城市生活垃圾气化熔融焚烧系统探讨

摘 要：城市生活垃圾气化熔融焚烧是一种较新型的垃圾焚烧处理技术，生活垃圾气化熔融焚烧的研究表明，垃圾在1300℃的温度下，二恶英基本上完全分解，重金属可以被有效固化。该文介绍了目前国内外常用的几种生活垃圾气化熔融炉工艺，以及该工艺在二恶英和重金属控制方面的优点；指出了该工艺在上海市规模化应用存在的问题，并提出了今后研发的方向。

关键词：生活垃圾；气化熔融炉；二恶英；重金属

前言

至2010年底，上海市人口已达2300万，城市规模日益扩大，生活垃圾年产生总量达到了730万吨，并以每年5%的幅度增长。城市生活垃圾的处理处置已经成为上海市环境卫生和环境治理方面亟须解决的问题。

目前，世界各发达国家都在积极开发先进的生活垃圾处理技术，其中，气化熔融技术以其优异的环保性能和显著的垃圾减量化效果，成为各国竞相开发的前沿技术[1,2]。

一、目前生活垃圾处理现状

目前，上海市生活垃圾处理处置方式主要为填埋、焚烧、堆肥等，其中填埋量所占比例最大，超过了50%，其次是焚烧和堆肥[3,4]。三种处理方式的比较见表1。

表1 三种垃圾处理方式的特点比较

目前垃圾填埋场的污染问题已在全国普遍出现，而所造成的危害也日趋严重。垃圾填埋场大部分温室气体都直接排放到空气中，成为重要的温室气体排放源。同时，垃圾填埋场的臭气问题是居民投诉的重点问题。

为节约用地和垃圾减量，人们不得不把目光转向垃圾焚烧。对垃圾焚烧发电存在的最大争议在于二恶英，它具有致癌、致突变及生殖毒性。2001年3月，由英国埃可塞特大学的国际绿色和平组织研究实验室发表的《焚化炉与人类健康》的长篇报告揭示，即便是经过改良的新型焚化设施烟气排放的二恶英及重金属数量已大为减低，但在灰烬中的二恶英及重金属含量却相应提高。焚化并不能完全消除废物中的有毒物质，只是改变了它们的形态，部分物质的毒性甚至较原来更高。

21世纪的城市生活垃圾处理技术应高效综合回收资源、低污染物排放，最大限度地减容、减量。因此，生活垃圾气化熔融焚烧技术被认为是近年来世界各国尤其是发达国家为解决垃圾焚烧过程产生二恶英而开发出的新一代垃圾焚烧工艺。

二、气化熔融炉的技术特点

生活垃圾气化熔融技术是指将生活垃圾中的有机成份气化和无机成份熔融相结合，完全燃烧垃圾中可燃成份的同时熔融焚烧后的无机灰渣，并回收灰渣中的有价金属、熔融渣等有用物质的一种垃圾处理技术[5,6]。目前比较成熟的生活垃圾气化熔融焚烧技术有回转窑式和流化床式。

（一）回转窑式生活垃圾气化熔融焚烧技术

垃圾破碎后由螺旋给料器加入到由高温空气加热的回转窑内，一边接受由回转形成的搅拌作用，一边进行热分解气化。生活垃圾在回转窑的前端先燥，到了回转窑的中部后垃圾被部分燃烧和热分解气化，气化残留物在回转窑的后端进行熔融焚烧。从回转窑排出的可燃气直接进入回旋式熔融炉内，生产的半焦和不燃物从回转窑后部排出，经冷却器冷却后由分离装置将粗大的不可燃物和细小的半焦分离，然后将粉碎后的半焦输送至回旋式熔融炉，与自回转窑排出的可燃气一并在1300℃下进行高温焚烧[7]。

因高温形成的熔融状态炉渣和金属从炉底排出，然后被水急速冷却，被冷却的熔融炉渣和金属经分选机分选出金属和无机残渣，炉渣可以作为建筑材料，金属可以回收利用。高温烟气经余热锅炉回收余热用于发电或供热。为防止二恶英重新合成，从余热锅炉中排出的烟气经急冷塔急速冷却至200℃以下，然后经烟气净化处理后通过烟囱排放。该技术目前最大的处理能力可以达到300t/d[8]。

