垃圾如何变废为宝？走进能源清洁利用国家重点实验室
【谷腾环保网讯】在这里，新能源实现更为有效的开发：波动的太阳能可以稳定发电，绿色氢能能够高效便捷低碳制取。
在这里，传统化石能源得到更为清洁的利用：煤炭可实现分级清洁高效转化，燃煤电厂和煤化工厂等排出的二氧化碳等还可以被微藻或特殊的化学制品高效“捕捉”、吸收。
在这里，就连生活垃圾、污泥、秸秆等，也可以摇身一变，成为可利用的清洁能源，如电能、热能。
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这里是能源清洁利用国家重点实验室。科研人员数年如一日，努力探寻实现能源清洁、低碳、高效、智能发展利用的有效路径。
记者带您走进位于浙江大学的能源清洁利用国家重点实验室，探访科研人员如何通过科技创新变“废”为宝，实现固体废物的能源化资源化利用。
垃圾里的西瓜皮、菜叶、纸张、塑料等都是“宝贝”，经过处理成为电能，进入千家万户
杭州萧山锦江绿色能源有限公司三面环水，绿树成荫……如果不是厂区门口显示屏上的轮播信息，人们很难将其与垃圾焚烧发电厂联系在一起。
在这里，垃圾的传统概念被颠覆，西瓜皮、菜叶、纸张、塑料等都是“宝贝”。它们经储存降解、焚烧处理、能量转换等诸多复杂的环节后，成为电能，进入千家万户。据了解，这一垃圾焚烧发电厂可实现日“吞”垃圾1700吨，年“吐”电能1.5亿度。
如今，像这样的垃圾清洁焚烧发电厂在我国并不鲜见。垃圾清洁焚烧处置也成为不少地方推进“无废城市”建设的重要环节。
“焚烧发电目前被视为实现垃圾无害化、减量化和资源化处置的重要手段。”浙江大学党委常委、副校长，能源清洁利用国家重点实验室主任、固体废物能源化清洁利用技术与装备国家工程研究中心主任严建华告诉记者。
众所周知，人类在生产生活过程中不可避免地会产生垃圾。这个“垃圾”是一个广义的概念，主要是指固体废物，如生活垃圾、建筑垃圾、工业垃圾、危险废物、污泥，等等。可以说，我们每个人都是垃圾的制造者。这些垃圾如果处置不当，会给大气、水、土壤等带来严重污染。
一头连着减污，一头连着降碳。如何无害化、减量化和资源化处置这些固体废物，是生态文明建设的重要内容，也是能源清洁利用国家重点实验室的重要研究方向之一。
“垃圾是放错地方的资源。”这是致力于这一领域研究30余年的严建华常常说的一句话。
据介绍，对于无法回收利用的垃圾而言，主要有两种处理方式：填埋、焚烧。填埋的弊端显而易见：随着城镇化不断发展，垃圾填埋量不断增加，“垃圾围城”不可避免，而且填埋不当还容易产生污染隐患和安全隐患。焚烧便成了重要的垃圾处置方式。
在能源清洁利用国家重点实验室成员、浙江大学能源工程学院副院长黄群星看来，2012年之后，我国的生活垃圾焚烧处理进入了一个高速增长期。
《2020年城乡建设统计年鉴》显示，2020年全国城市生活垃圾焚烧厂共有463座，焚烧处理能力超56万吨/日。当年我国垃圾焚烧处理率由2006年的14%提高至约60%，成为主流的垃圾处理方式。而根据国家发展改革委、住房和城乡建设部发布的《“十四五”城镇生活垃圾分类和处理设施发展规划》，到2025年底，全国城镇生活垃圾焚烧处理能力将达到80万吨/日左右，城市生活垃圾焚烧处理能力占比65%左右。
当前，我国一些城市已经实现生活垃圾“零填埋”，垃圾处理进入“焚烧时代”。如浙江，自2021年起，除应急处置外，全省49个垃圾填埋场全面终止作业，成为我国首个实现生活垃圾总量“零增长”、处理“零填埋”的省份。
“现在的垃圾焚烧发电厂，早已经不是人们传统印象里臭气熏天的模样，得益于现代技术创新，有的俨然是一个现代化的智能工厂，有的则成为群众竞相打卡的环保公园。”能源清洁利用国家重点实验室池涌教授说，垃圾焚烧之后不仅实现了废物减量，而且焚烧产物还可以实现无害化能源化资源化利用。
突破生活垃圾循环流化床焚烧、二噁英全过程控制及检测、飞灰重金属解毒等关键技术
浙江大学玉泉校区图书馆的北面，就是能源清洁利用国家重点实验室。
环形的办公楼中间，矗立着诸多造型各异的“大家伙”——一台台大型实验台架。远远望去，如同一个大车间。
有用来燃烧煤粉的，有用来脱硫、去污的，还有专门用来焚烧垃圾的……正是在这些“大家伙”的帮助下，实验室研究团队开展了各项能源清洁利用的研究，探索出一条高效、清洁利用能源的环保之路。
