生活垃圾焚烧发电厂设计探讨(1).pdf

生活垃圾焚烧发电厂设计探讨 暴雅娴贾彦武饶汉东李德喜 北方工程设计研究院， 石家庄 050011 摘要 垃圾焚烧发电是我国目前生活垃圾处理的主要方法之一。对生活垃圾焚烧发电厂设计的主要内容进行总结， 并 针对生活垃圾焚烧发电工艺涉及的包括不同炉型垃圾的预处理， 炉型的选择， 烟气的净化， 灰渣的处理等关键问题进 行综述， 以期为垃圾焚烧发电工程设计提供借鉴。 关键词 生活垃圾焚烧; 发电; 灰渣; 除尘 STUDY ON DESIGN OF POWER PLANT WITH MUNICIPAL SOLID WASTE INCINERATION Bao YaxianJia YanwuRao HandongLi Dexi Northern Design and Research Institute，Shijiazhuang 050011，China AbstractPower generation by refuses incineration is one of the main s to treat domestic refuses in China at present． It was summarized the major contents of the design of a power plant with municipal solid waste incineration． It was also given a review on the key problems of its process design，such as pretreatment of refuses from different incinerator，selection of incinerator，purification of flue gas and treatment of cinder etc，which provided experience for designing power projects using refuses incineration． Keywordsmunicipal solid waste incineration;power generation;cinder;dedust 垃圾发电是指利用特殊的垃圾焚烧设备， 以城市 工业和生活垃圾作为燃烧介质， 然后利用能量进行发 电的一种新型发电方式。利用垃圾焚烧发电， 可同时 实现城市垃圾减量化、 无害化和资源化利用， 故其社 会价值、 环境价值与经济价值都较高。 1生活垃圾焚烧发电厂设计主要内容 垃圾焚烧处理是将城市垃圾作为固体燃料送入 焚烧炉中， 在高温条件下， 垃圾中的可燃成分与空气 中氧气进行剧烈的化学反应， 释放出热量并转化为高 温的燃烧气和少量性质稳定的固定残渣。当垃圾有 足够的热值时， 垃圾能靠自身的能力维持自燃， 而不 用提供辅助燃料。在高温焚烧中产生的热能转化为 高温蒸汽， 推动涡轮机转动， 使发电机产生电能。其 工艺设计的主要内容有 1 焚烧工艺流程的确定; 2 焚烧工艺的物料平 衡和热平衡计算; 3 主要工艺设备选型 及 容 量 计 算; 4 工艺参数控制点的确定和控制方式与 控制 水平。 2垃圾焚烧发电系统总体工艺 某垃圾焚烧发电系统总体工艺流程见图 1。 3生活垃圾焚烧发电厂设计需注意的问题 生活垃圾焚烧发电厂主要包括垃圾预处理系统、 垃圾焚烧系统、 热能利用系统、 烟气净化系统及灰渣 处理系统。对垃圾焚烧发电厂而言， 预处理系统保证 垃圾正常进料; 垃圾焚烧系统是核心， 其燃烧效率和 燃烧温度决定发电成本和是否能高温分解二恶英; 烟 气净化及灰渣处理即后处理系统是决定垃圾焚烧后 达标排放的关键。为了更好地实现城市生活垃圾的 减量化、 无害化和资源化， 就垃圾焚烧发电厂设计中 需要注意的问题分述如下 3. 1垃圾预处理 垃圾前处理系统是垃圾发电厂的重要组成部分， 也是该类电厂工程设计中的难点。设计时应综合考 虑当地垃圾成分、 粒径、 采用的焚烧炉型等多种因素， 并根据 CJJ 902009生活垃圾焚烧处理工程技术规 范 等相关标准、 规范的要求， 确定垃圾处理的具体 形式。 3. 1. 1垃圾的成分和特性 垃圾特性包括垃圾低位热值、 所含物质的种类和 形态及物理性质 如含水量、 密度 等指标。