（二）流化床式生活垃圾气化熔融焚烧技术

由于目前流化床式生活垃圾焚烧技术较为成熟，因此可以采用不同的流化床气化炉与熔融炉衔接，形成多种形式的流化床式气化熔融炉。经预处理的生活垃圾通过加料器送入流化床气化炉中，在500～600℃的流化床内气化；流化床的空气过剩系数保持在0.1～0.3之间，流化床气体产物包括不燃物、飞灰和砂子，一并从气化炉底排出。采用分离装置将砂子与其他物质分离，砂子重新送入气化炉内，其他物质送入熔融炉内，在约1300℃以上的高温下进行熔融燃烧。

该技术主要包括气化和熔融两个阶段，垃圾在气化炉中气化，产生可燃气体；飞灰和炉渣在熔融炉中熔融，二恶英可以被彻底分解，高挥发点的重金属被固化在熔渣中，低挥发点的重金属一部分转移至熔渣中，一部分发生气化现象转移至熔融飞灰和废气中，再通过后续工艺进行进一步处理，从而可有效防止重金属的转移。

三、目前气化熔融炉的主要应用情况及优势

当前，气化熔融技术在各发达国家发展较为迅速，其最早于二十世纪70～80年代出现在美国和西欧，80～90年代以后传入日本，并在日本迅速发展和推广，目前日本已经成为应用气化熔融技术最多的国家，新日本制铁所至少在16个地方建造了25座垃圾气化熔融处理厂；90年代以后，韩国、中国台湾、澳大利亚、东欧、南美等国家和地区都开始引进和研发相关技术。在国内，部分科研院校也在这方面进行了积极的探索和研究，并开展了具体的工程应用，如浙江大学对垃圾焚烧的熔融处理工艺进行了系统的机理研究，昆明理工大学则基于有色冶金炉自主研发了侧吹式城市生活垃圾直接气化熔融焚烧炉、氧气顶吹城市生活垃圾直接气化熔融焚烧炉等炉型。

与传统的生活垃圾焚烧炉相比，气化熔融炉的优势主要体现在：污染物尤其是二恶英和重金属的排放量很小，其中二恶英的排放毒性当量浓度小于0.01ng-TEQ/m3，重金属绝大部分固化在熔渣中[6]；能源转化率较高，发电效率可以达到30%～40%；固体废物减量化效果好，可以达到90%以上。

（一）二恶英的控制

二恶英类为多氯代二苯并-对-二恶英（简称PCDDs）和多氯代二苯并对呋喃（简称PCDFs）物质的总称。在生活垃圾焚烧处理过程中二恶英类一般产生于垃圾焚烧过程和焚烧烟气冷却过程，二恶英的生成必须同时具备4个基本条件[9]：①必须有含苯环结构的化合物，可以由热分解产生，也可以由碳氢化合物合成或其它途径生成；②必须有氯源，可由无机氯或有机氯提供；③必须有合适的生成温度，350℃左右为最佳生成温度；④必须有催化剂存在，如铁、铜等金属。

根据研究，传统焚烧工艺进行垃圾焚烧时，二恶英的生成机理有三种方式[9]：

（1）“热分解合成”：生活垃圾中可能含有微量的二恶英类，在焚烧炉内受热过程中会释放出来，同时含有苯环结构的高分子化合物经加热分解可以大量生成二恶英类。一般认为，烟气中的二恶英类含量随一氧化碳浓度的增加而增加。

（2）“前驱体合成”：生活垃圾中含有苯类的有机物因受热分解而先生成“前驱体”类物质（如各类含氯苯系物），在580～680℃温度区间通过一系列氯化、缩合、氧化等反应极易生成二恶英类。

