一、技術開發的背景與意義
二十世紀以來，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重。固體廢棄物分為工業垃圾和城市垃圾兩種，城市垃圾的產量是驚人的，據統計，中國1990年城市垃圾總產量為6900萬噸，北京市每年的城市權產量超過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"），成為當前世界各國十分關注的課題。
對城市垃圾的常用處理方法有填埋、堆肥，制沼氣、填海、焚燒和流化床制燃氣等，其中以焚燒、流化床制燃氣的處理方法為佳，符合“三化”的要求。由于流化床制燃氣的方法投資大、工藝設備復雜，尚處于研究起步階段。城市垃圾焚燒技術在美國一日本、法國、德國等發達國家己得到初步應用，并產主了良好的環保和經濟效益。
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展方向。
二、國外垃圾焚燒發電概況
1．國外垃圾發電
國外最早進行垃圾焚燒技術研究開發的是德國，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電廠，并且用于熱電聯產，以便有效地對城市進行采暖或提供工業用汽，1965年聯邦德國垃圾焚燒爐只有7臺，年處理垃圾71．8萬噸，可供總人口4．1%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，占垃圾總數的 30％，可供總人口34％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。目前最大的垃圾發電廠已經在底特律市建造，日處理垃圾量4000噸，發電量65MWe。瑞典、丹麥等國也有類似的焚燒發電廠。
2．國外垃圾焚燒設備
垃圾鍋爐是垃圾熱電站臺的主要設備，亦是發展垃圾熱電站的關鍵所在。由于垃圾燃料是具有一定腐蝕性、水分大、熱值不穩定的垃圾，因而垃圾鍋爐及其燃燒設備在設計上有其一定的特殊性。由于垃圾發熱值低，且水份含量較高，因此，性能優良的燃燒設備是垃圾鍋爐的關鍵之處。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）傾斜往復式爐排是間隙動作的逆向傾斜往復爐排，與我國一般燃煤的間隙動作順向傾斜往復式爐排不一樣。這種爐排的優點是：
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行，故而處理效率極高
④垃圾層均勻，燃燒穩定，爐溫及鍋爐蒸發量變動很小。
（3）流化床燃燒方式流化床燃燒對燃料的適應性好，能完全燃燒各類城市垃圾或有機的工業垃圾等。
（4）旋轉式燃燒旋轉式燃燒是KWU／SIEMNS公司在Uim一Wibligen試驗成功的新的工業流程。該工藝是將垃圾在緩慢旋轉的簡體內450℃ 進行無氧碳化，產主沼氣和固態殘留物。固態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，其熱值達到與褐煤相仿。這部分碳化物與產生的煤氣共同在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一條通道，將等離子弧及冷卻劑和氣體經通道輸入垃圾中，這時火種將垃圾熔化蒸發，使之變成無害的玻璃狀熔渣。燃燒火焰溫度可高達8000℃，釋放的氣體引入燃料電池發電。
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、中國迫切需要發展垃圾焚燒發電技術
1．我國垃圾產量及成份
我國經濟的持續發展和人民主活水平的不斷提高，城市生活垃圾的產量逐年增加，年均增長率接近9%。 雖然我國城市居民人均日產垃圾不足1kg，低于大多數發達國家，但其總產量卻相當高，見表1。預計到2000年我國城市垃圾產量將達到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含量多為2%左右，一些大城市如北京市的垃圾有機質含量可高達8％以上。有機成分中，以生物質（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．發展垃圾焚燒發電技術大有可為
一般認為，當垃圾的發熱值大于3349kJ/kg時，就可以由自然方式直接燃燒。我國垃圾的發熱值遠遠低于發達國家。
我國中等以上城市的垃圾低位發熱量一般在2512~4605kJ/kg范圍內，北京地區較高，可達到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，垃圾的發熱值還會不斷增加。顯然，燃煤氣化的發展對保證垃圾可烯是很重要的一步。
