4.1　城市生活垃圾焚烧与能源化利用

城市生活垃圾是一种复杂的非均匀物质，其物理构成受当地经济发展水平和气候条件影响。随着能源结构和城市居民食品结构的变化，垃圾中有机物以及可燃物含量明显增加，无论是大城市还是中小城镇，垃圾中的有机物含量均超过50%，低位热值在4.18MJ/kg左右。

对于含水量较低、热值较高的城市生活垃圾，可采用前面所述的直接燃烧方式实现能源化利用，但对于含水量较高、热值较低的城市生活垃圾，需采用焚烧的方式以实现能源化利用。

4.1.1　城市生活垃圾的焚烧过程

城市生活垃圾的焚烧过程比较复杂，通常由干燥、热解、燃烧等传热、传质过程所组成。一般根据可燃物质的种类，分为分解燃烧（即挥发分燃烧）和固定碳燃烧两种。而从工程技术的观点来看，又可将城市生活垃圾的焚烧分为三个阶段：干燥加热阶段、焚烧阶段、燃尽阶段（即生成固体残渣的阶段）。由于焚烧是一个传质、传热的复杂过程，因此这三个阶段没有严格的划分界限。从炉内实际过程来看，送入的城市生活垃圾中有的物质还在预热干燥，而有的物质已开始燃烧，甚至已燃尽了。从微观角度上来看，对同一废弃物颗粒，颗粒表面已进入焚烧阶段，而内部可能还在加热干燥。这就是说上述三个阶段只不过是焚烧过程的必由之路，其焚烧过程的实际工况更为复杂。

（1）干燥加热阶段

从城市生活垃圾送入焚烧炉到开始析出挥发分着火这一阶段，都认为是干燥加热阶段。城市生活垃圾送入炉内后，其温度逐步升高，水分开始逐步蒸发，此时，物料温度基本稳定。随着不断加热，水分开始大量析出，城市生活垃圾开始干燥。当水分基本析出完后，温度开始迅速上升，直到着火进入真正的燃烧阶段。在干燥加热阶段，城市生活垃圾中的水分是以蒸汽形态析出的，因此需要吸收大量的热量——水的汽化热。

城市生活垃圾是有机物和无机物的综合体，含水率较高，因此，焚烧时的预热干燥任务很重。城市生活垃圾的含水率越大，干燥阶段也就越长，从而使炉内温度降低。水分过高，炉温将大大降低，着火燃烧就困难，此时需投入辅助燃料燃烧，以提高炉温，改善干燥着火条件。有时也可采用干燥段与焚烧段分开设计的办法：一方面使干燥段的大量水蒸气不与燃烧的高温烟气混合，以维持燃烧段烟气和炉墙的高温水平，保证燃烧段有良好的燃烧条件；另一方面，干燥吸热是取自完全燃烧后产生的烟气，燃烧已经在高温下完成，再取其燃烧产物作为热源，就不致影响燃烧段本身了。

（2）焚烧阶段

城市生活垃圾基本完成干燥过程后，如果炉内温度足够高，且又有足够的氧化剂，就会顺利进入真正的焚烧阶段。焚烧阶段包括强氧化反应、热解、原子基团碰撞三个同时发生的化学反应模式。

1）强氧化反应

燃烧是包括产热和发光的快速氧化反应。如果用空气作氧化剂，则可燃元素（C）、氢（H）、硫（S）的燃烧反应为：

在这些反应中，还包括若干中间反应，如：

2）热解

热解是在无氧或近乎无氧的条件下，利用热能破坏含碳化合物元素间的化学键，使含碳化合物破坏或者进行化学重组。尽管焚烧时有50%～150%的过剩空气量，可提供足够的氧气与炉中待焚烧的有机废弃物有效接触，但仍有部分有机废弃物没有机会与氧接触。这部分有机废弃物在高温条件下就会发生热解。热解后的组分常是简单的物质，如气态的CO、H₂O、CH₄，而C则以固态形式出现。

在焚烧阶段，对于大分子的含碳化合物而言，其受热后总是先进行热解，随即析出大量的气态可燃成分，诸如CO、CH₄、H₂或者分子量较小的挥发分成分。挥发分析出的温度区间在200～800℃范围内。

