王晓杰（上海电力大学）

 

什么是垃圾焚烧发电？

垃圾焚烧发电是将生活垃圾在高温下进行燃烧处理，使生活垃圾中的可燃废物转变为二氧化碳和水蒸汽等，燃烧过程中所产生的余热用于发电，产生的废气和灰渣进行无害化的处理，如图1所示。 在“垃圾围城”日益严峻的形势下，垃圾焚烧发电是“减量化、无害化、资源化”处置生活垃圾的最佳方式。

图1 垃圾焚烧发电流程图

垃圾焚烧发电有哪些优点？

传统处理垃圾的主要方法是填埋，填埋处理方式主要有以下缺点：侵占大量的土地资源；垃圾渗漏液和散发的臭气对土壤、地表水、地下水和大气会造成长期严重污染；垃圾堆放场所是蚊蝇和病源菌滋生的地方，而且产生的沼气非常容易发生爆炸，威胁居民的安全健康；严重影响城市市容^[1]。

垃圾焚烧发电的处理方式与填埋处理方式及其他城市垃圾处理方法相比具有以下独特的优点^[2]：

     （1）节省项目用地。处理相同量的垃圾，使用垃圾焚烧发电处理需要的用地面积相当于垃圾卫生填埋场的1/20-1/15，既可节约用地又可缩短垃圾的运输距离，使垃圾焚烧发电处理的操作费用可以大大降低，对于经济发达的城市，非常重要。

    （2）垃圾处理速度快。采用卫生填埋的方法处理垃圾，垃圾在在填埋场中的分解时间通常需要7到30年的时间，而采用焚烧发电的处理方式只需要2小时左右就可以将垃圾处理完毕，极大地节约了处理时间。

    （3）减量效果好。要处理相同量的垃圾，通过填埋法可减量约30%，而通过焚烧发电可以可减量90%左右，极大的提高了减量效果。

    （4）污染控制好。采用现代先进的焚烧工艺技术，按照国家标准建设和运行，实现渗滤液和生产污废水的零排放，烟气经过严格的净化处理达标排放。减轻或消除后续处置过程对环境的影响。可以大大降低填埋场浸出液的污染物浓度和释放气体中的可燃及恶臭成分；还可以减少温室气体，例如甲烷的排放。

    （5）能源利用率高。每吨垃圾可焚烧发电300多度，大约每5个人每天所产生的生活垃圾，通过焚烧发电可满足1个人的日常用电的需求。可全天候操作，不易受天气影响。以垃圾替代煤、石油或天然气等有限资源作为发电燃料，节省天然资源，处理效率高。

    （6）消毒彻底。高温燃烧可以使垃圾中的有害成分得到完全分解，并能彻底杀灭病原菌，尤其是对于可燃性致癌物、病毒性污染物、剧毒性有机物等，几乎是唯一有效的处理方法。
垃圾焚烧发电技术的进展

利用垃圾焚烧产生热量发电可以追溯到上世纪五六十年代的西德和法国，随后美国、丹麦、瑞典、英国、日本也开始相继发展。到目前为止，国外的垃圾焚烧发电技术发展的已经相当成熟，欧盟、美国和日本拥有的垃圾焚烧发电厂占全球的80%以上^[3]。相比于欧美日等一些发达国家，我国垃圾焚烧发电的起步比较晚，但是从1988年我国第一座垃圾焚烧发电厂成功运营以来，经过30多年的不断探索，我国在垃圾焚烧发电技术上得到快速的发展，完成了从无到有，从有到先进的跳跃式转变，发展迅速，图2即为宁波市鄞州区新型生活垃圾焚烧焚烧发电厂。2006年至2016年我国垃圾焚烧发电厂数量由70座增长到299座，焚烧处理能力由3.1万吨/日增长到28万吨/日。截至216年底，年垃圾处理量约10456万吨，较2015年新增25个项目，新增并网装机容量41万千瓦。截至2017年，我国垃圾焚烧发电累计装机容量约730万千瓦，垃圾焚烧发电项目339个，年发电量约375亿千瓦时，年处理垃圾量超过1亿吨。据相关研究数据显示，截止到2018年上半年，全国已投运垃圾焚烧项目合计37.8万吨/日，较2017年全国垃圾焚烧投产产能增速达27%。目前我国生活垃圾焚烧发电装机容量、发电量和垃圾处理量均居世界第一，极大地减轻了垃圾围城对城市发展的压力，取得了巨大的社会效益^[4]。

