垃圾焚烧发电无害化资源化升级改进技术
途径探讨

刘  晨

(斯普瑞喷雾系统（上海）有限公司 上海市松江工业区书林路21号   201611)

关键词：垃圾焚烧发电 无害化 资源化

摘  要：垃圾焚烧可以大幅减量化，发电、供热也在资源化，但在无害化资源化方面还有升级改进的空间，比如如何根除二噁英、重金属污染嫌疑，如何减少发电冷端损失提高热效率，如何减少水份、二氧化碳排放量？本文以一个垃圾焚烧烟气深度净化改造实践案例为起点，探讨如何实现垃圾焚烧发电彻底无害化，同时实现水份、余热、二氧化碳资源化回收利用的技术途径。

一、案例概述

用户有三台400t/d二段往复式垃圾焚烧炉排炉，配2台凝汽式汽轮发电机组，垃圾焚烧设计的排烟温度145℃，含水份22-26%，当环境温度低时装置运行产生白雾影响视觉，污染环境，需要进行烟气深度净化改造，项目于2019年10月起陆续实施。

二、改造方案

垃圾焚烧工艺和焚烧炉、余热锅炉、烟气净化、引风机、烟囱等原有主体设备不动，引风机出口烟道出厂房之后、烟囱之间，旁路新增直接喷淋深度净化装置，如图1所示。新增设备包括烟气冷却器、直接喷淋深度净化塔、混风脱白装置、循环冷却塔及附属的管道、电气、仪表、钢结构及土建等。

图1  垃圾焚烧烟气直接喷淋深度净化设备（改造后）

由于改造时间紧，也为节省投资，此次改造仅旁路增加直接喷淋冷凝深度净化设备，低温循环水喷入到烟气中，循环水冷凝吸收烟气中水蒸汽、酸等残余污染物后，进入循环水冷却塔降温后循环使用，喷淋冷凝除湿实现了深度净化、三季无白，另设计一路独立的环境空气加热系统，用进口烟气加热环境空气，在在线监测点后混风，实现冬季无白，最终实现四季无白，改善视觉。

三、运行效果

改造项目于2019年10月中旬开始陆续投入运行，经过了冬季验证，结合视觉观察、在线监测，并通过检测分析证明，取得了以下运行效果：

1、  四季无白：设备运行时，只需用肉眼观察，烟囱排烟无白雾，彻底消除原来冬季浓重白雾，百姓视觉感受改善

2、  排烟深度净化

深度净化改造后，排烟在达标基础上升级达到了超洁净排放：颗粒物在~1mg/m³、二氧化硫~20mg/m³，氮氧化物~90mg/m³，特别是排放烟气含HCL大幅降低、含湿量从20%以上降低到~6%，深度净化后烟气污染物排放浓度比现行标准低得多，并且低成本。对于现有项目改造和新建垃圾焚烧项目，增加末端直接喷淋深度净化可以低投入低成本实现达标、超低、超洁净，特别是实现四季无白可以显著提升企业形象。

图2  垃圾焚烧排烟深度净化改造效果

对垃圾焚烧烟气深度净化改造前、后的主要指标进行了对比，并与现行环保控制标准进行了年减排量估算，见表1。结果表明：

l  对于垃圾焚烧炉排烟达标的企业，可以低成本实现超低排放。假如有个别指标超标，应该也是一个最节省的改造方案

l  改造后年减少排放水份20万吨，减少溶解性颗粒物排放量39吨，水份和溶解性颗粒物同步减少，有利于减少垃圾焚烧排烟对大气的雾霾污染的贡献。

l  排烟氯化氢、一氧化碳等污染物也有不同程度减少，提高垃圾焚烧无害化水平

l  二噁英、重金属等微量污染物预计也会减少。

表1  垃圾焚烧烟气深度净化改造前后指标对比

四、      无害化资源化升级改进途径

混合垃圾含水~50%，其中20%在储存中成为垃圾渗滤液，剩余部分在焚烧过程中蒸发进入烟气。采用半干法烟气净化系统的，在急冷塔内还会喷入部分水份进入烟气。还有一个更大的水份排放口就是发电汽轮机乏汽凝汽循环水冷却塔。目前我国垃圾焚烧发电企业大多数都实现了地表零排水，两个主要水份排放口一是烟囱，二是循环水冷却塔，而这两个水蒸汽排放的驱动源是焚烧炉烟气和汽轮机余热，因此逻辑上是，把回收烟气、乏汽余热放在首位，釜底抽薪解决水蒸汽排放，极限回收水蒸汽排放量就可以消除白烟，同时通过冷凝法深度去除污染物，升级无害化水平。