（3）“再次生成”：焚烧烟气在余热锅炉回收余热中过程中温度降至250～450℃区间，已经彻底分解的有机物经过一系列复杂的化学反应会重新合成二恶英类。

若生产过程中管理不善，热分解合成和前驱体合成将成为二恶英的主要生成方式，烟气中二恶英毒性当量浓度会较完全燃烧高一个数量级以上。气化熔融炉焚烧工艺则不存在这种情况，根据国内外气化熔融焚烧炉工艺二恶英产生情况研究结果，气化熔融焚烧工艺由于焚烧温度高，达到1300℃以上，垃圾热解气化后炭和飞灰在高温下熔融，形成玻璃态致密性物质，不仅破坏了二恶英的前驱物，也彻底消灭了二恶英从头合成反应的飞灰源[10]，而从头合成反应被认为是垃圾焚烧过程中二恶英生成的主要途径[11]。因此，气化熔融焚烧工艺只有 “再次合成”一种方式生成二恶英，即从源头降低了原始烟气中二恶英含量。通过后续设置急冷措施，烟气中的二恶英毒性当量浓度已降至很低。根据日本几家垃圾处理厂实际监测证明，气化熔融焚烧炉烟气中二恶英排放量可控制在0.01ng-TEQ/m3，低于欧盟2000排放标准（0.1ng-TEQ/m3）。

（二）重金属的控制

有研究表明，生活垃圾焚烧过程中重金属气化后Hg主要仍以单质存在于烟气中，76%的Cd以CdCl2、CdO的形式在飞灰颗粒表面凝结，58%的Pb和51%的Zn以氧化物形式存在于底灰中，其它重金属如Cr、Ni、Cu和Co主要存在于底灰中[5]。

采用气化熔融炉焚烧生活垃圾，高温处理的熔融灰渣中重金属被玻璃体包裹，固化在硅酸盐网状基体中，不易被酸碱浸出[12]，熔融灰渣具有较好的稳定性，可以用作商业路基材料。

四、结论

国内外的应用实践证明，焚烧法是目前减量化处理城市生活垃圾较为有效的方法。生活垃圾焚烧过程中二恶英的控制问题是焚烧法亟须解决的问题，而生活垃圾气化熔融焚烧技术由于其本身的技术特点，不但可以有效地控制二恶英和重金属的产生与排放，而且可以真正意义上实现垃圾的减量化、无害化和资源化。但目前该技术单台焚烧炉处理能力约为200t/d，对于生活垃圾日产生量约20000t/d的特大型城市上海来说存在诸多不足，例如处理能力较低，投资大等，大范围推广还有很长的路要走。因此，可从以下几个方面作进一步研究：（1）建立生活垃圾气化熔融焚烧过程的动态模型研究工作，不断优化焚烧炉结构；（2）进一步研究重金属在气化熔融焚烧过程中的迁移转化机理，实现对烟气中重金属的控制以及灰渣中重金属的回收利用；（3）跟踪国外气化熔融工艺的发展，加强气化熔融焚烧炉的研发，积极研究开发适合上海市的大型工业化气化熔融焚烧炉及其配套设备。

参考文献：

[1]肖刚,倪明江,池涌等.城市生活垃圾低污染气化熔融系统研究[J]. 环境科学, 2006, 27(2):381-385.

[2]Tomas Malkow.Novel and innovative pyrolysis and gasification technologies for energy efficient and environmentally sound MSW disposal[J]. Waste Management, 2004, 24:53-79.

[3]郭广寨,陆正明,周乃杰.上海城市生活垃圾处置工艺的选择[J]. 化学世界, 2000(S): 80-82.

[4]刘芳,陈季华,奚旦立等.上海城市生活垃圾处置及污染防治对策研究[J]. 中国资源综合利用, 2005(5):13-17.

[5]胡建杭.城市生活垃圾直接气化熔融焚烧过程应用基础研究[D].[博士学位论文].昆明:昆明理工大学,2007.10.

[6]肖刚,倪明江,池涌等.城市生活垃圾低污染气化熔融系统研究[J].环境科学,2006,27(2):381~385.

[7]肖睿,金保升,蓝计香等.第二代城市生活垃圾焚烧炉—气化熔融炉[J]. 工业炉,2000,22(4):39~44.

[8]王华,何方,马文会等.二恶英零排放化生活垃圾直接气化熔融焚烧技术[J].工业加热,2001(2):6~10.

[9]张传秀,马兆辉.生活垃圾焚烧二恶英的协同减排[J].冶金环境保护,2012(4):53~58.

[10]王华.二恶英零排放化城市生活垃圾焚烧技术.北京：冶金工业出版社,2001.

[11]Stieglitz L,Vogg H. On formation conditions of PCDD/PCDF in fly ash from municipal waste incinerators [J]. Chemosphere, 1987, 16:1917~1922.

[12]段翠九,曾纪进,陈国艳.气化熔融技术处理城市生活垃圾研究进展[J].工业炉,2013,35(1):39~42.