图2 宁波市鄞州区生活垃圾焚烧发电厂

垃圾焚烧电厂设备面临的问题有哪些？

垃圾在焚烧过程中，由于垃圾的组成成分十分复杂，如图3和图4所示，其主要包括：餐厨废物、橡胶、纤维、废弃竹木、废弃塑料等，其主要成分中含有S、Cl，垃圾焚烧后会产生酸性腐蚀气体，燃烧的不同区段和过程包括烟气引起的高温氧化、硫化、氯化、碳化等氧化性或还原性气氛腐蚀，还有垃圾焚烧灰和熔融灰引起的熔盐腐蚀。这使在垃圾焚烧发电锅炉中，受高温和燃烧垃圾烟气腐蚀影响，受热面管(水冷壁管、过热器管、再热器管、省煤器管，又称“四管”)由于服役条件苛刻，环境复杂，因此会受到高温氧化、硫化、氯腐蚀，易引起爆管事故，进而威胁发电机组安全运行。

图3 生活中常见的垃圾

图4垃圾焚烧发电厂对垃圾的处理

(1) 金属盐对设备腐蚀行为影响

处于焚烧环境中的金属材料，其表面上粘附堆积的粉尘中除金属氧化物外，还含有高浓度的碱金属、碱土金属和其他重金属的氯化物和硫酸盐。其中PbCl₂、 ZnCl₂和SnCl₂都是低熔点的氯化物，还有其他氯化物，如：NaCl、KCl和FeCl₃熔点虽然不太低，但是可以与其他物质结合形成低熔点的共晶混合物，从而大大增加了高温部件金属材料的腐蚀速率^[5]。如图5所示，金属合金在模拟垃圾焚烧环境中，即使在350~450 ℃的温度范围内，当合金表面涂有重金属氯化物混合盐时，金属表面会出现了大量的瘤状缺陷，这些金属氯化物盐的侵蚀是造成垃圾焚烧炉金属材料腐蚀的主要原因。

图5 垃圾焚烧电厂设备管道腐蚀图

 

(2) 氯化物对设备腐蚀行为影响

固体垃圾中Cl的浓度通常比较高(0.5%~2.0%)，而硫浓度为0.1%~0.4%，在垃圾焚烧过程中氯化物腐蚀是电厂设备腐蚀的主要因素。实际上，Cl的高活性使其在高温条件下几乎可以与所有的金属发生反应，形成的氯化物具有低的熔点和高的蒸汽压。同时Cl的出现还提高了金属材料表面形成保护性氧化膜所需的氧分压，使得氧化膜开裂并变得疏松多孔，降低了其有效附着性和保护性。如图6和图7所示，在还原性气氛中几乎所有的Cl以HCl形式出现，可以直接与金属表面的氧化膜反应，从而破坏金属表面，造成金属的局部腐蚀^[6]。此外，在较高温度条件下界面形成的氯化物也可能呈液态存在，从而构成环境腐蚀介质/氧化膜、氧化膜/液态氯化物、液态氯化物/基体等多重界面结构，而界面处可能发生氧化膜或者基体金属的溶解过程，从而造成金属的腐蚀。

图6 垃圾焚烧电厂管局部壁腐蚀图

 