燃用煤氣地區的城市垃圾中有機物的含量相當高,一般超過50％，高的達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，亦是垃圾中主要的可燃成分。
發展城市垃圾熱電站與城市人口數量亦有一定的關系，因為電站的主產是連續性的，需要有厄夠數量的垃圾才能保證連續運行。同時，還要考慮垃圾數量與質量會隨季節的不同而有變化。按城市人口平均每人每天產主垃圾量約為1kg（發達國家稍多）計算，城市人口太于100萬以上·則每日產主城市垃圾在1000噸以上，就可以保證穩定發電。
3．開發適合我日垃圾的國產焚燒鍋爐
國外目前比較成熟的垃圾焚燒設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。深圳衛主處理廠引進的日本焚燒爐就已經遇到了這一情況，從投資的角度來看，引進一套（兩臺）日處理量600噸垃圾（發電功率為2x3Mwe）的焚燒發電處理廠需要投資約4.5億人民幣，對于處于發展時期的我國來說是難以接受的。若能開發研制符合中國國情的國產化垃圾焚燒爐，將具有廣闊和應用前景。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勢的，這己為國外學者所公認。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，有效地降低了設備的初投資，減小系統的復雜性，因此采用流化床焚燒方式，開發研制符合中國國情的國產化垃圾焚燒爐將是一條合理的技術路線。從工藝角度看。垃圾焚燒技術的核心是燃燒問題，只有保證鍋爐能穩定、充分清潔地燃燒，才可能實現垃圾的無害化和降容化。為了組織好燃燒；需要開發一套成熟的能把成分復雜、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（如石磚等）從燃燒設備順利排出的技術和裝置，焚燒后垃圾減量程度可達90％。為了保證垃圾焚燒后不對環境造成二次污染，需要發展相關的污染控制技術，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物：煙氣中的熱能。燒掉垃圾，只是滿足環保的需要，實現了垃圾的無害化、降容化。垃圾焚燒爐的熱利用，亦即進一步運用余熱鍋爐，充分利用焚燒熱，實現蒸汽發電、供熱，是垃圾的資源化。此外，還可對焚燒后的灰渣進行制磚等綜合利用。概括他說，垃圾焚燒綜合利用技術需要解決燃燒、污染控制和進料、排渣等一系列問題。這些問題在通常的燃燒組成穩定的燃料時是可以解決的，但由于作為燃料的垃圾的復雜成分需要進行深入詳細的研究。
四、垃圾熒僥發電綜合利用技術
1．垃圾進料裝置
國內的城市生活垃圾沒有分類，而分選、破碎的設備不僅十分復雜，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，必須開發出能原始垃圾（盡管其中可能含有木頭、金屬和磚石等不規則物體）順利送入爐膛的進料裝置，清吩學根據幾十年煤燃燒技術科研與工程的經驗和對國內外有關裝置的比較、研究，選用爐排進料、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 流化床燃燒技術是專門針對低熱值燃料而開發的，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。清華大學對垃圾焚燒機理的理論與實驗研究己為垃圾焚燒爐的設計提供了必需的設計依據。
3．流化床床上排渣技術
由于垃圾成分及形狀復雜，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。清華大學通過研究、采用床上定向排渣技術可以解決排渣問題
4、受熱面防腐技術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，爐膛內形成還原氣氛。應研究還原區的高溫腐蝕。此項技術正在研究中。
5．污染物脫除技術
一般地，利用流化床可實現爐內脫硫、除HCI等，并有效地降低氮的氧化物Nox的生成。為經濟、有效地控制污染物的排放，應研究污染物的生成機理，開發可靠的脫除污染物技術。目前清華大學已具有實用的爐內脫硫、除HCI技術，其它污染物的脫除技術正在研究中。根據清華大學已有日處理10噸垃圾的熱態實驗裝置上試驗的結果，HCL＜50ppm， NOX＜500ppm,S0X＜1500ppm,均低于國家排放標準。由于采用流化床焚燒技術，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
對流化床排出的灰渣經磁選除去金屬（回收）后，進行簡單破碎，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行研究。
