城市垃圾焚烧处理技术
摘要: 随着经济的发展、人口的不断增多以及人民生活水平的日益提高，城市垃圾的产生量也日渐增多。在当今世界，大量的垃圾已成为城市中一个长期存在的污染源。对垃圾的处理不当，可能会造成严重的大气污染、水污染和土壤污染，并将占用大量的土地。垃圾对环境的污染已经成为日益严重的问题。如何经济、有效地进行垃圾处理。垃圾焚烧是目前固体废弃物处理的有效途径之一。在西方发达国家，垃圾焚烧技术的应用已经有将近130年的历史，而且目前仍被认为是最有效、经济的垃圾处理技术之一。
关键词: 城市垃圾,焚烧技术
一.什么是城市垃圾焚烧处理：
焚烧处理是将垃圾放在焚烧炉中进行燃烧，释放出热能，余热回收可供热或发电。烟气净化后排出，少量剩余残渣排出填埋或作其他用途。
二.城市垃圾焚烧处理概述：
随着经济的发展、人口的不断增多以及人民生活水平的日益提高，城市垃圾的产生量也日渐增多。在当今世界，大量的垃圾已成为城市中一个长期存在的污染源。对垃圾的处理不当，可能会造成严重的大气污染、水污染和土壤污染，并将占用大量的土地。垃圾对环境的污染已经成为日益严重的问题。如何经济、有效地进行垃圾处理。垃圾焚烧是目前固体废弃物处理的有效途径之一。在西方发达国家，垃圾焚烧技术的应用已经有将近130年的历史，而且目前仍被认为是最有效、经济的垃圾处理技术之一。我国对垃圾的处理目前基本上仍采用露天堆放和填埋法，而在垃圾焚烧技术的研究、开发和应用方面起步较晚。相比之下，我国垃圾焚烧设备的设计、生产和应用的水平和规模与发达国家的差距还很大。因此对我国来说，了解垃圾焚烧炉燃烧技术及设备的发展趋势，进而学习和掌握先进的垃圾焚烧炉设计和制造技术显得非常迫切和重要。
三.城市垃圾焚烧处理的现状:
我国属于发展中国家，经济发展迅速、城市化速度加快、居民生活水平不断提高，导致了城市垃圾量的不断增加。我国目前已有600多座城市，城市垃圾量以每年7~8%的速度增长。而垃圾的处理不到1/3，真正达到无害化处理和能源利用的比例更低。随着经济的高速发展，城市化水平的提高，在城市周边很难寻找适宜的垃圾填埋的场地，因此，造成我国城市垃圾处理问题相当严重。目前我城市生活垃圾90%采用填埋处理，但是如不是严格意义上的填埋产生的高浓度渗出液，会造成地下水以及地表水的严重污染，对水资源造成严重威胁。同时产生大量的有害气体，会污染大气，如若处理不当，其产生的危害会延续几百年甚至上千年。
垃圾的焚烧是使垃圾无害化、减容化、资源化较为有效的方法。我国在垃圾焚烧方面虽然已经取得不少进步，但仍处于摸索与研究的阶段。九十年代在各大城市以及沿海城市地区开始重视垃圾焚烧技术的应用，但由于焚烧技术、烟气处理技术引进的步伐不能跟上，投资控制不下来，一直未能有实质性的进展。有些地方由于难于寻找合适的垃圾填埋厂以及受资金方面的约束，只注重把垃圾烧掉，没有考虑好如何烧好、烧透以及如何作好环境保护与能源利用。尽管如此，由于近几年的不断探索，垃圾焚烧技术已经取得不少进步。
四.城市垃圾焚烧处理的特点：
焚烧处理技术特点是处理量大、无害化，减量化，资源化且有热能回收作用。世界各国普遍采用这种垃圾处理技术。
五.城市垃圾焚烧处理技术：
（1） 垃圾层燃焚烧技术，如采用滚动炉排、水平往复推饲炉排和倾斜往复炉排(包括顺推和逆推倾斜 往复炉排)等。层燃焚烧方式的主要特点是垃圾无需严格的预处理。滚动炉排和往复炉排的拨火 作用强，比较适用于低热值、高灰分的城市垃圾的焚烧；
