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国内外垃圾焚烧炉技术概述
摘要：文章分析了国内外四类城市垃圾焚烧炉技术的原理、特点、性能以及优缺点，针对主要项目进行了对比研究。提出了一种新型垃圾焚烧炉，该炉采用专利炉排装置，具有显著优点，能够达到抑制二噁英类物质产生的环保效果。
关键词：城市垃圾；焚烧炉技术；专利；炉排装置
1引言
城市生活垃圾，已经成为当今世界最严重的公害之一。目前，国内外广泛采用的城市垃圾处理方式主要有卫生填埋、焚烧、堆肥和综合利用4种。长期以来中国绝大部分城市采用露天堆放、自然填沟和填埋的原始方式处理城市垃圾，这种处理方式对土壤、地下水、大气等都会造成不利的影响和潜在的危害。垃圾问题实际上已经阻碍了人民生活水平的进一步提高和城市建设的发展。
中国2000年垃圾产生量已达1.5亿多吨，占世界总量的四分之一以上，而且每年以8%～10%的速度增长。中国是世界上13个贫水国之一，全国668座城市中有400多座城市缺水，其中110座城市严重缺水。而中国历年堆放的垃圾中的重金属以及在腐败过程中产生的病原微生物等，使一些城市的水源遭到污染，造成了严重的危害。
发达国家城市垃圾处理的发展历程表明，垃圾焚烧处理具有占地面积小、选址较容易、处理快速、减量化显著、无害化较彻底以及可回收焚烧余热等优点，在世界各国得到越来越广泛的应用。全世界每年垃圾焚烧量约为1.1亿吨，绝大部分的垃圾焚烧处理厂分布于发达国家。日本现有焚烧厂约1900座，每年焚烧处理量近4千万吨，是世界上垃圾焚烧处理规模最大的国家。我国垃圾处理的发展趋势是：在分类收集基础上的再生利用越来越受到重视；垃圾填埋的标准将越来越高，比例将逐步下降；垃圾焚烧将稳步发展，焚烧余热利用特别是余热发电的比例将有所上升。
2垃圾焚烧技术历史及发展状况
垃圾焚烧处理已有100多年历史，1896年和1898年，德国汉堡和法国巴黎先后建立了世界上最早的生活垃圾焚烧厂，开始了生活垃圾焚烧技术的工程应用。但出现有控制的焚烧以及烟尘综合处理、余热再利用等是从20世纪70年代以后开始的。
近年来，城市垃圾焚烧技术的发展具有比较明显的特点：垃圾焚烧技术正向着自我完善方向发展；向着多功能方向发展；向着资源化方向发展；向着智能化方向发展；向着环保高标准化方向发展。另外，我国生活垃圾焚烧处理社会化、市场化和民营化是未来发展的大趋势，垃圾焚烧管理与经营的集约化程度较高，属比较适宜的民营化技术，未来以垃圾处理贴费与售电收入为经营基础的民营化垃圾焚烧产业，将对推进城市生活垃圾焚烧技术的总体进展发挥积极的巨大作用。
在当今国内、国际日益重视环境保护的大环境下，采用垃圾焚烧处理方式具有必要性和可能性。随着城市建设的发展和城市规模的扩大，城市人口数量骤增，生活垃圾产量也快速递增，使原有的垃圾填埋场日益饱和或已经饱和，而新的垃圾填埋场地又难于寻找，采取垃圾焚烧方法，可使生活垃圾减重80%和减容85%以上，最大限度地延长现有垃圾填埋场的使用寿命。此外，随着人们生活水平的提高，生活垃圾中可燃物、易燃物的含量大幅度增长，提高了生活垃圾的热值，为应用和发展生活垃圾焚烧技术提供了先决条件。例如：日本城市生活垃圾的低位热值就已经由20世纪60年代的3344～4196kJ/kg，提高到目前的6270～7160kJ/kg。
现代城市生活垃圾焚烧厂系统组成如图1，典型的城市生活垃圾焚烧系统的工艺单元包括：①进出厂垃圾计量系统；②垃圾卸料及贮存系统；③垃圾进料系统；④垃圾焚烧系统；⑤焚烧余热利用系统；⑥烟气净化和排放系统；⑦灰渣处理或利用系统；⑧污水处理系统；⑨垃圾焚烧自动控制系统等。
3四类垃圾焚烧炉技术对比分析
目前世界各地应用的垃圾焚烧设备——各种型号垃圾焚烧炉达到200多种，但应用广泛、具有代表性的垃圾焚烧炉技术主要有四大类，即：流化床焚烧炉（包括RDF焚烧炉）技术、回转窑焚烧炉技术、炉排型焚烧炉技术、垃圾热解气化焚烧炉（CAO）技术。

