垃圾焚烧技术概述

垃圾焚烧技术概述

摘要：本文主要对垃圾焚烧技术的发展、焚烧过程的特点及垃圾焚烧技术在我国的应用发展进行了概述。并对垃圾焚烧发电技术的现状和前景作出了简单分析。

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前言

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。二十世纪九十年代中期在西班牙发生的垃圾堆山体松动、滑移并严重污染海滨的严重事件，便是对人类发出的一次警告。可以说，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，是广大环保工作者和环保行业面临的一个亟待解决的问题。

垃圾焚烧是目前固体废弃物处理的有效途径之一，其目的在于垃圾的无害化处理和利用[1]。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。因此对我国的环保工作者和生产企业来说，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[2]。

1 垃圾焚烧技术简介

1.1 焚烧技术的出现及最初目的

垃圾焚烧处理方法最早是在1901年由美国人[3]提出的。当初，主要任务是使垃圾减容，由于当时垃圾燃烧的烟尘无法控制，一直未能得到广泛利用。到20世纪60年代，随着烟气处理技术的进步，这种焚烧处理垃圾方法在欧洲得到了普及和发展。当时应用垃圾焚烧技术和设备的主要目的是[4]：

（1）在高温下进行垃圾的无害化处理，灭除细菌以及病原体；

（2）产生可加以利用的灰渣；

（3）避免由于燃烧而产生的烟尘和气味；

（4）将垃圾中含有的能量转换3为蒸汽、电能或者热水加以利用；

（5）以尽可能低的成本进行垃圾的焚烧处理，而且设备操作和工作条件合理；

（6）焚烧所有无法利用的可燃废弃物。

而现代的垃圾焚烧是一种高温热处理技术，是通过高温燃烧将垃圾中的可燃成分与空气中氧进行氧化燃烧反应，从而将可燃垃圾转变为惰性残渣的过程。

1.2 焚烧的对象

人类在生产建设、日常生活以及其他活动中，会产生在一定时间和地点无法利用而被丢弃的污染环境的固态、液态和气态废弃物，其中的固体废弃物被称为垃圾或城市垃圾。垃圾的分类方法有多种，按其组成不同可分为有机废物和无机废物；按其污染特性不同可分为危险废物和一般废物等。垃圾按其来源不同分为三类，分别为城市生活垃圾、工业固体垃圾、危险垃圾。这些垃圾，特别是城市生活垃圾具有以下特点[5]：

（1）垃圾产量增长速度快。随着生产的发展和生活水平的提高，商品消费量迅速增加，城市垃圾的产生与排出量也随之迅速增长。

（2）垃圾利用经济价值低。从总体情况看，我国城市垃圾中无机成分多于有机成分（约为2.5：1）；不可燃成分多于可燃成分（约为20：1）；不可堆肥成分多于可堆肥成分（约为4：1）。当然，城市垃圾组成受到多种因素的影响，其垃圾利用经济价值也随着国家、城市、地区的不同而有所不同。一般来说工业发达国家和地区城市垃圾中有机物多，无机物较少；不发达国家或地区城市垃圾中无机物多，而有机物较少。

（3）垃圾成分变化较快。城市垃圾本来就成分复杂，由于地区间生活水平和燃料结构等方面的差异，造成城市垃圾成分和产量更加多种多样、不均匀，而且变化幅度也很大。

（4）垃圾产量和成分随季节变化波动较大。由于城市居民生活习惯、食物结构以及瓜果、蔬菜、水产品等季节性上市的特点，造成垃圾产量和成分随季节有明显的变化。

1.3 垃圾焚烧条件

垃圾焚烧必须具有一定条件：垃圾要具有一定的发热值，当垃圾中低位发热值≤3350kJ/kg（800kcal/kg）时，焚烧需助燃，掺煤或烧油助燃。

一般认为，垃圾低位发热值>5000kJ/kg （1200kcal/kg）燃烧效果较好。一般城市生活垃圾低位发热值在3350～8374kJ/kg （800-2000kcal/kg）范围。垃圾中含水量≤50％；垃圾具有非均质性和多变性。各地区、各季节垃圾变化是很大的，这给垃圾焚烧带来一定困难。