其中， 垃 89 环境工程 2012 年 12 月第 30 卷第 6 期 图 1垃圾焚烧发电系统总体工艺流程 圾的低位热值是最主要的参数。从环保角度考虑， 要 保证焚烧炉稳定燃烧并具有较高的燃烧效率， 垃圾平 均低位热值要达到 5000 kJ/kg 以上。我国城市垃圾 的特点是成分复杂、 形态多样、 水分含量高且热值较 低。为满足焚烧炉对垃圾热值的要求， 垃圾在进炉前 宜先经过充分的发酵， 使垃圾中的水分析出。所以工 程设计中应根据垃圾成分合理预测垃圾热值， 并考虑 垃圾在堆放过程中热值的提高措施。 3. 1. 2炉排式焚烧炉的垃圾前处理系统 炉排式焚烧炉对垃圾的热值要求较高， 但对其粒 径要求较低， 理论上说只要原始垃圾的尺寸不大于进 料口的最小尺寸即可。因此， 采用炉排式焚烧炉的垃 圾电厂无需建设复杂的前处理系统， 垃圾在厂内的流 程如图 2 所示。 图 2炉排式焚烧炉的垃圾前处理系统 3. 1. 3流化床焚烧炉的垃圾前处理系统 流化床焚烧炉可以燃用热值较低的垃圾 即可 以直接把原始垃圾加入炉内焚烧 ， 但对垃圾尺寸和 其中粗大不可燃成分有一定的要求。因此， 采用流化 床焚烧炉的前处理系统较复杂， 垃圾在厂内的流程如 图 3、 图 4 所示。 图 3垃圾需要全量破碎时流化床焚烧炉的垃圾前处理系统 图 4垃圾不需要全量破碎时流化床焚烧炉的垃圾前处理系统 3. 2垃圾焚烧系统 焚烧炉是垃圾焚烧处理的最关键部分， 焚烧炉的 好坏将直接关系着整个工程的成功与否。根据 GB 184852001生活垃圾焚烧污染控制标准 的要求， 垃圾应在焚烧炉内充分燃烧， 烟气在后燃室应在不低 于 850 ℃ 的条件下停留时间不少于 2 s。目前， 机械 炉排焚烧炉、 流化床焚烧炉、 旋转窑焚烧炉和热解气 化焚烧炉在我国生活垃圾处理中均有应用， 但主要以 机械炉排焚烧炉和流化床焚烧炉为主。 3. 2. 1机械炉排焚烧炉 机械炉排炉工作原理 垃圾通过进料斗进入倾斜 向下的炉排， 在以燃油为辅助燃料、 大量氧气助燃的 条件下， 通过炉排的机械运动促进垃圾的搅动和混 合， 实现垃圾的干燥、 燃烧和燃烬。炉排可分为平推 式、 斜推式、 逆推式和滚筒式， 单台炉处理能力可高达 1 200 t/d， 是目前处理能力最大的焚烧炉型。 机械炉排炉的主要优点有技术较为成熟， 设备年 运行时间可达 8000 h 以上， 广泛适用于各类生活垃 圾， 飞灰少; 缺点是开车和停炉时炉温经过二恶英产 生的温度区间 360 ～ 820 ℃ ， 在控制不完全的情况 下易产生二恶英， 燃烧效率相对流化床偏低， 造价及 维护费用较高。 3. 2. 2流化床焚烧炉 流化床焚烧炉工作原理 炉膛内铺有大量的砂或 99 环境工程 2012 年 12 月第 30 卷第 6 期 炉渣， 将其加热到 600 ℃ 以上， 并在炉底鼓入 200 ℃ 以上的热风， 向炉内投入经分类、 破碎等预处理的垃 圾， 掺入煤粉 国家规定掺烧燃煤比例应低于 20 同热砂一起翻腾、 燃烧， 由于砂粒处于沸腾状态所以 炉内传热传质良好， 垃圾燃烧迅速。垃圾余烬落到炉 底， 不可燃物和砂粒一起排出后分离， 砂粒再通过提 升设备送回到炉中循环使用。流化床的处理能力在焚 烧炉型中较为适中， 单炉处理能力一般为 500 t/d。 流化床的主要优点是可以更大程度地避免二恶 英产生， 燃烧彻底， 垃圾减量化程度高， 运行稳定可 靠， 燃烧热效率较高。缺点是需掺煤才能充分燃烧， 年运行时间较短 6 000 h 左右 ， 设备对垃圾均匀性 要求较高， 烟气中灰尘量大 为炉排炉的 3 倍 ～ 4 倍 ， 且石英砂对设备磨损严重， 设备检修相对较多。 综上， 炉排炉技术有长期的运行经验， 烟气飞灰 处理负荷较轻， 不需要垃圾预处理系统; 而流化床炉 对燃料适应性好， 在燃烧二次污染控制上具有明显优 势， 且已能完全国产化制造。在具体工程设计中， 焚 烧处理设备的选择要关注垃圾的特性、 焚烧过程的优 化及污染的控制。 3. 3余热锅炉系统 余热锅炉是有效回收高温烟气热能的关键设备， 是与焚烧炉配套设计的专用锅炉。在焚烧过程中垃 圾中的化学能转换为蒸汽中的热能， 其能量转换效率 与焚烧炉燃烧效率 化学能转化为烟气中热能的百 分比 及锅炉热能回收效率 烟气中热能转化为蒸汽 中热能的百分比 有关。