环保型焚烧炉在美国的最新应用
土地利用受到限制、运输费用增加，对温室气体排放的关注等一系列原因引起了污水处理厂对固体废物处理替代技术的关注。与此同时，焚烧炉装置的能源利用效率变得更高，对环境更为友好。那么，这样就可以认为焚烧炉是固体废物处理的“环保”型替代技术吗?答案是肯定的。
焚烧炉的先进行
据美国环保局估计，在美国大约有20%的废水固渣被焚烧。焚烧炉有以下一些优点:将大量固体废物变成可以处置或再利用的无菌灰烬，对环境影响小，可以全天候连续处理。大多数情况下，公司会采用比较先进的焚烧技术。在大城市，老式的多炉腔焚烧炉已经被新式的流化床焚烧炉所替代。然而，也有许多多炉腔焚烧炉采用排放控制设备进行升级后再投入使用，这样升级后的焚烧炉能够通过更多的许可验收。
最近，焚烧炉在机械脱水和热回收技术上的新进展使其能够自燃，即不需要任何辅助的化石燃料。自燃利用固体物质的生物能可以提供额外的能源用于发电，并能够降低温室气体和其他空气污染物的排放。这些进展使得焚烧成为了环保的固体废物处理替代技术。
温室气体减排
虽然美国尚未签订京都议定书，但美国目前正在讨论二氧化碳减排的可替代手段。因此，对温室气体减排的需要可能在不久的将来对焚烧装置产生影响。
将焚烧评为“环保”技术的原因是:比起土地利用、填埋和热干燥等固体废物处理技术，最近“不使用化石燃料”焚烧炉的改进使其可以减少温室气体的排放。
环保焚烧技术是指利用可再生能源或生物质能源—这里指的是废水固渣，而不是化石燃料—进行固体废物处理。利用生物质燃料进行固体废物处理比使用石化燃料更具经济效益。生物质燃料是一种“碳中性”燃料:生物质燃料的燃烧或者氧化会释放出二氧化碳，但等量的二氧化碳会被大气所吸收。这样，生物质燃料仅使大气碳进行了循环而不是增加了大气中碳含量。而使用不可再利用的化石燃料可能会增加大气中的碳含量。
可再生温室气体排放包括：环境和生物质的热氧化，使用沼气和垃圾填埋气作燃料。不可再生源包括:生物质燃烧所需的辅助燃料，运输生物质所需燃料，生物质燃料使用过程中风扇、水泵和其他设备所消耗的电能。
实际的例子
我们评估了三种设备来确定从焚烧炉中释放出的温室气体，其中有两种设备是自燃型焚烧炉，仅需要少量或者不需要化石燃料来产生辅助热量;另外一种是流化床焚烧炉，需要一些辅助化石燃料。
安大略省的皮尔地区
Lakeview污水处理厂有4台流化床焚烧炉，每台焚烧炉的额定容量是100 Mg/d。自2006年2月已有一台装置投人使用，剩下的3台到2009年才更新完毕。更新完毕后，这将是北美最大的流化床装置，总容量是400 Mg/d。
这些设备有几个方面的特点促成了自燃。热风箱设计使得加热的流化空气温度高达650 C。此外，初级热交换器采用高温废气来加热进人焚烧炉的流化空气。流化空气除了流化床体，还提供助燃气。最后，离心机将未消化的固体脱水，使干固体的含量达到28%，这样可以减少水分蒸发所需要的能量。
绿湾(威斯康辛州)都市区的污水收集系统
自二十世纪70年代绿湾污水处理厂建厂时建造的两个多炉膛焚烧炉从始自终不间断地运行。最近，人们将焚烧炉的废气洗涤塔进行了更新，同时为了燃烧更完全、废气排放量更少、操作更自由还进行了其他更新。其中一台设备于2005年重新投入使用，其容量达到了44 Mg/d。另一台设备于2007年完成了更新。更新后的焚烧炉提高了燃烧废水固渣的能力，降低了石化燃料的使用和废气排放量。