（2）流化床式焚烧技术，其特点是垃圾的悬浮燃烧，空气与垃圾充分接触，燃烧效果好。但是流化 床燃烧需要颗粒大小较均匀的燃料，同时也要求燃料给料均匀，故一般难以焚烧大块垃圾，因此流化床式焚烧系统对垃圾的预处理要求严格，由此限制了其在工业废弃物和城市垃圾焚烧领域的发展；
（3）旋转筒式焚烧炉，其特点是将垃圾在筒内连续、缓慢翻滚，直到燃烬，故能够实现垃圾与空气的良好接触和均匀充分的燃烧。垃圾由滚筒一端送入，热烟气对其进行干燥，在达到着火温度后燃烧，随着筒体滚动，垃圾得到翻滚并下滑，一直到筒体出口排出灰渣。欧美国家多将该类焚烧炉用于有毒、有害工业垃圾的处理。
(4) 热解法,热解法是在隔绝空气的条件下，垃圾在热解装置中受热而使有机质分解，转化成燃气。燃气进入余热锅炉换热后，过热蒸气进入汽轮发电机发电。
此种方法是近10～20年研制出来的，是这三种焚烧法中最新焚烧理论。由于此种炉型结构简单，无运动件，设备技术投资比较前二种便宜约50%，很有发展前途。它的产品以美国和加拿大公司为代表。
六.城市垃圾焚烧处理的流程：
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1.垃圾流程
将收集的垃圾计量后，先存放在垃圾池内，再用吊车抓起投入各炉内料斗。投入料斗的垃圾，经过溜槽，到达给料机，再推入焚烧炉内。
2.空气流程
燃烧用的一、二次风，在垃圾池上部由鼓风机抽入，经空气预热器加热后，被送进焚烧炉。
3.烟气流程
高温燃烧产生烟气，经锅炉吸热后进入中和反应塔降温，同时烟气中的HCI、SO2等酸性气体被去除。随后，烟气在布袋除尘器内进一步反应，去除有害物质并滤去烟尘。
4.灰渣流程
由炉排落入的灰渣，在出渣机的水槽中熄灭。灰渣由出渣机经输送带送至渣坑，再装运出场作综合利用或填埋。
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垃圾焚烧炉
七.垃圾焚烧系统中二恶英类形成机理及影响因素
城市生活垃圾焚烧处理已有一定的历史，在经济发达国家获得广泛应用。在日本、瑞士、丹麦以及荷兰有50％～80％的垃圾进行焚烧处理。但是自1977年首次在垃圾焚烧炉的排气和飞灰中发现二恶英类后，焚烧排放的二恶英类污染越来越受到人们的重视。国外特别是工业化国家已经对垃圾焚烧处理设施的二恶英类排放和控制进行了较为系统地研究，不少国家已经制定了相关法律或标准。1999年发生的比利时二恶英类污染鸡事件，使得国内有关部门开始关注环境二恶英类的排放和污染问题，在2000年颁布的《生活垃圾焚烧污染控制标准》中规定了二恶英类的排放标准。但是到目前为止，还没建立详细的控制技术标准。本文将针对焚烧系统中二恶英类形成的机理及影响因素，做系统的研究，以实现针对我国垃圾的特性，进行形成机理和影响因素的研究。
l 形成机理
虽然垃圾焚烧过程中二恶英类的形成机理相当复杂，到目前为止尚未完全了解二恶英类在垃圾焚烧过程中形成的详细化学反应，但学术界比较认同二恶类是在焚烧炉低温区域烟气和飞灰的环境中，通过一些多相反应产生的说法。普遍认为垃圾焚烧时排放的二恶英类来源于三条途径：原始存在、从头合成和前体物形成。
1.1 原始存在
垃圾中存在二恶英类。它们或者在燃烧过程中未经历任何变化，或者经过了不完全的分解破坏后，继续在固体残渣和烟气中存在。
1.2 从头合成
二恶英类的从头合成过程是在低温(250～3500C)条件下大分子碳(残碳)与氧、氯、氢，通过基元反应，在催化作用下形成二恶英类。可以粗分为四步：
1.2.1 首先，在大分子的碳结构边缘，以并排的方式进行氯化反应，产生邻位氯取代基的碳结构物；
