一、技術(shù)開發(fā)的背景與意義
二十世紀(jì)以來，固體廢棄物的排放急劇增加，造成的大氣污染、地下水污染、土壤污芽土地占用、自然景觀破壞等問題日趨嚴(yán)重。固體廢棄物分為工業(yè)垃圾和城市垃圾兩種，城市垃圾的產(chǎn)量是驚人的，據(jù)統(tǒng)計，中國1990年城市垃圾總產(chǎn)量為6900萬噸，北京市每年的城市權(quán)產(chǎn)量超過200萬噸。如何有效地處理這些城市垃圾，使之資源化、減量化和無害化（即"三化"），成為當(dāng)前世界各國十分關(guān)注的課題。
對城市垃圾的常用處理方法有填埋、堆肥，制沼氣、填海、焚燒和流化床制燃?xì)獾龋渲幸苑贌⒘骰仓迫細(xì)獾奶幚矸椒榧眩?ldquo;三化”的要求。由于流化床制燃?xì)獾姆椒ㄍ顿Y大、工藝設(shè)備復(fù)雜，尚處于研究起步階段。城市垃圾焚燒技術(shù)在美國一日本、法國、德國等發(fā)達(dá)國家己得到初步應(yīng)用，并產(chǎn)主了良好的環(huán)保和經(jīng)濟效益。
焚燒垃圾、回收能源的辦法是我國處理城市垃圾的一個主要發(fā)展方向。
二、國外垃圾焚燒發(fā)電概況
1．國外垃圾發(fā)電
國外最早進(jìn)行垃圾焚燒技術(shù)研究開發(fā)的是德國，隨即英國、法國、美國、日本等國也積極開展了這方面的研究。
德國目前己有五十余座從垃圾中提取能量的裝置及十多家垃圾發(fā)電廠，并且用于熱電聯(lián)產(chǎn)，以便有效地對城市進(jìn)行采暖或提供工業(yè)用汽，1965年聯(lián)邦德國垃圾焚燒爐只有7臺，年處理垃圾71．8萬噸，可供總?cè)丝?．1%的居民用電。至1985年，焚燒爐已增至46臺，年處理垃圾800萬噸以上，占垃圾總數(shù)的 30％，可供總?cè)丝?4％的居民用電，柏林、漢堡、慕尼黑等大型城市中，民用電的10、7％來自垃圾焚燒。1995年德國垃圾焚燒爐達(dá)67臺，受益人口的比率從34%增加到50％。法國共有垃圾焚燒爐約300臺，可將城市垃圾的40％以上處理掉。巴黎有4個垃圾焚燒廠，年處理量170萬噸，占全市垃圾總量的90％，口收的能量相當(dāng)于20萬噸石油，供蒸汽量占巴黎市供熱公司總量的三分之一。美國從80年代起，政府投資70億美元，興建90座焚燒廠，年總處理能力3000萬噸。目前最大的垃圾發(fā)電廠已經(jīng)在底特律市建造，日處理垃圾量4000噸，發(fā)電量65MWe。瑞典、丹麥等國也有類似的焚燒發(fā)電廠。
2．國外垃圾焚燒設(shè)備
垃圾鍋爐是垃圾熱電站臺的主要設(shè)備，亦是發(fā)展垃圾熱電站的關(guān)鍵所在。由于垃圾燃料是具有一定腐蝕性、水分大、熱值不穩(wěn)定的垃圾，因而垃圾鍋爐及其燃燒設(shè)備在設(shè)計上有其一定的特殊性。由于垃圾發(fā)熱值低，且水份含量較高，因此，性能優(yōu)良的燃燒設(shè)備是垃圾鍋爐的關(guān)鍵之處。國外已投入運行的垃圾鍋爐燃燒方式主要有以下幾種：
（1）多級階梯鏈條爐排垃圾在爐排上由高到低逐級流動，逐級燃燒至燃盡。
（2）傾斜往復(fù)式爐排是間隙動作的逆向傾斜往復(fù)爐排，與我國一般燃煤的間隙動作順向傾斜往復(fù)式爐排不一樣。這種爐排的優(yōu)點是：
①火種與主垃圾混合性好，易干燥，著火快。
②垃圾層間攪拌充分，利用完全燃燒：
③干燥、著火、燃燒、燃盡一系列過程都在爐排上進(jìn)行，故而處理效率極高
④垃圾層均勻，燃燒穩(wěn)定，爐溫及鍋爐蒸發(fā)量變動很小。
（3）流化床燃燒方式流化床燃燒對燃料的適應(yīng)性好，能完全燃燒各類城市垃圾或有機的工業(yè)垃圾等。
（4）旋轉(zhuǎn)式燃燒旋轉(zhuǎn)式燃燒是KWU／SIEMNS公司在Uim一Wibligen試驗成功的新的工業(yè)流程。該工藝是將垃圾在緩慢旋轉(zhuǎn)的簡體內(nèi)450℃ 進(jìn)行無氧碳化，產(chǎn)主沼氣和固態(tài)殘留物。固態(tài)殘留物中用機械方法去除非可燃物（如金屬、石塊、玻璃等），余下部分為碳化物，其熱值達(dá)到與褐煤相仿。這部分碳化物與產(chǎn)生的煤氣共同在1300℃下燃燒。
