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城市生活垃圾焚燃发电技术
城市生活垃圾焚燃发电技术
应用及其发展
 
摘要:
    文本介绍了当前最为严重的城市垃圾造成的环境问题;常用的垃圾处理方法及其优缺点;并最终推出了循环流化床垃圾焚烧发电技术及未来的发展,论述了它是一项符合环保要求且节能的新技术,真正实现了垃圾处理的减容化、无害化、资源化,垃圾是一种新的可利用能源。
关键词:垃圾;焚烧发电;发展潜力;政策

一、垃圾所造成的环境问题

    当今世界,环境污染已成为全球性的问题,垃圾是人类生活的产物,随着经济的发展和物质消费的日趋现代化,城市生活垃圾逐年增多,量大面广的城市生活垃圾造成城镇严重的社会问题,这些垃圾污染水质、土壤、大气,传播疾病,影响人类的生成环境,这些垃圾还侵占了大量的土地,影响城市的环境质量和可持续发展。如何将这些垃圾做到减量化、无害化、资源化处理,成为社会普遍关注的问题。

二、国内垃圾处理现状

    城市垃圾产量主要与地理条件、城市人口、经济发展水平、居民收入、居民消费水平和城市燃气气化率有关。一些大城市虽然居民收入大幅度提高,燃气普及率提高,但人均垃圾产量却仍在1.13~1.36公斤/人•日之间徘徊,其原因是除厨余物外其它废弃物的增多。
    城市垃圾有各种各样的来源,由于各省市的经济发展状况、人口密度、燃料结构等方面的差异,城市生活垃圾的成分也各不相同。
    近10年来,由于大城市民用燃料气化率、集中供热率的提高,人民生活水平的提高,居民生活垃圾成分发生了明显的变化,主要表现在:厨余类有机物在垃圾中含量较大,利用潜力增加,但需要分类收集,垃圾中灰土含量下降,其中有机成分约占总量的60%,无机物的含量约占40%。
    但是,我国绝大多数的中小城市仍以煤炭或洗煤副产品—煤泥作为工业与民用燃料。因此,从全国水平看,中小城市无机物仍然占城市生活垃圾总量的50%~70%。
    目前,我国城市生活垃圾最主要的处理方式仍然是填埋,约占全国垃圾处理量的70%以上;其次是高温堆肥,约占20%以上;采用焚烧法处理城市生活垃圾的数量还很少。近年来,我国进行了大量的城市生活垃圾处理研究,并陆续兴建了一批大、中型的城市垃圾处理设施,城市垃圾处理率得到迅速的提高。如日处理量达2000吨的北京阿苏卫卫生填埋场、深圳下坪填埋场、上海安亭、无锡及常州堆肥厂、深圳焚烧发电厂以及杭州天子岭垃圾卫生填埋场等。
    但是,由于资金原因,国内仍然有许多城市采用集中堆放或简易填埋方式处置城市垃圾。并且在填埋时,由于没有很好的压实机械,这些填埋场未达使用年限就填满封场。沿海的许多城市垃圾填埋很难找到合适的场地。另有许多城市因为缺乏资金,无法按标准要求建造填埋场或焚烧设施。有些城市或地区,虽然一次性的建设投资解决了,但长期运行的费用也难以维持,因而也很难达到无害化处理的目标。
    可堆腐的有机垃圾是我国城市垃圾中的主要成分之一。将垃圾中的可堆腐有机物进行堆肥处理是提高垃圾再生利用水平的主要途径。通过垃圾的堆肥处理,可显著提高垃圾资源化水平。促使垃圾堆肥处理发展的重要因素是实行垃圾分类收集。例如,厨余垃圾、园林修剪物、果品蔬菜加工残渣、养殖场、屠宰场废弃物等,单独分类收集后用于堆肥,既简化堆肥工艺,降低堆肥成本,又可提高堆肥质量,为打开堆肥市场开创有利条件。
    目前,城市垃圾堆肥声场主要采用机械化堆肥和简易高温堆肥技术。由于堆肥技术设施较为落后,生产的堆肥产品质量不高、肥效较低,使堆肥产品销路不畅,最终导致堆肥场因堆肥产品的积压而停产。
    在焚烧方面,我国发展较慢,目前只有少数经济水平较高的城市引进国外设备或部分引进国外设备建设了一些垃圾焚烧厂,并开发了一些小型焚烧炉,但同国外引进的大型炉排炉相比,技术上仍有差距。

