垃圾如何變廢爲寶 走進能源清潔利用國家重點實驗室
製圖：李芸
能源清潔利用國家重點實驗室的循環流化牀分級轉化試驗裝置，可實現煤炭分級清潔高效轉化。
能源清潔利用國家重點實驗室的高精度太陽能塔式定日鏡場及智能控制試驗平臺。
浙江大學青山湖能源研究基地，該基地是能源清潔利用國家重點實驗室的重要支撐基地之一。 (能源清潔利用國家重點實驗室供圖)
在這裏，新能源實現更爲有效的開發：波動的太陽能可以穩定發電，綠色氫能能夠高效便捷低碳製取。
在這裏，傳統化石能源得到更爲清潔的利用：煤炭可實現分級清潔高效轉化，燃煤電廠和煤化工廠等排出的二氧化碳等還可以被微藻或特殊的化學制品高效“捕捉”、吸收。
在這裏，就連生活垃圾、污泥、秸稈等，也可以搖身一變，成爲可利用的清潔能源，如電能、熱能。
……
這裏是能源清潔利用國家重點實驗室。科研人員數年如一日，努力探尋實現能源清潔、低碳、高效、智能發展利用的有效路徑。
記者帶您走進位於浙江大學的能源清潔利用國家重點實驗室，探訪科研人員如何通過科技創新變“廢”爲寶，實現固體廢物的能源化資源化利用。
垃圾裏的西瓜皮、菜葉、紙張、塑料等都是“寶貝”，經過處理成爲電能，進入千家萬戶
杭州蕭山錦江綠色能源有限公司三面環水，綠樹成蔭……如果不是廠區門口顯示屏上的輪播信息，人們很難將其與垃圾焚燒發電廠聯繫在一起。
在這裏，垃圾的傳統概念被顛覆，西瓜皮、菜葉、紙張、塑料等都是“寶貝”。它們經儲存降解、焚燒處理、能量轉換等諸多複雜的環節後，成爲電能，進入千家萬戶。據瞭解，這一垃圾焚燒發電廠可實現日“吞”垃圾1700噸，年“吐”電能1.5億度。
如今，像這樣的垃圾清潔焚燒發電廠在我國並不鮮見。垃圾清潔焚燒處置也成爲不少地方推進“無廢城市”建設的重要環節。
“焚燒發電目前被視爲實現垃圾無害化、減量化和資源化處置的重要手段。”浙江大學黨委常委、副校長，能源清潔利用國家重點實驗室主任、固體廢物能源化清潔利用技術與裝備國家工程研究中心主任嚴建華告訴記者。
衆所周知，人類在生產生活過程中不可避免地會產生垃圾。這個“垃圾”是一個廣義的概念，主要是指固體廢物，如生活垃圾、建築垃圾、工業垃圾、危險廢物、污泥，等等。可以說，我們每個人都是垃圾的製造者。這些垃圾如果處置不當，會給大氣、水、土壤等帶來嚴重污染。
一頭連着減污，一頭連着降碳。如何無害化、減量化和資源化處置這些固體廢物，是生態文明建設的重要內容，也是能源清潔利用國家重點實驗室的重要研究方向之一。
“垃圾是放錯地方的資源。”這是致力於這一領域研究30餘年的嚴建華常常說的一句話。
據介紹，對於無法回收利用的垃圾而言，主要有兩種處理方式：填埋、焚燒。填埋的弊端顯而易見：隨着城鎮化不斷發展，垃圾填埋量不斷增加，“垃圾圍城”不可避免，而且填埋不當還容易產生污染隱患和安全隱患。焚燒便成了重要的垃圾處置方式。
在能源清潔利用國家重點實驗室成員、浙江大學能源工程學院副院長黃羣星看來，2012年之後，我國的生活垃圾焚燒處理進入了一個高速增長期。
《2020年城鄉建設統計年鑑》顯示，2020年全國城市生活垃圾焚燒廠共有463座，焚燒處理能力超56萬噸/日。當年我國垃圾焚燒處理率由2006年的14%提高至約60%，成爲主流的垃圾處理方式。而根據國家發展改革委、住房和城鄉建設部發布的《“十四五”城鎮生活垃圾分類和處理設施發展規劃》，到2025年底，全國城鎮生活垃圾焚燒處理能力將達到80萬噸/日左右，城市生活垃圾焚燒處理能力佔比65%左右。
當前，我國一些城市已經實現生活垃圾“零填埋”，垃圾處理進入“焚燒時代”。如浙江，自2021年起，除應急處置外，全省49個垃圾填埋場全面終止作業，成爲我國首個實現生活垃圾總量“零增長”、處理“零填埋”的省份。
“現在的垃圾焚燒發電廠，早已經不是人們傳統印象裏臭氣熏天的模樣，得益於現代技術創新，有的儼然是一個現代化的智能工廠，有的則成爲羣衆競相打卡的環保公園。”能源清潔利用國家重點實驗室池湧教授說，垃圾焚燒之後不僅實現了廢物減量，而且焚燒產物還可以實現無害化能源化資源化利用。
突破了生活垃圾循環流化牀焚燒、二噁英全過程控制及檢測、飛灰重金屬解毒等關鍵技術
浙江大學玉泉校區圖書館的北面，就是能源清潔利用國家重點實驗室。
環形的辦公樓中間，矗立着諸多造型各異的“大傢伙”——一臺臺大型實驗臺架。遠遠望去，如同一個大車間。
有用來燃燒煤粉的，有用來脫硫、去污的，還有專門用來焚燒垃圾的……正是在這些“大傢伙”的幫助下，實驗室研究團隊開展了各項能源清潔利用的研究，探索出一條高效、清潔利用能源的環保之路。
“在這個實驗室，我們可以實現生活垃圾、危險廢物、污泥等不同固體廢物的焚燒發電全過程試驗。”黃羣星告訴記者，在浙江大學玉泉校區西北方向30多公里處的青山湖能源研究基地，也有不少大型實驗臺架和先進分析測試儀器，“那裏的生活垃圾焚燒發電試驗平臺更大，佔地面積約有一個籃球場大小，可以實現每天12噸的生活垃圾清潔焚燒。”
那麼，既然是清潔焚燒，焚燒產生的廢氣、廢水、廢渣去哪兒了，會不會造成二次污染?令人聞之色變的燃燒產物——二噁英如何處理?