（5）等離子弧燃燒方式該方法是通過在垃圾堆中設(shè)一條通道，將等離子弧及冷卻劑和氣體經(jīng)通道輸入垃圾中，這時火種將垃圾熔化蒸發(fā)，使之變成無害的玻璃狀熔渣。燃燒火焰溫度可高達(dá)8000℃，釋放的氣體引入燃料電池發(fā)電。
目前，國外垃圾焚燒鍋爐的容量一般在10t／h~100t／h，蒸汽壓力為1.4Mpa~4.7Mpa，蒸汽溫度多為飽滿和溫度，一般是在400．C左右。
三、中國迫切需要發(fā)展垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)
1．我國垃圾產(chǎn)量及成份
我國經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展和人民主活水平的不斷提高，城市生活垃圾的產(chǎn)量逐年增加，年均增長率接近9%。 雖然我國城市居民人均日產(chǎn)垃圾不足1kg，低于大多數(shù)發(fā)達(dá)國家，但其總產(chǎn)量卻相當(dāng)高，見表1。預(yù)計到2000年我國城市垃圾產(chǎn)量將達(dá)到19000萬噸左右，我國城市垃圾的特點是無機物含量高于有機物含量，不可燃成分高于可燃成分。但不同類別城市之間差別較大，中小城市垃圾的有機質(zhì)含量多為2%左右，一些大城市如北京市的垃圾有機質(zhì)含量可高達(dá)8％以上。有機成分中，以生物質(zhì)（即生物與廚房垃圾）所占比例為大，紙張較少，而國外垃圾中紙張所占比例較大：無機成分中，以灰土磚石為主，玻璃、金屬等含量很低。垃圾組成成分不同，決定了我國垃圾處理應(yīng)走自己的路、而且不同城市之間也采取不同的處理，不能簡單地仿效國外。
2．發(fā)展垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)大有可為
一般認(rèn)為，當(dāng)垃圾的發(fā)熱值大于3349kJ/kg時，就可以由自然方式直接燃燒。我國垃圾的發(fā)熱值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家。
我國中等以上城市的垃圾低位發(fā)熱量一般在2512~4605kJ/kg范圍內(nèi)，北京地區(qū)較高，可達(dá)到349~65605kJ/kg。隨著城市生活水平的不斷提高，北京市1997年以后天然氣營道接通后城市燃煤氣率將有突破性增加，垃圾的發(fā)熱值還會不斷增加。顯然，燃煤氣化的發(fā)展對保證垃圾可烯是很重要的一步。
燃用煤氣地區(qū)的城市垃圾中有機物的含量相當(dāng)高,一般超過50％，高的達(dá)80%以上。大量的有機垃圾是極寶貴的資源，它既可提煉有用的物質(zhì)，亦是垃圾中主要的可燃成分。
發(fā)展城市垃圾熱電站與城市人口數(shù)量亦有一定的關(guān)系，因為電站的主產(chǎn)是連續(xù)性的，需要有厄夠數(shù)量的垃圾才能保證連續(xù)運行。同時，還要考慮垃圾數(shù)量與質(zhì)量會隨季節(jié)的不同而有變化。按城市人口平均每人每天產(chǎn)主垃圾量約為1kg（發(fā)達(dá)國家稍多）計算，城市人口太于100萬以上·則每日產(chǎn)主城市垃圾在1000噸以上，就可以保證穩(wěn)定發(fā)電。
3．開發(fā)適合我日垃圾的國產(chǎn)焚燒鍋爐