1.2.2 氧化破坏碳结构，进行重组生成二恶英类；
1.2.3 氧经反应产生氢氧自由基，氯气经如下Deacon反应产生；
2HCL+1/2O1 → H20+Cl2
1.2.4 在碳表面进行氧化降解作用(铜离子为主要催化剂)，产生芳香烃氯化物(二恶英类的中间产物)。氯在反应中担当配合体的传递作用，铜离子为中心原子，经氯还原，再经氧气氧化。
1.3 前体物形成
二恶英类的前体物形成是从前体物分子(氯酚、氯苯或者氯代联苯等)形成。前体物主要是焚烧过程中不完全燃烧的产物，在高温(大于4000C，最有效的范围是7500C)区域产生。后来在低温区域进一步反应形成二恶英类。这个过程在国外许多实验室已经被广泛的研究，许多作者甚至提出这是二恶英类在焚烧系统中形成的主要路线。前体物形成的路径通常可粗分为四步：
1.3.1 生成灰、不完全燃烧产物、CO、挥发份和有机基团；
1.3.2 通过吸附二恶英类前体物、过渡金属及其盐和氧化物生成表面活性化合物；
1.3.3 发生多种复杂的有机反应生成二恶英类；
1.3.4 从吸附表面部分解吸出二恶英类。
总之，有研究认为从头合成和前体物形成，哪一种路径相对重要取决于运行条件，特别是焚烧气体的温度。在更高的运行温度条件下，前体物形成的反应将比从头合成占主导地位。另外一方面，在低温下，从头合成反应变得比前体物形成更快。
2 影响参数
影响参数主要包括反应物、反应表面、催化剂、温度、烟气环境、氯源、水分等。
2.1 反应物
反应物主要分为两大类：针对从头合成反应的大分子有机碳结构和针对前体物形成反应的小的有机分子。有机碳的分子结构中含有各种芳香族链环，这种有序排列中含有许多氧原子，为形成二恶英类提供了条件。并且通过氯化、氧化分解及重新排列，形成不同类型的二恶英类。前体物合成过程则主要是由不完全燃烧产物作为起始，在飞灰催化作用下经过一系列复杂化学反应生成二恶英类。
Dickson等利用13C标记的五氯酚为前体物，进行前体物的异相催化反应；另外使用活性焦炭、空气和氯化铜进行从头合成反应，以区别二恶英类的两种生成机制。实验结果并无13C与12C混合的二恶英类，证实两种机制有不同的反应途径。另外，比较以13C标记的五氯酚为前体物的异相催化反应和以活性焦炭的从头合成反应的反应速率，前者反应快51O～46000倍，亦即反应的活化能较低。Altwicker等也证实多氯酚(主要为四氯酚，2，3，4，6一T4CP)会与从头合成反应竞争；即在高气体浓度(38～370ng／ml)，经氯酚的反应途径为从头合成途径的100倍，而在较短的反应时间(<5min)，二恶英类不经由氯酚的反应途径产生。
2.2 反应表面
无论是从头合成反应或是前驱物的异相催化反应，飞灰是生成二恶英类主要的反应表面，但是飞灰表面的物化性质、结构复杂且多样化，故有多位学者利用合成的飞灰表面模型，仿真飞灰表面的物化性质与结构，提供反应物生成二恶英类的表面，以期能更有效的控制实验，进行二恶英类生成因子的探讨。
研究涉及的表面材料有：Al2O3、Al2O3+Si02、碳、耐火砖、玻璃纤维、SiO2、SiO2+NaOH等。曾有学者利用不同的的载体，比较二恶英类氯化作用的比反应速率，发现如果载体中不加入触媒，则二恶英类氯化作用的反应速率较飞灰表面慢，也即飞灰表面可能含有催化二恶英类氯化作用的物质。
2.3 催化剂
烟气中飞灰在二恶英类形成过程中起着非常重要的作用，它不仅提供了反应场所和没有完全燃尽的碳，同时含有各种金属元素，提供了形成二恶英类的催化剂。