五、產業化條件
城市垃圾焚燒發電綜合利用可逐步產業化，不僅可將以后產生的城市生活垃圾全部焚燒發電降容處理。而且可能部分的消化以前多年遺留下未處理的垃圾。除發電外，還可以為垃圾焚饒處理廠附近的企事業單位或居民提供熱源如冬委供暖、工業用汽，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均可以達到國家環保要求。垃圾焚燒產生的熱量可用于發電或供熱、制冷，發電功率為3000kWe，可保證垃圾焚燒廠在經濟上不僅可自我維持，節省了垃圾處理費用，甚至還略有盈余。
一 我國近五百個大中小城市，每年垃圾產量可達七千多萬噸，市場是極為廣闊的。據統計分析，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。除局部地區熱值可達6500kJ/kg外、大部分垃圾的熱值不足4000kJ/Kg，而國外的垃圾焚燒設備主要適用于處理較高熱值的垃圾（一般熱值應大于 6500kJ/kg），此外,我國垃圾沒有分揀，成分遠比國外的生活垃圾復雜。由于不同熱值、、不同成分燃料的燃燒特性差異很大，因此，從技術上說，照搬國外的技術、設備是不能很好地解決我國的垃圾焚燒問題的。
二 從經濟上說，國外的12Mwe垃圾發電機組的初投資可達0.5億美元，是其常規火力電站投資的二倍以上，而比國內同等規模的常規火力電站的初投資（約1億人民幣）大四倍多。運行費用高30~50%以上。因此，大規模引進國外機組建設垃圾焚燒廠是不可能的，在中國是沒有經濟可行性的。
六、科研開發條件
清華大學工業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研究方面一直處于國內領先水平。先后研制出4~220t／h蒸發量多種類型的燃煤國產化循環流化床鍋爐，現正在主持國家九五攻關項目“125Mwe循環流化床鍋爐的研制”工作。
1993年，向臺灣出售一臺75t／h（12Mwe）以工業固體廢棄物為燃料的焚燒爐整套技術圖紙。在垃圾焚燒發電技術研究方面，清華大學己作了大量工作，利用自籌資金建設了熱態實驗臺和冷態實驗臺，開展一些基礎研究和技術開發工作，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、車站、機場、碼頭的設計的快裝型流化床焚燒爐，單爐處理量50一150t／d。前面所述的進料技術、流化床焚燒技術、排渣技術和污染物脫除技術包含在這兩個專利之中。此外，還有多項技術，有害物經濟脫除技術等正在研究中，擬研究成功后申請相應的國家專利。
七、商業化垃圾電站投資及效益分析
根據清華大學目前研究和熱態實驗的基本數據，參照國內常規小型熱電站投資、收費標準，以每天處理900噸垃圾的焚燒發電廠為例，說明完全國產化的垃圾電站的投資運行費用概算。 1. 建設規模與內容
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、垃圾焚饒鍋爐、汽輪發電機系統、三廢處理系統及輔助工程系統等。擬采用三機四爐，即三套汽輪發電機，四臺垃圾焚燒鍋爐（三開一備）。
2．主要設計參數
（1）單爐垃圾處理量 300t/d
（2）焚燒鍋爐臺數 4臺
（3）年運行時間 ＞7000小時
（4）垃圾低位發熱量 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 1.5~1.7
（8）汽輪發電機出力 3000kw／臺
（9) 輪發電機臺數 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
三臺汽輪發電機總發電功率為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，如果鍋爐產生蒸汽不僅發電，而且進行供熱，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，又可節省一筆土地征用費，并節約了土地資源。 垃圾電站投資概況表（單位：萬元） 序號 項目名稱
建筑工程費 設備購置費 安裝工程費 其它 合計
1 熱力系統 1650 4500 1100 7250
2 垃圾收集上料系統 620 700 320 1640
3 除灰系統 20 80 100
4 水處理系統 30 240 180 450
5 洪水系統 90 40 130
6 電氣統 12 300 120 432
7 自動系統 10 400 80 490
8 污染物脫除系統 420 250 160 830
9 附屬工程系統 60 20 2 82
10 小計 2912 6490 2002 11404
11 總預備費 728 500 200 1428
12 建設期利息 1549
13 總計 14381