3）原子基团碰撞

焚烧过程出现的火焰实质上是在高温下富含原子基团的气流的电子能量跃迁，以及分子的旋转和振动产生的量子辐射，它包括红外线、可见光及波长更短的紫外线的热辐射。火焰的形状取决于温度和气流组成。通常温度在1000℃左右就能形成火焰。气流包括原子态的H、O、Cl等元素，双原子的CH、CN、OH、C2等，以及多原子的HCO、NH₂、CH₃等极其复杂的原子基团气流。

城市生活垃圾的热值相当于低品位的煤，但通常含有很高比例的挥发分和较少的固定碳，因此在焚烧时会产生更多的挥发分火焰。

（3）燃尽阶段

燃尽阶段的特点可归纳为：可燃物浓度减小，惰性物增加，氧化剂量相对较大，反应区温度降低。

然而，由于城市生活垃圾中固体分子是紧密靠在一起的，要使它的有机物分子和氧充分接触进行氧化反应较困难。城市生活垃圾在焚烧炉中充分燃烧的必要条件有：a．碳和氢所需要的氧气（空气）能充分供给；b．反应系统有良好搅动（即空气或氧气能与有机废弃物中的碳和氢良好接触）；c．系统温度必须足够高。这三个因素对于城市生活垃圾的焚烧过程很重要，也是最基本的条件。因此，为改善燃尽阶段的工况，常采用翻动、拨火等办法减少物料外表面的灰尘，或控制稍多一点的过剩空气，增加物料在炉内的停留时间等。该过程与焚烧炉的几何尺寸等因素直接相关。

需注意的是，城市生活垃圾的成分变化较大，如不同处理阶段的有机废弃物、不同来源的有机废弃物，其焚烧过程也不一样。

4.1.2　城市生活垃圾焚烧系统流程

焚烧法是一种高温热处理方法，是指将城市生活垃圾先经分选装置分选，然后输送至垃圾焚烧炉中焚烧，使其中的可燃物质充分燃烧并产生热能或发电的一种方法。典型的城市生活垃圾焚烧系统流程如图4-1。

通过焚烧处理，城市生活垃圾的剩余物体积减小90%以上，质量减少80%以上。一些危险固体废物焚烧后，可以破坏其组织结构或杀灭病菌，减少新污染物的产生，避免二次污染。所以城市生活垃圾通过焚烧处理，能同时实现减量化、无害化和资源化，是一种重要的处理途径。发达的工业国家如日本、西欧等国，由于其能源和土地资源日趋紧张，焚烧处理的比例逐渐增多。但垃圾焚烧厂的建设费用和运行成本极高。焚烧处理要求垃圾的热值大于3.35MJ/kg，否则需添加助燃剂，所产的电能价值远远低于预期值。

4.1.3　城市生活垃圾的焚烧方式

根据城市生活垃圾在焚烧炉内焚烧过程的基本原理和特点，城市生活垃圾焚烧方式主要分为悬浮燃烧、沸腾燃烧、层状燃烧和多室燃烧。

（1）悬浮燃烧

悬浮燃烧不设炉排。将城市生活垃圾粉碎得很细，随空气流送入炉中，迅速着火呈悬浮状态燃烧。由于燃烧反应面积很大，与空气混合良好，所以燃烧迅速，燃烧效率也远比层燃炉高。由于垃圾在炉中停留时间较短，为保证燃尽，需配置比层燃炉容积更大的炉膛。

悬浮燃烧具有炉温高、燃烧安全等优点，但对于城市生活垃圾，选择悬浮燃烧时，有以下因素需考虑：

①对垃圾的预处理费用高。从原始混合垃圾到衍生燃料（RDF），要经过初级破碎、磁选、筛分、化学处理、再破碎、再筛分、气力分选、热力处理等过程。

②对具有一定高热值、一定量可燃气的垃圾，制取RDF才有意义。

③在悬浮燃烧方式下，垃圾颗粒处于稀相状态，垃圾颗粒与空气体积之比在1:10000的数量级，炉内燃料储量少，因此对垃圾的品质及工况事故等很敏感，给燃烧调整带来一定的难度。

