CO排放超标问题目前已成为制约流化床垃圾焚烧炉技术提升和市场拓展的瓶颈。综上2种技术的对比可以看出，由于流化床工艺容易产生二噁英等污染物，需要预处理等一些硬性要求不达标，所以在与炉排炉焚烧炉工艺的竞争中处于弱势。但是，由于运行的经济性和燃烧较充分的优点，该技术仍然有较大改进空间。2.3 高参数垃圾焚烧发电技术目前，国内生活垃圾焚烧发电厂的主蒸汽常用参数主要为中温中压参数(温度400，压力4.0MPa，可以有效防止过热器等受热面管高温腐蚀)，随着政府对垃圾焚烧发电补贴的减少，垃圾焚烧厂更加注重通过提高发电效率来提高利润，而提高垃圾焚烧发电的效率就需要提高发电蒸汽参数;另外，随着

15、国民生产水平提高，垃圾源头分类逐步完善，垃圾热值逐年增加，这些也为电厂高蒸汽参数技术提供了有利的技术条件。在国际上，城市生活垃圾焚烧厂主蒸汽参数有2种，一种是中温中压蒸汽参数(温度400，压力4.0MPa);另一种为中温次高压参数(温度450，压力6.5MPa)。目前存在向次高温次高压锅炉(温度485，压力5.3MPa)、高参数锅炉(温度500，压力9.8MPa)发展的趋势。欧洲各国通过应用低合金钢和高镍合金的过热器管材来提高锅炉参数，锅炉参数的压力可达6.5MPa，温度可达450 ，采用高参数垃圾焚烧发电技术可提高发电量。高参数余热锅炉技术与中参数余热锅炉技术相比具有如下特点。优点：高温高压

16、余热锅炉可以通过提高蒸汽的参数提高发电效率，进而提高发电量，获得较高的发电补贴，与中参数余热锅炉相比，高参数余热锅炉理论上可以增加6%7%的发电量。缺点：1)设备投资方面，高参数余热锅炉采用的材质要求高，相比中参数余热锅炉过热器的低合金钢，高参数余热锅炉通常采用奥氏体不锈钢钢材，成本为前者的7 倍左右;由于提高了主蒸汽压力和温度，锅炉受压面管道壁需要加厚，锅炉的质量会有一定的增加，过热器受热面需要增加，高温过热器材质的防腐蚀等级需要提升，防止过热器高温腐蚀;2)运行维护方面，由于垃圾焚烧过程中产生的烟气含有大量HCl 等酸性气体和NaOH 等碱性氧化物，对余热锅炉系统换热器等部件产生严重腐蚀，高参数余热锅炉各受热面壁温升高，将会加剧余热锅炉受热面的腐蚀，缩短设备的使用寿命，增加处理成本。一般高参数余热锅炉20年运营维护费是中参数余热锅炉的23倍。因此，生活垃