城市垃圾焚燒處理技術
摘要: 隨著經濟的發展、人口的不斷增多以及人民生活水平的日益提高，城市垃圾的產生量也日漸增多。在當今世界，大量的垃圾已成為城市中一個長期存在的污染源。對垃圾的處理不當，可能會造成嚴重的大氣污染、水污染和土壤污染，并將占用大量的土地。垃圾對環境的污染已經成為日益嚴重的問題。如何經濟、有效地進行垃圾處理。垃圾焚燒是目前固體廢棄物處理的有效途徑之一。在西方發達國家，垃圾焚燒技術的應用已經有將近130年的歷史，而且目前仍被認為是最有效、經濟的垃圾處理技術之一。
關鍵詞: 城市垃圾,焚燒技術
一.什么是城市垃圾焚燒處理：
焚燒處理是將垃圾放在焚燒爐中進行燃燒，釋放出熱能，余熱回收可供熱或發電。煙氣凈化后排出，少量剩余殘渣排出填埋或作其他用途。
二.城市垃圾焚燒處理概述：
隨著經濟的發展、人口的不斷增多以及人民生活水平的日益提高，城市垃圾的產生量也日漸增多。在當今世界，大量的垃圾已成為城市中一個長期存在的污染源。對垃圾的處理不當，可能會造成嚴重的大氣污染、水污染和土壤污染，并將占用大量的土地。垃圾對環境的污染已經成為日益嚴重的問題。如何經濟、有效地進行垃圾處理。垃圾焚燒是目前固體廢棄物處理的有效途徑之一。在西方發達國家，垃圾焚燒技術的應用已經有將近130年的歷史，而且目前仍被認為是最有效、經濟的垃圾處理技術之一。我國對垃圾的處理目前基本上仍采用露天堆放和填埋法，而在垃圾焚燒技術的研究、開發和應用方面起步較晚。相比之下，我國垃圾焚燒設備的設計、生產和應用的水平和規模與發達國家的差距還很大。因此對我國來說，了解垃圾焚燒爐燃燒技術及設備的發展趨勢，進而學習和掌握先進的垃圾焚燒爐設計和制造技術顯得非常迫切和重要。
三.城市垃圾焚燒處理的現狀:
我國屬于發展中國家，經濟發展迅速、城市化速度加快、居民生活水平不斷提高，導致了城市垃圾量的不斷增加。我國目前已有600多座城市，城市垃圾量以每年7~8%的速度增長。而垃圾的處理不到1/3，真正達到無害化處理和能源利用的比例更低。隨著經濟的高速發展，城市化水平的提高，在城市周邊很難尋找適宜的垃圾填埋的場地，因此，造成我國城市垃圾處理問題相當嚴重。目前我城市生活垃圾90%采用填埋處理，但是如不是嚴格意義上的填埋產生的高濃度滲出液，會造成地下水以及地表水的嚴重污染，對水資源造成嚴重威脅。同時產生大量的有害氣體，會污染大氣，如若處理不當，其產生的危害會延續幾百年甚至上千年。
垃圾的焚燒是使垃圾無害化、減容化、資源化較為有效的方法。我國在垃圾焚燒方面雖然已經取得不少進步，但仍處于摸索與研究的階段。九十年代在各大城市以及沿海城市地區開始重視垃圾焚燒技術的應用，但由于焚燒技術、煙氣處理技術引進的步伐不能跟上，投資控制不下來，一直未能有實質性的進展。有些地方由于難于尋找合適的垃圾填埋廠以及受資金方面的約束，只注重把垃圾燒掉，沒有考慮好如何燒好、燒透以及如何作好環境保護與能源利用。盡管如此，由于近幾年的不斷探索，垃圾焚燒技術已經取得不少進步。
四.城市垃圾焚燒處理的特點：
焚燒處理技術特點是處理量大、無害化，減量化，資源化且有熱能回收作用。世界各國普遍采用這種垃圾處理技術。
五.城市垃圾焚燒處理技術：
（1） 垃圾層燃焚燒技術，如采用滾動爐排、水平往復推飼爐排和傾斜往復爐排(包括順推和逆推傾斜 往復爐排)等。層燃焚燒方式的主要特點是垃圾無需嚴格的預處理。滾動爐排和往復爐排的撥火 作用強，比較適用于低熱值、高灰分的城市垃圾的焚燒；
