适合中国国情的生活垃圾循环流化床焚烧发电集成技术
1 我国生活垃圾处置背景
随着我国经济的高速发展，人民的生活水平迅速提高，城市化进程不断加快，城市垃圾产生量急剧增加，据统计，2005年全国660 多个城市的生活垃圾年产量约1.56亿吨，生活垃圾的无害化、资源化、减量化处理是实现我国经济的可持续发展、提高居民生活环境质量，建立和谐社会的核心问题之一。 目前，世界范围内的生活垃圾处理方法以填埋、堆肥和焚烧三种形式为主。其中焚烧技术由于占地小、处置效率高、减容大和可资源化利用等特点，得到了快速的发展。根据建设部统计数据,2004年，我国661 个城市建有各类生活垃圾焚烧处理场54座，处理能力1.69万吨／日，处理量449万吨，占集中处理率的 7.1%。而2005 年一年全国新增生活垃圾焚烧处理厂12座，年处理量780万吨，占集中处理率的10％。从可持续发展战略角度，生活垃圾处理的目标应该是实现无害化、资源化和减量化，焚烧法处理生活垃圾是实现无害化、资源化和减量化的快捷和有效技术。
 图1 中国生活垃圾焚烧发电厂发展趋势（数据来源：建设部官方网站） |
浙江大学能源清洁利用国家重点实验室从上世纪90 年代初开始，以流化床为基础，进行生活垃圾焚烧处置的系统研究工作。开发的异重循环流化床生活垃圾焚烧技术依据国家产业发展政策，通过掺烧少量辅助煤，有效地克服了现阶段我国生活垃圾不分类、水分高、组分复杂的问题，实现了低热值垃圾的稳定高效清洁燃烧，同时通过煤中 S 的抑制作用，达到了极低的二恶英排放浓度，真正实现了我国生活垃圾的高效清洁处置。经过近10年完善与改进，形成了能适合大中城市，具有我国特点的生活垃圾焚烧发电集成体泊星石 系，并已经成功应用于12座垃圾焚烧厂，28台焚烧炉，市场占有率超过20%，为我国垃圾焚烧技术的国产化和产业化推广做出了贡献。
近年来，随着能源与环境问题的日益凸显，世界各国都在大力发展清洁可再生能源，本文结合多年来生活垃圾与煤混烧技术研究的成果和成功经验，考虑到作为农业大国，长期来量大面广的农林废弃物没有得到妥善处置，为此，结合我国新农村建设的战略方针，提出了基于循环流化床的生活垃圾与农业生物质废弃物混合焚烧的工艺路线，该工艺不仅可以充分利用生物质挥发份高、热值稳定的优点来保证低热值生活垃圾的稳定燃烧，同时有效地解决了单一生物质焚烧所存在的易结焦、碱金属腐蚀严重等问题。这对于推动我国可再生能源的发展具有重要意义。 2 浙江大学生活垃圾焚烧发电集成技术创新
浙江大学清洁能源利用国家重点实验室作为我国清洁燃烧技术的核心研究基地，经过十多年的潜心研究与工程应用，形成了完善的生活垃圾焚烧发电集成技术体系，其核心创新点包括：
(1)采用异比重循环流化床的稳定燃烧，通过流化床布风板的特殊设计，防止垃圾大块在床内的沉积和轻垃圾成分的偏析，保证稳定燃烧。
(2）通过混烧少量的辅助煤实现二恶英污染物的极低排放，经过多年来关于燃烧过程二恶英排放的研究结果表明，少量辅助煤混烧可以有效地抑制二恶英的生成。试验验证了煤中释放的 SO2 的存在是抑制二恶英生成的主要原因。同时，SO2可以使催化剂Cu中毒，从而降低了Cu 的催化活性。催化剂Cu在二恶英的生成过程中的主要作用体现在催化剂Cu 中毒可抑制从头合成和前驱物反应生成二恶英。加入煤后垃圾焚烧产生的二恶英浓度降低的原因还在于燃烧效率的提高，未完全燃烧产生的有机物减少，煤中含有的矿物质吸附催化剂和氯，形成S 取代的有机物。
应用浙江大学垃圾焚烧技术已投运的垃圾焚烧炉，烟气中二恶英排放一般远小于0.1ngTEQ/Nm3。特别是浙江大学自90年代后期，结合城市生活垃圾焚烧技术的开发及应用，通过广泛的国际交流，建立了完整可靠的二恶英预处理及测试分析系统，并在垃圾焚烧过程中二恶英生成机理及排放控制研究方面取得了有益成果，真正从技术层面上保证垃圾处理工程中二恶英污染排放控制，严格保证排放特性优于国家有关环境保护标准。
(3)无垃圾渗滤液污染，浙江大学能源清洁利用国家重点实验室开发的循环流化床生活垃圾焚烧炉在设计时即按较高的含水量进行计算。不需要对生活垃圾进行堆放，高水分的原生垃圾可以直接进入循环流化床焚烧炉进行焚烧，因此产生的渗滤液较少。同时将产生的少量垃圾渗滤液采用炉内回喷方式，使垃圾渗滤液中的污染物在高温中燃烧分解，最大限度地降低了垃圾渗滤液的污染，减少了对垃圾渗滤液的复杂处理，提高了综合环保效益和经济性。
