我国生活垃圾焚烧发电 厂建设始于1980年代。 自2000年以来，尤其是“十二五”和“十三五”期间实现了井喷式发展。 根据生活垃圾焚烧发电厂自动监测数据公开平台实时数据，截至2023年4月，我国在运行的生活垃圾焚烧厂总计914座，单期规模为300~6300t/d。 全国大部分一线到三线城市已建设了生活垃圾焚烧发电厂，其中，500t/d×1的小型垃圾焚烧厂和500t/d×2的中型垃圾焚烧厂应用范围比较广泛。
我国生活垃圾焚烧发电 厂建设始于1980年代。 自2000年以来，尤其是“十二五”和“十三五”期间实现了井喷式发展。 根据生活垃圾焚烧发电厂自动监测数据公开平台实时数据，截至2023年4月，我国在运行的生活垃圾焚烧厂总计914座，单期规模为300~6300t/d。 全国大部分一线到三线城市已建设了生活垃圾焚烧发电厂，其中，500t/d×1的小型垃圾焚烧厂和500t/d×2的中型垃圾焚烧厂应用范围比较广泛。 “十四五”期间，新建生活垃圾焚烧发电厂多集中于中西部三线到五线城市，包括县级城市（多县联建）。 这些焚烧厂处理规模多为中小型，存在垃圾处理贴费较低和规模效益较差等问题。
本研究从降本增效的角度，通过对多个典型案例进行分析，力求通过 控制主厂房建筑面积、混凝土配筋量、桩基优化、渗滤液原液回喷、主蒸汽参数选择、在线组合吹灰模式、厂用电率 等7个关键要素，采用优化设计的方法，实现中小型生活垃圾焚烧发电厂降低建设投资费用、节约运营成本和增加经济效益的目的。
生活垃圾焚烧发电厂土建投资约占项目直接工程投资费用（第一部分工程费用）的40%~50%。由于焚烧厂设备大部分已国产化，价格相对透明可控，大多数垃圾焚烧厂建设竣工结算突破建设总投资的主要因素是土建费用的突破。鉴于焚烧厂主厂房的建筑面积通常占焚烧厂总建筑面积的70%以上，针对主厂房桩基础、建筑面积和混凝土配筋量等进行优化设计，对节约土建投资造价十分重要。
此外，渗滤液处理系统单位投资通常为8~10万元（/t·d），渗滤液原液回喷是降低渗滤液系统处理规模，从而减少其投资的有效手段。焚烧发电厂运营实践表明： 在线吹灰对于提高余热锅炉热转换效率，增加运行实际蒸发量起到了关键作用；主蒸汽高参数的应用对减少汽轮机汽耗，提高单位发电量具有明显作用；降低厂用电率可以提高上网电量，增加发电收益。 因此，本研究选取了以上7个关键要素进行焚烧发电厂优化设计。
焚烧主厂房是垃圾焚烧厂最主要的建筑物。焚烧主厂房单位建筑面积造价一般约为4500元/m 2 ，控制合理的建筑面积可有效节约建设投资。
焚烧主厂房主要包括6个结构分区：卸料大厅、垃圾池、焚烧间、烟气间、汽机房和主控楼。不同案例中汽机房和主控楼建筑面积相对固定，另外4个区域则尺寸差别较大。本研究着重针对前4个建筑面积差别较大的分区面积进行分析论证。我国生活垃圾焚烧发电厂典型案例的主厂房建筑面积及主厂房主要分区面积如表1所示。
注：表1中案例1~3是2条焚烧线的项目，案例4~6是1条焚烧线的项目。
1. 卸料大厅宽度分析： 案例1~3卸料大厅宽度为28.0~28.6m，其中液压翻盖式卸料门占用了卸料大厅4.5m宽度，垃圾车回转和卸料场地实际宽度为23.5~24.1m。考虑到目前我国最大吨位20t级垃圾车长度约9.8m，宽度约2.55m，计算转弯半径为12.0m，则卸料大厅回转和卸料场地宽度不小于21.0m即可，10t级垃圾车有效回转卸料场地不小于19.5m即可。
由此可见，案例1~3中卸料大厅宽度尚存在压缩空间。而案例4~6卸料大厅宽度为19.0~21.0m，采用双开式卸料门，基本满足大中型中转站垃圾转运车回转和卸料要求。据此， 建议中小型垃圾焚烧发电厂采用双开式卸料门，根据转运车型不同，卸料大厅宽度控制在19.5~21.0m为宜。
