城市生活垃圾焚燒飛灰處理技術

據(jù)統(tǒng)計，20世紀90年代以來，我國城市生活垃圾每年以8%～9%的速度增長。全國城市垃圾存量，已超過60億噸，致使占全國城市總量2/3的城市周圍形成大量的垃圾山。常見的垃圾處理方式有焚燒、堆肥及衛(wèi)生填埋。垃圾焚燒處理已有100多年的歷史，英國于1874年就建成了第一座都市垃圾焚燒廠。第二次世界大戰(zhàn)后，中小型焚化爐在發(fā)達國家的一般城市都有使用，特別是1973年的石油危機，大大加速了垃圾能源回收技術的發(fā)展，垃圾焚燒廠如雨后春筍般出現(xiàn)。從表1可以看出經(jīng)濟較發(fā)達國家、土地資源較稀缺的國家垃圾焚燒處理率一般較高。日本由于土地稀少，廢棄物焚燒技術發(fā)展較充分。目前的垃圾焚燒比率已接近80%。新加坡于1986年建成了一座處理能力為2760t/d的垃圾發(fā)電站后，實現(xiàn)了垃圾的全部焚燒化。我國1989年在深圳地區(qū)建成了第一座垃圾焚燒電站。根據(jù)國家統(tǒng)計局2005年公布的數(shù)據(jù)，我國2003年全國生活垃圾清運量為14856.5萬噸，全國共有垃圾焚燒處理廠47座，年總共可以處理垃圾369.9萬噸為我國生活垃圾清運量的2.5%，我國的垃圾焚燒處理技術尚處于起步階段。隨著經(jīng)濟快速，發(fā)展人們生活水平的提高，垃圾熱值穩(wěn)步提升，填埋用地越來越緊張，其它垃圾處理方法費用越來越高，而垃圾的焚燒處理由于顯著的“減量化、資源化、無害化，，效果必將越來越受到重視。 
表1國外生活垃圾焚燒應用情況比較表 


飛灰處理技術概況 
傳統(tǒng)的垃圾焚燒方式也存在明顯的不足：1)焚燒溫度較低(900～1000℃)，導致發(fā)電效率不高，一般小于15%，而且由于溫度低于1100℃，不利于焚燒時產生的二惡英的分解。2)處理不當容易產生嚴重的二次污染。這主要包括重金屬和二惡英污染。生活垃圾焚燒處理后產生的固體殘渣大約占垃圾重量的30%～35%，其中底渣占25%～30%，其余是飛灰，占5%左右。垃圾焚燒產生的底灰中重金屬含量較少，被認為是沒有毒害的[7]飛灰由于比表面積大，在煙道中重金屬通過異相沉積和表面吸附作用在飛灰表面富集。飛灰中含有很高濃度的可浸出Pb、Cd、Hg、Zn等有毒重金屬。而且飛灰中還含有少量的劇毒物質二惡英(PCDDs\PCDFs)。飛灰已被列入危險廢棄物明錄，在最終處置前必須經(jīng)過化學藥劑處理、水泥固化、熔融固化中的一種或多種處理。按2005年公布的數(shù)據(jù)全國目前年焚燒處理的垃圾為369.9萬噸，按上述比例計算，我國每年有待處理焚燒灰渣110.97萬噸，其中必須處理的有毒飛灰18.495萬噸。目前國內外的飛灰處理主要方式均是水泥固化。這主要是因為水泥固化需要的設備、操作要求簡單并且處理費用相對較低。 
表2垃圾焚燒灰渣重金屬毒性 


垃圾氣化熔融處理技術 
傳統(tǒng)的垃圾熱處理技術由于要排放大量的尾氣，處理后會產生有毒的灰渣以及劇毒物質二惡英。需要一種能有效凈化尾氣，能高溫分解二惡英，能有效處理灰渣并減小灰渣體積的技術。垃圾的氣化熔融技術正是在這一要求下產生的新一代垃圾處理技術。

垃圾氣化熔融技術也稱為熱分解氣化技術，是指將垃圾的有機成分氣化和無機成分熔融溶為一體得可燃氣體同時可以回收金屬等有用物質的一種垃圾處理技術。氣化熔融工藝的工作原理為：垃圾在貧氧條件下部分燃燒實現(xiàn)氣化，生成可燃氣體；飛灰或底渣被熔融，徹底分解其表面的二惡英，還能控制灰渣中的重金屬污染；熔融的飛灰或底渣可制成良好的建筑材料，不僅提高了資源利用率，而且大大減輕了填埋處置負擔。 
氣化熔融系統(tǒng)都具有：1)具有很高的燃燒溫度(燃燒溫度在1350℃或更高)，可以最大限度的減少二惡英和提高燃燒效率；2)采用較小過量空氣系數(shù)(過量空氣系數(shù)接近1.3)，可以采用更緊湊的煙氣處理系統(tǒng)，減小占地，同時可以提高發(fā)電系統(tǒng)的效率15%～25%；3)利用廢棄物中的熱量來熔融灰渣，不需要外部熱源就可以將焚燒殘渣轉變熔渣，這些熔渣可以用作城市工程材料。4)熱解/氣化在較低的溫度(接近500℃)的還原性氣氛下進行。 
常見的氣化熔融系統(tǒng)主要包括3類：豎井式氣化熔融系統(tǒng)、流化床氣化熔融系統(tǒng)和回轉窯氣化熔融系統(tǒng)。 
豎井式氣化熔融系統(tǒng) 