（2）沸腾燃烧

沸腾燃烧是将小尺寸（一般<8mm）的城市生活垃圾送到炉箅上，在炉排下经布风板或风帽吹入空气，使垃圾在炉箅上一定高度的空间内（沸腾段）上下翻腾猛烈燃烧，少量细粉被烟气带到悬浮段内燃烧，灰渣由沸腾段上界面的溢流口自动排出，烟气则加热受热面。

沸腾燃烧的最大特点是：炉内热容大，可燃用较低热值的垃圾；炉温低，炉内停留时间长，适于进行炉内固硫反应，缓解垃圾中所含的硫化物对余热锅炉高温受热面的高温腐蚀及对大气的二次污染。但要将原始垃圾制成沸腾燃烧的燃料，要有较严格的破碎、筛分过程，设备投资和运行费用均较高。

（3）层状燃烧

层状燃烧也称火床燃烧，其显著特点是有炉排（炉箅），把垃圾放在炉箅上，形成均匀的、有一定厚度的料层。主气从炉箅下送入，绝大部分垃圾粒间没有相互运动，在火床上燃烧，只有一小部分粉状垃圾被吹到炉膛内形成悬浮燃烧，燃烧生成的热烟气加热受热面，灰渣从炉箅上排出。根据炉箅的特点，可将层燃炉分为燃料不动的固定炉排炉、燃料层在炉排上移动的往复炉排炉或振动炉排炉、燃料层与炉排一起移动的链条炉等。

层燃炉对入炉垃圾的尺寸有一定的要求，太小的垃圾颗粒易被空气吹走，太大的垃圾块则不易燃烧完全。因此，对于层燃炉，垃圾也宜进行初步的破碎和分选，但比悬浮燃烧和沸腾燃烧的预处理简单得多。同时，层燃炉还有在炉内停留时间长、炉内燃料储量多等优点。

对于热值较低的城市生活垃圾，可采取用烟气再循环预热烘干，按辐射和对流原理设计低而长的前后拱，一次风推迟配风并配合二次风，焚烧炉区域不布置水冷壁管，往复炉排运动松动燃料层并上下引燃等强化燃烧的措施。因此，在城市生活垃圾焚烧炉中，层燃方式被广泛采用，用得较多的层燃炉有马丁炉和多（两）段焚烧炉。

（4）多室燃烧

多室燃烧，就是将城市生活垃圾焚烧过程的各个阶段分别在焚烧设备内的不同空间进行。因为城市生活垃圾燃烧的不同阶段对氧化剂（空气）的需求量不同，采用多室燃烧既能保证垃圾的充分、洁净燃烧，又能使焚烧设备的燃烧效率和热效率均达到一定水平。

4.1.4　城市生活垃圾焚烧炉

焚烧炉是焚烧技术的关键。城市生活垃圾焚烧炉种类繁多，其结构类型与垃圾的种类、性质和焚烧方式等因素有关，不同的焚烧方式需要相应的焚烧设备。

（1）炉排型焚烧炉

将城市生活垃圾置于炉排上进行焚烧的炉子称为炉排型焚烧炉，它可分为固定炉排焚烧炉和活动炉排焚烧炉。固定炉排焚烧炉又可分为水平式固定炉排焚烧炉和倾斜式固定炉排焚烧炉。

水平式固定炉排焚烧炉是最简单的焚烧炉。城市生活垃圾从炉子上部投入，经人工扒平，使其均匀铺在炉排上，炉排下部的灰坑兼作通风室，助燃空气靠自然通风从出灰门送入，或采用强制通风方式。为了使城市生活垃圾焚烧完全，在焚烧过程中，需要经常对料层进行翻动，燃尽的灰渣落在炉排下面的灰坑，人工扒出。此类焚烧方式的劳动条件和操作稳定性差，炉温不易控制，因此对较大的城市生活垃圾及难以燃烧的固体废物均不适用，仅适用于焚烧少量的如废纸屑、木屑及纤维素等易燃性废物。

倾斜式固定炉排焚烧炉的基本原理与水平式固定炉排炉类似，只是炉排倾斜一定的角度，有些倾斜炉排的后面仍然设置水平炉排，增加一段倾斜段可增加干燥段以适应含水量较高的城市生活垃圾的焚烧。此类炉型也只能用于易燃城市生活垃圾的焚烧。