(4)特殊布风结合定向风帽布置方式，提高截面垃圾处理量。通过布风装置及燃烧设备的专门设计，采用特殊布风结合定向风帽布置方式，可保证经简易破碎的原生垃圾在炉内充分焚烧。 分段燃烧方式及二次风旋涡切圆布置，采用分段燃烧方式及二次风旋涡切圆布置方式，使炉膛稀相区内燃烧空气充分混合，改善燃烧状况，降低CO 排放浓度及控制NOx的排放。
(5)有效防止受热面的高温腐蚀，为防止在焚烧生活垃圾时，氯化氢排放导致的高温腐蚀可能会影响到焚烧炉部件的寿命，采取了以下相应控制措施包括，采用床内焚烧温度在850℃～900℃；采用非常规的过热器布置方式；采用高浓度的飞灰吹扫等。使得受热面灰结垢程度大大减轻，同时有助于减轻 HCl 气体对管壁的高温腐蚀程度，提高了发电效率和垃圾焚烧的经济性。 3 先进的生活垃圾焚烧全过程污染物控制技术
垃圾焚烧后污染物排放的控制是生活垃圾无害化处置的一个关键问题，浙江大学能源清洁利用国家重点试验室结合先进的分析测试平台和试验条件，对生活垃圾焚烧过程中各类污染物的形成、迁移和排放进行了系统的研究，开发了先进的污染物排放控制技术，确保垃圾焚烧炉污染物排放优于国家标准，真正实现清洁焚烧：
(1)采用循环流化床低污染燃烧方式，循环流化床通过不同比重的床料在流化床内外的反复循环，实现低热值垃圾的稳定燃烧和温度均匀，循环流化床燃烧为低温燃烧，燃烧产生的 NOx 排放低，通过炉内加固泊星石 硫剂（石灰石）的方法可有效脱除SO2。
(2)针对生活垃圾焚烧过程中产生的常规污染物包括 CO、NOx、SO2 及 HCl、重金属（如 Hg、Cd、Pb) 以及多环芳烃(PAHs）、二恶英(Dioxin)等特殊有机污染物质，研究其生成规律、影响因素和控制方法，以指导焚烧炉和相关系统的设计和完善。
(3)采用抑制二恶英生成的集成技术，焚烧炉的设计完全遵守国际通行的控制二恶英生成的“3T”原则：1T 指“TEMPERATURE”，即保持高的燃烧温度；2T 指“TIME”，即保持燃烧气体的充分滞留时间；3T 指“TURBULENCE”，即从炉膛上部吹入二次空气，使燃烧气体形成湍流，达到气体充分混合，实现完全燃烧。利用本技术，燃烧温度在 850℃～1000℃之间，烟气在炉内停留 3 秒钟以上，同时通过分级配风，改善炉内的流动结构。这些技术措施可有效抑制焚烧过程中二恶英类持久性有机污染物的产生。
辅助煤的作用可以实现焚烧炉内温度场充分均匀和可控，对于挥发份和固定碳的燃烬是非常有效的，不会产生大量的未燃尽物质，如炭黑、CO 及 PAHs 等有机污染物，更为有效的是生活垃圾中掺烧一定的煤可大幅度抑制二恶英的生成。
(4)循环悬浮式半干法烟气净化装置进一步防止二次污染，一般适用于燃煤锅炉的脱硫装置尚不能完全满足垃圾焚烧废气的净化处理。为此，研制了循环悬浮式半干法烟气净化装置，能有效地去除垃圾焚烧过程中产生的各种有害气体。
由于采取了上述措施，浙江大学开发的垃圾焚烧炉污染物排放指标均优于国家标准。以建在浙江乔司的“800吨／日大规模清洁焚烧处理城市生活垃圾高技术产业化示范工程”为例，2003年12 月23日至25 日，浙江省环境监测中心对该工程进行了环保设施竣工验收监测，监测结论［浙环监中字(2003)第 04 号] 表明：垃圾焚烧锅炉烟气经烟气除尘、脱硫、脱酸处理后经60米烟囱排放，其烟气中烟尘、SO2、HCl、NOx、 CO、Hg、Cd、Pb、二恶英的排放浓度均低于国家标准中规定的各污染物排放浓度限值，符合国家排放标准的要求。特别是二恶英排放指标大大优于国家所允许排放的标准，亦优于目前国际上最为严格的欧盟标准。
生物质能的开发与利用是目前国内外新能源技术发展的一个重点，受到世界各国政府与科学家的关注。目前，国外的生物质能技术和装置多已达到商业化应用程度，以美国、瑞典和奥地利三国为例，生物质转化为高品位能源利用分别占该国一次能源消耗量的4%、16%和10%。在美国，生物质能发电的总装机容量已超过10000兆瓦，单机容量达10-25兆瓦。