2. 垃圾池尺寸分析： 案例1~3垃圾池宽度达到28.0~28.5m，案例4~6垃圾池宽度为20.0~21.0m，平均垃圾储存时间约为10d。在推行垃圾分类后，渗滤液产生量减少至进厂垃圾量的15%以内，垃圾实际存储发酵时间由4~5d缩减至2~3d。因此，可通过缩小垃圾池面积来实现主厂房总建筑面积的优化。
运行实践表明：500t/d×2规模项目垃圾池宽度按24.0m设计，500t/d×1及以下规模项目垃圾池宽度按21.0m设计即可保证混合收集生活垃圾发酵排水需要。据此， 垃圾池储量可按7d计算，500t/d×2规模项目垃圾池推荐尺寸为45.0m×24.0m；500t/d×1规模项目垃圾池推荐尺寸为30.0m×21.0m。
3. 焚烧间尺寸分析： 焚烧间内主要布置焚烧炉、余热锅炉、部分锅炉辅机及渣坑等。表1中项目均配置荏原技术水平顺推机械炉排式焚烧炉，案例1~3两炉中心线间距21~24m。事实上，两炉中心线间距18m即可满足焚烧炉两侧净宽度7m的运营检修需要。据此，500t/d×2项目焚烧间总宽度（横向）可控制在50m。而案例4~6焚烧间面积基本满足最优化尺寸，即500t/d×1项目焚烧间总宽度（横向）可控制在30m。
案例6主厂房焚烧间占地面积比案例4和案例5节省约200m 2 。经对比分析，主要原因是案例6余热锅炉设计选用π型锅炉，与案例4和案例5设计选用卧式余热锅炉相比，纵向尺寸节约了7m。据此，500t/d×2、500t/d×1项目焚烧间总长度（纵向）参考案例6，建议控制在约43m。
综上， 优化推荐500t/d×2项目焚烧间占地面积约2150m 2 （43m×50m），500t/d×1项目焚烧间占地面积约1290m 2 （43m×30m）。
4. 烟气净化间尺寸分析： 我国焚烧厂经典的烟气净化处理工艺为“非选择性还原脱硝（SNCR）+半干法+干法+活性炭喷射+布袋除尘”。部分发达地区焚烧厂还设置了选择性还原脱硝（SCR）系统设备。烟气净化系统设备通常布置在余热锅炉后，主要包括半干法反应塔、布袋除尘器、烟气公用系统（包括活性炭储存和喷射系统、消石灰储存和喷射系统、石灰浆液制备和投加系统等）、飞灰存储和飞灰稳定化处理系统等设备。
表1中2条焚烧线的案例3以及1条焚烧线的案例6烟气净化间面积均小于同类案例。经分析，案例3和案例6半干法反应塔及后续烟气设备中心线与焚烧炉/余热锅炉中心线错开布置，且SCR系统设备布置在引风机上方以节约占地面积。参考两个案例， 推荐500t/d×2项目烟气净化间尺寸48m×50m，占地面积约2400m 2 ；500t/d×1项目烟气净化间尺寸43m×30m，占地面积约1290m 2 。
5. 汽机房尺寸分析： 汽机房尺寸主要由汽轮发电机组设备尺寸决定，尺寸相对固定。 500t/d×2规模焚烧厂选用20MW汽轮发电机组，汽机房常规尺寸为20.0m×32.5m；500t/d×1规模焚烧厂选用12MW汽轮发电机组，汽机房常规尺寸为20.0m×28.5m。
6. 主控楼面积分析： 主控楼主要功能包括展示大厅、高低压配电室、变频器室、蓄电池间、参观廊道、中央控制室、电子设备间、会议室、办公室、电仪仓库、档案室、电缆夹层、排烟机房、厕所等。若厂区不设置独立办公楼，主控楼通常设置为4层，总建筑面积按2900 m 2 考虑。
在选址处用地条件允许的情况下，生活垃圾焚烧发电厂限额设计推荐主厂房建筑面积如表2所示。500t/d×1和500t/d×2项目的主厂房典型平面布置分别如图1和图2所示。其中，焚烧间和烟气净化间尺寸会因为焚烧炉、余热锅炉和烟气设备设计参数和选型不同略有差异。
图1 500t/d×1项目主厂房典型平面布置
图2 500t/d×2项目主厂房典型平面布置
综上所述，通过对6个案例焚烧厂主厂房不同分区尺寸分析和优化， 推荐500t/d×2项目主厂房总建筑面积约为19000m 2 ，比表1中案例1~3平均节省面积约8786m 2 ，按4500元/m 2 造价计算，可降低投资成本约3953.7万元； 推荐500t/d×1项目主厂房总建筑面积约为12000m 2 ，比表1中案例4~6平均节省面积约2746m 2 ，按4500元/m 2 造价计算，可降低投资成本约1235.7万元。