三、垃圾处理方法

    城市生活垃圾的处理方式主要有填埋、堆肥、焚烧等,我国绝大多数城市的垃圾采取简单填埋方式,但这种方式带来了较严重的问题。下面,我们来看一下常用的垃圾处理方式及其优缺点:
(一)卫生填埋法
    卫生填埋法是国内外应用广泛的垃圾处理方法,此方法处理量大,方便易行,但填埋场占用大量的土地资源,不发达国家和发展中国家由于经济落后,大多采用简易填埋法,其产生的垃圾渗滤液对地下水和地表水造成严重的二次污染。卫生填埋是指能对填埋场气体和渗滤液进行控制的填埋方式,卫生填埋与简易填埋的根本区别主要在于卫生填埋过程中采取了底、侧层防渗与废气收集处理,垃圾表层覆盖压实作业等措施,从而避免了目前采用的简易填埋方式下产生的二次污染。在我国卫生填埋是垃圾处理必不可少的最终处理手段,也是现阶段我国垃圾处理的主要方式。
    垃圾卫生填埋处理的优点有:技术成熟,运行管理简单,处理量大,灵活性强,适用范围广,投资及运行费用较低。
缺点有:选址较困难、减容效果差、占地面积大、对周围环境会有一定影响。
卫生填埋方法适用于选址容易、生活垃圾混装的城市。
(二)垃圾焚烧
    焚烧法是将垃圾中的可燃成分在高温(800℃~1000℃)条件下经过燃烧反应,可燃成分充分氧化,最终成为无害稳定的灰渣。焚烧法一般可使垃圾大幅度减容,大大减少了占地并能回收热能用于生活取暖和发电。焚烧是目前世界上—些经济发达国家广泛采用的一种城市生活垃圾处理技术。
焚烧处理的优点有:
1、垃圾焚烧处理后,垃圾中的病原休被彻底消灭,燃烧过程中产生的有毒有害气体和烟尘经处理达标后排放,无害化程度高;
2、经过焚烧,垃圾中的可燃成分被高温分解后一般可减容80%~90%,减容效果好,可节约大量填埋场占地,经分选后的垃圾焚烧效果更好;
3、垃圾被作为能源来利用,垃圾焚烧所产生的高温烟气,其热能被转变为蒸汽,用来供热及发电,还可回收铁磁性金属等资源,可以充分实现垃圾处理的资源化;
4、垃圾焚烧厂占地面积小,尾气经净化处理后污染较小,可以靠近市区建厂。既节约用地又缩短了垃圾的运输距离,对于经济发达的城市,可因地制宜,发展以焚烧、减容为主的综合处理。
5、焚烧处理可全天候操作,不易受天气影响;
焚烧处理的缺点有:
1、焚烧法投资大,占用资金周期长;
2、焚烧对垃圾的热值有一定要求,一般不能低于5000kJ/kg,限制了它的应用范围;
3、焚烧过程中产生的“二恶英”问题,必须有很大的资金投入才能进行有效处理。
由此可见,焚烧处理方法适用于卫生填埋场地缺乏、生活垃圾热值高、经济条件较发达的城市。
(三)堆肥与垃圾再生利用
    堆肥是使垃圾中的有机质在微生物的作用下进行生物化学反应,最后形成腐殖质,可作肥料或土壤改良剂。堆肥包括好氧发酵和厌氧发酵两种方式。一般常用好氧发酵工艺,周期短、无害化效果好。
    堆肥法依靠自然界中广泛存在的细菌、放线菌、真菌等微生物,人为地、可控制地促进可被生物降解的有机物向稳定的腐殖质转化的生物化学过程。通过堆肥化我们可以把有机物转化为有机肥料,这种有机肥料作为最终产物不仅稳定,而且不危害环境。
    堆肥法的优点有:投资较低,技术简单、有机物分解后可作为肥料再利用从而达到资源的循环利用,垃圾减量明显。
    堆肥法的缺点有:对垃圾分类要求高、有氧分解过程中产生的臭味会污染环境,堆肥成本过高或质量不佳影响堆肥产品销售。
    堆肥法适用于卫生填埋场地缺乏,城市生活垃圾垃圾分类系统较完善且生活垃圾中可生物降解的有机物含量大于40%的城市。