据初步估算，在我国，仅农作物秸秆可开发量就有6 亿吨，其中除部分用于农村炊事取暖等生活用能、满足养殖业、秸秆还田和造纸需要之外，我国每年废弃的农作物桔秆约有1亿吨，折合标准煤5000万吨。照此计算，预计到2020年，全国每年秸秆废弃量将达2 亿吨以上，折合标准煤1亿吨相当于煤炭大省河南一年的产煤量。因此作为一个面临着经济增长和环境保护双重压力的发展中国家，改变能源生产和消费方式，开发利用生物质能对于我国建立可持续的能源系统具有极其重要的意义，而开发利用农村生物质对于改善我国农村居民生活环境与质量更具特殊地位。
现有的生物质利用技术主要分成量大类：一类是将生物质转换为其他二次能源后再利用，包括生物质液化、气化技术等；另一类是直接焚烧，又可分为单独生物质焚烧、生物质和煤混烧等。 浙江大学能源清洁利用国家重点实验室多年来一直致力于生物质能转换和高效利用的基础试验研究和工程示范开发，在实验室小规模流化床锅炉焚烧机理试验分析的基础上，结合多年来在生活垃圾与煤混烧方面取得的研究成果与应用经验，提出基于循环流化床的生物质与生活垃圾混合焚烧工艺思路，该工艺不仅可以充分利用生物质挥发份高、热值稳定的优点来保证低热值生活垃圾的稳定燃烧，同时有效地解决了单一生物质焚烧所存在的易结焦、碱金属腐蚀严重等问题。 其工艺路线如图2所示：
 图2 浙江大学生活垃圾与生物质混合焚烧工艺 |
该工艺的主要技术特点包括：
(1)充分利用生物质挥发份高，热值稳定的特点，弥补了生活垃圾水分高、热值低的不足。同时也可以有效的解决单一生物质焚烧所存在的易结焦等问题。 (2)采用生物质压缩给料方式。有效地解决了常规破碎后气力输送的给料所引起料斗搭桥，生物质堆场占地面积大，现场粉尘污染严重等问题。 (1)采用特殊的炉内受热面布置，控制床温，有效地避免了生物质焚烧过程中由于碱金属组分高所带来的结焦问题。
(2)炉内燃烧喷钙，防止酸性气体腐蚀的同时，使碱金属通过碳酸盐的方式出现在低灰中，提高灰熔点，进一步防止床层流化恶化。
(3)过热器采用大节距设计，并布置一定的吹灰器，同时选择有效的控制烟气流速，防止受热面积灰。 本文所提出的生活垃圾与生物质混烧的工艺路线，是基于浙江大学多年来在生活垃圾与煤混烧所取得的成果经验，并结合了实验室对生物质燃烧特性的机理研究。通过混烧即可以满足生活垃圾焚烧处置对热值的要求，又可以解决我国大量农业生物质废弃物的回收利用问题，符合我国可再生能源发展战略部署，也有助于新农村经济建设。
5 已经取得的一些主要研究成果
浙江大学热能工程研究所（能源清洁利用国家重点实验室）目前在流化床垃圾焚烧技术方向已获多项国家级和省部级奖励，见表1、表2，
表1 已获两项省级科技成果鉴定：
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6 技术的推广应用情况
浙江大学能源清洁利用国家重点实验室开发的生活垃圾循环流化床焚烧发电集成技术已完全实现了产业化推广。该技术2000年被列为国家建设部科技成果推广转化指南项目，国家经济贸易委员会、国家发展与改革委员会、科学技术部公布为“九五”期间重点节能科技成果。项目成果于2004年通过浙江省科技厅组织的技术鉴定。其中杭州乔司“800t/d大规模处理城市生活垃圾清洁焚烧技术”1999年列为国家发展与改革委员会和浙江省高技术产业化示范工程项目。余杭150吨／天垃圾清洁焚烧示范工程199?年被列为浙江省科委重点项目，河南郑州荣锦1000t/d 垃圾焚烧工程被列入2000年河南省产业化示范工程，浙江义乌垃圾焚烧工程被列入 2001 年义乌市重点建设工程。处理量为 1600 吨／天的广东东莞横沥垃圾电厂已成为国内运行的最大垃圾焚烧发电厂之一。 目前该技术已累计推广应用 12 座垃圾焚烧发电厂 28 台焚烧锅炉，具体的业绩如下表所示，其中浙江平湖垃圾焚烧发电厂在当地政府的大力支持下，以周边农村油菜杆作为生活垃圾混合焚烧燃料，项目建设投产后每日可以回收利用油菜杆160吨，这对于推动当地农村经济的发展具有重要意义。
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此外，鉴于本技术在发展中国家有很好的推广应用前景，目前已有印尼、新加坡、泰国、巴西、印度和越南等国家前来洽谈应用，两个泰国项目已经进入到可研和工程设计阶段。
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