（2）流化床式焚燒技術，其特點是垃圾的懸浮燃燒，空氣與垃圾充分接觸，燃燒效果好。但是流化 床燃燒需要顆粒大小較均勻的燃料，同時也要求燃料給料均勻，故一般難以焚燒大塊垃圾，因此流化床式焚燒系統對垃圾的預處理要求嚴格，由此限制了其在工業廢棄物和城市垃圾焚燒領域的發展；
（3）旋轉筒式焚燒爐，其特點是將垃圾在筒內連續、緩慢翻滾，直到燃燼，故能夠實現垃圾與空氣的良好接觸和均勻充分的燃燒。垃圾由滾筒一端送入，熱煙氣對其進行干燥，在達到著火溫度后燃燒，隨著筒體滾動，垃圾得到翻滾并下滑，一直到筒體出口排出灰渣。歐美國家多將該類焚燒爐用于有毒、有害工業垃圾的處理。
(4) 熱解法,熱解法是在隔絕空氣的條件下，垃圾在熱解裝置中受熱而使有機質分解，轉化成燃氣。燃氣進入余熱鍋爐換熱后，過熱蒸氣進入汽輪發電機發電。
此種方法是近10～20年研制出來的，是這三種焚燒法中最新焚燒理論。由于此種爐型結構簡單，無運動件，設備技術投資比較前二種便宜約50%，很有發展前途。它的產品以美國和加拿大公司為代表。
六.城市垃圾焚燒處理的流程：
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1.垃圾流程
將收集的垃圾計量后，先存放在垃圾池內，再用吊車抓起投入各爐內料斗。投入料斗的垃圾，經過溜槽，到達給料機，再推入焚燒爐內。
2.空氣流程
燃燒用的一、二次風，在垃圾池上部由鼓風機抽入，經空氣預熱器加熱后，被送進焚燒爐。
3.煙氣流程
高溫燃燒產生煙氣，經鍋爐吸熱后進入中和反應塔降溫，同時煙氣中的HCI、SO2等酸性氣體被去除。隨后，煙氣在布袋除塵器內進一步反應，去除有害物質并濾去煙塵。
4.灰渣流程
由爐排落入的灰渣，在出渣機的水槽中熄滅。灰渣由出渣機經輸送帶送至渣坑，再裝運出場作綜合利用或填埋。
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垃圾焚燒爐
七.垃圾焚燒系統中二惡英類形成機理及影響因素
城市生活垃圾焚燒處理已有一定的歷史，在經濟發達國家獲得廣泛應用。在日本、瑞士、丹麥以及荷蘭有50％～80％的垃圾進行焚燒處理。但是自1977年首次在垃圾焚燒爐的排氣和飛灰中發現二惡英類后，焚燒排放的二惡英類污染越來越受到人們的重視。國外特別是工業化國家已經對垃圾焚燒處理設施的二惡英類排放和控制進行了較為系統地研究，不少國家已經制定了相關法律或標準。1999年發生的比利時二惡英類污染雞事件，使得國內有關部門開始關注環境二惡英類的排放和污染問題，在2000年頒布的《生活垃圾焚燒污染控制標準》中規定了二惡英類的排放標準。但是到目前為止，還沒建立詳細的控制技術標準。本文將針對焚燒系統中二惡英類形成的機理及影響因素，做系統的研究，以實現針對我國垃圾的特性，進行形成機理和影響因素的研究。
l 形成機理
雖然垃圾焚燒過程中二惡英類的形成機理相當復雜，到目前為止尚未完全了解二惡英類在垃圾焚燒過程中形成的詳細化學反應，但學術界比較認同二惡類是在焚燒爐低溫區域煙氣和飛灰的環境中，通過一些多相反應產生的說法。普遍認為垃圾焚燒時排放的二惡英類來源于三條途徑：原始存在、從頭合成和前體物形成。
1.1 原始存在
垃圾中存在二惡英類。它們或者在燃燒過程中未經歷任何變化，或者經過了不完全的分解破壞后，繼續在固體殘渣和煙氣中存在。
1.2 從頭合成
二惡英類的從頭合成過程是在低溫(250～3500C)條件下大分子碳(殘碳)與氧、氯、氫，通過基元反應，在催化作用下形成二惡英類。可以粗分為四步：
1.2.1 首先，在大分子的碳結構邊緣，以并排的方式進行氯化反應，產生鄰位氯取代基的碳結構物；
1.2.2 氧化破壞碳結構，進行重組生成二惡英類；