四、垃圾焚烧发电的必要性与可行性

    城市垃圾焚烧发电是近30年发展起来的新技术,特别是20世纪70年代以来,由于资源和能源危机的影响,发达国家对垃圾采取了“资源化”方针,垃圾处理不断向“资源化”发展,垃圾电站在发达国家迅猛发展。最先利用垃圾焚烧发电的是德国和美国。1965年,西德就已建有垃圾焚烧炉7台,垃圾焚烧量每年达7.8 105吨,垃圾焚烧发电受益人口为245万;到1985年,垃圾焚烧炉已增至46台,垃圾年焚烧量为8106吨,可向2120万人供电,受益人口占总人口的34.3。法国共有垃圾焚烧炉约300台,可以烧掉40的城市垃圾。目前,法国首都已建有一个较完善的垃圾处理系统,有4个垃圾焚烧厂,处理垃圾已超过170万吨/年,产生相当于20万吨石油能源的蒸气,供巴黎市使用。美国自80年代起投资70亿美元,兴建90座垃圾焚烧厂,年处理垃圾总能力达到3000万吨,90年代将新建402座垃圾焚烧厂;90年代初,美国垃圾焚烧发电占总垃圾处理量的18,预计2000年可达40。在美国的底特律市拥有世界上最大的日处理垃圾4000吨的垃圾焚烧发电厂。日本城市垃圾焚烧发电技术发展很快,1989年焚烧处理的比例已占总量的73.9,90年代将升至84,现已完全采用垃圾焚烧法。
    保护环境是我国的一项基本国策,随着我国城市的发展和人民物资生活水平的提高,妥善处理垃圾已成为当务之急。据统计,我国人均生活垃圾年产量为440kg,且每年以8-10的速度在递增,大量的垃圾被运到城郊裸露堆放,已成为公害。全国历年垃圾堆存量已高达60亿吨,堆占耕地5亿平方米,直接经济损失达80亿元人民币。因此,垃圾滋生已成为我国继能源、交通、工业三废之后又一重大难题,形势严峻,刻不容缓。目前我国城市已发展到660个,城镇人口2.6亿,按每人每年产生440kg垃圾计算,则产生垃圾量为104万吨,是可以使100万人口的城市覆盖1米。但另一方面,如果将其全部利用,则相当于1340万吨石油的能量,可见垃圾处理对我国来讲,意义更重大。我们相信,随着我国城市居民生活水平不断提高及人们环保意识的增强,垃圾焚烧发电的前景充满希望。特别是1998年国家计委关于新能源建设项目审批通知中指出,垃圾焚烧发电也是一种新型能源,给予了大量的优惠政策支持,综合考虑其社会效益,环保效益及经济效益,建设垃圾电厂是非常必要的。
    现代生活垃圾包罗万象、应有尽有,但可概括为可燃垃圾和不可燃垃圾两部分。其中可燃垃圾包含纸布、皮革、塑料、橡胶、竹木、动植物残体、树叶、果皮、厨余等,由有机物和可燃物构成城市生活垃圾的主体。而不可燃垃圾专指各类金属、玻璃、石陶瓷等无机物。根据我国大中城市垃圾热值均在800kcal/kg~1500kcal/kg,这些垃圾均能自燃,均能发电。燃烧一吨城市生活垃圾可发电300~400kw。而且垃圾焚烧处理后的灰渣呈中性,无气味,不会引发二次污染,且体积减少90,重量减少75以上,明显减容减量。直接通过垃圾焚烧,产生高温烟气进入余热锅炉产生蒸气,进入汽轮发电机发电,在国外早已是成功的经验,国内深圳垃圾电厂七年的实践也证明了垃圾焚烧发电的可行性。

五、循环流化床技术

    循环流化床锅炉是近十几年发展起来的一项高效、低污染清洁燃烧技术。具有燃烧效率高、煤种适应性广、烟气中有害气体排放浓度低、负荷调节范围大、灰渣可综合利用等优点。

循环流化床锅炉工作原理:

    固体粒子经与气体或液体接触而转变为类似流体状态的过程,称为流化过程。流化过程用于燃料燃烧,即为流化燃烧,其炉子称为流化床锅炉。
    循环流化床锅炉是在鼓泡流化床锅炉技术的基础上发展起来的新炉型,它与鼓泡床锅炉的最大区别在于炉内流化风速较高(一般为4~8m/s),在炉膛出口加装了气固物料分离器。被烟气携带排出炉膛的细小固体颗粒,经分离器分离后,再送回炉内循环燃烧。循环流化床锅炉可分为两个部分:第一部分由炉膛(快速流化床)、气固物料分离器、固体物料再循环设备和外置热交换器(有些循环流化床锅炉没有该设备)等组成,上述部件形成了一个固体物料循环回路。第二部分为对流烟道,布置有过热器、再热器、省煤器和空气预热器等,与其它常规锅炉相近。
    循环流化床锅炉燃烧所需的一次风和二次风分别从炉膛的底部和侧墙送入,燃料的燃烧主要在炉膛中完成,炉膛四周布置有水冷壁用于吸收燃烧所产生的部分热量。由气流带出炉膛的固体物料在气固分离装置中被收集并通过返料装置送回炉膛。
循环流化床燃烧锅炉的基本技术特点:
(1)低温的动力控制燃烧
循环流化床燃烧是一种在炉内使高速运动的烟气与其所携带的湍流扰动极强的固体颗粒密切接触,并具有大量颗粒返混的流态化燃烧反应过程;同时,在炉外将绝大部分高温的固体颗粒捕集,并将它们送回炉内再次参与燃烧过程,反复循环地组织燃烧。显然,燃料在炉膛内燃烧的时间延长了。在这种燃烧方式下,炉内温度水平因受脱硫最佳温度限制,一般850℃左右。这样的温度远低于普通煤粉炉中的温度水平,并低于一般煤的灰熔点,这就免去了灰熔化带来的种种烦恼。这种“低温燃烧”方式好处甚多,炉内结渣及碱金属析出均比煤粉炉中要改善很多,对灰特性的敏感性减低,也无须很大空间去使高温灰冷却下来,氮氧化物生成量低,可于炉内组织廉价而高效的脱硫工艺,等等。从燃烧反应动力学角度看,循环流化床锅炉内的燃烧反应控制在动力燃烧区(或过渡区)内。由于循环流化床锅炉内相对来说温度不高,并有大量固体颗粒的强烈混合,这种情况下的燃烧速率主要取决于化学反应速率,也就是决定于温度水平,而物理因素不再是控制燃烧速率的主导因素。循环流化床锅炉内燃料的燃尽度很高,通常,性能良好的循环流化床锅炉燃烧效率可达95~99%以上。
(2)高速度、高浓度、高通量的固体物料流态化循环过程
循环流化床锅炉内的固体物料(包括燃料、残炭、灰、脱硫剂和惰性床料等)经历了由炉膛、分离器和返料装置所组成的外循环。同时在炉膛内部因壁面效应还存在着内循环,因此循环流化床锅炉内的物料参与了外循环和内循环两种循环运动。整个燃烧过程以及脱硫过程都是在这两种形式的循环运行的动态过程中逐步完成的。
(3)高强度的热量、质量和动量传递过程
在循环流化床锅炉中,大量的固体物料在强烈湍流下通过炉膛,通过人为操作可改变物料循环量,并可改变炉内物料的分布规律,以适应不同的燃烧工况。在这种组织方式下,炉内的热量、质量和动量传递过程是十分强烈的,这就使整个炉膛高度的温度分布均匀。
循环流化床锅炉的优点:
(1)燃料适应性广
这是循环流化床锅炉的主要优点之一。在循环流化床锅炉中按重量计,燃料仅占床料的1~3%,其余是不可燃的固体颗粒,如脱硫剂、灰渣等。因此,加到床中的新鲜煤颗粒被相当于一个“大蓄热池”的灼热灰渣颗粒所包围。由于床内混合剧烈,这些灼热的灰渣颗粒实际上起到了无穷的“理想拱”的作用,把煤料加热到着火温度而开始燃烧。在这个加热过程中,所吸收的热量只占床层总热容量的千分之几,因而对床层温度影响很小,而煤颗粒的燃烧,又释放出热量,从而能使床层保持一定的温度水平,这也是流化床一般着火没有困难,并且煤种适应性很广的原因所在。
(2)燃烧效率高
循环流化床锅炉的燃烧效率要比鼓泡流化床锅炉高,通常在95~99%范围内,可与煤粉锅炉相媲美。循环流化床锅炉燃烧效率高是因为有下述特点:气固混合良好;燃烧速率高,其次是飞灰的再循环燃烧。
(3)高效脱硫
由于飞灰的循环燃烧过程,床料中未发生脱硫反应而被吹出燃烧室的石灰石、石灰能送回至床内再利用;另外,已发生脱硫反应部分,生成了硫酸钙的大粒子,在循环燃烧过程中发生碰撞破裂,使新的氧化钙粒子表面又暴露于硫化反应的气氛中。这样循环流化床燃烧与鼓泡流化床燃烧相比脱硫性能大大改善。当钙硫比为1.5~2.0时,脱硫率可达85~90%。而鼓泡流化床锅炉,脱硫效率要达到85~90%,钙硫比要达到3~4,钙的消耗量大一倍。与煤粉燃烧锅炉相比,不需采用尾部脱硫脱硝装置,投资和运行费用都大为降低。
(4)氮氧化物(NOX)排放低
氮氧化物排放低是循环流化床锅炉另一个非常吸引人的特点。运行经验表明,循环流化床锅炉的NOX排放范围为50~150ppm或40~120mg/MJ。循环流化床锅炉NOX排放低是由于以下两个原因:一是低温燃烧,此时空气中的氮一般不会生成NOX;二是分段燃烧,抑制燃料中的氮转化为NOX,并使部分已生成的NOX得到还原。
(5)燃烧强度高,炉膛截面积小
炉膛单位截面积的热负荷高是循环流化床锅炉的另一主要优点。其截面热负荷约为3.5~4.5MW/m2,接近或高于煤粉炉。同样热负荷下鼓泡流化床锅炉需要的炉膛截面积要比循环流化床锅炉大2~3倍。
(6)负荷调节范围大,负荷调节快
当负荷变化时,只需调节给煤量、空气量和物料循环量,不  必像鼓泡流化床锅炉那样采用分床压火技术。也不象煤粉锅炉那样,低负荷时要用油助燃,维持稳定燃烧。一般而言,循环流化床锅炉的负荷调节比可达(3~4):1。负荷调节速率也很快,一般可达每分钟4%。
(7)易于实现灰渣综合利用
循环流化床燃烧过程属于低温燃烧,同时炉内优良的燃尽条件使得锅炉的灰渣含炭量低(含炭量小于1%),属于低温烧透,易于实现灰渣的综合利用,如作为水泥掺和料或做建筑材料。同时低温烧透也有利于灰渣中稀有金属的提取。
(8)床内不布置埋管受热面
循环流化床锅炉的床内不布置埋管受热面,因而不存在鼓泡流化床锅炉的埋管受热面易磨损的问题。此外,由于床内没有埋管受热面,启动、停炉、结焦处理时间短,可以长时间压火等。
(9)燃料预处理系统简单
循环流化床锅炉的给煤粒度一般小于13mm,因此与煤粉锅炉相比,燃料的制备破碎系统大为简化。
(10)给煤点少
循环流化床锅炉的炉膛截面积小,同时良好的混合和燃烧区域的扩展使所需的给煤点数大大减少。既有利于燃烧,也简化了给煤系统。