生活垃圾焚烧发电厂主厂房通常采用框排架、钢结构等混合结构型式。主厂房钢筋混凝土用量较大的分区主要包括卸料大厅、垃圾池、汽机房和主控楼4个框架或排架结构分区。抗震设防烈度均为7度的基础上，不同案例对主厂房内各分区混凝土结构配筋量设计差异度较大，具体如表3所示。
① 采用了高强度钢筋，减少用钢量。 如HRB400级钢筋强度和HRB335级钢筋强度比为1.2，采用高强度的钢筋则可节约用钢量11.4%，而单价仅增加5%，具有明显降本优势。
② 荷载分布细化布置，适当降低动荷载。 生产区域动荷载为8kN/m 2 ，日常人流区域荷载3~4kN/m 2 ，从而局部优化梁板配筋。
③ 在保证结构安全的前提下，折减系数按实际工况合理选择。 在结构模型调试的阶段，对周期折减系数、梁弯矩放大系数、梁刚度放大系数、地震信息的相关参数等予以适当选择、正确定义，可以合理控制结构刚度、避免因过度吸收地震力而造成的配筋增大。
④ 梁柱跨度布置比较均匀，上部结构构件标准化，减少因跨度变化带来的刚度突变，从而减少由此造成的配筋增大。 外部造型尽量简洁，墙体外挂材料减轻，总荷载减小，地震力减小，配筋相应减小。此外，在满足设备要求的前提下，尽量压缩主厂房高度。
2. 垃圾池混凝土用量分析： 表3中案例3和案例7地下部分墙体厚度800mm，案例1和案例4采用700mm，案例5和案例6采用600mm，混凝土量优化12.5%~25.0%。
3. 垃圾池剪力墙配筋分析： 表3中案例3和案例7竖向钢筋为C25@200，案例1和案例5优化为C22@200，案例6优化为C20@200，钢筋量分别优化22.5%和36.0%；地下部分墙体800mm厚时水平钢筋为C20@150，案例1、案例5、案例6为C18@150，此部分钢筋量优化19.0%。
据此，表3中案例1和案例6垃圾池混凝土用量和配筋量比较经济，混凝土用量分别为5804.11m 3 （600t/d×2）和3506.20m 3 （500t/d×1），单位配筋量约为173~174kg/m 3 。
生活垃圾焚烧发电厂主厂房4个结构分区推荐钢筋指标见表4， 其混凝土配筋量宜控制在160~195kg/m 3 。 如按表4将混凝土配筋量控制在推荐值内，表3中案例1、案例3、案例7每个项目可平均节约钢筋量290t，按6000元/t单价计算，共计174万元；表3中案例4、案例5、案例6每个项目可平均节约钢筋量93t，按6000元/t单价计算，共计约56万元。
桩基的合理选择十分重要。根据不同地质情况，选用合适的桩基类型，并在桩基施工前先进行破坏性试桩，试桩数据应及时反馈至设计单位。 依据实际数据重新布置桩数，试验数据一般比理论数据大15%~30%。 在地质条件允许下，考虑桩土复合承载，可提高桩基承载力。 表5为生活垃圾焚烧发电厂典型案例的桩基优化示范实例。
表5 生活垃圾焚烧发电厂典型案例的桩基优化设计
渗滤液是一种成分复杂的高浓度有机废水，生活垃圾焚烧发电厂渗滤液处理系统处理规模通常设计为进厂垃圾量的25%~35%，其处理工艺通常采用“调节池+厌氧+超滤膜生化反应器（两级A/O内循环）+纳滤+反渗透 ”，500~1000t/d焚烧厂渗滤液处理系统处理规模约为150~300t/d、投资约为1500~3000万元、直接运行成本约为70~90元/ t。
渗滤液原液回喷系统是将渗滤液处理系统中调节池中渗滤液进行一次过滤后由渗滤液泵打入回转式自清洗过滤器进行二次过滤、收集，经过加压泵升压后通过设置于焚烧炉后拱的防堵雾化喷嘴喷射至炉膛内，渗滤液气雾与高温烟气混合，小液滴蒸发，含有的污染物如有机质、重金属等经焚烧后，可达到去除污染物的目的。
图3 渗滤液原液回喷的模块化设计流程示意