國外目前比較成熟的垃圾焚燒設(shè)備多為馬丁爐排鏈條爐。對于熱值較高的城市垃圾而言，這種選擇無疑具有其科學(xué)性，但在處理熱值較低且變化范圍較大的我國城市垃圾時，必然帶來一定程度上的困難，甚至影響整個垃圾焚燒廠運行。深圳衛(wèi)主處理廠引進(jìn)的日本焚燒爐就已經(jīng)遇到了這一情況，從投資的角度來看，引進(jìn)一套（兩臺）日處理量600噸垃圾（發(fā)電功率為2x3Mwe）的焚燒發(fā)電處理廠需要投資約4.5億人民幣，對于處于發(fā)展時期的我國來說是難以接受的。若能開發(fā)研制符合中國國情的國產(chǎn)化垃圾焚燒爐，將具有廣闊和應(yīng)用前景。在固體廢棄物的焚燒處理方面，我國科研工作者做過大量的工作，主要采用鼓泡流化床或循環(huán)流化床燃燒方式。對于熱值及成分多變的垃圾，流化床燃燒是具有其獨特的優(yōu)勢的，這己為國外學(xué)者所公認(rèn)。尤其是在污染物控制方面，流化床同時解決了燃燒與脫污染物過程，有效地降低了設(shè)備的初投資，減小系統(tǒng)的復(fù)雜性，因此采用流化床焚燒方式，開發(fā)研制符合中國國情的國產(chǎn)化垃圾焚燒爐將是一條合理的技術(shù)路線。從工藝角度看。垃圾焚燒技術(shù)的核心是燃燒問題，只有保證鍋爐能穩(wěn)定、充分清潔地燃燒，才可能實現(xiàn)垃圾的無害化和降容化。為了組織好燃燒；需要開發(fā)一套成熟的能把成分復(fù)雜、大小不一的原始垃圾順利送入燃燒裝置，并把灰渣及不可燃物質(zhì)（如石磚等）從燃燒設(shè)備順利排出的技術(shù)和裝置，焚燒后垃圾減量程度可達(dá)90％。為了保證垃圾焚燒后不對環(huán)境造成二次污染，需要發(fā)展相關(guān)的污染控制技術(shù)，一方面要靠合理、有效地組織燃燒過程以控制Nox和二惡英、吹哺類的污染物產(chǎn)生量，另一方面要有效地去除或防止HCI、Sox和重金屬的污染，為了減少投資和提高效率，需要有效地回收燃燒產(chǎn)物：煙氣中的熱能。燒掉垃圾，只是滿足環(huán)保的需要，實現(xiàn)了垃圾的無害化、降容化。垃圾焚燒爐的熱利用，亦即進(jìn)一步運用余熱鍋爐，充分利用焚燒熱，實現(xiàn)蒸汽發(fā)電、供熱，是垃圾的資源化。此外，還可對焚燒后的灰渣進(jìn)行制磚等綜合利用。概括他說，垃圾焚燒綜合利用技術(shù)需要解決燃燒、污染控制和進(jìn)料、排渣等一系列問題。這些問題在通常的燃燒組成穩(wěn)定的燃料時是可以解決的，但由于作為燃料的垃圾的復(fù)雜成分需要進(jìn)行深入詳細(xì)的研究。
四、垃圾熒僥發(fā)電綜合利用技術(shù)
1．垃圾進(jìn)料裝置
國內(nèi)的城市生活垃圾沒有分類，而分選、破碎的設(shè)備不僅十分復(fù)雜，而且可靠性差，因此不能走國外的流化床焚燒爐把垃圾破碎到一定粒度（如1~10mm）的路線，必須開發(fā)出能原始垃圾（盡管其中可能含有木頭、金屬和磚石等不規(guī)則物體）順利送入爐膛的進(jìn)料裝置，清吩學(xué)根據(jù)幾十年煤燃燒技術(shù)科研與工程的經(jīng)驗和對國內(nèi)外有關(guān)裝置的比較、研究，選用爐排進(jìn)料、流化床燃燒的方式，順利解決了這個問題。
2．流化床垃圾焚燒技術(shù) 流化床燃燒技術(shù)是專門針對低熱值燃料而開發(fā)的，流化床焚燒低熱值的垃圾有較高的效率，燃燒效率可高達(dá)95％以上，而且對燃料成分變化不敏感：熱值不足以維持熱平衡時投入輔助燃料（煤）助燃。通過實驗運行，己解決了焚燒的充分性、可靠性，而且由于流化床獨特的燃燒方式，其氣體有害物的排放量少于其它焚燒方式。清華大學(xué)對垃圾焚燒機理的理論與實驗研究己為垃圾焚燒爐的設(shè)計提供了必需的設(shè)計依據(jù)。
3．流化床床上排渣技術(shù)
由于垃圾成分及形狀復(fù)雜，灰渣的顆粒大濘、形狀也不盡一致，不同子一般流化床的排料條件，需采用特殊的排渣技術(shù)。清華大學(xué)通過研究、采用床上定向排渣技術(shù)可以解決排渣問題
4、受熱面防腐技術(shù)垃圾焚燒時由于其原始組成中含有大量的塑料，會生成具有很強腐蝕能力的HC1：為降低氮的氧化物生成，需要分級燃燒，爐膛內(nèi)形成還原氣氛。應(yīng)研究還原區(qū)的高溫腐蝕。此項技術(shù)正在研究中。