初步实践证明，通过增加烟气旁路直接喷淋洗涤深度净化系统，可以低投入低成本实现垃圾焚烧烟气的稳定达标、超低排放，但在彻底实现无害化资源化方面还有升级改进空间，升级改进的主要途径如图3所示：

1.   垃圾焚烧烟气：1）回收利用烟气余热 ，2）回收利用烟气冷凝水，可以同步升级垃圾焚烧发电的无害化资源化水平，有条件降低原有垃圾焚烧烟气除尘、脱硫、脱硝、脱酸、脱二噁英、脱重金属的成本

2.   凝汽器改造：新增旁路直接喷淋、或混合式凝汽器，回收利用乏汽余热，停用乏汽循环水冷却系统，提供热利用率，减少水蒸汽和溶解盐排放量

3.   富氧燃烧与烟气循环：通过补氧烟气循环利用，彻底实现排烟无害化，组合采用喷雾干燥技术，协同处理垃圾渗滤液、城市污泥、餐厨垃圾等，彻底实现垃圾焚烧发电无害化和碳中和

4.   垃圾辅助水洗分类：对未分类（比如填埋场存量垃圾）、或分类不彻底的垃圾，增加水洗分类系统，焚烧前分离出垃圾中的水份，洗净、分拣出不可燃的、可直接回用的资源，提高焚烧发电热效率。

图3  垃圾焚烧发电过程无害化资源化改进途径

分别进一步介绍如下：

   i.      垃圾焚烧烟气中水份的回收利用

垃圾焚烧发电企业的烟囱，实际上是企业的一个污水最终排放出口，相当于原始垃圾所含水份的50%以上通过烟囱，以干蒸汽、或饱和蒸汽的形式排入大气，不仅是当地雾霾污染的主要来源之一，也是水、余热资源的浪费，需要回收利用。实践证明，采用直接喷淋换热、或直接间接混合式冷凝，是最经济可行的回收途径。采用多级直接喷淋冷凝，在末级外排富裕的冷凝水，凝水根据用途不处理、或简单处理，选择以下途径利用：

1)   用于急冷塔、湿法脱酸喷水

2)   用于凝汽循环水冷却塔补水

3)   用于锅炉制软水，顶替新水，实现垃圾焚烧企业零取水，甚至外供生活用水

一般说来，前两种补水多采用城市中水、垃圾渗滤液处理出水，因此应特别重视锅炉制软水，寻找外供工业新水的用途，因为垃圾焚烧企业由于原始垃圾带入的水份多，企业内部消纳不了，需要根据用途进行适当处理后，外供利用。

B、  乏汽凝汽系统节水

纯凝机组发电汽轮机乏汽采用循环水冷却塔冷却时，不仅余热全部浪费，还浪费大量的水资源，而且循环水中溶解盐、氯离子等污染物进入大气就是PM2.5，因此停用循环水冷却塔有主要无害化资源化。乏汽回收可以选择乏汽热泵，也可以采用旁路新增直接喷淋式、或混合式凝汽器，与热泵组合回收余热，就可以停开乏汽循环水冷却塔，节能、节水、减污一体化。

C、  垃圾渗滤液的低成本无害化处理回用

垃圾渗滤液采用常规处理技术处理回用，设备投资和处理成本还高。通过旁路烟气喷雾干燥除盐除酸，再通过烟气循环入炉焚烧，热解、热氧化去除COD有机污染物，可以大幅简化垃圾渗滤液处理流程，降低投资和运行成本。

D、  垃圾焚烧发电余热的回收利用

垃圾焚烧发电的热利用率不足25%，能效低的主要原因是，早期的垃圾焚烧发电系统的设计目标主要是实现垃圾的无害化处理，对能效没有足够重视。从技术层面看，一个是发电汽机冷端乏汽损失热量多，二是烟气损失热量多，两者损失的热量超过锅炉燃烧热的50%以上。按照现有的技术标准规范，这两部分余热都是合法放散的。为了提高能效降低成本，也为了控制大气雾霾污染，应该强制回收利用。

