城市垃圾焚燒及其余熱利用
隨著城市的發(fā)展和人民生活水平的提高，城市垃圾的產(chǎn)生量大幅度增加，我國(guó)城市垃圾年產(chǎn)生量已達(dá)1.5億t，并每年以8％～10％速度遞增。在我國(guó)得到廣泛應(yīng)用的城市垃圾處理、處置技術(shù)主要有衛(wèi)生填埋、焚燒和堆肥，其中最主要的是衛(wèi)生填埋技術(shù)，但隨著城市規(guī)模的擴(kuò)大、城市人口的增加，我國(guó)土地資源日益緊張，很多城市很難找到適宜的填埋場(chǎng)地，采用垃圾焚燒處理方式的比例越來(lái)越高。垃圾焚燒既可以達(dá)到無(wú)害化的目的，同時(shí)又能獲得能源，如果垃圾發(fā)熱量城市垃圾焚燒及其余熱利用按5000 kJ/kg來(lái)計(jì)算，1.5億t的垃圾可折合標(biāo)煤約2559億t。
1 焚燒技術(shù)的特點(diǎn)
焚燒是一種將城市垃圾進(jìn)行高溫?zé)峄瘜W(xué)處理的技術(shù)，也是將城市垃圾實(shí)施熱能利用的一種形式。垃圾在800～1000℃下，垃圾中的可燃組分與空氣中的氧進(jìn)行激烈的化學(xué)反應(yīng)，釋放出熱量并轉(zhuǎn)化為高溫燃燒氣和少量性質(zhì)穩(wěn)定的固體殘?jiān)。垃圾焚燒處理與其他城市垃圾處理方法相比具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：
1.1 消毒徹底、穩(wěn)定化程度高、衛(wèi)生條件好。城市垃圾經(jīng)高溫焚燒處理后，垃圾中的細(xì)菌、病毒等病原體被徹底消滅；惡臭氨氣和有機(jī)質(zhì)被高溫分解；處理后的殘?jiān)芍苯犹盥裉幹谩?/p>
1.2 減容效果好。城市垃圾經(jīng)焚燒處理后一般可減容80％～90％，可大大節(jié)省最終處置用地。
1.3 處理效率高，受外界環(huán)境影響小，可實(shí)現(xiàn)全天候操作。如深圳市環(huán)衛(wèi)綜合處理廠——我國(guó)第一座燃垃圾電站，有3臺(tái)13 t/h的雙鍋筒自然循環(huán)式鍋爐，每臺(tái)處理量為6.25 t/h，若平均年運(yùn)行時(shí)間按6000 h計(jì)，則每年處理垃圾約11萬(wàn)t。
1.4 經(jīng)濟(jì)合算，占地面積少，發(fā)展前景好。隨著衛(wèi)生填埋費(fèi)用的增加，焚燒處理的費(fèi)用可望與衛(wèi)生填埋持平；垃圾焚燒可以回收熱能和垃圾中的有價(jià)金屬，資源化程度高；占地面積小，可在市區(qū)建設(shè)，大大節(jié)省垃圾運(yùn)輸費(fèi)用。
2 城市垃圾焚燒發(fā)熱量的計(jì)算
城市垃圾采用焚燒技術(shù)進(jìn)行處理的可行性取決于城市垃圾的發(fā)熱量，要使垃圾維持燃燒，就要求城市垃圾燃燒釋放出來(lái)的熱量滿足入爐的城市垃圾達(dá)到燃燒溫度所需要的熱量和發(fā)生燃燒反應(yīng)所必需的活化能，否則，就需要添加輔助燃料才能維持燃燒。發(fā)熱量有兩種表示法，高位發(fā)熱量和低位發(fā)熱量，高位發(fā)熱量是指廢物在一定溫度下反應(yīng)達(dá)到最終產(chǎn)物的焓的變化，低位發(fā)熱量同高位發(fā)熱量含義相同，只不過(guò)低位發(fā)熱量的最終產(chǎn)物中水以氣態(tài)形式存在，而高位發(fā)熱量最終產(chǎn)物中水以液態(tài)形式存在，高位發(fā)熱量和低位發(fā)熱量之間的差值即為水的氣化潛熱，低位發(fā)熱量和高位發(fā)熱量關(guān)系如下：
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式中Qα低位發(fā)熱量；Qg高位發(fā)熱量；ω(H)垃圾中氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，％；W垃圾含水率，％。
