解析垃圾焚燒發電科技特色

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隨著經濟的迅速發展、人口的不斷增長和人民生活水平的日益提高,垃圾的產生量也急劇增加,目前我國城市生活垃圾年產生量約1.5億t,且每年還在以8%-10%的速度增長.這無疑給環境造成了很大的負擔,影響了可持續發展的基礎,制約了國民經濟的進一步發展.如何遵循無害化、資源化和減量化原則和目標對這些垃圾進行處理,從根本上解決垃圾對環境的危害成為目前人們十分關注的問題.當前,垃圾處理一般采用填埋、焚燒和堆肥三種方式.投資3億多元的江蘇吳江垃圾焚燒發電廠緊急叫停事件、廣東番禺建垃圾焚燒發電廠風波,使人們對垃圾焚燒發電的利弊討論日益激烈.在此,本文對垃圾的幾種處理方法進行了對比,并針對垃圾焚燒發電技術的相關問題著重進行了分析.

1幾種垃圾處理方式概述

1.1填埋法隨著固體廢棄物填埋技術的發展,填埋場建設的日趨完善,使垃圾的處理得以向集中化、衛生化的方向不斷發展.由于該工藝的運行成本低、對科技要求不高,是我國城鎮垃圾的主要處理方式.但是,此種處理方法存在的問題是不容忽視的.垃圾被填埋后會產生大量的填埋氣體,氣體成分復雜,其中可降解的有機組分被微生物分解后產生大量的氣體,主要成分有CH4、CO2、N2、O2、NH3、H2S等,其中以CH4和CO2的濃度最高;而微量氣體主要包括一些揮發性有機化合物,如氯代烴類、苯系物等.這些氣體如果不加處理任由其排入大氣,或處理不當就會造成空氣污染,危害人體健康.若要提高填埋氣體的應用性,就要對其產氣過程與規律進行深入研究,并通過適宜的管理,利用先進技術,使其產生可觀的經濟效益和社會效益.由于垃圾自身原有的水分,填埋后微生物分解也會產生水,加之自然降雨和徑流作用,垃圾在填埋處理中會產生大量滲濾液.其中含有大量有機物、懸浮物、氨氮、重金屬離子和致病菌等對垃圾場地的地下水、土壤和地表水都會造成嚴重污染.此外,垃圾填埋場或堆放場大多已趨于飽和.隨著垃圾產量的逐年增加,當填埋場再次達到飽和時必須尋找新的場地來銷納垃圾,而垃圾填埋場址的選擇又受到地形、地貌、水文、氣象、地質等多種自然因素及城市規劃、垃圾產生量等社會因素的綜合影響,因此需要進行嚴格詳細的勘察,給環境和社會都帶來很大的負擔.

1.2堆肥法垃圾堆肥是利用微生物人為地促進可生物降解的有機物向穩定的腐殖質轉化的微生物反應過程.在生物化學反應過程中,垃圾中的有機物與氧氣和細菌相互作用,釋放出二氧化碳、水和熱量,同時生成腐殖質,用作土壤改良劑.該技術以其無害化程度較高、減量化效果較為明顯,可最大限度地實現生活垃圾處理資源化的特點作為處理有機垃圾的一種方法,在我國得到了廣泛應用.

堆肥按需氧程度可分為厭氧堆肥和好氧堆肥.厭氧堆肥是依靠專性和兼性厭氧菌的作用降解有機物的生化過程,此法對有機物的分解速度慢、發酵周期長、占地面積大;好氧堆肥是依靠專性和兼性好氧菌的作用降解有機物的生化工程,此法對有機物的分解速度快,堆肥所需天數短,臭氣發生量少,應用較廣泛.

垃圾堆肥處理與衛生填埋處理相比,其成本偏高.堆肥處理節約土地,社會效益明顯,但該方法在實際應用中仍有很多問題和局限,且并不是所有的垃圾都適合于堆肥處理,應充分考慮當地生活垃圾的成分和氣象條件、經濟狀況等因素.此外,堆肥品質差、肥效不高則是垃圾資源化進程中的"瓶頸".堆肥腐熟度低,有機質含量一般低于20%,遠低于有機質含量>45%的有機肥標準,且堆肥中富含沙子、玻璃、塑料片等雜質,重金屬也超標,這些成分會對環境帶來潛在的危害和影響,還需進一步通過垃圾分類收集、改進分選設備來解決.

1.3焚燒法垃圾焚燒處理法與上述兩種方法相比,具有占地面積小、場地選擇容易、處理時間短、減量化顯著(減重一般達80%,減容一般達90%)、無害化較徹底和可回收余熱等優點.城市生活垃圾焚燒處理技術在我國尚處于起步階段.截止到2008年9月統計,全國共建設生活垃圾焚燒廠100座,其中建成56座、在建44座.72%的焚燒廠集中在東部地區,廣東、浙江和江蘇位居前三名,占全國總量的45%.