图1城市生活垃圾焚烧厂系统示意图 （来源：工业锅炉）
3.1流化床焚烧炉技术
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、含水分高的垃圾。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。垃圾颗粒在炉内悬浮燃烧，启动、燃烧过程特性与普通流化床锅炉相似，图2为典型流化床焚烧炉结构示意图。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，要求垃圾在入炉前进行一系列筛选及粉碎等处理，使其颗粒尺寸均一化，一般破碎到≤15cm。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，热态约为3～4m/s。一次风经由风帽通过布风板送入流化层，二次风由流化层上部送入。采用燃油预热料层，当料层温度达到600℃左右时可以投入垃圾焚烧。

图2流化床焚烧炉结构图
流化床焚烧对垃圾的热值适应性广，农村垃圾和高热值工业塑料垃圾均可焚烧。但流化床焚烧炉对垃圾颗粒度要求很高，同时要求进料均匀；对操作运行及维护的要求高，操作运行及维护费用也高，垃圾预处理设备的投资成本较高；并且预处理中容易造成垃圾臭气外逸，产生环境污染。这些因素都制约着流化床焚烧技术在我国的广泛应用。
3.2回转窑焚烧炉技术
回转窑焚烧炉技术的燃烧设备主要是一个缓慢旋转的回转窑，其内壁可采用耐火砖砌筑，也可采用管式水冷壁，用以保护滚筒，其结构示意图如图3所示。回转窑直径为4～6m，长度约10～20m，可根据垃圾的焚烧量确定。它是通过炉本体滚筒连续、缓慢转动，利用内壁耐高温抄板将垃圾由筒体下部在筒体滚动时带到筒体上部，然后靠垃圾自重落下。由于垃圾在筒内翻滚，可与空气得到充分接触，经过着火、燃烧和燃尽三个阶段进行较完全的燃烧。垃圾由滚筒的一端送入，热烟气对其进行干燥，在达到着火温度后燃烧，随着筒体滚动，垃圾得到翻滚并下滑，一直到筒体出口排出灰渣。当垃圾含水量过大时，可在筒体尾部增加一级炉排，用来满足燃尽，滚筒中排出的烟气，进入一个垂直的燃尽室（二次燃烧室）。燃尽室内送入二次风，烟气中的可燃成分可在此得到充分燃烧。燃尽室温度一般为1000～1200℃。回转窑式垃圾燃烧装置设备费用低，厂用电耗与其他燃烧方式相比也较少，但焚烧热值较低、含水分高的垃圾时有一定的难度。

图3回转窑焚烧炉结构图
3.3炉排型焚烧炉技术
炉排型焚烧炉技术发展较为成熟，这种焚烧炉因为具有对垃圾的预处理要求不高，对垃圾热值适应范围广，运行及维护简便等优点，许多国家都普遍采用这种燃烧技术。该类型焚烧炉型式很多，主要有固定炉排（主要是小型焚烧炉）、链条炉排、滚动炉排、倾斜顺推往复炉排、倾斜逆推往复炉排等。机械炉排焚烧炉是当前各国采用比较多的炉型，也是开发最早的炉型。它采用活动式炉排，可使焚烧操作连续化、自动化，是目前在处理城市垃圾中使用最为广泛的焚烧炉。
为使垃圾燃烧过程稳定，炉排型焚烧关键是炉排。炉排的布置、尺寸、形状随着垃圾水分、热值的差异以及生产厂商的不同而不同，图4为阶梯往复式炉排结构图。炉排有水平布置，也有呈倾斜15°～26°布置，炉排设计分为预热、燃烧、燃尽段，段与段之间可以有垂直落差，也可没有落差。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，引起垃圾底部也开始着火，连续的翻动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有利于热烟气对新入垃圾的热辐射预热干燥和燃尽区垃圾的燃尽。配风设计要确保空气在炉排上垃圾层分布均匀，并合理使用一、二次风。对于垃圾成分复杂，炉温太高时会发生物料熔融结块，炉排、炉壁易烧坏，而且同时会产生过多的氧化氮；炉温太低，烟气滞留时间过短，将易产生不完全燃烧，尤其是对人体有严重危害的二噁英难以完全分解，故炉膛出口温度定位不低于800℃，烟气滞留时间不低于2s。