以下几个因素促进了自燃烧。首先，二级炉腔取代了一个燃烧后炉腔，这样可以不再额外使用燃料。而且，新的炉腔使得停留时间更长(1-2s)，能在较低的温度下使气体流中的有机物完全燃烧。而且，严格的空气控制使得不必再将多余空气加热到燃点。有过量空气的气流时在这一过程中需要额外的热量。而且，带式压滤机可以提供给焚烧炉23%-28%的干固体。因为固体具有更高的热值，自燃烧需要至少26%的干固体。最后，锅炉的废热还能够提供34 bar的蒸汽，可以减少石化燃料的使用，降低温室气体的排放。虽然目前该技术尚未实施，但从焚烧炉废气中回收热量确实可以产生蒸汽，生成清洁、绿色的电能供给污水处理厂使用或者进行出售。
该装置说明对于多炉腔焚烧炉来说实现自燃是可能的，但这可能仅仅是个特例，大多数多炉腔焚烧炉还需要辅助燃料。
辛辛那提的都市下水道
俄亥俄的小迈阿密废水处理厂用一台流化床焚烧炉替代了原有的多炉腔焚烧炉。该装置自从2000年开始运行，其容量达到了65 Mg/d。小迈阿密的情况类似于Lakeview，但其二级热交换器被用于羽流抑制。
和Lakeview污水处理厂一样，这里的装置也采用了热风箱设计，初级热交换装置也利用高温废气来加热流化气蒸汽。然而，该装置的额定容量是通常的一半，而且不能够自燃。带式压滤机不能够连续对未消化的固体进行脱水，一般可获得22%的干固体。当干固体含量超过26%时，该装置就可以自燃烧了。
自从2005年一系列项目改进后，该污水处理厂对天然气的使用量从11.4 GJ/Mg降到了5.7 GJ/Mg ,二氧化碳的排放降低到了9.5 kg/d.该厂还计划用高固体离心机替代带式压滤机，以降低或者消除对辅助燃料的使用。
温室气体排放比较
项目组列出了下列四种情形来比较典型固体废物处理过程中的温室气体排放:
案例1:厌氧消化+脱水十土地利用;
案例2:厌氧消化+脱水+干燥+土地利用;
案例3:脱水+流化床焚烧炉+托运灰飞;
案例4:脱水+填埋。为了起点相同，假设每天都有100 Mg的废水固渣进人消化器(或者进行脱水)，这样消化对量的减少也包括在内了。所有的情况中，电量的计算基于燃煤发电厂产生的电力。其他形式的无温室气体排放的电力来源，比氢能、风能、太阳能、或者核能等能够大大降低不可再利用部分温室气体的排放。目前美国大约有28%、安大略有多于58%的能量来源于非煤、非碳氢资源。因此，实际的排放量应该大大降低。
为了比较每种固体废物处理过程中温室气体的排放，针对每种情形要依次列出下面几点:
*确定生物质中可回收的二氧化碳气体的量。
*比较不可再生温室气体的产生，包括发电和石化燃料燃烧产生的温室气体。
*确定可用于碳补偿的信用额度，比如那些利用沼气发电产生的二氧化碳。
*比较净的温室气体排放结果。
结论
可再利用的温室气体
从生物质燃料中释放出的温室气体的量取决干生物质燃料中挥发性固体的含量。在消化和干燥过程中，45%的挥发性固体被转化成了沼气。沼气在燃烧过程中会产生温室气体。如果不将沼气燃烧，其在空气中将最终被氧化为二氧化碳。剩余55%的挥发性固体将在土地利用或者固体干燥过程中释放出来。而对于焚烧法，在挥发性物质燃烧过程中，所有的气体都会从焚烧炉中释放出来。
对于土地利用和填埋，转化时间可能会很长，可能要数十年，这取决于土地运作。由于该项目的原因，我们假定60%的挥发性固体进入填埋场能够在较短时间内转化为沼气，而剩余物质要在一个相对较长的时间内被完全氧化。
不可再生温室气体