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，城市垃圾的低位發(fā)熱量大于4180 kJ/kg時(shí)，燃燒過(guò)程無(wú)需添加輔助燃料，可實(shí)現(xiàn)自燃燒。
城市垃圾發(fā)熱量計(jì)算最常用的方法就是先測(cè)定出城市垃圾中各組成成份的比例，再通過(guò)測(cè)定各組成物質(zhì)的發(fā)熱量，按比例求和法算出城市垃圾的發(fā)熱量。
如果知道城市垃圾的組成物質(zhì)及其組成物質(zhì)的構(gòu)成比例，則城市垃圾的低位發(fā)熱量可近似算出，首先通過(guò)Dulong方程式算出各組成的低位發(fā)熱量如：
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其中，ω(c)、ω(H)、ω(o)、ω(cl)和ω(s)分別代表碳、氫、氧、氯和硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。
再根據(jù)城市垃圾各組成的比例計(jì)算出城市垃圾的低位發(fā)熱量：
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城市垃圾組成不同，其發(fā)熱量不同。全由廢塑料構(gòu)成的城市垃圾低位發(fā)熱量可達(dá)32527 kJ/kg，全由廢木料構(gòu)成的城市垃圾低位發(fā)熱量可達(dá)18610 kJ/kg，但由碎玻璃構(gòu)成的城市垃圾低位發(fā)熱量可能只有140 kJ/kg。人們的生活水平以及城市產(chǎn)業(yè)構(gòu)成不同，致使城市垃圾發(fā)熱量不同。比如1997年常州城市垃圾的發(fā)熱量為3007 kJ/kg，而同期杭州為4452 kJ/kg，廣州為4412 kJ/kg，美國(guó)、德國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家的城市垃圾發(fā)熱量大多高于6000 kJ/kg。隨著工業(yè)的發(fā)展和人民生活水平的提高，我國(guó)城市垃圾成分也發(fā)生了很大的變化，一方面，因?yàn)槟茉粗饾u以煤制氣、液化石油氣和電能為主，城市垃圾成分中爐灰大量減少；另一方面，城市垃圾中包裝和輕工業(yè)生產(chǎn)所廢棄的紙、布、竹、木、塑料、橡膠等大量增多，使得我國(guó)垃圾發(fā)熱量提高，采用垃圾焚燒技術(shù)解決我國(guó)城市垃圾環(huán)境和資源問(wèn)題變得切實(shí)可行。
3 焚燒設(shè)備
目前世界上焚燒爐型號(hào)已達(dá)200多種，這些焚燒技術(shù)或設(shè)備各有特色，按垃圾焚燒方式可分為：
3.1 爐排式焚燒爐爐排式焚燒爐在焚燒過(guò)程中利用爐排運(yùn)送固體廢物和爐渣，同時(shí)不斷攪動(dòng)固體廢物并使?fàn)t排下方的空氣穿過(guò)固體燃燒層，使燃燒反應(yīng)充分進(jìn)行。爐排式焚燒爐應(yīng)用時(shí)間長(zhǎng)，技術(shù)成熟；處理能力可達(dá)1200 t/d，是最大處理能力的焚燒爐型；設(shè)備簡(jiǎn)單、維修方便、燃燒管理容易、運(yùn)行費(fèi)用低，但爐排型焚燒爐燃燒溫度較低，易產(chǎn)生二惡英，爐渣需經(jīng)無(wú)害化處理后才能被利用。爐排式焚燒爐根據(jù)活動(dòng)爐排的種類又可分為并列搖動(dòng)式爐排爐、臺(tái)階往復(fù)式爐排爐、逆動(dòng)式爐排爐、臺(tái)階式爐排爐、履帶式爐排爐和滾筒式爐排爐。
3.2 流化床焚燒爐流化床焚燒爐在爐內(nèi)鋪設(shè)一定厚度、一定粒度范圍的石英砂或爐渣，通過(guò)底部布風(fēng)板鼓入一定壓力的空氣，將砂粒吹起、翻騰、浮動(dòng)，使燃燒發(fā)生在高密度、充滿固體的環(huán)境中，流化床內(nèi)氣——固混合強(qiáng)烈，傳質(zhì)速率高，單位面積處理能力大，具有極好的著火條件。采用石英砂作為熱載體，蓄熱量太，燃燒穩(wěn)定性較好，燃燒反應(yīng)溫度均勻，很少局部過(guò)熱。可通過(guò)加入小顆粒的堿性物質(zhì)，與燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的酸性氣體反應(yīng)，達(dá)到減少酸性氣體排放的目的。但流化床焚燒爐要求顆粒均勻的燃燒廢物，且要求均勻的廢物給料率；處理能力及減容比在焚燒爐系統(tǒng)中最小，分別為150t/d和33:1；設(shè)備復(fù)雜、維修困難、燃燒管理困難、運(yùn)行費(fèi)用高；較易產(chǎn)生二惡英，煙氣中含大量灰塵，處理困難；焚燒爐渣需經(jīng)無(wú)害化處理才能被利用。