垃圾燃燒過程是質量傳遞、熱傳遞、動量傳遞、化學反應、結構變化等物理化學反應綜合在一起的一個復雜過程.從固體燃料燃燒理論的角度分析,作為定性的燃燒階段劃分,廢物燃燒過程可分為預熱、水分蒸發、升溫、揮發份析出、著火和固定碳燃燒、燃盡等過程.伴隨著這些過程的開始、發展、結束和交替,垃圾先吸取熱量,溫度上升,失去水分,局部分解析出可燃成分,然后著火燃燒,放出熱量,直到燃盡冷卻.廢物本身的質量也隨著這些過程逐步減少,直到殘留灰渣.

其中,垃圾焚燒余熱的利用成為人們普遍關注的問題,利用方式主要有發電、供熱和熱電聯產.受我國可再生能源的影響,絕大多數垃圾焚燒余熱均用于發電,極少部分用于供熱或熱電聯產.

2垃圾焚燒發電的技術特點

2.1適用工藝條件城市生活垃圾能否采用焚燒處理技術,取決于垃圾中可燃質含量、低位發熱值和垃圾含水率.一般要求生活垃圾可燃成分為30%-40%以上,低位發熱值在3350kJ/kg以上,垃圾含水率50%以下,垃圾能自燃焚燒,但在此條件下垃圾焚燒無法滿足爐膛內煙氣850℃/2S的要求.生活垃圾低位發熱值在6280kJ/kg以上,可實現穩定燃燒,滿足爐膛內煙氣850℃/2S的要求和工質發電的需要,有效利用能源,建設垃圾焚燒發電廠.

目前,國內城市生活垃圾人均生成量為(0.8-1.3)kg/人·d,一般取1.1kg/人·d為設計依據(包括所有在本地區生活的人口).目前,國內已建成焚燒設施的城市生活垃圾低位熱值大多在5000kJ/kg上下,含水率一般大于50%.與發達國家城市相比,其特征是熱值低、含水率高、組成成分變化大,垃圾焚燒有一定難度,焚燒鍋爐熱效率較低.在蒸汽參數方面,通常垃圾焚燒廠余熱鍋爐蒸汽參數為中溫中壓參數(4MPa和400℃).若提高蒸汽參數將有助于提高余熱利用效率,提高發電量,增加垃圾廠的收入,但同時也加劇了余熱鍋爐材料的腐蝕,縮短設備的使用壽命,增加折舊成本.廣州李坑垃圾焚燒發電廠"一期"工程的鍋爐參數為5.4MPa、490℃,達到次高壓參數,采用次高溫次高壓參數的經濟性和對中國國情的適應性目前仍在探索之中.

2.2垃圾焚燒技術類型及特點層燃爐技術:這種焚燒方式不需對入爐垃圾作嚴格的預處理,活動爐排的機械運動能實現對垃圾的攪動與混合,可防止垃圾進爐后遇到強熱產生表面固化,進而影響垃圾內部傳熱和氣體流動,以致延長垃圾的燃燒時間,導致不完全燃燒.垃圾干燥、著火、燃燒及燃燼等一系列過程都在爐排上進行,故處理效率高,垃圾層均勻,燃燒較穩定完全,飛灰量少.

回轉爐技術:回轉窯焚燒爐通常包括廢棄物接納貯存、進料、爐體、廢熱回收和二次污染控制等部分.

窯身為一微傾斜布置、低速回轉的圓筒,垃圾從高端送入,在筒內翻轉燃燒直至燃燼從下端排出,有水冷壁式和耐火磚襯式兩種.其中,前者有水冷壁沿回轉筒周向排列,以吸收焚燒后放出的熱量,降低筒體溫度.筒體下部設置風室,空氣由水冷管進入,穿過底部料層,混合較均勻.耐火磚襯式的筒內壁用耐火磚襯里,蓄熱量大,燃燒溫度高,但其空氣由筒體一端送入,致使筒中心空氣過剩,而筒底部得不到應有的空氣,同時因其筒體重、慣量大、轉速低,因此垃圾的翻動和攪拌不充分,燃燒速度和效果不如水冷式.

流化床技術:流化床焚燒爐的物料處于懸浮狀態,空氣與垃圾充分接觸,煙氣流速高、燃燒效果好,分級燃燒能有效降低氮氧化物的排放,低成本脫硫,灰渣易于綜合利用,負荷調節范圍大,燃燒穩定.但是,流化床一般難以焚燒大塊垃圾,因此對垃圾的前分選和破碎工序要求嚴格,限制了該技術在工業廢棄物和城市垃圾焚燒領域的發展.此外,由于垃圾和砂粒在爐內呈流化狀態,加上補充燃煤,所以煙氣中的粉塵含量較高,除塵器負擔加重,飛灰量增多,處理費用增加.近年來,由于煤價的上漲、飛灰量大、需要預處理等原因,使流化床垃圾焚燒爐在我國的應用和發展受到一定的制約.