“在这个实验室，我们可以实现生活垃圾、危险废物、污泥等不同固体废物的焚烧发电全过程试验。”黄群星告诉记者，在浙江大学玉泉校区西北方向30多公里处的青山湖能源研究基地，也有不少大型实验台架和先进分析测试仪器，“那里的生活垃圾焚烧发电试验平台更大，占地面积约有一个篮球场大小，可以实现每天12吨的生活垃圾清洁焚烧。”
那么，既然是清洁焚烧，焚烧产生的废气、废水、废渣去哪儿了，会不会造成二次污染？令人闻之色变的燃烧产物——二噁英如何处理？
“这正是我们研究团队攻克的重点和难点。”面对记者的疑问，严建华解释道，垃圾焚烧处理并不难，难的是要实现环保达标、提高焚烧和发电效率。
对此，实验室研究团队围绕固体废物先进高效热处置、热能高效利用、烟气高效净化、二噁英解毒和重金属稳定化、飞灰和炉渣安全处置等方面，开展了技术、工艺、装备的研发和工程化应用，突破了生活垃圾循环流化床焚烧、污泥脱水干化焚烧、危险废物回转式多段热解焚烧、二噁英全过程控制及检测、飞灰重金属解毒等关键技术。其中，生活垃圾、污泥和危险废物焚烧技术先后荣获国家科学技术进步奖等奖项。
记者了解到，垃圾的组分复杂，不同组分间热化学特性、水分含量等差异很大，这给高效清洁稳定焚烧提出了巨大挑战。因此，垃圾的清洁焚烧不是简单地一烧了之，而是有一套严格细致的工艺流程。
以生活垃圾清洁焚烧为例。在焚烧前，生活垃圾需经堆放预处理降低含水率，或进行破碎等处置，然后被抓取传送至焚烧炉内焚烧，焚烧过程中产生的高温烟气，可以通过传热将水变为高温、高压蒸汽，驱动汽轮机发电。与此同时，垃圾焚烧还会产生一些污染物，比如一氧化碳、氮氧化物、二氧化硫等常规气体污染物，汞、镉、铅等重金属，多环芳烃、二噁英等特殊有机污染物，还有炉渣、飞灰等，“不同组分的焚烧物，生成的污染物不同”。
“炉渣可用于制砖，有害烟气、飞灰等则需经尾部净化装置和粉尘过滤系统处置达标才可排放。”据严建华介绍，他们提出了“源头减量、过程阻滞、脱除降解、监测反馈”全过程控制二噁英等污染物生成和排放的全新理念。
研究验证，垃圾焚烧后的烟气在850℃以上的高温环境中停留两秒，二噁英就会分解。“而要实现这一点，需根据垃圾的热值设计炉型、保障工况稳定，分解率可超99%。另外，垃圾充分燃烧后，还会采用一些吸附或催化降解技术来去除低温下再生的二噁英等污染物，从而实现无害化处置。”能源清洁利用国家重点实验室陆胜勇教授介绍，目前这些技术已经比较成熟。
人工智能、大数据，让垃圾焚烧发电更加绿色高效
虽然正值暑期，浙江大学能源工程学院博士研究生何俊捷并没有离校。
7月28日一早，他就到了实验室(玉泉校区)。记者联系到他时，他正借助热重分析仪、质谱仪等设备，研究炭黑颗粒的生成机理。
据介绍，随着垃圾分类的不断推进，对垃圾焚烧设备和技术、控制条件、污染物净化处置系统等也提出了更加精细化的要求。
“我们需要根据不同固废的特性，对设备和技术作出相应的调整优化，才能更有效地减排增效。”何俊捷告诉记者，借助人工智能、大数据等手段，实现对给料系统、炉排运动系统、燃烧系统和烟气净化系统全流程的智能诊断控制，将会大大提升设备运行的稳定性和垃圾发电的吨发电量，让垃圾焚烧发电更加绿色高效。
对炉内火焰温度场、垃圾组分、料层厚度进行在线实时测量，对炉内燃烧状态进行智能识别，对燃烧系统运行情况进行智能诊断、实时优化……一系列智能自动控制技术得到研发应用。
云南昆明，每天约产生8000吨生活垃圾。其中40%以上的生活垃圾会送到浙能锦江环境昆明西山垃圾发电厂和五华垃圾发电厂处置。
850℃是生活垃圾能够实现清洁焚烧的关键指标。过去，为了确保燃烧温度稳定，垃圾焚烧监控员必须每5秒调整一次参数。如今，昆明西山生活垃圾发电厂给生活垃圾焚烧系统装上了“大脑”后，焚烧监控员的双手解放了。如果设备出现故障，系统会自动报警，这时再人工介入调整就可以了。
不仅如此，能源清洁利用国家重点实验室科研团队研发的“可调谐激光光谱结合飞行时间质谱在线监测二噁英的方法”，在国际上首次获得垃圾焚烧炉168小时二噁英排放的连续检测图，解决了二噁英实时在线快速测量的世界性难题。
“系统可以在一定周期内无间隙获取二噁英实时检测数据，通过数据积累与分析，不断反馈优化焚烧运行及清洁生产，提升垃圾焚烧发电系统的运行水平。”严建华告诉记者，该方法刚刚获得了第二十三届中国专利金奖。
目前，该专利技术已在浙江、山东、重庆等多地垃圾焚烧处理项目中得到应用。
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