文献中利用不同的催化剂和反应物，例如：氯化铜、氯化铁／碳(催化剂／反应物)；氯化亚铁／氧化铜／硫酸铜／酚；氧化镍／硝酸锌／氯酚；氯化铁／苯；飞灰／五氯酚；氧化铝／OCDDs、OCDFs；SiO2+NaOH／OCDDs、OCDFs，探讨不同催化剂的种类和浓度对二恶英类生成的影响。Naikwadi等以五氯酚为前驱物，在3000C时，当飞灰中含2%的铁、二氧化锰、锌、铜(飞灰中最常发现的物质)，生成的二恶英类较多，亦即飞灰上的金属、金属氧化物或金属氯化物(例如：氯化铜)，会促进二恶英类生成。另外在飞灰(含金属、金属氯化物或金属氧化物)表面镀上2%有机和无机的抑制剂，在3000C进行反应，二恶英类的生成量减少86％ ，综合以上，可以归纳出金属、金属氯化物或金属氧化物会催化二恶英类生成。
2.4 温度
温度是影响二恶英类生成的重要因子，在同一温度，二恶英类的生成与分解是同时进行，而二恶英类净生成速率最大时的温度称为二恶英类最佳生成温度。国外的研究表明，二恶英类的最佳生成温度多在300～4000C，但当大于5000C时，仍有二恶英类的生成；因此，二恶英类的生成反应，不仅只限于热回收设备和空气污染防治设备，也可能在二燃室后面或是烟道壁附着的飞灰上发生。
另外二恶英类从飞灰上脱附的温度介于2800C～4500C时。因此，在焚烧炉空气污染控制的操作上，操作温度低于此温度范围，才能从飞灰去除过程中，顺便除去最多的二恶英类，减少从烟囱排出的量。
2.5 烟气环境
反应烟气环境讨论主要涉及的便是烟气中氧的含量，同时烟气中氧含量是一个波动数据。氧在从头合成反应中扮演重要的角色，缺少氧气碳将无法形成二恶英类。Schwarz推论大分子结构的碳，由表面键结合的金属氯化合物的氯化作用，而形成碳的氯化合物，后经氧气将其键切断而形成小有机化合物，再进行重组后生成二恶英类；当进流气体氧含量增加时，将促进氯化作用，而倾向于形成高能键结合氯的二恶英类。
Addink和olie由实验获知，当进流气体含氧量由1％增加至1O％，PCDDs的产量增为5.5至15.3倍，PCDFs的产量增为2.0至4.0倍，PCDDs与PCDFs的比值由0.03增加至0.08—0.14，亦即PCDDs的增加量比PCDFs大，推测其原因可能是，PCDDs结构具有两个氧原子，而PCDFs只有一个，故氧对PCDDs生成的影响较大。
相关文献指出，氧气在前体物的异相催化反应，并不是必要的，当反应气体不含氧气时，仍会有二恶英类生成，也就是说，有些气态前驱物(氧复合物)可提供氧的来源。在2500C时，以酚为前驱物，随着进流气体中氧含量的增加，二氯酚和三氯酚的产量会明显增加，但是，在二恶英类衍生物的生成并没有此趋势。
2.6 氯化源
无论是气态还是固态的氯化源都可在形成PCDD和PCDF过程中提供必要的氯原子。其中CaCl2、CuCl2、FeCl3在反应中，既是氯化源，又充当催化剂的角色。Vogg和Metzger在相同反应时间(2h)，反应温度(3000C)，通入合成气体(HCl1000mg／Nm3、SO2300mg／Nm3、11%O2、H2O150g／Nm3)，与对照组比较(只含氮、氧)，PCDDs生成量增加15.7倍，PCDFs生成量增加11倍。
但是，城市生活垃圾中PVC和二恶英类的相互关系在一个长时间里是一个有争议的问题。城市生活垃圾中PVC的出现大大的增加废物中氯的含量，被怀疑是城市生活垃圾焚烧炉高的二恶英类排放的一个理由。国外在实验室和实际焚烧厂中作了大量的研究，人工调整燃料中PVC的浓度，观察二恶英类排放水平的变化，研究烟道气中HCl的浓度和二恶英类排放水平的相互关系。大约研究的一半发现在PVC和二恶英类之间有一个肯定的关系，另外一半发现没有关系。在这个问题上，目前的看法趋向于PVC在城市生活垃圾中的出现在正常的数量重量比1%对于二恶英类的排放没有重要的影响。因为无机氯源在废物中的出现，所以从城市生活垃圾中分离PVC不太可能减少焚烧炉中二恶英类的排放。