5．污染物脫除技術(shù)
一般地，利用流化床可實現(xiàn)爐內(nèi)脫硫、除HCI等，并有效地降低氮的氧化物Nox的生成。為經(jīng)濟、有效地控制污染物的排放，應(yīng)研究污染物的生成機理，開發(fā)可靠的脫除污染物技術(shù)。目前清華大學(xué)已具有實用的爐內(nèi)脫硫、除HCI技術(shù)，其它污染物的脫除技術(shù)正在研究中。根據(jù)清華大學(xué)已有日處理10噸垃圾的熱態(tài)實驗裝置上試驗的結(jié)果，HCL＜50ppm， NOX＜500ppm,S0X＜1500ppm,均低于國家排放標(biāo)準(zhǔn)。由于采用流化床焚燒技術(shù)，有機物充分燃盡，幾乎不存在二惡英、呋喃排放問題。
6．灰渣綜合利用技術(shù)
對流化床排出的灰渣經(jīng)磁選除去金屬（回收）后，進(jìn)行簡單破碎，即可成為水泥、磚等的原料之一，需要時焚燒后的灰渣成分、特性及其它原料的配比進(jìn)行研究。
五、產(chǎn)業(yè)化條件
城市垃圾焚燒發(fā)電綜合利用可逐步產(chǎn)業(yè)化，不僅可將以后產(chǎn)生的城市生活垃圾全部焚燒發(fā)電降容處理。而且可能部分的消化以前多年遺留下未處理的垃圾。除發(fā)電外，還可以為垃圾焚饒?zhí)幚韽S附近的企事業(yè)單位或居民提供熱源如冬委供暖、工業(yè)用汽，焚燒后的灰渣可以制成建筑材料或作為筑路材料。焚燒后垃圾體積下降90％，焚燒降容后填埋占用土地面積大大下降。其效益是多方面的。一臺蒸發(fā)量為20t/h的焚燒鍋爐每天可處理垃圾約300噸左右，按每年運行 300天計，一年可處理城市垃圾計9萬噸，這相當(dāng)于30萬城市居民一年的垃圾排放量。焚燒爐的各項排放指標(biāo)均可以達(dá)到國家環(huán)保要求。垃圾焚燒產(chǎn)生的熱量可用于發(fā)電或供熱、制冷，發(fā)電功率為3000kWe，可保證垃圾焚燒廠在經(jīng)濟上不僅可自我維持，節(jié)省了垃圾處理費用，甚至還略有盈余。
一 我國近五百個大中小城市，每年垃圾產(chǎn)量可達(dá)七千多萬噸，市場是極為廣闊的。據(jù)統(tǒng)計分析，我國大中城市垃圾中無機物平均含量較大，有機可燃物含量較小。除局部地區(qū)熱值可達(dá)6500kJ/kg外、大部分垃圾的熱值不足4000kJ/Kg，而國外的垃圾焚燒設(shè)備主要適用于處理較高熱值的垃圾（一般熱值應(yīng)大于 6500kJ/kg），此外,我國垃圾沒有分揀，成分遠(yuǎn)比國外的生活垃圾復(fù)雜。由于不同熱值、、不同成分燃料的燃燒特性差異很大，因此，從技術(shù)上說，照搬國外的技術(shù)、設(shè)備是不能很好地解決我國的垃圾焚燒問題的。
二 從經(jīng)濟上說，國外的12Mwe垃圾發(fā)電機組的初投資可達(dá)0.5億美元，是其常規(guī)火力電站投資的二倍以上，而比國內(nèi)同等規(guī)模的常規(guī)火力電站的初投資（約1億人民幣）大四倍多。運行費用高30~50%以上。因此，大規(guī)模引進(jìn)國外機組建設(shè)垃圾焚燒廠是不可能的，在中國是沒有經(jīng)濟可行性的。
六、科研開發(fā)條件
清華大學(xué)工業(yè)鍋爐及民用煤清潔燃燒國家工程研究中心在流化床燃燒技術(shù)研究方面一直處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。先后研制出4~220t／h蒸發(fā)量多種類型的燃煤國產(chǎn)化循環(huán)流化床鍋爐，現(xiàn)正在主持國家九五攻關(guān)項目“125Mwe循環(huán)流化床鍋爐的研制”工作。