图4阶梯往复式炉排结构图
3.4垃圾热解气化焚烧炉技术
目前，世界发达国家开始采用较先进的垃圾焚烧技术是垃圾热解气化焚烧炉技术。垃圾热解气化焚烧炉（Controlled Air Oxidation可控空气氧化技术，简称CAO技术），是一种控制空气燃烧技术。CAO系统可分为加热干燥、热解气化、残碳燃烧、可燃气燃烧等4个区域，燃烧系统示意图如图5所示。

图5 CAO焚烧炉结构图 （来源：工业锅炉）
CAO燃烧部分的第1燃烧室中，通入少量空气，垃圾停留很长时间，在一定温度下，垃圾部分气化，部分分解，部分燃烧。灰渣和不能热分解的物体（如金属、玻璃等）经过自动清灰系统排出炉外。产生的可燃烟气进入上部的第2燃烧室，再配以空气，在超过1000℃的高温下经过2s的充分燃烧后排出。这些高温气体可以引入余热锅炉回收热量。CAO燃烧系统在一定程度上解决了城市垃圾的处理问题，垃圾不用分选就可以充分地分解和燃烧，但对于水分超过50%的垃圾，在不投油助燃时则不能稳定燃烧。中国城市垃圾成分十分复杂、热值较低且含水率高，而且地区差别大，例如东部地区城市平均为3140kJ/kg，中部地区为2219kJ/kg，西部地区为1507kJ/kg，因此在我国广泛应用垃圾热解气化焚烧炉技术还有一定困难。
3.5四类垃圾焚烧炉技术性能对比分析
根据四类垃圾焚烧炉技术原理、特点、性能以及优缺点，进行主要项目的对比分析，将对比分析结果归纳为表1。
表1四种垃圾焚烧炉技术比较表

4一种新型垃圾焚烧炉
针对目前我国城市垃圾热值低、夏天水分含量高、地区差别大等特点，采用一种往复推饲分层供风炉排装置（专利号ZL002412500），王怀彬教授设计出一种新型城市垃圾焚烧炉，其结构图如图6所示。

图6新型往复炉排焚烧炉结构图
该新型城市垃圾焚烧炉具有很大优点：垃圾在普通炉排上燃烧存在着火条件与拨火条件差，不易燃烧。而在往复推饲分层供风炉排上，活动炉排是往复运动的，在推垃圾运动时，它把部分新垃圾推到下一层已燃炽热垃圾层上，而返回时又会把部分已燃的垃圾带回到未燃的垃圾层下面。这样一来，炉排上的垃圾就具有“下部着火”的因素，同时垃圾层上部吸收来自炉膛高温烟气（火焰）和炉墙炉拱的辐射热，具有“上部着火”的因素。往复推饲分层供风炉排的垃圾具有双面着火的特性。可解决垃圾因发热量低造成垃圾不易着火的问题。
为了防止二噁英类物质的产生，该新型城市垃圾焚烧炉在炉型设计方面采用了“3T”原则。所谓“3T”原则即Temperature（温度）、Time（时间）、Turbulence(湍流度）。日本某垃圾焚烧厂采用“3T”技术使炉膛出口的PCDD（五氯二苯二噁英）/PCDF（呋喃）的排放量从33.1ng/m3下降到6.1ng/m3，效果十分明显。 （来源：工业锅炉）
该新型城市垃圾焚烧炉，对入炉垃圾不需分拣、筛选、破碎即可直接入炉焚烧，这样就避免了在人工分拣时由垃圾分解析出的二噁英造成的伤害。通过垃圾预热、烘干；低而长的后拱；往复推饲分层供风炉排；分级配风等设计组织起了“3T”工况。通过一次风提高垃圾焚烧炉的燃烧效率，提高炉内温度，在炉膛内未布置任何受热面，使炉膛温度保持在800℃以上。通过二次风与炉拱的配合，烟气在喉口处形成α火焰，保持燃烧气体的滞留时间>2s；同时扰动燃气，使燃烧气体形成湍流，达到气体充分混合，实现完全燃烧，抑制CO的生成，从而达到抑制二噁英类物质生成的目的。在烟气进入布袋除尘器前，注入碳粉吸附剩余有害物，最终由布袋除尘器去除飞灰颗粒。
5总结
焚烧处理垃圾的方式已在许多发达国家得到广泛的应用，我国一些大中城市也已开始筹建垃圾焚烧发电厂。目前我国城市垃圾未分装分倒，垃圾中不可燃物质和水分较多，热值也不太高；另一方面垃圾大量裸露堆放，成为公害，亟待处理。因此，适宜发展对垃圾成分、热值适应性广、二次污染小的国产化垃圾焚烧技术。随着国家环保政策的实施和城市基础建设的加快，垃圾焚烧处理必将成为我国很有发展前景的一种新兴环保产业。