2.7 水分
焚烧过程中，水份的存在会影响二恶英类的生成量和衍生物的分布。原因如下：
2.7.1 提供反应中氢的来源：过多的氢原子，使氯化反应倾向于形成低氯二恶英类。其添加重水到反应中而产生含氘的二恶英类，推断出水将提供二恶英类生成反应的氢源。
2.7.2 提供反应中氧的来源。
2.7.3 提供反应中氢氧自由基的来源：自由基在反应中可能扮演决定性的角色。
2.7.4 与反应物竞争反应表面上的活化位置：当担体表面含有铝、硅等金属氧化物时，其化学性质似极性(亲水性)的吸附剂，亦即水会与有机物竞争反应表面上的活化位置。
2.7.5 水会改变Deacon反应的平衡，造成氯气浓度的改变。
3 结论和建议
根据现有的二恶英类形成机理和影响因素研究，焚烧过程中二恶英类的合成，不论是从头合成或前体物合成，有某些共同的特征如均需有氧。从头合成过程是由残炭氧化开始，前体物合成过程是由不完全燃烧产物作为起始，在飞灰催化作用下经过一系列复杂化学反应生成二恶英类，其中两者相同的反应有氯化过程和联芳基合成(Ullmann反应)。所以二恶英类的生成主要是垃圾中存在氯源和不完全燃烧造成的。生成二恶英类的前提可概括为：① 存在有机或无机氯；② 存在氧；③ 存在过渡金属阳离子作为催化剂，特别是铜在垃圾焚烧飞灰催化反应中起决定作用。利用这些研究成果，我们可以初步对垃圾焚烧系统的二恶英类形成和排放加以控制。
但由于垃圾焚烧是一个非常复杂的过程，二恶英类形成机理和影响因素尚需要做进一步的研究和验证。应该针对我国垃圾及其焚烧处理的特点，对二恶英类的形成、影响因素以及污染控制进行深入的研究和探讨，以便找到适合我国国情的二恶英类控制对策。
八.焚烧技术发展的前景：
“九五”环境目标中有“到2010年基本改变生态环境恶化的情况，城乡环境质量有比较明显的改善，建成一批经济快速发展、环境清洁优美生态良性循环的城市和地区”。垃圾处理是我国实现可持续发展道路的重要组成部分，全国各大城市及沿海城市经济发达的地区都在积极采取垃圾焚烧的处理方式。
我国"十五"期间，国家将全面贯彻经济可持续发展的战略，更加注重经济、环境、资源的协调发展，加大环境保护和污染治理的力度。在加强城市垃圾污染治理方面积极引进、消化、吸收国外的先进适用技术和科学管理经验，提高城市生活垃圾污染治理的管理水平，努力推进垃圾污染从末端治理向从源头抓起的全过程治理转变。
我国已制定了一系列环保法规、标准、规范和配套的技术政策；但是国家还需给予优惠的产业政策，大力扶持我国的新兴垃圾处理产业。垃圾处理产业应积极开拓多种融资渠道，解决资金短缺问题；运用现代先进的、多元化的经营方式与经营手段，提高自身生存能力和盈利能力，在创造社会效益、环境效益的同时产生巨大的经济效益，缩短投资回报周期、提高投资回报率。使垃圾处理产业向健康的可持续的方向发展。
九.垃圾焚烧发电供热
1．垃圾焚烧发电供热的工艺流程
参照国内外垃圾电厂运行的实际情况，垃圾焚烧发电供热的工艺流程如下。
1.1垃圾发电供热流程框图 |
1.2垃圾发电供热流程简介