3垃圾焚燒發電技術存在的問題及解決對策

3.1二惡英二惡英即多氯代二苯并惡英和多氯代二苯并呋喃的通俗名稱,具有強致癌性.主要是由于燃料中本身含有的二惡英在燃燒中未被破壞、燃料不完全燃燒或固體性灰表面發生異相催化反應合成二惡英.垃圾在燃燒溫度850℃時會產生二惡英,目前主要解決辦法是把爐膛溫度控制在1200℃以上,生成物中將不包含二惡英前驅物,大大降低后期的重新合成幾率.但當排煙溫度冷卻到300-500℃時,會重新組合生成二惡英,一般采用急冷技術使煙氣急速冷卻到200℃以下,從而減少煙氣在二惡英合成溫度區的停留時間,扼制其再合成.但這種溫度控制在技術上要求較高,急冷的方法也不利于焚燒余熱的利用,而且高溫除塵技術現在還不過關.

目前,在燃燒中通常采用"3T+E"的原則,即提高爐膛溫度(Temperature)、提高在高溫區的停留時間(Time)、提高爐膛內混合強度(Turbulent)和過量空氣系數(Excessair)對垃圾進行充分燃燒,使垃圾中的二惡英及其前驅物充分分解,但顯然這樣會增加NOx排放濃度,造成另外的污染物負擔.此外,燃燒中通過投加硫、鈣的化合物及其它堿性化合物等對氯源進行控制,可降低二惡英的排放,但是離完全控制污染還有一定距離.對已經產生的煙氣中的二惡英可采用活性炭吸附、催化分解、紫外光分解、微生物降解和綜合靜電煙氣凈化等方法進行處理.但二惡英的去除要從源頭上控制才是根本所在.一般認為,有氯和金屬元素存在條件下的有機物燃燒均會產生二惡英,垃圾中含有大量的有機氯化物(如聚氯乙烯翅料、氯苯等)是焚燒過程中二惡英的主要來源.垃圾在焚燒前的分選,不但可有效控制二惡英氯源,而且可最大限度地回收利用物質資源,但是分選工作量大、工作環境惡劣和自動化程度不高等因素使其可行性大大降低.垃圾分類回收是垃圾資源化的必然要求,也是垃圾收集方式的一種必然趨勢,我國應盡快根據國情積極完善垃圾分類回收系統,提高垃圾綜合治理技術.首先應加強對公眾的環境意識教育,采取道德和法律雙管齊下的方針,推動垃圾分類回收;其次,政府應完善分類體系,統一標準,建設方便的垃圾分類收集運輸裝置,如垃圾分選中心、大件垃圾處理設施、綠化垃圾堆肥設施等,這樣才可能做到真正意義上的分類處理;第三,垃圾分類回收應制定相應的產業政策,采取市場化運作的方式.

3.2焚燒飛灰垃圾在焚燒時會產生5%左右(質量分數)的垃圾焚燒飛灰.垃圾焚燒飛灰中除了含有大量二惡英外,還富集了垃圾中的大部分重金屬元素(Pb、Cd、Cr等)和易溶鹽類.因此,需將垃圾焚燒飛灰作為危險固體廢物進行處置,配套建設危險廢物處理場.目前對垃圾焚燒飛灰主要采取直接密封填埋、水泥固化后填埋、熔融固化后填埋和化學穩定化后再填埋等處置方式.倪文等提出了"燒制陶粒"、"作為凝石成巖劑的原料"和"作為UASB、EGSB廢水處理裝置的生化反應促進劑同時回收重金屬"三種資源化利用垃圾焚燒飛灰的方案,值得深入研究和進行產業化推廣.

3.3垃圾焚燒滲濾液垃圾焚燒滲濾液與垃圾填埋場的水質特征不同,具有COD高(可達70000mg/L)、BOD5/COD高、NH3-N高、金屬離子含量高、水質變化大、毒性大、難處理等特點.垃圾焚燒廠滲濾液的排放標準《污水綜合排放標準》(GB8978-1996)遠高于垃圾填埋場滲濾液的排放標準《生活垃圾填埋污染控制標準》(GB1688-1997)[13].目前對垃圾焚燒滲濾液尚無成熟完善的系統處理工藝,處理研究主要集中在膜生物反應器、電解、催化濕式氧化(CWAO)、人工濕地處理等方法,但處理費用較高.因此,尋找經濟高效的處理工藝就成為解決垃圾焚燒滲濾液二次污染問題的當務之急.

4小結垃圾焚燒廠建立在城市周圍,運送垃圾方便,并且可以向城市提供電能或熱能,產生一定的經濟效益.

隨著經濟技術的發展,垃圾焚燒技術在城市生活垃圾處理中所占的比重不斷上升,生活垃圾焚燒廠在許多經濟較發達地區建設并投入運行,隨之出現的二次污染問題也有一定范圍和程度的環境影響,并日益凸現.

而我們只有通過不斷的深入研究和全面的環境評價,采用現代先進、多元化的運營模式,在創造經濟效益的同時,實現環境效益和社會效益的統一,才能促使垃圾處理產業向健康、可持續的方向發展.