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        城市垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)及運用分析

        2023-07-29 11:45:34姜杰曦
        工程建設(shè)與設(shè)計 2023年13期
        關(guān)鍵詞:爐排垃圾焚燒流化床

        1 引言

        2019 年, 西安首個達到全量投產(chǎn)運行標(biāo)準(zhǔn)的垃圾焚燒發(fā)電項目正式啟動,該項目的落地向外界傳達了兩個信息:一是西安處理生活垃圾的模式已經(jīng)和上海等城市相接軌, 二是西安已實現(xiàn)從早期衛(wèi)生填埋向無害焚燒轉(zhuǎn)變的目標(biāo)。 以往針對垃圾焚燒發(fā)電的研究多以國內(nèi)一線城市為背景, 導(dǎo)致研究結(jié)論不具有普適性。 本文以西安為研究對象,以期彌補相關(guān)領(lǐng)域空白,為日后垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)的大范圍推廣提供有力支持。

        2 垃圾焚燒發(fā)電的意義

        在城市化進程逐漸推進的當(dāng)下,城市每日所產(chǎn)生垃圾總量較以往有所增加, 據(jù)統(tǒng)計,2007 年的垃圾清運量僅22 324萬t,2018 年增加至29 461 萬t,具體數(shù)據(jù)如圖1 所示。

        圖1 城市垃圾清運量

        垃圾進行無害化處理技術(shù)可分為3 類:堆肥、焚燒以及衛(wèi)生填埋。 三者均存在明顯優(yōu)勢及不足,只有結(jié)合居民需求、土地資源持有量和經(jīng)濟水平加以選擇,才能取得良好的效果[1]。 近幾年,隨著認(rèn)識水平的提高,業(yè)內(nèi)人士紛紛意識到對垃圾進行無害化、減量化還有資源化處理的重要性,這也為垃圾焚燒技術(shù)的發(fā)展提供了有力支持。 全國焚燒垃圾的總量如圖2 所示。

        圖2 垃圾焚燒處理量

        隨著垃圾焚燒量的增多, 常規(guī)填埋處理手段逐漸退出歷史舞臺,原因在于垃圾分解產(chǎn)生大量病毒、細(xì)菌和滲濾液,不僅污染環(huán)境,還對人體健康造成威脅。 焚燒處理不存在以上問題,可在保證處理效率的前提下,最大限度降低垃圾處理過程中給環(huán)境帶來的影響。

        3 項目概況

        2019 年至今,西安先后建立多個垃圾焚燒發(fā)電廠,本文以西安某發(fā)電廠為例,圍繞焚燒垃圾發(fā)電技術(shù)展開討論。 該發(fā)電廠占地面積約53 333.3 m2,包括水泵房、廠房及綜合樓等,實測建筑面積為29 000 m2,廠內(nèi)配有煙氣凈化、垃圾焚燒和汽輪機發(fā)電等設(shè)施。 該廠建成至今,每日垃圾焚燒量始終穩(wěn)定在1 050 t 左右,每年發(fā)電量約1.5 億kW·h。 隨著時間推移,該廠既有焚燒模式所能發(fā)揮的作用已無法達到預(yù)期, 為保證該廠的價值得到最大化實現(xiàn),有關(guān)人員決定引入新型焚燒技術(shù),同時對現(xiàn)有技術(shù)進行優(yōu)化。

        4 垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)的運用

        4.1 前期準(zhǔn)備

        儲存垃圾的關(guān)鍵是篩選無法燃燒的垃圾及有害有毒的垃圾,正式入場前,對垃圾進行稱重,為后續(xù)工作的開展提供真實、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。一般來說,儲存池保存垃圾的時間均不超7 d,在此期間,還需要工作人員向池內(nèi)加入指定試劑并攪拌,嚴(yán)格控制儲存階段所產(chǎn)生滲濾液的總量,避免環(huán)境受到污染[2]。