汽机乏汽余热回收有三种方式回收，一是采用低压蒸汽压缩乏汽，使乏汽增压升温回收余热，二是采用采用吸收式热泵回收，三是用蒸汽喷射式热泵回收余热，均可以回收余热。 回收高温热水余热可以考虑的利用途径顺序是：

1)   锅炉软水加热

2)   锅炉助燃空气预热

3)   居民采暖、供冷、生活热水，特别值得关注的是，余热120-20°C大温差、长距离输送，用于城镇采暖，替代煤、天然气、电等能源，效益显著，通常投资回收期在3年左右。

4)   现代农业种植、养植供热

5)   物料烘干脱水

6)   人工游泳池、河湖景观

总之，在控制常规污染物排放的同时，控制水蒸汽、余热向大气的排放。

E、  垃圾焚烧发电过程的碳中和

城市垃圾中的碳含量不高，主要是有机成分，可以考虑烟气净化后的补氧循环利用，一方面可以实现近零排烟，彻底解决烟气无害化，另一方面，通过富氧烟气循环利用，可以大幅减少外排烟气的总量，同时提高二氧化碳的浓度，为实现垃圾焚烧发电过程的碳中和打下基础。

F、  垃圾水洗分离

目前国家正在加速推动城市垃圾分类，但普及有难度、还需要时间，垃圾填埋场存量垃圾都没有分类，对于没分类、或分类不彻底的垃圾，可以考虑辅助采用垃圾水洗分类技术，如图4所示，做为垃圾人工分类的补充、或替代方案，类似于选矿，也类似于洗衣机，将垃圾洗净，分为轻、重两相，从重相中分捡出钢铁、有色金属、玻璃、沙石等，轻相中分拣塑料薄膜、纸张、塑料瓶等，共可以分检出十多种可直接回用的再生资源，再把垃圾中的水份分离出来，这些物质都不可燃，并大量吸热。最后剩下的生物有机液重量只有原始垃圾重量的八分之一，可以通过生物制气、热解制气或喷雾干燥后燃烧，从而实现垃圾焚烧发电的彻底无害化、资源化，并且高效化。

图4  垃圾水洗分类技术

结论与建议

1.   垃圾焚烧烟气增加旁路直接喷淋深度净化，有利用低成本实现达标、超低、超洁净排放

2.   垃圾焚烧烟气可以用于低成本处理渗漏液、回收烟气冷凝水，实现企业零排水、零取水、甚至外供新水

3.   回收利用垃圾焚烧发电低温余热，有助于简化凝汽和烟气处理工艺流程，减少投资和运行成本，提高能效。

参考文献

[1] 陈耀东，清洁化、高效化、信息化、创新发展垃圾发电技术，第九届中国垃圾焚烧发电

论坛暨固废处理技术交流会论文集，2019年4月杭州

[2] 张曙光等，生活垃圾渗漏液和高浓度有机废水混合生化处理与综合利用技术，同上

[3] 王勇，垃圾焚烧发电技术及应用，中国电力出版社，2020年4月第一版

[4] 生活垃圾焚烧处理工程技术规范, CJJ90-2009

[5] 生活垃圾焚烧污染控制标准，GB 18485-2014

刘晨，2021年3月18日，于北京

作者简介

l  1959年5月出生于吉林省集安市

l  1982年1月鞍山钢铁学院（现辽宁科技大学）炼钢本科毕业、工学学士

l  1987年在内蒙古大学英语系专修英语口语1年，英语可以做为工作语言

l  1982年-1998年底相继在包钢设计院、通钢二炼钢、烟台黄海、上重矿从事技术工作，大部分时间从事连铸工艺技术工作

l  1999年4月起进入美国喷雾系统公司中国分公司---斯普瑞喷雾系统（上海）有限公司（原上海外高桥喷雾系统有限公司）负责全中国和东南亚钢铁和有色金属行业技术支持

l  2002年9月提出转炉半干法除尘工艺、2004年在承钢得到首次应用、2006年获得中国发明专利权和被评为上海高新技术，有三项职务发明、十多项实用新型专利

l  2009年6月起专职负责转炉半干法研发和全球技术支持

l  2018年起，专注于烟气除湿脱白、低温余热极限回收利用技术研发和支持

l  2019年5月底，退休，做技术顾问

通讯地址：北京市海淀区成府路蓝旗营小区5号楼1503室

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工作单位：斯普瑞喷雾系统（上海）有限公司