活动炉排焚烧炉也称机械炉排焚烧炉，是目前城市生活垃圾处理中使用最广泛的焚烧炉。活动炉排是活动炉排焚烧炉的心脏部分，在操作过程中能实现自动化和连续化，它们的运行性能直接影响城市生活垃圾的焚烧处理效果。炉排按构造形式不同可分为往复式、摇动式和移动式炉排等。常见的炉排形式见图4-2。

机械炉排焚烧炉的典型结构如图4-3所示，它的燃烧室内放置一系列机械炉排，通常按其功能分为干燥段、燃烧段和后燃烧段（各段炉排的功能见表4-1）。城市生活垃圾由进料装置进入机械炉排焚烧炉，在机械式炉排的往复运动下，逐步被导入燃烧室内炉排的表面。城市生活垃圾在由炉排下方送入的助燃空气及炉排运动的机械力的共同推动及翻滚下，在向前运动的过程中水分不断蒸发，通常在被输送到水平燃烧段炉排时已经完全干燥并开始点燃。燃烧段炉排运动速度的选择是应保证城市生活垃圾在到达该炉排尾端时被完全燃尽成灰渣，从后燃烧段炉排尾部落入灰斗。产生的废气上升而进入二次燃烧室内，与炉排上方导入的助燃空气充分混合，完全燃烧后进入燃烧室上方的废热锅炉回收余热。

（2）炉床式焚烧炉

炉床式焚烧炉采用炉床盛料，燃烧在炉床上物料表面进行，适宜于处理颗粒小或粉状的固体废物以及泥浆状废物，可分为固定炉床和活动炉床两大类。固定炉床焚烧炉可分水平式固定炉床焚烧炉和倾斜式固定炉床焚烧炉。

水平式固定炉床焚烧炉是最简单的炉床式焚烧炉，它的炉床与燃烧室构成整体，炉床水平或略倾斜。加料、搅拌及出灰均为手工操作，劳动条件差，且为间歇式操作，不适用于大量城市生活垃圾的处理。水平式固定炉床焚烧炉适用于蒸发燃烧的城市生活垃圾，如塑料、油脂残渣等，不适用于橡胶、焦油、沥青、废活性炭等表面燃烧的废物。

倾斜式固定炉床焚烧炉的炉床为倾斜式，便于投料、出灰，并使物料在向下滑动时进行燃烧，改善了焚烧条件。与水平炉床相同，该型焚烧炉的燃烧室与炉床为一整体。此类焚烧炉的投料和出料操作基本上是间歇式的。如果城市生活垃圾焚烧后灰分很少，并设有较大的储灰坑，或设有连续出灰机和连续加料装置，也可实现连续操作。

活动炉床焚烧炉的炉床是活动的，使城市生活垃圾在炉床上松散和移动，以改善焚烧条件，进行自动加料和出灰操作。活动炉床焚烧炉可分为转盘式炉床、隧道回转式炉床和回转式炉床（即旋转窑）等几种。应用最多的是旋转窑焚烧炉，基本形式的旋转窑焚烧炉见图4-4。

（3）流化床焚烧炉

流化床燃烧是20世纪80年代发展起来的一种清洁燃烧技术。流化床的燃料适应性强，负荷调节范围大，这对于燃烧热值及成分多变的垃圾具有独特的优势。

为了增强物料的流动性、对垃圾传热的均匀化和维持炉膛内一定的蓄热量，流化床焚烧炉常常选择砂粒作为载热体。开车时，首先用油／气等燃料将砂粒加热到600℃以上，用200℃以上的流化空气沸腾床料，然后投入城市生活垃圾。城市生活垃圾进入流化床内迅速干燥、热解，并与空气中的氧气发生剧烈的燃烧反应，未燃尽的垃圾质量较轻，悬浮在载热体中继续反应，垃圾燃尽的灰渣一般质量较重，随同大粒径的砂粒沉入炉底，然后通过排渣设备排出炉外，用水或空气冷却后，再分选出粗细粒径的残渣，留下中等粒径的残渣与砂粒一同由提升设备送入炉内再循环。流化床焚烧炉最显著的特点就是在流化空气的作用下，城市生活垃圾和砂粒的混合物在炉膛内被悬浮起来，呈沸腾状进行燃烧。