在能源处理、传输或作为原材料时会产生不可再利用温室气体。这包括电力能源使用、辅助或补充燃料、化学品或聚合物生产、运输用柴油燃料。用电产生的温室气体计算基于燃煤发电站排放的温室气体。
从此项分析中可以得出以下几点:
*土地利用生成不可再生温室气体的潜在可能性最小，而热干燥最多。这可能有些出人意料，因为即使是土地利用，运输用燃料的影响也相对较小。
*对干热干燥，辅助燃料是产生温室气体的最大来源，占温室气体排放量的62%。对于干燥，使用的辅助燃料的价值远大于土地利用和焚烧。
*用电是温室气体的最大产生者，占焚烧温室气体释放量的85%，占土地利用释放量的69 %
温室气体排放权
如果生物质的生物能源价值更够抵消燃煤电厂的电能，我们还确定了潜在的“排放配额”。对于土地利用和干燥，这包括利用沼气通过发动机一发电机发电。对于热干燥，这包括利用沼气进行干燥以抵消对辅助燃料的需求。对于焚烧炉，可以收集垃圾填埋气，用发动机一发电机来发电。
消化比焚烧的排放配额高，因为引擎比涡轮机在将能源转换成电能方面效率高。引擎发电的效率大约是35%，而涡轮蒸汽机的效率仅有25%。
对于烘干机，大多数污水处理厂采用沼气来提供50%一100%干燥所需的能源，以减少不可再生燃料的使用。
我们注意到土地利用的消化配额大于沼气抵消的热干燥。从一个大的视角来看，对于污水处理厂来说沼气发电比购买燃料用于干燥要有利得多。然而仍然存在的问题是:使用沼气是不是真正能带来益处?回答是:发动机一发电机比燃煤电厂要高效得多，使用电能减少了温室气体的排放。
填埋和土地利用对温室气体排放的影响最小，热干燥影响最大，焚烧居中。
污水处理厂可以采取的步骤
研究结果有些出人意料:除干燥之外，用电带来的温室气体排放量在所有选项中最大。如果其他因素—比如商用氮肥或者热干燥生产的燃料产品带来的偏移可能会影响分析结果。干燥的燃料产品可以计入商业发电站补偿煤的消耗。类似地，干燃料有时被用作水泥厂的原料。
有焚烧炉的污水处理厂可能想考虑具体行动。最好的减少温室气体排放的方法是减少用于干燥的电能和辅助燃料的消耗。如果温室气体减排是最主要的目标，价钱、操作的难易程度和维修问题是次要目标，那么建议进行以下的操作:
*优化运行，使设备在效率最高点附近运转，设备运转负荷只有一半时应将设备关掉。
*优化脱水过程，因为该过程占据了整个排放量的一大部分。用电及聚合物的排放量远远高于拖运和土地利用。
*收集沼气或垃圾填埋气。电动机一发电机发电的效率大约是35%,涡轮蒸汽机的发电效率仅有25 %。这些数据说明消化一部分废水固渣再进行焚烧，只要焚烧炉能够进行自燃，便可提供最多的温室气体排放份额。然而，我们要牢记，增加使用沼气会增加污水处理厂的气体排放量，可能会对清洁空气法案第五条或其他空气法规产生影响。
对于消化和垃圾填埋气系统取得清洁系统操作成功非常重要。气体清洁系统将去除湿气、二氧化硫和硅氧烷。然而，一些市政污水处理厂发现难以达到严格的运作和维修要求。
我们仅仅评估了各种固体废物处理方法对温室气体排放的影响，但这不能作为选择固体处理方法的唯一标谁。还应该考虑:资本开支和运营成本;可供使用的土地利用场地或者填埋空间;公众对交通、噪音、气味和废气排放的关注;任何天气状况下运行的可靠性;排放的其他气体比如氮氧化物、硫氧化物和颗粒物对环境的影响;整个系统的复杂性和可维护性。
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