六、技术分析与经济收益

    城市垃圾处理应从源头抓起,即各个城市应重视这个环保问题,广泛调查分析,找到焚烧热效率最高,污染排放标准达到国家要求的,投资、运行成本最低的焚烧设备,才能具有竞争力,才有好的经济效益和社会效益。
    因为目前全世界垃圾焚烧设备有好多种,每一种都是从一定的条件下产生发展起来的,都有自己的特长和存在的意义。不能一听就信,就跟着干,应该首先多花些时间,多作些调查研究分析,先把国外几种主要类型焚烧设备弄清其原理、结构、价格后,再结合我国垃圾情况研究对策。一定能找到焚烧热效率最高,污染排放物达到国家标准的、投资运行成本低的焚烧设备。这是一个对市场分析的过程,是一个对技术掌握运用的过程,是一个真正具有技术和价格竞争实力的过程。
    垃圾焚烧炉烟气净化装置投资占总投资的近三分之一,排放标准越高,投资越大,国内有关专业生产厂家应尽快重视这一工作的研究设计开发新产品。在满足污染排放物达到国家标准的前提下,设备越简单,运行费用越低,投资越省越好,一定要占领这个市场急需新产品的新领域,大有可为的市场。
 

结论

    随着社会的进步,生产工具的改进,人们生活水平的提高,各种物质财富和商品不断丰富;但是,各种对环境的污染和垃圾的迅速增多成了困扰人们的当务之急。人们日常可感受到的,如汽车尾气,噪声,冒黑烟的烟囱,混浊的空气,污秽的河流;最多的,亦是最令人厌恶的,是城市里的垃圾。许多城市正日益沦陷在垃圾的包围之中。人们渴望在物质不断丰富的同时,更想拥有碧水蓝天、清新的空气、洁净的环境。这里所讨论的循环流化床垃圾焚烧炉系统,其社会与经济的价值都是不可估量的,其未来的发展前景不可小视!

参考文献

1国家环保总局.我国垃圾填埋气体收集利用国家行动方案.垃圾填埋气体收集利用国家行动方案新闻发布会.2002年10月.
2[美]William P. Cunningham, Barbara Woodworth Saigo 编著,戴树桂主译.《环境科学:全球关注》,科学出版社,2006
3李爱贞.《生态环境保护概论》(第二版),气象出版社,2005
4中科院可持续发展战略研究组.《中国可持续发展战略报告》(2000年-2004年),科学出版社
5刘德昌,陈汉平.锅炉改造技术[M],2001,中国电力出版社
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