1.2.3 氧經反應產生氫氧自由基，氯氣經如下Deacon反應產生；
2HCL+1/2O1 → H20+Cl2
1.2.4 在碳表面進行氧化降解作用(銅離子為主要催化劑)，產生芳香烴氯化物(二惡英類的中間產物)。氯在反應中擔當配合體的傳遞作用，銅離子為中心原子，經氯還原，再經氧氣氧化。
1.3 前體物形成
二惡英類的前體物形成是從前體物分子(氯酚、氯苯或者氯代聯苯等)形成。前體物主要是焚燒過程中不完全燃燒的產物，在高溫(大于4000C，最有效的范圍是7500C)區域產生。后來在低溫區域進一步反應形成二惡英類。這個過程在國外許多實驗室已經被廣泛的研究，許多作者甚至提出這是二惡英類在焚燒系統中形成的主要路線。前體物形成的路徑通常可粗分為四步：
1.3.1 生成灰、不完全燃燒產物、CO、揮發份和有機基團；
1.3.2 通過吸附二惡英類前體物、過渡金屬及其鹽和氧化物生成表面活性化合物；
1.3.3 發生多種復雜的有機反應生成二惡英類；
1.3.4 從吸附表面部分解吸出二惡英類。
總之，有研究認為從頭合成和前體物形成，哪一種路徑相對重要取決于運行條件，特別是焚燒氣體的溫度。在更高的運行溫度條件下，前體物形成的反應將比從頭合成占主導地位。另外一方面，在低溫下，從頭合成反應變得比前體物形成更快。
2 影響參數
影響參數主要包括反應物、反應表面、催化劑、溫度、煙氣環境、氯源、水分等。
2.1 反應物
反應物主要分為兩大類：針對從頭合成反應的大分子有機碳結構和針對前體物形成反應的小的有機分子。有機碳的分子結構中含有各種芳香族鏈環，這種有序排列中含有許多氧原子，為形成二惡英類提供了條件。并且通過氯化、氧化分解及重新排列，形成不同類型的二惡英類。前體物合成過程則主要是由不完全燃燒產物作為起始，在飛灰催化作用下經過一系列復雜化學反應生成二惡英類。
Dickson等利用13C標記的五氯酚為前體物，進行前體物的異相催化反應；另外使用活性焦炭、空氣和氯化銅進行從頭合成反應，以區別二惡英類的兩種生成機制。實驗結果并無13C與12C混合的二惡英類，證實兩種機制有不同的反應途徑。另外，比較以13C標記的五氯酚為前體物的異相催化反應和以活性焦炭的從頭合成反應的反應速率，前者反應快51O～46000倍，亦即反應的活化能較低。Altwicker等也證實多氯酚(主要為四氯酚，2，3，4，6一T4CP)會與從頭合成反應競爭；即在高氣體濃度(38～370ng／ml)，經氯酚的反應途徑為從頭合成途徑的100倍，而在較短的反應時間(<5min)，二惡英類不經由氯酚的反應途徑產生。
2.2 反應表面
無論是從頭合成反應或是前驅物的異相催化反應，飛灰是生成二惡英類主要的反應表面，但是飛灰表面的物化性質、結構復雜且多樣化，故有多位學者利用合成的飛灰表面模型，仿真飛灰表面的物化性質與結構，提供反應物生成二惡英類的表面，以期能更有效的控制實驗，進行二惡英類生成因子的探討。
研究涉及的表面材料有：Al2O3、Al2O3+Si02、碳、耐火磚、玻璃纖維、SiO2、SiO2+NaOH等。曾有學者利用不同的的載體，比較二惡英類氯化作用的比反應速率，發現如果載體中不加入觸媒，則二惡英類氯化作用的反應速率較飛灰表面慢，也即飛灰表面可能含有催化二惡英類氯化作用的物質。
2.3 催化劑
煙氣中飛灰在二惡英類形成過程中起著非常重要的作用，它不僅提供了反應場所和沒有完全燃盡的碳，同時含有各種金屬元素，提供了形成二惡英類的催化劑。