目前， 国内多数垃圾焚烧锅 炉热能利用效率偏低， 直接影响到垃圾焚烧发电厂的 经济效益。 由于垃圾焚烧过程中会产生 HCl、 SOX、 NOX等有 害气体， 这会对锅炉的对流受热面产生极为严重的高 温酸腐蚀 ［1］， 制约了锅炉蒸汽参数的提升。为提高 锅炉的热效率， 通常采用的方法有 选择合适的炉型、 降低散热损失; 对进厂垃圾进行堆酵， 析出其中水分， 提高入炉垃圾的低位热值。 3. 4汽轮发电系统 余热锅炉产生具有一定压力和温度的过热蒸汽 驱动汽轮机叶轮， 将蒸汽热能转化为叶轮高速旋转的 动能， 汽轮机转轴上的动能通过发电转子与定子间的 磁场耦合作用转换到定子绕组上成为电能。汽轮发 电是将蒸汽热能转换为发电电能， 其能量转换效率与 蒸汽热能转换为汽轮机输出机械能的效率及发电机 效率有关。 目前， 国内一些垃圾焚烧厂选用进口焚烧锅炉配 置国产的汽轮发电机组， 造成汽轮机组功率大于锅炉 最大出力， 使机组长时期工作在低负荷状态; 亦有个 别垃圾焚烧厂配置的发电机组功率远小于锅炉平均 出力， 热力系统多余蒸汽需直接冷却， 产生不必要热 能损失。因此， 工程设计中可通过合理选择汽轮机型 式及蒸汽参数来提高汽轮发电机组的能量转换效率。 3. 5烟气净化 烟气净化是垃圾焚烧发电工程中必须具备的处 置手段， 烟气中所含有害气体必须经过净化处置后达 到国家要求的排放限值才允许排放。一般每吨净垃 圾产生的烟气量 按含氧量 8 计算为 3 000 ～ 6 000 m3。直接排放的烟气中含有粉尘、 酸性气体、 NOX、 重金属、 二恶英等有害物质。目前， 国内外垃圾 焚烧行业的烟气净化工艺有多种， 主要由脱酸、 除尘 和活性炭吸附三部分组成。净化方案的选择主要根 据烟气中所含有害物质的成分和含量而定。 3. 5. 1脱酸 脱酸技术是垃圾焚烧烟气净化系统的核心。垃 圾焚烧中产生的酸性气体有 HCl、 SOX和 HF。脱酸 处理一般采用中和法， 常用的有干法、 湿法和半干法 三种。其中， 干法技术无污水排放， 但脱除效率仅达 60 ～ 70 ; 湿法效率高， 可达 97 以上， 但有大量 污水排出， 容易造成二次污染; 半干法脱除效率可达 90 左右， 药品用量少， 且无污水排放， 成为烟气脱酸 的主要适用技术。 3. 5. 2除尘 根据 GB 184852001 的要求， 生活垃圾焚烧炉 除尘装置必须采用袋式除尘器。袋式除尘器不仅可 以捕集一般颗粒物， 而且还能捕集吸附在灰分或活性 炭颗粒上的二恶英等有机类污染物。 3. 5. 3活性炭吸附 焚烧过程中产生的二恶英是重要的危险废物， 目 前国内外主要采用活性炭吸附的方法对二恶英进行 处理。通过在脱酸装置和布袋除尘器之间喷入活性 炭， 可提高二恶英及重金属的去除效率。 目前， 烟气净化常采用的是“半干式吸收塔 活 性炭喷入 袋式除尘器” 的组合工艺， 该工艺可有效 去除各种酸性气体、 二恶英及有害重金属 对 HCl、 HF 的去除率可达 98， 对二恶英的去除率可达 99 ， 下转第 105 页 001 环境工程 2012 年 12 月第 30 卷第 6 期 填埋场的可回收物量可达 583 t/d。为此政府应重视 对填埋场末端环节的垃圾分拣与回收， 环卫部门应加 强对拾荒者的组织管理， 疏通回收渠道， 使垃圾可回 收物在填埋前做到最大限度的回收。 3兰州市夏季垃圾含水率高达 51. 34 ， 冬、 夏 平均也在 43. 76 。环卫部门应加快垃圾收集容器 和收集过程的防雨设施建设。新闻媒体应宣传垃圾 水分的危害性， 并教育市民自觉减少家庭垃圾及餐厨 垃圾水分， 养成垃圾源头“少水分” 收集、 贮存、 投放 的良好习惯， 逐步推进垃圾分类回收、 热能利用、 填埋 处置的综合处理工艺。 4 虽然可回收物质的含量不是很大， 但仍有很 大的回收潜力， 因此不应该只限制于收集和处理， 也 应该进行分类和物质回收， 不但可以减少要处理的垃 圾量， 还可以为市民提供就业机会和增加收入 ［11］。 5致谢 在现场采样、 分检和室内分析工作中， 得到了兰 州市各区环卫局、 填埋场领导和工作人员以及兰州大 学资环学院实验中心穆德芬、 刘琴老师的大力支持和 帮助， 在此一并表示感谢 参考文献 ［1］金军， 贾振邦． 中国城市垃圾处理处置发展方向［J］． 