1.4 垃圾焚烧过程及其特性

从工程[6]技术的观点看，物料从送入焚烧炉起，到形成烟气和固态残渣的整个过程，总称为焚烧过程。它包括了三个阶段：第一阶段是物料的加热干燥阶段；第二阶段是焚烧过程的主阶段——真正的燃烧过程；第三阶段是燃尽阶段，即可燃质最后燃尽生成固态残渣的阶段。这里，仅就采用最多的层燃烧方式进行讨论。

（1）干燥阶段

对机械送料的运动炉排而言，从物料进入炉内起到物料开始析出挥发着火这一段，可认为是干燥阶段。分选后的垃圾组分，有机物含量较高。中国现时垃圾中的有机物，绝大部分是高水分的植物类物质。加之垃圾这类物质的形态，表面积和孔隙率均相当大，更有利于蓄集外部水分，因此，实际入炉的垃圾水分，经常大于50%，这样，整个焚烧过程的干燥任务就非常重。送入炉的物料，受到炉内高温烟气的辐射、对流传热、已燃烧垃圾的直接接触传热，物料温度逐渐增高。相对于物料表面温度的水蒸气饱和蒸气压也开始增高。当高于外界介质的水蒸气压力时，物料层的水分以蒸汽的形式向外扩散。如果这时加强引风，将这部分扩散出的水蒸气及时引走，则干燥过程将加快，否则这部分水分将妨碍物料表面的水分析出，或者这部分水蒸气又重新凝结在其他较冷物料的表面上，造成干燥过程减缓。因此，在干燥过程中物料的翻动和加强引风是至关重要的。

（2）焚烧阶段

物料基本完成了干燥过程后如果炉内温度足够高，且又有足够的氧化剂，物料就会很顺利地进入真正的焚烧阶段。焚烧阶段不是一个机械的顺序过程，也不是一个简单的氧化反应。在此阶段中，一般包括了三个同时存在的化学反应模式，即：强氧化反应，弱热解和弱的元素基团跃迁。

（3）燃尽阶段

当物料在主焚烧阶段进行强烈的发热发光氧化后，参与反应的物质浓度自然就减少了，反应生成惰性物——气态的CO2、H2O和固态灰渣增加。由于灰层的行成和惰性气体的比例增加、氧化剂穿透灰层进入物料深部与可燃物进行反应也俞困难。整个反应减弱。温度较之焚烧段下降，这就是燃尽阶段的到来，直到整个剩余可燃质烧尽。

1.5 主流的垃圾焚烧技术

国内外垃圾焚烧技术主要有三大类[7]：层状燃烧技术、流化床燃烧技术和旋转燃烧技术（也称回转窑式）。

（1）层状燃烧技术

层状燃烧技术发展较为成熟，一些国家都采用这种燃烧技术。为使垃圾燃烧过程稳定，层状燃烧关键是炉排。垃圾在炉排上通过三个区：预热干燥区、主燃区和燃烬区。垃圾在炉排上着火，热量不仅来自上方的辐射和烟气的对流，还来自垃圾层内部。在炉排上已着火的垃圾在炉排的特殊作用下，使垃圾层强烈地翻动和搅动，不断地推动下落，引起垃圾底部也开始着火，连续的翻转和搅动，使垃圾层松动，透气性加强，有助于垃圾的着火和燃烧。炉拱形状设计要考虑烟气流场有利于热烟气对新入垃圾的热辐射预热干燥和燃烬区垃圾的燃烬。配风设计要确保空气在炉排上垃圾层分布最佳，并合理使用一、二次风。

（2）流化床燃烧技术

流化床燃烧技术已发展成熟，由于其热强度高，更适宜燃烧发热值低、含水分高的燃料。同时，由于其炉内蓄热量大，在燃烧垃圾时基本上可以不用助燃。为了保证入炉垃圾的充分流化，对入炉垃圾的尺寸要求较为严格，要求垃圾进行一系列筛选及粉碎等处理，使其尺寸、状况均一化。一般破碎到15cm，然后送入流化床内燃烧，床层物料为石英砂，布风板通常设计成倒锥体结构，风帽为L 型。床内燃烧温度控制在800-900℃，冷态气流断面流速为2m／s，热态为3～