1993年，向臺灣出售一臺75t／h（12Mwe）以工業(yè)固體廢棄物為燃料的焚燒爐整套技術(shù)圖紙。在垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)研究方面，清華大學(xué)己作了大量工作，利用自籌資金建設(shè)了熱態(tài)實驗臺和冷態(tài)實驗臺，開展一些基礎(chǔ)研究和技術(shù)開發(fā)工作，并取得了階段性成果，已申請兩項國家專利，其一是“燃用多成分低熱值的流化床鍋爐及其運行方法”，是主要針對大中城市研制的大型流化床焚燒爐，單爐處理量150一500t／d，其二是“燃用固體廢棄物的快裝流化床焚燒爐”，是針對小區(qū)、車站、機場、碼頭的設(shè)計的快裝型流化床焚燒爐，單爐處理量50一150t／d。前面所述的進(jìn)料技術(shù)、流化床焚燒技術(shù)、排渣技術(shù)和污染物脫除技術(shù)包含在這兩個專利之中。此外，還有多項技術(shù)，有害物經(jīng)濟脫除技術(shù)等正在研究中，擬研究成功后申請相應(yīng)的國家專利。
七、商業(yè)化垃圾電站投資及效益分析
根據(jù)清華大學(xué)目前研究和熱態(tài)實驗的基本數(shù)據(jù)，參照國內(nèi)常規(guī)小型熱電站投資、收費標(biāo)準(zhǔn)，以每天處理900噸垃圾的焚燒發(fā)電廠為例，說明完全國產(chǎn)化的垃圾電站的投資運行費用概算。 1. 建設(shè)規(guī)模與內(nèi)容
垃圾處理量 900t／d
占地面積 2500m2
建筑面積 18000m2
全廠包括垃圾收集上料系統(tǒng)、垃圾焚饒鍋爐、汽輪發(fā)電機系統(tǒng)、三廢處理系統(tǒng)及輔助工程系統(tǒng)等。擬采用三機四爐，即三套汽輪發(fā)電機，四臺垃圾焚燒鍋爐（三開一備）。
2．主要設(shè)計參數(shù)
（1）單爐垃圾處理量 300t/d
（2）焚燒鍋爐臺數(shù) 4臺
（3）年運行時間 ＞7000小時
（4）垃圾低位發(fā)熱量 5000kJ/kg（4180~6500kJ/kg）
（5）垃圾水分 20~45％
（6）垃圾焚燒溫度 800~950'C
（7）過量空氣系數(shù) 1.5~1.7
（8）汽輪發(fā)電機出力 3000kw／臺
（9) 輪發(fā)電機臺數(shù) 3臺
（10）有害物排放濃度煙塵 ＜30mg／m3
HCI ＜50mg／m3
N0x ＜500mg／m3
SOx ＜200mg／m3
CO＜60mg／m3 3．
效益分析
三臺汽輪發(fā)電機總發(fā)電功率為9000kw，自用電為2000kw，外供7000kw，全年運行7000小時，共外供 7000x7000=4.9X107kw.h，每度電售價按0.3元考慮，則年售電收入1470萬元，如果鍋爐產(chǎn)生蒸汽不僅發(fā)電，而且進(jìn)行供熱，效益會更好。回收的廢金屬可外售，焚燒后的灰渣可作建筑原料，也可有少量收入。此外，工程建成后，每年減少垃圾填埋量約26萬噸，每噸填埋費按25元計，每年可節(jié)省填埋費650萬元，同時可減少用于填埋的占地約30畝，又可節(jié)省一筆土地征用費，并節(jié)約了土地資源。 垃圾電站投資概況表（單位：萬元） 序號 項目名稱
建筑工程費 設(shè)備購置費 安裝工程費 其它 合計
1 熱力系統(tǒng) 1650 4500 1100 7250
2 垃圾收集上料系統(tǒng) 620 700 320 1640
3 除灰系統(tǒng) 20 80 100
4 水處理系統(tǒng) 30 240 180 450
5 洪水系統(tǒng) 90 40 130
6 電氣統(tǒng) 12 300 120 432
7 自動系統(tǒng) 10 400 80 490
8 污染物脫除系統(tǒng) 420 250 160 830
9 附屬工程系統(tǒng) 60 20 2 82
10 小計 2912 6490 2002 11404
11 總預(yù)備費 728 500 200 1428
12 建設(shè)期利息 1549
13 總計 14381