中央民族 大学学报． 自然科学版， 2005， 14 2 113- 119. ［2］蒋绍坚， 曹小玲， 艾元方， 等． 生活垃圾高温空气气化处理的低污 染特性分析［J］． 环境污染治理技术与设备， 2001， 2 5 91- 94. ［3］周启星， 王新， 宋玉芳， 等． 垃圾分选设备及垃圾处理技术展望 ［J］． 环境污染治理技术与设备， 2002， 3 11 78- 80. ［4］GidarakosE，HavasG，NtzamilisP．Municipalsolidwaste composition determination supporting the integrated solid waste management system in the island of crete［J］． Waste Management， 2006， 26 668- 679. ［5］CJ/T 3132009 生活垃圾采样和物理分析方法［S］ . ［6］黄本生， 李晓红， 王里奥， 等． 重庆市主城区生活垃圾理化性质 分析及处理技术［J］． 重庆大学学报， 2003， 26 9 9- 13. ［7］李建新， 王永川， 张美琴， 等． 国内城市生活垃圾特性及其处理 技术研究［J］． 热力发电， 2006 1 11- 15. ［8］赵吉， 孙卫国， 杨加利， 等． 呼和浩特市城市生活垃圾组成及特 性分析［J］． 内蒙古大学学报． 自然科学版， 2005， 36 1 100- 103. ［9］张衍国，李清海， 康建斌． 垃圾清洁焚烧发电技术［M］． 北京 中国水利水电出版社， 2007 12- 25. ［ 10］段小兵． 兰州市物价运行态势分析［J］． 甘肃金融， 2007 8 56- 58. ［ 11］Kaseva M E，Mbuligwe S E，Kassenga G． Recycling inorganic domestic solid wastes results from a pilot study in Dar es Salaam City， Tanzania［J］． Resources， Conservation and Recycling， 2002， 35 243- 257. 作者通信处苟剑锋730000兰州大学资源环境学院环境工程研 究所 电话 0931 8912574 E- mailgoujf lzu． edu． cn 2012 － 03 － 23 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 100 页 污染物排放浓度优于我国现行的排放标准。 3. 6灰渣处理 GB 184852001 中对垃圾焚烧灰渣的处置要求 是 垃圾焚烧炉渣与除尘设备收集的焚烧飞灰应分别 收集、 贮存和运输; 垃圾焚烧炉渣按一般固体废物处 理， 焚烧飞灰按危险废物处理。不同的炉型中， 灰渣 的产生量不一样。机械炉排炉主要产生炉渣， 产生量 为焚烧量的 15 ～ 25 ， 飞灰产生量少于 4 ; 流化 床焚烧炉产生的炉渣为焚烧量的 3 左右， 飞灰产生 量达到 15 ［2］。因此， 灰渣处理技术的选择与处理 规模的确定应根据炉渣与飞灰的产生量、 特性及当地 自然条件、 运输条件等技术经济比较后确定。 4结语 垃圾焚烧发电将环境保护和回收能源有机地结 合起来， 是一种比较可行的无害化、 资源化减容手段， 符合我国循环经济发展要求。为提高垃圾焚烧发电 厂整体的热能利用效率， 对工程设计中需注意的问题 进行了简 要 分析， 供 垃圾 焚 烧 发 电 工 程 设 计 工 作 借鉴。 参考文献 ［1］沈祥智， 严建华， 白丛生， 等． 垃圾焚烧中污染物生成与受热面 腐蚀及其控制［J］． 热力发电， 2006 7 24- 28. ［2］施建昌， 王震洲， 何斌， 等． 垃圾焚烧余热发电的环境保护措施 ［J］． 电力环境保护， 2003， 19 4 57- 59. 作者通信处暴雅娴050011河北省石家庄市裕华东路 55 号 北方 工程设计研究院市政环境工程所 电话 0311 86690895 E- mailbaoyaxian yahoo． com． cn 2012 － 03 － 12 收稿 501 环境工程 2012 年 12 月第 30 卷第 6 期