国内外生活垃圾焚烧发电及烟气控制技术比较分析

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。

0 引言

目前，全世界每年产生的城市生活垃圾(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、10341、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，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)，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800~1200t/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850~950℃，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2~3倍。

因此，生活垃圾焚烧发电技术从中温中压向高温高压发展，高参数的蒸汽，其热电转换效率高，锅炉的发电效率也会大幅提高，但是，高温高压的过热蒸汽，其水蒸气过热阶段需要吸收大量的热能，布置较复杂的过热器系统和减温系统。

生活垃圾焚烧所产生的烟气复杂多变，其中含水量达50%，烟气具有很大的腐蚀性，高温高压锅炉的过热器工作在非常恶劣的工况下，发生故障的概率较大。因此，这就需要垃圾在前端处理能够充分实现资源化、燃料化;同时垃圾的存放也要更加科学和规范，垃圾中的水分对运行的影响至关重要。

3 空气污染控制系统

与生活垃圾燃烧技术本身相比，垃圾焚烧的空气污染控制技术无疑对生活垃圾焚烧技术的发展有更大程度的影响。垃圾焚烧空气污染控制主要针对焚烧烟气中的重金属、二噁英、酸性气态污染物以及颗粒物等。

垃圾焚烧厂的空气污染控制可以从源头防治、焚烧过程中控制和末端烟气净化得到处理。源头防治技术的重点是减少垃圾成分中的含硫量、含氯量以及重金属含量，这在我国较难做到。

3.1 酸性气体控制

3.1.1 常规酸性气体控制

焚烧烟气中的酸性气体主要由SOx、NOx、HCL、HF组成，均来源于相应垃圾组分的燃烧。垃圾焚烧烟气中HCl 的浓度可高达1000mg/Nm3以上，SO2浓度在500mg/Nm3左右。酸性气体控制主要在末端集中处理，末端治理主要分为干法、半干法和湿法，表4为3种方法的技术比较。法国的生活垃圾焚烧厂采用干法、半干法和湿法脱酸的比例为42׃29׃39׃。而干法脱酸在我国垃圾焚烧厂中较少使用;湿法脱酸在国内常规的火力发电场中应用较多，在垃圾焚烧厂中应用较少;而半干法由于其雾化效果好，气、液接触面大，不仅可以有效降低气体温度，中和酸性气体，且喷入的石灰泥浆中的水分可在喷雾干燥塔内完全蒸发，不产生废水，因此在国内垃圾焚烧发电厂中运用较多。2014年我国《活垃圾焚烧污染物控制标准》(GB18485—2014)更新以后，对SO2排放标准由260mg/m3 更新到100mg/m3，要求更加严格。因此很多垃圾焚烧发电厂对烟气处置技术进行了不同程度的改进。脱酸改造技术有：

1)增加NaOH稀释系统，NaOH使用渗滤液处理站纳滤(NF)膜系统产淡水稀释，稀释后的NaOH溶液通过喷水减温系统喷入急冷塔与烟气反应，就达到了去除部分HCl、SO2 和烟气降温的目的;

2)从原消石灰储仓到吸收塔再增加一路喷射管路，堵管时便于及时切换;

3)脱酸剂由Ca(OH)2改为NaHCO3，能提高整个系统的脱酸效率;

4)目前烟气净化工艺主要采用联合工艺，如“SNCR+半干法+干法(碳酸氢钠)+活性炭喷射+袋式除尘+SCR”“ 半干法+ 干法+ 袋式除尘”“SNCR+低温SCR+袋式除尘”等。

3.1.2 NOx 控制

NOx的控制主要有选择性催化还原法(selective catalytic reduction，SCR)和选择性非催化还原法(selective non-catalytic reduction ，SNCR)。SNCR是以氨水或尿素溶液作为还原剂，通过喷枪直接喷入炉膛，在高温下与NOx反应生成N2，从而降低氮氧化物的排放浓度。SCR是在催化剂作用下，将NOx还原成N2，从而控制氮氧化物排放浓度。两者相比，SCR的脱氮效果更好，但其成本也较高，从国内已投产项目运营情况分析，配备SNCR系统基本满足NOx排放要求。法国生活垃圾焚烧厂中选择SCR和SNCR处理系统的分别占43%和45%。

3.2 颗粒物控制

烟气中的颗粒物通常称为飞灰，包括惰性氧化物、金属盐类、未完全燃烧产物等，因其极容易作为重金属和二噁英类污染成分的主要载体而被认定为危险废物。垃圾焚烧飞灰元素中钙、硅、氯的含量最高，汞、铅、镉等所占比例不高，但从人体耐受程度来看，需要引起充分的重视。垃圾颗粒物控制技术应用较多的主要包括布袋除尘、静电除尘以及电袋除尘等技术。

我国生活垃圾焚烧厂大多使用布袋除尘进行颗粒物的去除，这是因为布袋除尘试用的范围广，对粉尘的特性不敏感，可以使粉尘排放浓度保持在50mg/m3以下，与电除尘相比，不受粉尘浓度、比电阻的影响，在相同的处理效率下，比电除尘投资低。布袋除尘器一般作为焚烧烟气处理最后一阶段的装置，不仅能够起到去除颗粒物的作用，还可以捕集以气溶胶形式存在的挥发的重金属、酸化物和氧化物，并且还可以有效捕集在活性炭吸附环节附着在吸附剂上的二噁英物质。其缺点主要有运行阻力大，容易造成布袋堵塞，滤料和滤袋一般不能承受高温烟气等。静电除尘适用于微粒控制，能捕集1um 以下的细微尘粒，可以处理高温下的气体，但其设备复杂，投资较大，对粉尘的比电阻有一定要求，因此在垃圾焚烧厂中的应用不如布袋除尘多。