3.3 回轉(zhuǎn)窯式焚燒爐回轉(zhuǎn)窯式焚燒爐在圓柱形金屬殼外砌筑耐火磚，水平安放稍有傾斜，通過(guò)爐體整體轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)到固體均勻混合并沿傾斜角度向出料端移動(dòng)；剞D(zhuǎn)窯式焚燒爐由窯頭、窯尾及窯體組成，窯體內(nèi)可安裝揚(yáng)料板。回轉(zhuǎn)窯式焚燒爐的特殊結(jié)構(gòu)可使廢棄物在燃燒過(guò)程中充分接觸，燃燒速度快，燃燒充分；可以焚燒多種類型的垃圾，可以處理體積較大的廢物，對(duì)于危險(xiǎn)廢物，特別是混合垃圾（液態(tài)、固態(tài)混合），經(jīng)常采用這種形式的焚燒爐；剞D(zhuǎn)式焚燒爐設(shè)備簡(jiǎn)單、操作容易、運(yùn)行費(fèi)用相對(duì)較低，但焚燒設(shè)備維修相對(duì)困難；產(chǎn)生的煙氣中含有一定量的二惡英，焚燒爐渣需經(jīng)無(wú)害化處理后才能被利用。
3.4 熔融氣化焚燒爐熔融氣化焚燒爐是近年才發(fā)展起來(lái)的一種焚燒爐型，在燃燒過(guò)程中能有效扼制二惡英類毒性物質(zhì)的生成，能夠有效回收垃圾中的有價(jià)金屬和綜合利用爐渣。熔融氣化焚燒爐在焚燒過(guò)程中先將生活垃圾進(jìn)行熱解產(chǎn)生可燃性氣體和固體殘?jiān)，然后進(jìn)行燃燒和熔融，或?qū)饣腿廴诤蠟橐惑w。熔融氣化焚燒爐主要是利用二惡英在高溫下大部分會(huì)分解的特性通過(guò)控制煙氣溫度來(lái)分解二惡英及其前體物，從而使總體產(chǎn)生的二惡英類物質(zhì)減少。由于熔融氣化焚燒爐的爐渣經(jīng)過(guò)高溫熔融，燃燼率高，爐渣已經(jīng)經(jīng)過(guò)消毒可直接回收利用。熔融氣化焚燒爐整個(gè)爐膛的氣氛為還原狀態(tài)，有價(jià)金屬在爐膛中不會(huì)受到氧化，在隨爐渣排出后易被分選而回收利用。熔融氣化焚燒爐運(yùn)行費(fèi)用高、維修相對(duì)困難，但減容比為各類焚燒爐中最高，可達(dá)70:1，資源回收利用高，二次污染小，是值得大力發(fā)展的焚燒爐型。
4 焚燒余熱的利用
4.1 余熱直接利用
將垃圾焚燒產(chǎn)生的煙氣余熱轉(zhuǎn)化為蒸汽、熱水和熱空氣是典型的熱能直接利用形式。通過(guò)布置在垃圾焚燒爐之后的余熱鍋爐或其他熱交換器，將煙氣熱量轉(zhuǎn)化成一定壓力和溫度的熱水、蒸汽以及一定溫度的助燃空氣，直接提供給外界。將經(jīng)預(yù)熱后的助燃空氣充人焚燒爐體，對(duì)于垃圾焚燒可以起到兩個(gè)方面的好處，一就是預(yù)熱后的助燃空氣可以改善在焚燒爐內(nèi)焚燒垃圾所需著火條件，促進(jìn)有效快速焚燒垃圾；二就是余熱后的助燃熱空氣可以把熱量帶人焚燒爐內(nèi)，提高焚燒爐體內(nèi)可有效利用的熱量。熱水，蒸汽不僅可以供給焚燒廠自身的生產(chǎn)需要，還可以作為工廠副產(chǎn)品對(duì)外供應(yīng)。
熱能直接利用方式受垃圾焚燒廠自身的生產(chǎn)需要和與副產(chǎn)品受納點(diǎn)距離等因素的限制，采用這種方式有效利用余熱的前提是焚燒廠建設(shè)規(guī)劃合理，否則余熱可能會(huì)因?yàn)闊o(wú)法實(shí)現(xiàn)良好的供求關(guān)系而白白浪費(fèi)。
4.2 余熱發(fā)電