城市需要处理的垃圾由运输车运至电站，经地磅称重后，开到投料门，卸到垃圾坑。垃圾坑容积较大，可堆放3天以上的焚烧量，垃圾在坑内发酵，脱水后，由垃圾吊车将垃圾送入送料器，并进入炉排，在焚烧炉本体内燃烧。在开始点炉时，需投助燃装置喷油助燃，一旦起动完毕，送风机经过蒸汽式空气预热器送入炉排下部成为热风，即可使垃圾充分燃烧，助燃装置随即停用。送风机的入口与垃圾坑连通。这样可将垃圾的异味送入燃烧温度约800～900℃的焚烧炉内进行热分解，变为无臭气体。燃烧完的灰渣落入出灰装置，由输灰机送到灰坑。在输灰机上部配有调湿机，使分离出来的灰渣在厂内自动加入适量的水份，使之成为湿灰运出，不致向四周飞扬。燃烧的火焰及高温烟气，经过单炉膛双汽包自然循环锅炉，从而产生过热蒸汽，并为汽轮发电机组提供汽源。烟气经过锅炉后再通过脱硝装置、脱盐装置、机械式集尘器及电气除尘器后，由引风机将烟气送入烟囱排向大气。此时排入大气的含尘量可控制在0.1g/Nm3以下。锅炉、汽轮发电机组正常运行时，由中央控制室进行集中控制与监视。工厂排水在进入公共下水道之前，还可设置排水处理装置进行预处理。运载垃圾的汽车一般还需有自动洗车装置，将汽车冲洗干净之后再出厂。汽轮机的排汽进入冷凝器，通过凝结水泵打入除氧器，再通过给水泵打入锅炉。冷凝器还需要大量冷却水通过循环水泵送入，这样汽轮机的排汽通过冷凝器就凝结成水，同时形成真空，其它一般常规系统这里就不再赘述了。
2．某城市垃圾产出量及性能参数
根据环卫局提供的资料，某城市日产垃圾1500吨，其中生活垃圾800～900吨，生产垃圾成分组成如下表2-1。
表2-1生活垃圾成分表
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经实验测定，某城市垃圾的元素分析如下表2-2
表2-2生活垃圾元素分析
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某城市垃圾热值在4605～5440kJ/kg之间，根据联合国环境组织（UNEP）的规定，当垃圾的低位发热量为3350～7100kJ/kg时，适合焚烧处理；水份40％～50%，经短时间搁置脱水可以直接入炉焚烧。
3．某城市垃圾焚烧发电供热工艺流程
3.1流程选择
根据某城市垃圾成分及目前国内垃圾发电的状况、技术设备的成熟性，拟选用垃圾直接入炉燃烧的形式，其整体工艺流程前面已有叙述，此种流程在国内已有成功的运行经验，是适合我国国情的。
3.2主要设备选择
根据某城市日产垃圾量、成分，该工程宜选择“五炉二机”形式，正常运行方式为四炉运行，一炉备用，也可五台炉同时运行，考虑到将来垃圾可燃成分热值的提高，锅炉、汽轮机、发电机都应留有一定余量；锅炉选用日处理量200t的焚烧炉，汽轮发电机的容量为二台3MW抽凝机组。垃圾电厂日处理垃圾量可基本维持在800～900t。
3.2.1锅炉及其规范
选用日处理生活垃圾量200t的锅炉5台，过热蒸汽出口压力为2.57MPa，过热蒸汽出口温度370℃，额定蒸发量为10.5t/h，给水温度121℃，冷空气温度22℃，前置蒸汽空气加热器出口温度149℃，管式空气预热器进/出口温度149/312℃，锅炉效率67%。
3.2.2汽轮机组及其参数
选用型号为C3-24/5汽轮机2台，汽机进汽量25.8t/h，进口蒸汽压力2.50MPa，进口蒸汽温度360℃，额定功率3000kW，抽汽压力0.294MPa，额定抽汽量12t/h，最大抽汽量15t/h，排汽压力0.01MPa，发电机额定功率3000kW，出口电压6000kV，功率因数0.8。
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