城市垃圾焚烧发电综合利用

一、技术开发的背景与意义

二十世纪以来，固体废弃物的排放急剧增加，造成的大气污染、地下水污染、土壤污芽土地占用、自然景观破坏等问题日趋严重。固体废弃物分为工业垃圾和城市垃圾两种，城市垃圾的产量是惊人的，据统计，中国1990年城市垃圾总产量为6900万吨，北京市每年的城市权产量超过200万吨。如何有效地处理这些城市垃圾，使之资源化、减量化和无害化（即三化），成为当前世界各国十分关注的课题。
对城市垃圾的常用处理方法有填埋、堆肥，制沼气、填海、焚烧和流化床制燃气等，其中以焚烧、流化床制燃气的处理方法为佳，符合“三化”的要求。由于流化床制燃气的方法投资大、工艺设备复杂，尚处于研究起步阶段。城市垃圾焚烧技术在美国一日本、法国、德国等发达国家己得到初步应用，并产主了良好的环保和经济效益。
焚烧垃圾、回收能源的办法是我国处理城市垃圾的一个主要发展方向。

二、国外垃圾焚烧发电概况

1．国外垃圾发电
国外最早进行垃圾焚烧技术研究开发的是德国，随即英国、法国、美国、日本等国也积极开展了这方面的研究。
德国目前己有五十余座从垃圾中提取能量的装置及十多家垃圾发电厂，并且用于热电联产，以便有效地对城市进行采暖或提供工业用汽，1965年联邦德国垃圾焚烧炉只有7台，年处理垃圾71．8万吨，可供总人口4．1%的居民用电。至1985年，焚烧炉已增至46台，年处理垃圾800万吨以上，占垃圾总数的30％，可供总人口34％的居民用电，柏林、汉堡、慕尼黑等大型城市中，民用电的10、7％来自垃圾焚烧。1995年德国垃圾焚烧炉达67台，受益人口的比率从34%增加到50％。法国共有垃圾焚烧炉约300台，可将城市垃圾的40％以上处理掉。巴黎有4个垃圾焚烧厂，年处理量170万吨，占全市垃圾总量的90％，口收的能量相当于20万吨石油，供蒸汽量占巴黎市供热公司总量的三分之一。美国从80年代起，政府投资70亿美元，兴建90座焚烧厂，年总处理能力3000万吨。目前最大的垃圾发电厂已经在底特律市建造，日处理垃圾量4000吨，发电量65MWe。瑞典、丹麦等国也有类似的焚烧发电厂。
2．国外垃圾焚烧设备
垃圾锅炉是垃圾热电站台的主要设备，亦是发展垃圾热电站的关键所在。由于垃圾燃料是具有一定腐蚀性、水分大、热值不稳定的垃圾，因而垃圾锅炉及其燃烧设备在设计上有其一定的特殊性。由于垃圾发热值低，且水份含量较高，因此，性能优良的燃烧设备是垃圾锅炉的关键之处。国外已投入运行的垃圾锅炉燃烧方式主要有以下几种：
（1）多级阶梯链条炉排垃圾在炉排上由高到低逐级流动，逐级燃烧至燃尽。
（2）倾斜往复式炉排是间隙动作的逆向倾斜往复炉排，与我国一般燃煤的间隙动作顺向倾斜往复式炉排不一样。这种炉排的优点是：
①火种与主垃圾混合性好，易干燥，着火快。
②垃圾层间搅拌充分，利用完全燃烧：
③干燥、着火、燃烧、燃尽一系列过程都在炉排上进行，故而处理效率极高
④垃圾层均匀，燃烧稳定，炉温及锅炉蒸发量变动很小。
（3）流化床燃烧方式流化床燃烧对燃料的适应性好，能完全燃烧各类城市垃圾或有机的工业垃圾等。
（4）旋转式燃烧旋转式燃烧是KWU／SIEMNS公司在Uim一Wibligen试验成功的新的工业流程。该工艺是将垃圾在缓慢旋转的简体内450℃进行无氧碳化，产主沼气和固态残留物。固态残留物中用机械方法去除非可燃物（如金属、石块、玻璃等），余下部分为碳化物，其热值达到与褐煤相仿。这部分碳化物与产生的煤气共同在1300℃下燃烧。
（5）等离子弧燃烧方式该方法是通过在垃圾堆中设一条通道，将等离子弧及冷却剂和气体经通道输入垃圾中，这时火种将垃圾熔化蒸发，使之变成无害的玻璃状熔渣。燃烧火焰温度可高达8000℃，释放的气体引入燃料电池发电。
目前，国外垃圾焚烧锅炉的容量一般在10t／h~100t／h，蒸汽压力为1.4Mpa~4.7Mpa，蒸汽温度多为饱满和温度，一般是在400．C左右。