為了克服余熱直接利用受建廠規(guī)劃的限制不能充分利用的缺點(diǎn)，將熱能轉(zhuǎn)化為電力是一種相對(duì)有效的方式。因?yàn)檗D(zhuǎn)化為電力后長(zhǎng)途運(yùn)輸受限較少，還可以整合小型分散的焚燒廠，實(shí)現(xiàn)規(guī)模效應(yīng)，當(dāng)然把余熱轉(zhuǎn)化為電力需要增加一定的固定資產(chǎn)，使得焚燒廠的固定投資增加，運(yùn)行費(fèi)用有所增加，但余熱轉(zhuǎn)化為電力后帶來(lái)穩(wěn)定的收益，具有比較明顯的經(jīng)濟(jì)效益。目前我國(guó)城市垃圾年清運(yùn)量已達(dá)到1.5億t，若焚燒處理率為15％，每噸垃圾發(fā)電量按250 kW·h計(jì)，則年焚燒發(fā)電量可達(dá)到56.71億kW·h，完全可以把垃圾作為一種新型能源加以開(kāi)發(fā)利用。深圳市環(huán)衛(wèi)綜合處理廠于1985年從日本引進(jìn)了2 臺(tái)三菱馬丁式垃圾焚燒爐，單臺(tái)日處理垃圾150 t，還裝有1臺(tái)500 kW發(fā)電機(jī)組及配套設(shè)備。二期工程于1996年7月投產(chǎn)增建1臺(tái)國(guó)產(chǎn)馬丁爐和1臺(tái)3000 kW發(fā)電機(jī)組。北京、上海、天津、重慶、廣州、長(zhǎng)沙、珠海等城市也都進(jìn)行了大量可行性研究。在建或擬建垃圾焚燒發(fā)電廠。在美國(guó)169座垃圾焚燒設(shè)施中，有 37座設(shè)施利用焚燒余熱進(jìn)行發(fā)電，發(fā)電總量高達(dá)200 MW。瑞士的48座垃圾焚燒廠，其中有30多座發(fā)電。日本東京有13座垃圾焚燒廠，1984年共發(fā)電3億kW·h，收入11億日元以上，同時(shí)還為生活小區(qū)提供蒸汽及居民福利設(shè)施的熱水。很多國(guó)家規(guī)定，在建設(shè)垃圾焚燒廠后，廠家有義務(wù)回收垃圾焚燒產(chǎn)生的能源，還有不少國(guó)家規(guī)定，電力公司有義務(wù)購(gòu)買垃圾焚燒廠全年的電力，這些法律條文的出臺(tái)，為垃圾焚燒發(fā)電事業(yè)提供了法律保障。高效垃圾發(fā)電技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，為垃圾焚燒發(fā)電提供了必要的條件，把垃圾焚燒當(dāng)作大型發(fā)電廠來(lái)建設(shè)，使過(guò)去單純的公益性垃圾處理設(shè)施轉(zhuǎn)變?yōu)橛吞幚碓O(shè)施。
目前我國(guó)采用垃圾焚燒發(fā)電還存在很多的問(wèn)題，主要表現(xiàn)為：
（1）垃圾發(fā)電要求具有較高的垃圾焚燒管理水平，對(duì)焚燒垃圾的發(fā)熱量要求較高。
垃圾焚燒發(fā)電需要垃圾生產(chǎn)者的充分配合，并實(shí)現(xiàn)垃圾分類收集。目前我國(guó)垃圾管理體制不健全，垃圾沒(méi)有進(jìn)行分類收集，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，城市垃圾的低位發(fā)熱量大于 4180 kJ/kg時(shí)，燃燒過(guò)程無(wú)需添加輔助燃料，易于實(shí)現(xiàn)自燃燒，但目前我國(guó)很多城市生活垃圾的焚燒發(fā)熱量本身就不高，同時(shí)不合理的收集方式進(jìn)一步降低了垃圾焚燒的可行性。
（2）全套垃圾焚燒設(shè)備投資驚人，國(guó)產(chǎn)化程度低，對(duì)經(jīng)濟(jì)承受能力要求較高。
引進(jìn)垃圾焚燒發(fā)電設(shè)備費(fèi)用驚人，國(guó)外垃圾發(fā)電機(jī)組的初投資比國(guó)內(nèi)同等規(guī)模的初投資大4倍多，運(yùn)行費(fèi)用高30％～50％，同時(shí)國(guó)外垃圾焚燒設(shè)備主要適用于處理經(jīng)過(guò)分揀、發(fā)熱量較高的垃圾。杭州鍋爐廠投巨資引進(jìn)日本三菱重工技術(shù)生產(chǎn)的垃圾焚燒爐，合同規(guī)定銷售10臺(tái)后將開(kāi)始實(shí)現(xiàn)設(shè)備全國(guó)產(chǎn)化。