文獻中利用不同的催化劑和反應物，例如：氯化銅、氯化鐵／碳(催化劑／反應物)；氯化亞鐵／氧化銅／硫酸銅／酚；氧化鎳／硝酸鋅／氯酚；氯化鐵／苯；飛灰／五氯酚；氧化鋁／OCDDs、OCDFs；SiO2+NaOH／OCDDs、OCDFs，探討不同催化劑的種類和濃度對二惡英類生成的影響。Naikwadi等以五氯酚為前驅物，在3000C時，當飛灰中含2%的鐵、二氧化錳、鋅、銅(飛灰中最常發現的物質)，生成的二惡英類較多，亦即飛灰上的金屬、金屬氧化物或金屬氯化物(例如：氯化銅)，會促進二惡英類生成。另外在飛灰(含金屬、金屬氯化物或金屬氧化物)表面鍍上2%有機和無機的抑制劑，在3000C進行反應，二惡英類的生成量減少86％ ，綜合以上，可以歸納出金屬、金屬氯化物或金屬氧化物會催化二惡英類生成。
2.4 溫度
溫度是影響二惡英類生成的重要因子，在同一溫度，二惡英類的生成與分解是同時進行，而二惡英類凈生成速率最大時的溫度稱為二惡英類最佳生成溫度。國外的研究表明，二惡英類的最佳生成溫度多在300～4000C，但當大于5000C時，仍有二惡英類的生成；因此，二惡英類的生成反應，不僅只限于熱回收設備和空氣污染防治設備，也可能在二燃室后面或是煙道壁附著的飛灰上發生。
另外二惡英類從飛灰上脫附的溫度介于2800C～4500C時。因此，在焚燒爐空氣污染控制的操作上，操作溫度低于此溫度范圍，才能從飛灰去除過程中，順便除去最多的二惡英類，減少從煙囪排出的量。
2.5 煙氣環境
反應煙氣環境討論主要涉及的便是煙氣中氧的含量，同時煙氣中氧含量是一個波動數據。氧在從頭合成反應中扮演重要的角色，缺少氧氣碳將無法形成二惡英類。Schwarz推論大分子結構的碳，由表面鍵結合的金屬氯化合物的氯化作用，而形成碳的氯化合物，后經氧氣將其鍵切斷而形成小有機化合物，再進行重組后生成二惡英類；當進流氣體氧含量增加時，將促進氯化作用，而傾向于形成高能鍵結合氯的二惡英類。
Addink和olie由實驗獲知，當進流氣體含氧量由1％增加至1O％，PCDDs的產量增為5.5至15.3倍，PCDFs的產量增為2.0至4.0倍，PCDDs與PCDFs的比值由0.03增加至0.08—0.14，亦即PCDDs的增加量比PCDFs大，推測其原因可能是，PCDDs結構具有兩個氧原子，而PCDFs只有一個，故氧對PCDDs生成的影響較大。
相關文獻指出，氧氣在前體物的異相催化反應，并不是必要的，當反應氣體不含氧氣時，仍會有二惡英類生成，也就是說，有些氣態前驅物(氧復合物)可提供氧的來源。在2500C時，以酚為前驅物，隨著進流氣體中氧含量的增加，二氯酚和三氯酚的產量會明顯增加，但是，在二惡英類衍生物的生成并沒有此趨勢。
2.6 氯化源
無論是氣態還是固態的氯化源都可在形成PCDD和PCDF過程中提供必要的氯原子。其中CaCl2、CuCl2、FeCl3在反應中，既是氯化源，又充當催化劑的角色。Vogg和Metzger在相同反應時間(2h)，反應溫度(3000C)，通入合成氣體(HCl1000mg／Nm3、SO2300mg／Nm3、11%O2、H2O150g／Nm3)，與對照組比較(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和二惡英類的相互關系在一個長時間里是一個有爭議的問題。城市生活垃圾中PVC的出現大大的增加廢物中氯的含量，被懷疑是城市生活垃圾焚燒爐高的二惡英類排放的一個理由。國外在實驗室和實際焚燒廠中作了大量的研究，人工調整燃料中PVC的濃度，觀察二惡英類排放水平的變化，研究煙道氣中HCl的濃度和二惡英類排放水平的相互關系。大約研究的一半發現在PVC和二惡英類之間有一個肯定的關系，另外一半發現沒有關系。在這個問題上，目前的看法趨向于PVC在城市生活垃圾中的出現在正常的數量重量比1%對于二惡英類的排放沒有重要的影響。因為無機氯源在廢物中的出現，所以從城市生活垃圾中分離PVC不太可能減少焚燒爐中二惡英類的排放。