三、中国迫切需要发展垃圾焚烧发电技术

1．我国垃圾产量及成份
我国经济的持续发展和人活水平的不断提高，城市生活垃圾的产量逐年增加，年均增长率接近9%。 虽然我国城市居民人均日产垃圾不足1kg，低于大多数发达国家，但其总产量却相当高，见表1。预计到2000年我国城市垃圾产量将达到19000万吨左右，我国城市垃圾的特点是无机物含量高于有机物含量，不可燃成分高于可燃成分。但不同类别城市之间差别较大，中小城市垃圾的有机质含量多为2%左右，一些大城市如北京市的垃圾有机质含量可高达8％以上。有机成分中，以生物质（即生物与厨房垃圾）所占比例为大，纸张较少，而国外垃圾中纸张所占比例较大：无机成分中，以灰土砖石为主，玻璃、金属等含量很低。垃圾组成成分不同，决定了我国垃圾处理应走自己的路、而且不同城市之间也采取不同的处理，不能简单地仿效国外。
2．发展垃圾焚烧发电技术大有可为
一般认为，当垃圾的发热值大于3349kJ/kg时，就可以由自然方式直接燃烧。我国垃圾的发热值远远低于发达国家。
我国中等以上城市的垃圾低位发热量一般在2512~4605kJ/kg范围内，北京地区较高，可达到349~65605kJ/kg。随着城市生活水平的不断提高，北京市1997年以后天然气营道接通后城市燃煤气率将有突破性增加，垃圾的发热值还会不断增加。显然，燃煤气化的发展对保证垃圾可烯是很重要的一步。
燃用煤气地区的城市垃圾中有机物的含量相当高,一般超过50％，高的达80%以上。大量的有机垃圾是极宝贵的资源，它既可提炼有用的物质，亦是垃圾中主要的可燃成分。
发展城市垃圾热电站与城市人口数量亦有一定的关系，因为电站的主产是连续性的，需要有厄够数量的垃圾才能保证连续运行。同时，还要考虑垃圾数量与质量会随季节的不同而有变化。按城市人口平均每人每天产主垃圾量约为1kg（发达国家稍多）计算，城市人口太于100万以上·则每日产主城市垃圾在1000吨以上，就可以保证稳定发电。
3．开发适合垃圾的国产焚烧锅炉
国外目前比较成熟的垃圾焚烧设备多为马丁炉排链条炉。对于热值较高的城市垃圾而言，这种选择无疑具有其科学性，但在处理热值较低且变化范围较大的我国城市垃圾时，必然带来一定程度上的困难，甚至影响整个垃圾焚烧厂运行。深圳卫主处理厂引进的日本焚烧炉就已经遇到了这一情况，从投资的角度来看，引进一套（两台）日处理量600吨垃圾（发电功率为2x3Mwe）的焚烧发电处理厂需要投资约4.5亿人民币，对于处于发展时期的我国来说是难以接受的。若能开发研制符合中国国情的国产化垃圾焚烧炉，将具有广阔和应用前景。在固体废弃物的焚烧处理方面，我国科研工作者做过大量的工作，主要采用鼓泡流化床或循环流化床燃烧方式。对于热值及成分多变的垃圾，流化床燃烧是具有其独特的优势的，这己为国外学者所公认。尤其是在污染物控制方面，流化床同时解决了燃烧与脱污染物过程，有效地降低了设备的初投资，减小系统的复杂性，因此采用流化床焚烧方式，开发研制符合中国国情的国产化垃圾焚烧炉将是一条合理的技术路线。从工艺角度看。垃圾焚烧技术的核心是燃烧问题，只有保证锅炉能稳定、充分清洁地燃烧，才可能实现垃圾的无害化和降容化。为了组织好燃烧；需要开发一套成熟的能把成分复杂、大小不一的原始垃圾顺利送入燃烧装置，并把灰渣及不可燃物质（如石砖等）从燃烧设备顺利排出的技术和装置，焚烧后垃圾减量程度可达90％。为了保证垃圾焚烧后不对环境造成二次污染，需要发展相关的污染控制技术，一方面要靠合理、有效地组织燃烧过程以控制Nox和二恶英、吹哺类的污染物产生量，另一方面要有效地去除或防止HCI、Sox和重金属的污染，为了减少投资和提高效率，需要有效地回收燃烧产物：烟气中的热能。烧掉垃圾，只是满足环保的需要，实现了垃圾的无害化、降容化。垃圾焚烧炉的热利用，亦即进一步运用余热锅炉，充分利用焚烧热，实现蒸汽发电、供热，是垃圾的资源化。此外，还可对焚烧后的灰渣进行制砖等综合利用。概括他说，垃圾焚烧综合利用技术需要解决燃烧、污染控制和进料、排渣等一系列问题。这些问题在通常的燃烧组成稳定的燃料时是可以解决的，但由于作为燃料的垃圾的复杂成分需要进行深入详细的研究。