3.3 二噁英控制

通常所说的二噁英包括多氯代二苯并二噁英(polychlorinateddibenzo-p-dioxins，PCDDs)和多氯二苯并呋喃(polychlorinated dibenzo furans，PCDFs)2种物质，有时也将毒性与二噁英相似的并且呈平面结构的共面多氯联苯(coplanarpolychlorinated biphenyls，Co-PCBs)包括在内。为评价这些物质的毒性及对人体健康的潜在效应，提出了毒性当量(toxic equivalent quantity，TEQ)的概念， 并通过毒性当量系数 (toxicityequivalency factor，TEF)来折算。以毒性最强的2，3，7，8-氯代二噁英(tetrachlorodibenzo-p-dioxin，TCDD)的毒性当量系数为1，其他同系物的毒性换算成相对2，3，7，8-TCDD 的毒性强度。二噁英可以分别在源头、燃烧过程和末端处理得到控制。

源头控制主要是对氯源阈值的控制，减少含氯有机物的含量，去除聚氯乙烯、聚苯乙烯、KCl、NaCl等物质，同时减少金属催化剂，从而控制二噁英的生成。源头处理目前只靠垃圾分类得到解决，而在我国目前垃圾分类效果不好。

燃烧过程控制主要可以从以下2方面进行控制：1)改进燃烧状况，控制温度、湍流度、停留时间等因素，使燃烧温度保持在850℃以上，延长烟气在高温区的停留时间不低于2s，烟气中的氧气浓度不能低于6%，且不能高于10%;2)投加抑制剂，防止二噁英的生成，起抑制作用的试剂有以下3种，第1种是可以减少焚烧过程中氯气形成的硫化物，第2种是经过SNCR的脱硝反应所产生的氮化物，第3种是通过抑制焚烧过程中的酸性气体排放实现二噁英控制的碱性化合物。

燃烧末端处理主要有：1)缩短烟气在200~500℃之间的停留时间，防止二噁英类物质再次生成;2)降低排烟温度，使气相中的二噁英转移到灰相中，然后通过布袋除尘去除;3)在烟气中喷入吸附剂(如活性炭等，然后再用布袋除尘器捕集。

4 结论

生活垃圾焚烧发电行业作为环保产业、新能源产业和市政基础设施的结合，不仅能够实现垃圾减量化，还在能源回收方面起着重要作用。垃圾焚烧发电技术已经非常成熟，而我国的垃圾焚烧发电产业正处于由传统的固废处理向资源利用和可持续发展的转型期，虽然已经迈出了一大步，但仍需要更多的发展和改进。

垃圾焚烧发电技术的发展受以下因素的制约：

1)受源头垃圾分类不当的影响极大，生活垃圾分类收集、回收是垃圾前处理，是根治生活垃圾污染的根本途径和发展循环经济的前提条件;通过分类收集，不仅使资源得以再生利用，而且使垃圾的体积变小，减少了运费，降低了垃圾处理的难度，最终降低垃圾处理的成本;同时，垃圾分类收集能简化垃圾处理技术，提高垃圾处理效率;垃圾分类收集后，可将其中的可燃成分进行焚烧发电，提高热效率。

2)需要明确不同地区现阶段生活垃圾处理的目的，究竟是减量化还是资源化利用。因为我国目前幅员辽阔，各个地区实际情况不同，生活垃圾处理的背景、手段和技术也各不相同，应该视实际情况而定，比如在北京、上海、广州这些城市，发展水平高，应该以资源化利用为主，就应该对垃圾进行分类，以提高垃圾的回收率、热值等，进而提高发电效率。不过垃圾处理处置最终的目的是由减量化向资源化过渡，但在过渡期应该分情况处理，符合实际。

3)从设备端来说，高参数燃烧能提高发电效率，进而提高发电量以增加发电利润，但也面临风险大的问题，解决高温腐蚀的问题是生活垃圾焚烧中仍存在的一大技术难点。

垃圾焚烧发电技术的发展需要依靠其上、中、下游产业的推动。首先，垃圾焚烧厂上游仍然需要从末端处理的观念向源头减量化、资源化观念转型，生活垃圾源头分类、厨余垃圾单独处理、可回收物回收利用，能够显著、全面地降低生活垃圾管理的社会成本，有利于生活垃圾综合利用和垃圾焚烧实际运行。其次，生活垃圾焚烧厂建设从高速增长阶段转向高质量建设阶段，中游的燃烧系统仍需要提高国产垃圾焚烧技术，特别是流化床焚烧工艺的改进，提高其热效率。最后，随着人们在环境方面的要求日益增长，生活垃圾焚烧下游烟气处理系统仍需要重点关注，建立实时监测站点，避免造成二次污染。焚烧发电行业决策者应该践行绿色发展理念以推动生态文明建设，使“十三五”时期城市生活垃圾分类和资源回收工作取得成效，进而推动我国美丽的现代化强国建设的进程。

来源：《发电技术》 作者：房德职 李克勋