2.7 水分
焚燒過程中，水份的存在會影響二惡英類的生成量和衍生物的分布。原因如下：
2.7.1 提供反應中氫的來源：過多的氫原子，使氯化反應傾向于形成低氯二惡英類。其添加重水到反應中而產生含氘的二惡英類，推斷出水將提供二惡英類生成反應的氫源。
2.7.2 提供反應中氧的來源。
2.7.3 提供反應中氫氧自由基的來源：自由基在反應中可能扮演決定性的角色。
2.7.4 與反應物競爭反應表面上的活化位置：當擔體表面含有鋁、硅等金屬氧化物時，其化學性質似極性(親水性)的吸附劑，亦即水會與有機物競爭反應表面上的活化位置。
2.7.5 水會改變Deacon反應的平衡，造成氯氣濃度的改變。
3 結論和建議
根據現有的二惡英類形成機理和影響因素研究，焚燒過程中二惡英類的合成，不論是從頭合成或前體物合成，有某些共同的特征如均需有氧。從頭合成過程是由殘炭氧化開始，前體物合成過程是由不完全燃燒產物作為起始，在飛灰催化作用下經過一系列復雜化學反應生成二惡英類，其中兩者相同的反應有氯化過程和聯芳基合成(Ullmann反應)。所以二惡英類的生成主要是垃圾中存在氯源和不完全燃燒造成的。生成二惡英類的前提可概括為：① 存在有機或無機氯；② 存在氧；③ 存在過渡金屬陽離子作為催化劑，特別是銅在垃圾焚燒飛灰催化反應中起決定作用。利用這些研究成果，我們可以初步對垃圾焚燒系統的二惡英類形成和排放加以控制。
但由于垃圾焚燒是一個非常復雜的過程，二惡英類形成機理和影響因素尚需要做進一步的研究和驗證。應該針對我國垃圾及其焚燒處理的特點，對二惡英類的形成、影響因素以及污染控制進行深入的研究和探討，以便找到適合我國國情的二惡英類控制對策。
八.焚燒技術發展的前景：
“九五”環境目標中有“到2010年基本改變生態環境惡化的情況，城鄉環境質量有比較明顯的改善，建成一批經濟快速發展、環境清潔優美生態良性循環的城市和地區”。垃圾處理是我國實現可持續發展道路的重要組成部分，全國各大城市及沿海城市經濟發達的地區都在積極采取垃圾焚燒的處理方式。
我國"十五"期間，國家將全面貫徹經濟可持續發展的戰略，更加注重經濟、環境、資源的協調發展，加大環境保護和污染治理的力度。在加強城市垃圾污染治理方面積極引進、消化、吸收國外的先進適用技術和科學管理經驗，提高城市生活垃圾污染治理的管理水平，努力推進垃圾污染從末端治理向從源頭抓起的全過程治理轉變。
我國已制定了一系列環保法規、標準、規范和配套的技術政策；但是國家還需給予優惠的產業政策，大力扶持我國的新興垃圾處理產業。垃圾處理產業應積極開拓多種融資渠道，解決資金短缺問題；運用現代先進的、多元化的經營方式與經營手段，提高自身生存能力和盈利能力，在創造社會效益、環境效益的同時產生巨大的經濟效益，縮短投資回報周期、提高投資回報率。使垃圾處理產業向健康的可持續的方向發展。
九.垃圾焚燒發電供熱
1．垃圾焚燒發電供熱的工藝流程
參照國內外垃圾電廠運行的實際情況，垃圾焚燒發電供熱的工藝流程如下。
1.1垃圾發電供熱流程框圖 |
1.2垃圾發電供熱流程簡介