图7 金属材料局部腐蚀机理图

(3) 硫对设备腐蚀行为影响

低温腐蚀主要是由于燃料中含有硫，硫燃烧后生成 SO₂，其中少量的SO₂进一步氧化形成 SO₃，SO₃与烟气中的水蒸汽结合成为 H₂SO₄，含有H₂SO₄蒸汽的烟气露点大大升高。当受热面的壁温低于露点时，硫酸蒸汽就会在管壁上凝结，严重的腐蚀金属材料受热面。

垃圾中的硫在燃烧过程中化学反应式如下：

硫的燃烧：S+O₂= SO₂ ；

有机硫化物的燃烧：RS+ O₂→SO₂ ；

硫铁矿的燃烧：4FeS₂ +11O₂→2Fe₂O₃+8SO₂ 。

此外，烟气中的SO₂、SO₃或 H₂S与燃料中所含金属Na、Ka、Ca生成硫酸盐或硫化物，沉积在管壁面上，形成积灰层，与管壁直接发生腐蚀反应如图8所示。

图8 垃圾焚烧发电设备过热器管烟气侧腐蚀形貌

 

解决方案有哪些？

    （1）超音速火焰喷涂合金材料，在金属材料表面涂上一层耐蚀的保护膜，有效的增强金属材料的耐蚀性能。

图9 超音速火焰喷涂合金材料

    （2）省煤器采用了一种立式垂直的结构，受热面管排为蛇形管结构，两端均与进口集箱和出口集箱连接，蛇形管通过吊架悬吊在烟道内，管排间用管卡固定；管排采用了顺列布置，管排间距离设置的尽量的大，以减轻管子的积灰，方便灰的振落。另外在材料方面，省煤器管子采用了相对偏厚的管子，保证设备长时间使用^[7]。如图10所示。

（1-出口集箱；2-进口集箱；3-吊架；4-蛇形管；5-管卡）

图10 立式省煤器结构示意图

    （3）使用高压耐腐蚀管材替代普通钢管，提高抗硫和氯腐蚀性能，并按规范进行固溶处理，必要时加稳定化处理，效果显著。  

    （4）在燃烧时添加如石灰石、白云石等，以吸收或中和烟气中的SO₃，或用其他方法脱硫，从而减少烟气中的SO₃含量，降低结露温度，减少酸腐蚀。

结语

垃圾焚烧发电作为当前最符合实际需求的垃圾处理方式，将在未来五年中进一步得到快速推广。在过去几十年中，几乎所有的工业化国家在城市生活垃圾处理问题上，都在由单纯的处理向综合治理方向转变，注重源头减量和综合利用，从而能够有效控制污染、回收资源，提高资源的利用率。垃圾焚烧发电是对生活垃圾无害化的一种处理方式，垃圾焚烧发电处理具有节约占地、减量化显著、无害化处理较彻底、可转化为能源等优点，受到越来越多国家的重视，垃圾焚烧发电所占比例逐年提高，未来将成为新能源发展的重要方向。

参考文献

[1] 马跃.城市生活垃圾处理技术现状与管理对策[J].民营科技,2016,(1):231-236.

[2] 李洪博.垃圾发电的优势及存在的问题 [J].绿色环保建材,2018,(2):221-222.

[3] 韩建辉.有关垃圾发电的现状与趋势探讨[J].山东工业技术,2016,1):171-175.

[4] 冯波.生活垃圾焚烧发电的发展现状和创新探索[J].科技创新与应用,2018(16):40-41.

[5]  张厚坚,刘海娟,黄世清. 城市生活垃圾焚烧处理过程中重金属迁移规律研究[J]. 环境工程学报,2013(11):4569~4574.

[6]  陈世辉,颜斌.我国大城市生活垃圾焚烧发电现状及发展研究[J]. 工业技术, 2016(9): 302-303.

[7] 邹嵘.垃圾焚烧锅炉省煤器的低温腐蚀及设计简介[J].能源研究与管理,2014(2):66-68.

（文中图片除图7、图10外均来自于网络）