“這正是我們研究團隊攻克的重點和難點。”面對記者的疑問，嚴建華解釋道，垃圾焚燒處理並不難，難的是要實現環保達標、提高焚燒和發電效率。
對此，實驗室研究團隊圍繞固體廢物先進高效熱處置、熱能高效利用、煙氣高效淨化、二噁英解毒和重金屬穩定化、飛灰和爐渣安全處置等方面，開展了技術、工藝、裝備的研發和工程化應用，突破了生活垃圾循環流化牀焚燒、污泥脫水乾化焚燒、危險廢物迴轉式多段熱解焚燒、二噁英全過程控制及檢測、飛灰重金屬解毒等關鍵技術。其中，生活垃圾、污泥和危險廢物焚燒技術先後榮獲國家科學技術進步獎等獎項。
記者瞭解到，垃圾的組分複雜，不同組分間熱化學特性、水分含量等差異很大，這給高效清潔穩定焚燒提出了巨大挑戰。因此，垃圾的清潔焚燒不是簡單地一燒了之，而是有一套嚴格細緻的工藝流程。
以生活垃圾清潔焚燒爲例。在焚燒前，生活垃圾需經堆放預處理降低含水率，或進行破碎等處置，然後被抓取傳送至焚燒爐內焚燒，焚燒過程中產生的高溫煙氣，可以通過傳熱將水變爲高溫、高壓蒸汽，驅動汽輪機發電。與此同時，垃圾焚燒還會產生一些污染物，比如一氧化碳、氮氧化物、二氧化硫等常規氣體污染物，汞、鎘、鉛等重金屬，多環芳烴、二噁英等特殊有機污染物，還有爐渣、飛灰等，“不同組分的焚燒物，生成的污染物不同”。
“爐渣可用於制磚，有害煙氣、飛灰等則需經尾部淨化裝置和粉塵過濾系統處置達標纔可排放。”據嚴建華介紹，他們提出了“源頭減量、過程阻滯、脫除降解、監測反饋”全過程控制二噁英等污染物生成和排放的全新理念。
研究驗證，垃圾焚燒後的煙氣在850℃以上的高溫環境中停留兩秒，二噁英就會分解。“而要實現這一點，需根據垃圾的熱值設計爐型、保障工況穩定，分解率可超99%。另外，垃圾充分燃燒後，還會採用一些吸附或催化降解技術來去除低溫下再生的二噁英等污染物，從而實現無害化處置。”能源清潔利用國家重點實驗室陸勝勇教授介紹，目前這些技術已經比較成熟。
人工智能、大數據，讓垃圾焚燒發電更加綠色高效
雖然正值暑期，浙江大學能源工程學院博士研究生何俊捷並沒有離校。
7月28日一早，他就到了實驗室(玉泉校區)。記者聯繫到他時，他正藉助熱重分析儀、質譜儀等設備，研究炭黑顆粒的生成機理。
據介紹，隨着垃圾分類的不斷推進，對垃圾焚燒設備和技術、控制條件、污染物淨化處置系統等也提出了更加精細化的要求。
“我們需要根據不同固廢的特性，對設備和技術作出相應的調整優化，才能更有效地減排增效。”何俊捷告訴記者，藉助人工智能、大數據等手段，實現對給料系統、爐排運動系統、燃燒系統和煙氣淨化系統全流程的智能診斷控制，將會大大提升設備運行的穩定性和垃圾發電的噸發電量，讓垃圾焚燒發電更加綠色高效。
對爐內火焰溫度場、垃圾組分、料層厚度進行在線實時測量，對爐內燃燒狀態進行智能識別，對燃燒系統運行情況進行智能診斷、實時優化……一系列智能自動控制技術得到研發應用。
雲南昆明，每天約產生8000噸生活垃圾。其中40%以上的生活垃圾會送到浙能錦江環境昆明西山垃圾發電廠和五華垃圾發電廠處置。
850℃是生活垃圾能夠實現清潔焚燒的關鍵指標。過去，爲了確保燃燒溫度穩定，垃圾焚燒監控員必須每5秒調整一次參數。如今，昆明西山生活垃圾發電廠給生活垃圾焚燒系統裝上了“大腦”後，焚燒監控員的雙手解放了。如果設備出現故障，系統會自動報警，這時再人工介入調整就可以了。
不僅如此，能源清潔利用國家重點實驗室科研團隊研發的“可調諧激光光譜結合飛行時間質譜在線監測二噁英的方法”，在國際上首次獲得垃圾焚燒爐168小時二噁英排放的連續檢測圖，解決了二噁英實時在線快速測量的世界性難題。
“系統可以在一定週期內無間隙獲取二噁英實時檢測數據，通過數據積累與分析，不斷反饋優化焚燒運行及清潔生產，提升垃圾焚燒發電系統的運行水平。”嚴建華告訴記者，該方法剛剛獲得了第二十三屆中國專利金獎。
目前，該專利技術已在浙江、山東、重慶等多地垃圾焚燒處理項目中得到應用。(王珍)
值班主任：顏甲