流化床焚烧炉对入炉垃圾的粒度有要求，一般希望不超过50mm，否则过大的垃圾容易沉入炉底，造成不完全燃烧。所以流化床焚烧炉一般都配有大型的破碎和分选装置，这不但使工程造价提高，同时增大了垃圾暴露的机会和引起环境污染的风险。流化床焚烧炉为使炉料沸腾需要高压头的风机，因此耗电量很大。流化床风量过大会使细小的灰尘容易被吹出床外，造成余热锅炉大量集灰，同时增加了下游除尘设备的负荷，风量过小会造成流化质量下降，降低流化床处理能力，一般流化床对操作的要求较高。另外，流化床对垃圾中的低熔点和低软化点的物质非常敏感，低熔点和低软化点物质会引起床料板结，从而破坏物料在流化床中的运动。

（4）多室垃圾焚烧炉

在一次燃烧过程中，不供应全部所需空气，只供应能将固定碳素燃烧的空气，依靠燃烧气体的辐射、对流传热等将垃圾干馏，在二次或三次燃烧过程中将干馏气体、臭气、有害气体等完全燃烧的设备称为多室垃圾焚烧炉。图4-5为多室垃圾焚烧炉示意图。

一般而言，处理燃烧气体量较多的物质时多使用本类炉。在生活垃圾处理领域，多采用多室燃烧炉。实际焚烧过程中，多室焚烧可采取将不同焚烧设备组合应用的方法，如“层燃炉+沸腾炉”，也有专门开发的多室燃烧设备。

4.1.5　城市生活垃圾与煤混合焚烧

垃圾焚烧具有减量化、资源化和能量回收等优点，可减容70%～90%，减重50%～80%，成为仅次于垃圾填埋的第二大垃圾处理手段。但中国大多数城市生活垃圾的热值不高，一般在3.5～5.0MJ/kg左右，不适宜直接焚烧，而且垃圾单独焚烧后会带来污染，如二英、重金属、酸性气体等，如何无害化利用城市生活垃圾是目前急需解决的问题。

针对含水率高、热值低的垃圾，向其中添加辅助燃料是必要的。垃圾与煤混烧，能维持燃烧的稳定性，提高燃烧效率，同时能有效抑制污染物的生成，是符合我国国情的一种垃圾处理方式。

（1）燃烧反应器

常见的生物质与煤混烧的燃烧反应器有3种：固定床、流化床和气流床。垃圾与煤混烧时，流化床因其燃料适应性好，能够处理低热值的城市生活垃圾并能保持燃烧稳定性而被广泛采用。流化床几乎能燃烧任何固体、半固体和液体燃料，污染物排放量小，并且把已有的流化床燃煤锅炉改造成垃圾与煤混烧锅炉比建造专门的混烧锅炉更具经济性、效率更高。目前比较成熟的流化床技术主要有两种：鼓泡流化床（BFB）和循环流化床（CFB）。垃圾与煤流化床混烧采用中低温燃烧（炉膛出口烟温850℃）和分级送风分段燃烧的方法，炉内添加石灰石等可以降低SO₂和HCl的排放，而加入少量劣质煤能提高炉内温度，有利于有机物分解并防止芳香烃类有毒物质的生成和排放。

（2）燃烧特性

燃烧特性是燃料的重要性质，主要包括燃烧着火特性、挥发分析出特性和燃尽特性等。垃圾与煤混合燃料的特性主要取决于两者的混合比例，不同的混合比例决定了混合燃料的成分，从而会影响到混燃特性、污染物排放特性、灰熔融特性以及混燃电厂的经济效益。煤燃烧的主要部分是焦炭燃烧，而垃圾则是挥发分的燃烧。混烧后，垃圾的挥发分在较低的温度下迅速大量地析出，而挥发分气相燃烧速率快，从而促进了煤粉的着火和燃烧。随着垃圾掺混比的增加，碳的消耗加快，而流化床中焦炭的浓度也降低，从而增加了燃烧率。然而组成成分不同的垃圾与煤混烧的燃烧特性也不尽相同，很多研究都针对某一种单一成分垃圾展开。