        4.2 確定焚燒方式

        垃圾焚燒是指通過專用設(shè)備將經(jīng)過初步處理的垃圾轉(zhuǎn)移至指定焚燒平臺并焚燒。 焚燒結(jié)束后,爐內(nèi)將產(chǎn)生一定量的爐渣。按照焚燒設(shè)備不同,可將焚燒方式分成3 種,分別是熱解爐、爐排及流化床焚燒,不同方式的適用場景、優(yōu)勢和不足均有不同,只有根據(jù)實際情況加以選擇,才能使其作用得到最大程度發(fā)揮。

        4.2.1 熱解爐焚燒

        該技術(shù)強調(diào)將垃圾置于隔絕空氣的環(huán)境下, 通過焚燒確保垃圾所含有機物能被快速分解,隨后,再利用NaOH 堿液對焚燒所形成的廢氣進行凈化。 在現(xiàn)有焚燒技術(shù)中,該技術(shù)優(yōu)勢最為突出,包括操作難度小、設(shè)備構(gòu)成相對簡單、運行成本較低等。 該技術(shù)也存在較為明顯的不足,即:處理能力無法達到爐排、流化床焚燒的水平,焚燒產(chǎn)生殘渣往往含有大量碳,因此,現(xiàn)階段,該技術(shù)尚不具備在城市地區(qū)大范圍推廣的條件,未來應(yīng)針對該技術(shù)存在的不足,擬訂相應(yīng)解決方案,使其優(yōu)勢得到充分發(fā)揮。

        4.2.2 爐排焚燒

        爐排焚燒需要先將垃圾倒入料斗,再將料斗向下傾斜,通過推料器推入爐內(nèi),等到燃油、氧氣完全混合,便可進行燃燒,這里需注意:燃燒期間應(yīng)不斷攪動垃圾,保證垃圾充分接觸燃?xì)獠氐兹紵齕3]。

        爐排主要負(fù)責(zé)向下推動垃圾, 確保垃圾能快速到達爐排指定區(qū)域,在運送垃圾的過程中,爐排上方垃圾受爐排下方散發(fā)出的熱量影響,進而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。 儲存池內(nèi)抽氣抽至焚燒爐內(nèi)燃燒,形成負(fù)壓,保證臭氣不外溢,其作用是保證焚燒爐內(nèi)高溫?zé)煔馔ㄟ^換熱產(chǎn)生高溫高壓蒸汽, 并進行沖轉(zhuǎn)汽輪機做功發(fā)電。 接受干燥處理的垃圾,通常能持續(xù)獲得氧氣,隨著二次熱風(fēng)的注入,爐膛內(nèi)部氧氣含量將進一步增多,此時,對垃圾進行反復(fù)攪動可使垃圾充分燃燒。

        實踐表明,與其他焚燒技術(shù)相比,爐排焚燒優(yōu)勢在于適用范圍廣、處理效率高,可充分滿足城市對垃圾焚燒的要求,不足則表現(xiàn)為前期投入、后期運營成本相對較高。

        4.2.3 流化床焚燒

        使用該技術(shù)焚燒垃圾的步驟和原理如下:第一步,在爐膛內(nèi)側(cè)底部均勻鋪設(shè)爐渣,通過預(yù)加熱的方式,將爐渣溫度提高到600 ℃;第二步,向爐內(nèi)勻速注入熱風(fēng)(溫度應(yīng)達到200 ℃或以上)[4];第三步,將經(jīng)過破碎處理的垃圾連同熱砂、煤粉轉(zhuǎn)移至爐膛內(nèi)并進行焚燒, 焚燒爐內(nèi)填充砂粒的溫度直接影響其助燃作用,一般情況下,其助燃效果會隨著溫度的提高而加強;第四步,未徹底燃燒的物質(zhì)將連同燃燒灰燼被排出鍋爐,隨后,由特殊設(shè)備對爐內(nèi)排出物質(zhì)進行處理,確保砂粒能高效分離,為后續(xù)砂粒的二次使用奠定基礎(chǔ)。圖3 為流化床實物圖。