四、垃圾荧侥发电综合利用技术

1．垃圾进料装置
国内的城市生活垃圾没有分类，而分选、破碎的设备不仅十分复杂，而且可靠性差，因此不能走国外的流化床焚烧炉把垃圾破碎到一定粒度（如1~10mm）的路线，必须开发出能原始垃圾（尽管其中可能含有木头、金属和砖石等不规则物体）顺利送入炉膛的进料装置，清吩学根据几十年煤燃烧技术科研与工程的经验和对国内外有关装置的比较、研究，选用炉排进料、流化床燃烧的方式，顺利解决了这个问题。

2．流化床垃圾焚烧技术 流化床燃烧技术是专门针对低热值燃料而开发的，流化床焚烧低热值的垃圾有较高的效率，燃烧效率可高达95％以上，而且对燃料成分变化不敏感：热值不足以维持热平衡时投入辅助燃料（煤）助燃。通过实验运行，己解决了焚烧的充分性、可靠性，而且由于流化床独特的燃烧方式，其气体有害物的排放量少于焚烧方式。清华大学对垃圾焚烧机理的理论与实验研究己为垃圾焚烧炉的设计提供了必需的设计依据。

3．流化床床上排渣技术
由于垃圾成分及形状复杂，灰渣的颗粒大泞、形状也不尽一致，不同子一般流化床的排料条件，需采用特殊的排渣技术。清华大学通过研究、采用床上定向排渣技术可以解决排渣问题

4、受热面防腐技术垃圾焚烧时由于其原始组成中含有大量的塑料，会生成具有很强腐蚀能力的HC1：为降低氮的氧化物生成，需要分级燃烧，炉膛内形成还原气氛。应研究还原区的高温腐蚀。此项技术正在研究中。

5．污染物脱除技术
一般地，利用流化床可实现炉内脱硫、除HCI等，并有效地降低氮的氧化物Nox的生成。为经济、有效地控制污染物的排放，应研究污染物的生成机理，开发可靠的脱除污染物技术。目前清华大学已具有实用的炉内脱硫、除HCI技术，污染物的脱除技术正在研究中。根据清华大学已有日处理10吨垃圾的热态实验装置上试验的结果，HCL＜50ppm， NOX＜500ppm,S0X＜1500ppm,均低于国家排放标准。由于采用流化床焚烧技术，有机物充分燃尽，几乎不存在二恶英、呋喃排放问题。

6．灰渣综合利用技术
对流化床排出的灰渣经磁选除去金属（回收）后，进行简单破碎，即可成为水泥、砖等的原料之一，需要时焚烧后的灰渣成分、特性及原料的配比进行研究。

五、产业化条件

城市垃圾焚烧发电综合利用可逐步产业化，不仅可将以后产生的城市生活垃圾全部焚烧发电降容处理。而且可能部分的消化以前多年遗留下未处理的垃圾。除发电外，还可以为垃圾焚饶处理厂附近的企事业单位或居民提供热源如冬委供暖、工业用汽，焚烧后的灰渣可以制成建筑材料或作为筑路材料。焚烧后垃圾体积下降90％，焚烧降容后填埋占用土地面积大大下降。其效益是多方面的。一台蒸发量为20t/h的焚烧锅炉每天可处理垃圾约300吨左右，按每年运行300天计，一年可处理城市垃圾计9万吨，这相当于30万城市居民一年的垃圾排放量。焚烧炉的各项排放指标均可以达到国家环保要求。垃圾焚烧产生的热量可用于发电或供热、制冷，发电功率为3000kWe，可保证垃圾焚烧厂在经济上不仅可自我维持，节省了垃圾处理费用，甚至还略有盈余。
一 我国近五百个大中小城市，每年垃圾产量可达七千多万吨，市场是极为广阔的。据统计分析，我国大中城市垃圾中无机物平均含量较大，有机可燃物含量较小。除局部地区热值可达6500kJ/kg外、大部分垃圾的热值不足4000kJ/Kg，而国外的垃圾焚烧设备主要适用于处理较高热值的垃圾（一般热值应大于6500kJ/kg），此外,我国垃圾没有分拣，成分远比国外的生活垃圾复杂。由于不同热值、、不同成分燃料的燃烧特性差异很大，因此，从技术上说，照搬国外的技术、设备是不能很好地解决我国的垃圾焚烧问题的。
二 从经济上说，国外的12Mwe垃圾发电机组的初投资可达0.5亿美元，是其常规火力电站投资的二倍以上，而比国内同等规模的常规火力电站的初投资（约1亿人民币）大四倍多。运行费用高30~50%以上。因此，大规模引进国外机组建设垃圾焚烧厂是不可能的，在中国是没有经济可行性的。

