能源清潔利用國家重點實驗室的循環(huán)流化床分級轉化試驗裝置，可實現(xiàn)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)
在這里，新能源實現(xiàn)更為有效的開發(fā)：波動的太陽能可以穩(wěn)定發(fā)電，綠色氫能能夠高效便捷低碳制取。
在這里，傳統(tǒng)化石能源得到更為清潔的利用：煤炭可實現(xiàn)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。
在這里，就連生活垃圾、污泥、秸稈等，也可以搖身一變，成為可利用的清潔能源，如電能、熱能。
這里是能源清潔利用國家重點實驗室?？蒲腥藛T數(shù)年如一日，努力探尋實現(xiàn)能源清潔、低碳、高效、智能發(fā)展利用的有效路徑。
記者帶您走進位于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(chuàng)新變“廢”為寶，實現(xiàn)固體廢物的能源化資源化利用。
垃圾里的西瓜皮、菜葉、紙張、塑料等都是“寶貝”，經過處理成為電能，進入千家萬戶
杭州蕭山錦江綠色能源有限公司三面環(huán)水，綠樹成蔭……如果不是廠區(qū)門口顯示屏上的輪播信息，人們很難將其與垃圾焚燒發(fā)電廠聯(lián)系在一起。
在這里，垃圾的傳統(tǒng)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、能量轉換等諸多復雜的環(huán)節(jié)后，成為電能，進入千家萬戶。據(jù)了解，這一垃圾焚燒發(fā)電廠可實現(xiàn)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(fā)電廠在我國并不鮮見。垃圾清潔焚燒處置也成為不少地方推進“無廢城市”建設的重要環(huán)節(jié)。
“焚燒發(fā)電目前被視為實現(xiàn)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。
眾所周知，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、建筑垃圾、工業(yè)垃圾、危險廢物、污泥，等等?？梢哉f，我們每個人都是垃圾的制造者。這些垃圾如果處置不當，會給大氣、水、土壤等帶來嚴重污染。
一頭連著減污，一頭連著降碳。如何無害化、減量化和資源化處置這些固體廢物，是生態(tài)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。”這是致力于這一領域研究30余年的嚴建華常常說的一句話。
據(jù)介紹，對于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：隨著城鎮(zhèn)化不斷發(fā)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群星看來，2012年之后，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(xiāng)建設統(tǒng)計年鑒》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%，成為主流的垃圾處理方式。而根據(jù)國家發(fā)展改革委、住房和城鄉(xiāng)建設部發(fā)布的《“十四五”城鎮(zhèn)生活垃圾分類和處理設施發(fā)展規(guī)劃》，到2025年底，全國城鎮(zhèn)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占比65%左右。
當前，我國一些城市已經實現(xiàn)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(yè)，成為我國首個實現(xiàn)生活垃圾總量“零增長”、處理“零填埋”的省份。
“現(xiàn)在的垃圾焚燒發(fā)電廠，早已經不是人們傳統(tǒng)印象里臭氣熏天的模樣，得益于現(xiàn)代技術創(chuàng)新，有的儼然是一個現(xiàn)代化的智能工廠，有的則成為群眾競相打卡的環(huán)保公園。”能源清潔利用國家重點實驗室池涌教授說，垃圾焚燒之后不僅實現(xiàn)了廢物減量，而且焚燒產物還可以實現(xiàn)無害化能源化資源化利用。
突破了生活垃圾循環(huán)流化床焚燒、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(qū)圖書館的北面，就是能源清潔利用國家重點實驗室。
環(huán)形的辦公樓中間，矗立著諸多造型各異的“大家伙”——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“大家伙”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(huán)保之路。
“在這個實驗室，我們可以實現(xiàn)生活垃圾、危險廢物、污泥等不同固體廢物的焚燒發(fā)電全過程試驗。”黃群星告訴記者，在浙江大學玉泉校區(qū)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，“那里的生活垃圾焚燒發(fā)電試驗平臺更大，占地面積約有一個籃球場大小，可以實現(xiàn)每天12噸的生活垃圾清潔焚燒。”
那么，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，垃圾焚燒處理并不難，難的是要實現(xiàn)環(huán)保達標、提高焚燒和發(fā)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、煙氣高效凈化、二噁英解毒和重金屬穩(wěn)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(fā)和工程化應用，突破了生活垃圾循環(huán)流化床焚燒、污泥脫水干化焚燒、危險廢物回轉式多段熱解焚燒、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后榮獲國家科學技術進步獎等獎項。
記者了解到，垃圾的組分復雜，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(wěn)定焚燒提出了巨大挑戰(zhàn)。因此，垃圾的清潔焚燒不是簡單地一燒了之，而是有一套嚴格細致的工藝流程。
以生活垃圾清潔焚燒為例。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，然后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?yōu)楦邷?、高壓蒸汽，驅動汽輪機發(fā)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(guī)氣體污染物，汞、鎘、鉛等重金屬，多環(huán)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”。
“爐渣可用于制磚，有害煙氣、飛灰等則需經尾部凈化裝置和粉塵過濾系統(tǒng)處置達標才可排放。”據(jù)嚴建華介紹，他們提出了“源頭減量、過程阻滯、脫除降解、監(jiān)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，垃圾焚燒后的煙氣在850℃以上的高溫環(huán)境中停留兩秒，二噁英就會分解。“而要實現(xiàn)這一點，需根據(jù)垃圾的熱值設計爐型、保障工況穩(wěn)定，分解率可超99%。另外，垃圾充分燃燒后，還會采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(xiàn)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(shù)據(jù)，讓垃圾焚燒發(fā)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并沒有離校。
7月28日一早，他就到了實驗室(玉泉校區(qū))。記者聯(lián)系到他時，他正借助熱重分析儀、質譜儀等設備，研究炭黑顆粒的生成機理。
據(jù)介紹，隨著垃圾分類的不斷推進，對垃圾焚燒設備和技術、控制條件、污染物凈化處置系統(tǒng)等也提出了更加精細化的要求。
“我們需要根據(jù)不同固廢的特性，對設備和技術作出相應的調整優(yōu)化，才能更有效地減排增效。”何俊捷告訴記者，借助人工智能、大數(shù)據(jù)等手段，實現(xiàn)對給料系統(tǒng)、爐排運動系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)和煙氣凈化系統(tǒng)全流程的智能診斷控制，將會大大提升設備運行的穩(wěn)定性和垃圾發(fā)電的噸發(fā)電量，讓垃圾焚燒發(fā)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(tài)進行智能識別，對燃燒系統(tǒng)運行情況進行智能診斷、實時優(yōu)化……一系列智能自動控制技術得到研發(fā)應用。
云南昆明，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(huán)境昆明西山垃圾發(fā)電廠和五華垃圾發(fā)電廠處置。
850℃是生活垃圾能夠實現(xiàn)清潔焚燒的關鍵指標。過去，為了確保燃燒溫度穩(wěn)定，垃圾焚燒監(jiān)控員必須每5秒調整一次參數(shù)。如今，昆明西山生活垃圾發(fā)電廠給生活垃圾焚燒系統(tǒng)裝上了“大腦”后，焚燒監(jiān)控員的雙手解放了。如果設備出現(xiàn)故障，系統(tǒng)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(fā)的“可調諧激光光譜結合飛行時間質譜在線監(jiān)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(xù)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(tǒng)可以在一定周期內無間隙獲取二噁英實時檢測數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)積累與分析，不斷反饋優(yōu)化焚燒運行及清潔生產，提升垃圾焚燒發(fā)電系統(tǒng)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。