        圖3 流化床

        利用該方式焚燒垃圾時, 通常不需要在爐內(nèi)安裝爐排,故有關(guān)人員選擇在爐底均勻鋪設(shè)爐渣、石英砂,通過持續(xù)注入熱氣的方式,吹起床底料并達到加熱目的。 在吹起加熱過程中,將有少量灰料被吹出爐膛,由于鍋爐出口安裝了分離器,因此,被吹出的灰料能及時被分離并回送至爐底。 事實證明,該技術(shù)可保證爐內(nèi)氣體反應(yīng)良好的效果,轉(zhuǎn)移至焚化爐內(nèi)的垃圾通常能在短時間內(nèi)與爐內(nèi)物質(zhì)相遇并發(fā)生反應(yīng), 極大程度上縮短了焚燒時間。 該方式需要燃燒大量煤炭,并在換熱技術(shù)的輔助下,保證爐內(nèi)蒸汽始終處于亞高壓的狀態(tài),雖然此做法能使焚燒垃圾的成本得到控制,確保鍋爐熱效率達到預(yù)期水平,但有一定概率污染周圍環(huán)境,有悖于環(huán)保理念。

        4.3 利用余熱發(fā)電

        焚燒爐的配套設(shè)備有汽輪發(fā)電組、余熱鍋爐等,其運行原理如下:焚燒垃圾會產(chǎn)生大量熱氣,熱氣進入余熱鍋爐后,將在鍋爐內(nèi)轉(zhuǎn)化成蒸汽,由此為汽輪發(fā)電組提供強大動力,確保發(fā)電組能長時間處于穩(wěn)定、高效的運行狀態(tài)。余熱鍋爐的特點是以受熱面為載體,吸收焚燒垃圾形成的熱量,將熱量轉(zhuǎn)化成蒸汽并統(tǒng)一轉(zhuǎn)移至汽輪發(fā)電機內(nèi),由此達到為用戶提供優(yōu)質(zhì)電能的目的。 近幾年,該技術(shù)已在國內(nèi)廣泛運用,其效果有目共睹。

        4.4 其他技術(shù)要點

        4.4.1 煙氣處理

        焚燒垃圾往往產(chǎn)生大量有害氣體, 只有采取恰當(dāng)手段凈化煙氣,才能避免城市環(huán)境受到嚴(yán)重污染。 對本項目焚燒垃圾產(chǎn)生的氣體進行監(jiān)測和分析結(jié)果如表1 所示。

        表1 本項目廢氣監(jiān)測數(shù)據(jù)

        實踐表明,要想使煙氣凈化效果達到預(yù)期水平,關(guān)鍵需搭配使用不同設(shè)施,包括但不限于濕式反應(yīng)塔及干式反應(yīng)塔,其中, 前者更適合凈化煙氣所含酸性氣體, 后者多用于污水處理。除此之外,還可對布袋收塵器、其他常見裝置加以應(yīng)用。干法原理是將煙氣、消石灰充分結(jié)合,通過化學(xué)反應(yīng)消除酸性氣體;半干法與濕法則強調(diào)向洗滌塔內(nèi)注入堿溶液,待煙氣進入洗滌塔后,便會接觸堿溶液并發(fā)生反應(yīng)。

        4.4.2 滲濾液處理

        對垃圾儲存池所堆放垃圾進行發(fā)酵處理, 通常會產(chǎn)生大量滲濾液,滲濾液含有氨氮及多種重金屬,具有較強的刺激性氣味。 調(diào)查儲存池發(fā)現(xiàn),滲濾液占比往往達10%左右,故增設(shè)污水處理點勢在必行。 污水處理點的任務(wù)主要是處理經(jīng)過燃燒的垃圾,待垃圾達到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)再統(tǒng)一對其進行排放。 考慮到有關(guān)部門對滲濾液要求較嚴(yán)格,因此,發(fā)電廠應(yīng)根據(jù)自身情況酌情引入膜生物反應(yīng)器或其他先進技術(shù)處理滲濾液, 將滲濾液給環(huán)境帶來的負(fù)面影響降至最低。

        5 結(jié)語

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