（3）酸性气体排放

城市生活垃圾与煤混烧后的主要污染气体包括：NO_x（NO、N₂O）、SO₂、HCl、CO和CO₂。NO和SO₂在大气中与水结合形成酸雨，使土地和水酸化，从而威胁各种动植物的生命；N₂O和CO₂则是引起温室效应的最主要气体。

①NO_x排放。垃圾与煤混烧会降低氮氧化物的排放量。混烧时，燃料中的N在燃烧过程中首先转化为HCN和NH₃，再通过一系列氧化和还原反应生成NO、N₂O等氮氧化物。随着垃圾掺混比的增加，大量挥发分在骤然升温过程中迅速析出，与煤粉抢氧气，局部燃烧区形成贫氧区，使NO、N₂O的还原作用加强，从而降低了其浓度。而流化床床温的变化会使氮氧化物的排放产生波动，随着床温的增加，N₂O排放浓度下降而NO浓度会有所增加，但从整体看氮氧化物的排放量呈下降趋势。

②SO₂排放。硫化物主要来源于煤，垃圾与煤混烧可以有效降低SO₂的排放量。在流化床床温固定时，随着垃圾掺混比的增加，SO₂的排放量逐渐减小，因为在垃圾中含有一些碱金属和碱土金属（K、Na、Ca），掺入的垃圾比例越高，则S到SO₂的转化率越低，因此可以在混烧过程中加入高硫煤，充分利用垃圾自身的脱硫能力。与此同时，流化床床温也会对SO₂的生成起波动作用。

③HCl排放。HCl会引起锅炉等设备的管壁腐蚀，而Cl、S、水和O₂共存时会促进HCl的生成。垃圾焚烧过程中的Cl主要来自食盐和PVC等含氯废料。当垃圾的掺混比增大时，混合燃料中的水和Cl的含量随之增加，HCl的生成量也增多。但其生成主要在低温，因此，HCl的生成量随温度的增加变化不明显。

④CO和CO₂排放。CO和CO₂主要来源于煤的焦炭燃烧，随着垃圾掺混比的增加，煤焦炭的比重减小，CO的排放量也随之减少，同时Cl的生成增加，阻碍了CO的氧化反应。除了垃圾掺混比和流化床床温对污染气体排放有影响，过量空气系数和二次风量也对它们的生成有显著影响，同时城市生活垃圾的含水率对混烧效率和污染气体排放有影响。

（4）二英排放

二英具有毒性和致癌作用，主要来源于城市生活垃圾和医疗垃圾的焚烧过程。研究发现，城市生活垃圾与煤按照一定掺混比混烧能有效抑制二英的产生。煤燃烧和垃圾燃烧最显著的区别在于煤燃烧产生较高浓度的SO₂和S/Cl值，而硫类物质在烟气中的存在能够有效抑制二英的生成。Lindbauer等人发现，当S/Cl在1～5范围内时能大大降低二英的排放。通过调节煤的掺混比可以改变S/Cl。不同成分的垃圾与煤混烧时达到最佳的二英抑制效果，其掺煤比也不同。有机城市生活垃圾掺煤比为16%时，二英的抑制率可达95%。而一般城市生活垃圾与煤混燃时，添加约20%的煤，二英的抑制效果显著，继续增加煤，二英的抑制作用不会有明显的提升。因此控制煤的掺混比是控制二英的有效手段。

（5）灰结渣特性

城市生活垃圾焚烧后产生大量的灰渣，产量约占垃圾焚烧前总量的20%～30%。根据灰渣收集位置的不同，可将其分为底灰和飞灰。底灰位于炉床尾端，密度高，颗粒大；飞灰是由烟气净化系统和热回收利用系统收集的残渣，含有大量的重金属、二英等有毒物质，属于危险废弃物，要进行相关处理和管理。

垃圾与煤混烧可以改变重金属在灰渣中的分布，使灰渣中重金属浸出毒性低于危险废物浸出毒性限定值。混烧时，熔融渣的熔点普遍低于煤的灰熔点，并随着垃圾成分和掺混比的变化而变化。同时随着熔融温度的不同，飞灰中不同重金属的固溶效果也会变化。