城市需要處理的垃圾由運輸車運至電站，經地磅稱重后，開到投料門，卸到垃圾坑。垃圾坑容積較大，可堆放3天以上的焚燒量，垃圾在坑內發酵，脫水后，由垃圾吊車將垃圾送入送料器，并進入爐排，在焚燒爐本體內燃燒。在開始點爐時，需投助燃裝置噴油助燃，一旦起動完畢，送風機經過蒸汽式空氣預熱器送入爐排下部成為熱風，即可使垃圾充分燃燒，助燃裝置隨即停用。送風機的入口與垃圾坑連通。這樣可將垃圾的異味送入燃燒溫度約800～900℃的焚燒爐內進行熱分解，變為無臭氣體。燃燒完的灰渣落入出灰裝置，由輸灰機送到灰坑。在輸灰機上部配有調濕機，使分離出來的灰渣在廠內自動加入適量的水份，使之成為濕灰運出，不致向四周飛揚。燃燒的火焰及高溫煙氣，經過單爐膛雙汽包自然循環鍋爐，從而產生過熱蒸汽，并為汽輪發電機組提供汽源。煙氣經過鍋爐后再通過脫硝裝置、脫鹽裝置、機械式集塵器及電氣除塵器后，由引風機將煙氣送入煙囪排向大氣。此時排入大氣的含塵量可控制在0.1g/Nm3以下。鍋爐、汽輪發電機組正常運行時，由中央控制室進行集中控制與監視。工廠排水在進入公共下水道之前，還可設置排水處理裝置進行預處理。運載垃圾的汽車一般還需有自動洗車裝置，將汽車沖洗干凈之后再出廠。汽輪機的排汽進入冷凝器，通過凝結水泵打入除氧器，再通過給水泵打入鍋爐。冷凝器還需要大量冷卻水通過循環水泵送入，這樣汽輪機的排汽通過冷凝器就凝結成水，同時形成真空，其它一般常規系統這里就不再贅述了。
2．某城市垃圾產出量及性能參數
根據環衛局提供的資料，某城市日產垃圾1500噸，其中生活垃圾800～900噸，生產垃圾成分組成如下表2-1。
表2-1生活垃圾成分表
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經實驗測定，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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某城市垃圾熱值在4605～5440kJ/kg之間，根據聯合國環境組織（UNEP）的規定，當垃圾的低位發熱量為3350～7100kJ/kg時，適合焚燒處理；水份40％～50%，經短時間擱置脫水可以直接入爐焚燒。
3．某城市垃圾焚燒發電供熱工藝流程
3.1流程選擇
根據某城市垃圾成分及目前國內垃圾發電的狀況、技術設備的成熟性，擬選用垃圾直接入爐燃燒的形式，其整體工藝流程前面已有敘述，此種流程在國內已有成功的運行經驗，是適合我國國情的。
3.2主要設備選擇
根據某城市日產垃圾量、成分，該工程宜選擇“五爐二機”形式，正常運行方式為四爐運行，一爐備用，也可五臺爐同時運行，考慮到將來垃圾可燃成分熱值的提高，鍋爐、汽輪機、發電機都應留有一定余量；鍋爐選用日處理量200t的焚燒爐，汽輪發電機的容量為二臺3MW抽凝機組。垃圾電廠日處理垃圾量可基本維持在800～900t。
3.2.1鍋爐及其規范
選用日處理生活垃圾量200t的鍋爐5臺，過熱蒸汽出口壓力為2.57MPa，過熱蒸汽出口溫度370℃，額定蒸發量為10.5t/h，給水溫度121℃，冷空氣溫度22℃，前置蒸汽空氣加熱器出口溫度149℃，管式空氣預熱器進/出口溫度149/312℃，鍋爐效率67%。
3.2.2汽輪機組及其參數
選用型號為C3-24/5汽輪機2臺，汽機進汽量25.8t/h，進口蒸汽壓力2.50MPa，進口蒸汽溫度360℃，額定功率3000kW，抽汽壓力0.294MPa，額定抽汽量12t/h，最大抽汽量15t/h，排汽壓力0.01MPa，發電機額定功率3000kW，出口電壓6000kV，功率因數0.8。
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