实践经验表明， 500t/d焚烧线每日最大回喷量可达100t/d，年均日回喷量在30t/d以上。据此， 500~1000t/d焚烧厂渗滤液处理系统建设规模可减少30~60t/d，对应减少建设投资300~600万元 。此外，按每吨渗滤液直接运行成本80元计，每年每条500t/d焚烧线还可节约87.6万元渗滤液系统运行费用，建设和运营降本效果均十分明显。
余热锅炉主蒸汽参数是影响垃圾焚烧发电厂发电量的主要因素之一，目前国内外垃圾焚烧发电厂的主蒸汽参数主要有两种：一是中温中压参数（400℃、4.0MPa）；二是中温次高压参数（通常为450℃、6.4MPa）。因高温过热器材质耐腐蚀性和造价等原因， 目 前我国主流生活垃圾焚烧发电厂基本认同450℃是比较安全可控、性价比较高的蒸汽温度。
汽轮机热效率与进汽参数正相关，垃圾焚烧发电厂余热锅炉采用的主蒸汽参数越高，发电效率越高。表6为某生活垃圾焚烧发电厂典型案例的高参数和中参数的发电效率的比较（该项目处理规模为500t/d×3、最大连续运行负荷MCR点设计低位热值7535kJ/kg）。由表6可看出， 采用中温次高压蒸汽参数对于提高焚烧厂发电量效果显著。
采用高蒸汽参数后，余热锅炉烟气温度700℃以上，且无浇注料覆盖的区域需要在水冷壁表面堆焊，以减少腐蚀，预计增加费用1780.8万元；提升汽轮机外壳及配套螺栓材质，预计增加费用120.0万元；提升主蒸汽管道、阀门材质，预计增加费用80.0万元。预计总投资增加费用约1980.8万元。
表6中案例10采用中温次高压蒸汽参数后，扣除年检修和折旧等成本的增加，在28a运营期内，年均收益增加仍达到401万元，经济效益显著。
余热锅炉常规在线吹灰装置包括蒸汽吹灰、激波吹灰、振打吹灰等。 在线吹灰装置可有效去除余热锅炉受热面上的积灰，提高余热锅炉热转换效率和蒸发量。
2019年，上海环境集团在案例8引入了德国克莱德公司的在线水喷淋吹灰装置，在余热锅炉二、三烟道进行技术改造，相比激波和蒸汽吹灰等传统吹灰模式取得了更好的效果。水喷淋吹灰的原理是：水喷淋到结焦的焦块上并渗入到焦块的孔隙中，水瞬间在高温烟气加热下变为水蒸气。水分子体积瞬时膨胀，崩裂了焦块使其成为碎片，脱离水冷壁并下落到灰斗里，其对结焦和黏性沉积灰渣有显著作用，其吹灰效果见表7。深能环保公司自深圳东部垃圾焚烧厂后，在多个新项目的余热锅炉二、三烟道选用了水喷淋吹灰装置。
由表7可知，在水喷淋吹灰后，三烟道出口温度平均下降了58.5℃，余热锅炉蒸发量上升了1.2t/h，相当于每小时发电量增加240kWh。
相比之下，蒸汽吹灰的原理是利用蒸汽膨胀、高速气流冲击并冷却灰渣。高温灰渣在冷却热应力作用下碎裂，并在气流冲击下脱落，吹灰有效半径小，对高温灰渣和迎风面浮灰均有良好的清除作用，适用于过热器、前置和后置蒸发器的清灰。
激波吹灰的原理通常是由乙炔爆燃产生的冲击波清除积灰，激波吹灰器相对价格便宜，但去除效果相对一般，适用于清除省煤器等积灰较少的锅炉部件。案例8在余热锅炉水平烟道中蒸发器和过热器管屏之间设置蒸汽吹灰装置，各级省煤器管屏间隙设置激波吹灰装置，实际运行中取得了良好的效果。吹灰前后对比如表8所示。
从表8可以看出，余热锅炉水平烟道（四烟道）采取“蒸汽吹灰+激波吹灰”在线吹灰组合方式，省煤器出口温度下降21℃，相当于余热锅炉效率提高约2%，蒸发量增加1t/h，折合增加发电量约200kWh以上。
图4 生活垃圾焚烧发电厂典型案例的推荐在线吹灰模式
厂用电率是体现垃圾焚烧发电厂建设和运营水平的关键指标之一。据统计，全国500t/d×2的垃圾焚烧项目平均厂用电率约为13%~20%，500t/d×1的垃圾焚烧项目平均厂用电率约为14%~25%。其中，水泵和风机是耗电量最大的设备，占全厂用电的50%~60%。这些设备的选型余量过大，即使配置变频器，也会造成电能浪费。大力开展水泵与风机的节能选型优化设计是节约焚烧厂用电的主要途径。表9为生活垃圾焚烧发电厂典型案例的辅机配置与实际运行情况。
注：案例11为空冷机组，循环水泵仅用于设备循环冷却水，电机功率很小，表中没有列出。