（3）垃圾焚燒發(fā)電后電力產(chǎn)業(yè)化問(wèn)題。
國(guó)家要對(duì)垃圾焚燒發(fā)電產(chǎn)業(yè)化給以必要的優(yōu)惠政策。目前，國(guó)外一些企業(yè)探討垃圾發(fā)電的“BOT”方式，他們提出：保證垃圾焚燒發(fā)電優(yōu)先上網(wǎng)；對(duì)垃圾發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)實(shí)行優(yōu)惠；垃圾發(fā)電廠免征各項(xiàng)稅費(fèi)；由政府免費(fèi)提供建廠用地。
4.3 熱電聯(lián)供
在熱能轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程中，熱能的損失很大，熱能損失率大小取決于垃圾的發(fā)熱量、余熱鍋爐熱效率以及氣輪發(fā)電機(jī)組的熱效率。采用熱電聯(lián)供方式，將供熱和發(fā)電結(jié)合在一起，可提高熱能的利用效率。在采用單純熱能轉(zhuǎn)化為電能的情況下，焚燒廠的熱能有效利用率僅為13％～22.5％，而通過(guò)合理組合熱電聯(lián)供的方式，焚燒廠的熱能利用效率可達(dá)到50％左右，甚至達(dá)到70％。
常用的熱電聯(lián)供方式主要通過(guò)發(fā)電和區(qū)域性供熱結(jié)合在一起，區(qū)域性供熱又可細(xì)分為居民區(qū)供熱（冷）、工業(yè)供熱（冷）和農(nóng)業(yè)供熱？偟膩(lái)說(shuō)，常用的熱電供應(yīng)模式有：發(fā)電＋居民區(qū)供熱（冷）；發(fā)電+工業(yè)供熱（冷）；發(fā)電＋農(nóng)業(yè)供熱；發(fā)電＋工業(yè)供熱（冷）+居民區(qū)供熱（冷）；發(fā)電+工業(yè)供熱（冷）＋農(nóng)業(yè)供熱；發(fā)電＋居民區(qū)供熱（冷）＋農(nóng)業(yè)供熱等多種組合形式，熱電供應(yīng)模式是否有效主要取決于焚燒廠建設(shè)是否合理，同時(shí)保證有可靠的熱（冷）商品的受納用戶，在考慮到直接供熱時(shí)熱能的利用效率要遠(yuǎn)高于熱能發(fā)電再輸送給最終用戶的熱能利用效率的情況下，可采取一種近似理想的方式對(duì)外供應(yīng)熱電，即以滿足供熱為前提，在有余熱的情況下進(jìn)行發(fā)電，達(dá)到最大的能源利用效率。
5 結(jié)論
城市垃圾的焚燒處理是徹底實(shí)現(xiàn)廢物充分利用，變廢為寶的有效途徑，但對(duì)我國(guó)大多數(shù)中、小城市而言，尚不具備建設(shè)大型垃圾焚燒廠，一是由于這些中小城市人民的總體生活水平不高，生活垃圾中可燃、易燃成分少，不適于進(jìn)行焚燒處理；二是由于采用垃圾焚燒法處理城市垃圾的一次性投資過(guò)高，超出這些中小城市的經(jīng)濟(jì)承受能力。隨著城市經(jīng)濟(jì)水平的提高，土地資源的匱乏，采用垃圾焚燒技術(shù)勢(shì)在必行，可以肯定，在兼顧近期利益和長(zhǎng)期發(fā)展的基礎(chǔ)上，今后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，在堅(jiān)持綜合治理的前提下，我國(guó)城市垃圾焚燒處理率將穩(wěn)步提高。
要提高對(duì)城市垃圾的管理水平，做好垃圾分類收集工作，不斷改進(jìn)垃圾焚燒技術(shù)，提高焚燒余熱的利用效率，在符合國(guó)家的環(huán)保政策、能源政策的前提下，抓好城市垃圾焚燒工作，使城市垃圾焚燒工作體現(xiàn)最大的環(huán)境效益、社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)資源的最大利用。
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