六、科研开发条件

清华大学工业锅炉及民用煤清洁燃烧国家工程研究中心在流化床燃烧技术研究方面一直处于国内领先水平。先后研制出4~220t／h蒸发量多种类型的燃煤国产化循环流化床锅炉，现正在主持国家九五攻关项目“125Mwe循环流化床锅炉的研制”工作。

1993年，向出售一台75t／h（12Mwe）以工业固体废弃物为燃料的焚烧炉整套技术图纸。在垃圾焚烧发电技术研究方面，清华大学己作了大量工作，利用自筹资金建设了热态实验台和冷态实验台，开展一些基础研究和技术开发工作，并取得了阶段性成果，已申请两项国家专利，其一是“燃用多成分低热值的流化床锅炉及其运行方法”，是主要针对大中城市研制的大型流化床焚烧炉，单炉处理量150一500t／d，其二是“燃用固体废弃物的快装流化床焚烧炉”，是针对小区、车站、机场、码头的设计的快装型流化床焚烧炉，单炉处理量50一150t／d。前面所述的进料技术、流化床焚烧技术、排渣技术和污染物脱除技术包含在这两个专利之中。此外，还有多项技术，有害物经济脱除技术等正在研究中，拟研究成功后申请相应的国家专利。

七、商业化垃圾电站投资及效益分析

根据清华大学目前研究和热态实验的基本数据，参照国内常规小型热电站投资、收费标准，以每天处理900吨垃圾的焚烧发电厂为例，说明完全国产化的垃圾电站的投资运行费用概算。 1. 建设规模与内容
垃圾处理量 900t／d
占地面积 2500m2
建筑面积 18000m2
全厂包括垃圾收集上料系统、垃圾焚饶锅炉、汽轮发电机系统、三废处理系统及辅助工程系统等。拟采用三机四炉，即三套汽轮发电机，四台垃圾焚烧锅炉（三开一备）。
2．主要设计参数
（1）单炉垃圾处理量 300t/d
（2）焚烧锅炉台数 4台
（3）年运行时间 ＞7000小时
（4）垃圾低位发热量 5000kJ/kg（4180~6500kJ/kg）
（5）垃圾水分 20~45％
（6）垃圾焚烧温度 800~950C
（7）过量空气系数 1.5~1.7
（8）汽轮发电机出力 3000kw／台
（9) 轮发电机台数 3台
（10）有害物排放浓度烟尘 ＜30mg／m3
HCI ＜50mg／m3
N0x ＜500mg／m3
SOx ＜200mg／m3
CO＜60mg／m3 3．效益分析
三台汽轮发电机总发电功率为9000kw，自用电为2000kw，外供7000kw，全年运行7000小时，共外供7000×7000=4.9X107kw.h，每度电售价按0.3元考虑，则年售电收入1470万元，如果锅炉产生蒸汽不仅发电，而且进行供热，效益会更好。回收的废金属可外售，焚烧后的灰渣可作建筑原料，也可有少量收入。此外，工程建成后，每年减少垃圾填埋量约26万吨，每吨填埋费按25元计，每年可节省填埋费650万元，同时可减少用于填埋的占地约30亩，又可节省一笔土地征用费，并节约了土地资源。 垃圾电站投资概况表（单位：万元） 序号 项目名称

	建筑工程费	设备购置费	安装工程费		合计
1 热力系统	1650	4500	1100		7250
2 垃圾收集上料系统	620	700	320		1640
3 除灰系统	20	80	100
4 水处理系统	30	240	180		450
5 洪水系统	90			40	130
6 电气统	12	300	120		432
7 自动系统	10	400	80		490
8 污染物脱除系统	420	250	160		830
9 附属工程系统	60	20	2		82
10 小计	2912	6490	2002		11404
11 总预备费	728	500	200		1428
12 建设期利息	1549
13 总计					14381