分析表9中7个案例， 影响厂用电率的关键因素主要包括：焚烧线条数、烟气净化处理工艺流程长短和主要用电设备电机工作效率。
案例1和案例5烟气净化系统均配置了SCR反应塔和湿法洗涤塔，厂用电率分别为20%和24%。因案例1配置两条焚烧线，公用系统运行功率占比较小，因此，案例1厂用电率比案例5低4个百分点。
案例2和案例4烟气净化系统配置了SCR反应塔，厂用电率分别为17%和23%。因案例2配置两条焚烧线，公用系统运行功率占比较小，因此，厂用电率比案例4低6个百分点。
案例3、案例11和案例12烟气净化系统不含SCR与湿法洗涤塔，厂用电率分别为16%、17%和15%。其中，案例3和案例11配置了两条焚烧线，公用系统运行功率占比较小，理论上厂用电率应低于案例12（配置1条焚烧线），但由于案例12设备选型合理，主要用电设备电机工作效率均高于0.75，因此，案例12厂用电率反而低于案例3和案例11。
根据表9中电机工作效率数据可知，除案例12以外，引风机选型余量都偏大，引风机长期处于低负荷运行，远低于变频器的最佳工作效率下限70%。此外，部分案例一次风机、锅炉给水泵、循环水泵的电机工作效率低于0.7，选型余量偏大，对应的变频器也不在最佳工作节能效率区间。
表10比较了焚烧炉、余热锅炉、烟气净化处理系统配置相同的案例3和案例11的引风机选型设计参数。
由表10可知，案例3入口静压初设取值为3500Pa，而案例11入口静压初设取值高达7000Pa，这是导致案例11引风机选型远大于案例3的主因。此外，风量设计余量系数选择基本为20%~30%，也造成了引风机实际运行功率远小于额定功率。
综上所述， 除了配置必要的变频器外，引风机、循环水泵、一次风机、给水泵、冷却塔风机、再循环风机等主要用电设备的合理选型是降低厂用电率的关键，主要用电设备电机工作效率应高于70%，才能达到变频器最佳工作效率区间，从而达到最低的厂用电率。 按吨进厂垃圾总发电量400kWh计，每节约5%厂用电率，上网电量增加20kWh/t，相当于500t/d焚烧厂每年增发上网电量3.65×10 6 kWh，按0.4元/kWh考虑，每年增收146万元，对应1000t/d焚烧厂增发电量收入为292万元。
通过设备选型优化，推荐500t/d×1的案例通过设计设备选型的优化，厂用电率控制在15%~17%（无SCR设备）或16%~18%（有SCR设备）；500t/d×2规模项目厂用电率控制在14%~16%（无SCR设备）或15%~17%（有SCR设备）。
合理控制垃圾焚烧厂主厂房建筑面积，通过渗滤液原液回喷设计降低渗滤液处理系统处理规模，通过试桩进行桩基优化设计，控制钢筋混凝土配筋量4个要素均可较好地实现建设投资的节约。 与文中部分典型案例相比，选取优化后的设计值或设计模式，其降本效果约为1742~4978万元，如表11所示。
提高余热锅炉主蒸汽参数，降低厂用电率和采取“水喷淋吹灰+蒸汽吹灰+激波吹灰”在线吹灰组合模式3个要素可以较好地实现运营增效，确保焚烧厂运行期足够的发电收益。 与文中部分典型案例相比，选取优化后的设计值或设计模式，其增效效果约为421~842万元，见表12。
城市生活垃圾焚烧发电厂的7个设计要素的控制具有较为显著的降本增效效果，可作为新建生活垃圾焚烧发电厂设计考核的关键指标。
合理控制垃圾焚烧厂主厂房建筑面积、通过渗滤液原液回喷设计降低渗滤液处理系统处理规模、通过试桩进行桩基优化设计、控制钢筋混凝土配筋量，这4个要素均可较好地实现建设投资的节约。
其中， 500t/d×1和500t/d×2处理规模垃圾焚烧厂主厂房优化建筑面积推荐值分别为12000m 2 和1900 0m 2 ；
提高余热锅炉主蒸汽参数、降低厂用电率和“水喷淋吹灰+蒸汽吹灰+激波吹灰”的在线吹灰组合模式可以较好地实现运营增效，确保焚烧厂运行期足够的发电收益。
其中， 余热锅炉主蒸汽参数推荐值为6.4MPa和450℃；