圖1豎井式高溫氣化熔融爐 
豎井式氣化熔融系統(tǒng)也叫高溫氣化熔融，是最常見的一步法氣化熔融技術。其典型的爐型布置如圖1所示。在氣化熔融爐的內部自上而下依次呈層狀分成預備干燥段(200～300℃)、熱分解段(300～1000℃)和燃燒熔融段(1500℃以上)。垃圾從爐上部加入并與從爐下部上升的氣體一邊進行熱交換一邊下降。從氣化熔融爐上部排出的可燃氣通過除塵器之后進入燃燒爐，并在約900℃下進行燃燒。在熱分解段生成的焦炭與加入的焦炭和石灰石一起下降到熔融燃燒段，借助從進風口供給的富氧空氣進行高溫燃燒。從爐底將因高溫而形成熔融狀態(tài)的爐渣和金屬排出。該爐型的主要特點是：焚燒灰渣在爐子底部熔融。上部的垃圾在底部熔融乏氣的加熱下高溫熱解。灰渣在底部通過添加焦炭在富氧情況下高溫熔融。整個爐子上部為一流化床，底部為豎井式移動焦炭床。爐子底部需要添加石灰石改變熔渣的堿基度。這種爐子不需要對垃圾進行特別的處理。該爐型的主要不足是無法靈活選擇對無害底灰的處理方法。 
流化床氣化灰熔融 


圖2鼓泡流化床氣化熔融爐系統(tǒng)結構簡圖 
固體廢棄物的流化床氣化+灰熔融是一種兩步法的低溫氣化高溫熔融的氣化融融裝置，該爐型的典型結構間下圖2所示，經(jīng)預處理的垃圾用加料器送入鼓泡流化床氣化爐中，在600℃使用空氣氣化，從氣化爐底將不燃物和砂子的混合物排出，采用分離裝置將它們分離，砂子將重新送入爐內。在流化床自由空間送入二次空氣進行二次燃燒。生成的可燃氣進入旋風熔融爐送入三次空氣在1300℃的高溫下燃燒，熔渣經(jīng)水冷后排出。該爐型的主要特點是：垃圾先在流化床內較低的過量空氣系數(shù)下氣化燃燒，爐內溫度保持在500～600℃，熔灰爐處于流化床后部，殘?zhí)己蜌饣瘹馔ㄟ^在高溫低過量空氣系數(shù)的辦法分離。該爐型一般僅在垃圾熱值較低時需要添加輔助燃料。垃圾的前處理要求與垃圾的流化床焚燒要求相同。 
該爐型的旋流融入裝置是一種較常采用的一種三段式旋流熔灰裝置，該裝置結構簡單、運行穩(wěn)定；能有效的焚燒氣化氣并同時融入灰渣。然而該爐型也有一些明顯的不足：1)該爐的高溫排渣口溫度較高，容易導致熔渣冷卻槽內的水揮發(fā)進入燃燒室內，使得熔渣在排渣口凝結，可能引起排渣不暢，甚至使排渣口完全堵死，需定期停爐清理排渣口；2)長期運行時，燃燒室內的燃燒氣體由于與冷卻水槽內的水接觸，會引起水體內重金屬含量變高，使得用它來冷卻的熔渣處理后的重金屬含量超標。 
回轉窯灰熔融系統(tǒng) 


圖3回轉窯灰熔融系統(tǒng)示意圖 
回轉窯+灰熔融系統(tǒng)是另一種兩步法氣化熔融系統(tǒng)，該爐型的典型結構如圖3所示，垃圾在破碎后給料器加入到由外部熱源加熱的回轉窯內，一邊接受由回轉形成的攪拌作用，一邊在約500℃無氧氣環(huán)境下緩慢進行熱分解氣化。從回轉窯排出的可燃氣直接進入下游的回旋式熔融爐內。從回轉窯下部將生成的半焦和不燃物排出，經(jīng)冷卻器冷卻后，由分離裝置將粗大的不可燃物和細小的半焦分離。然后將粉碎機粉碎后半焦貯存在筒倉中，將筒倉里的半焦經(jīng)氣力輸送至回旋式熔融爐，與自回轉窯排出的可燃氣一起在約1300℃下進行高溫焚燒，從爐底將因高溫而形成熔融狀態(tài)的爐渣排出。垃圾在回轉窯內通過外部間接加熱氣化，爐溫保持在500℃左右，與流化床氣化熔融一樣熔灰爐處于流化床后部，殘?zhí)己蜌饣瘹馔ㄟ^在高溫低過量空氣系數(shù)的辦法分離。該爐型要求垃圾需先粉碎到小于150mm。 
研究發(fā)展方向——熱選技術 熱選技術是近幾年剛發(fā)展起來的一種全新的，通過高溫氣化和重整處理達到無污染城市固體廢棄物和工業(yè)廢棄物回收的灰渣全熔氣化熔融裝置。該處理工業(yè)可以有效的利用廢棄物產生燃氣并且回收金屬和其它副產品資源。通過大規(guī)模的示范工廠和商業(yè)運行證明這是一種創(chuàng)新的廢棄物回收技術。固體廢棄物在固定床氧吹氣化(oxygen blown)同時進行灰渣熔融，以達到最大化的回收原料，同時最大可能的利用廢棄物中的化學能，最小化對環(huán)境的沖擊。目前已經(jīng)在德國的卡爾斯魯厄，日本的東京千葉(Tokyo-Chiba)和日本的Mutsu建立的商業(yè)運行工廠。卡爾斯魯厄的工廠的垃圾日處理量為720t，千葉廠的垃圾處理量為300t。該工藝設備如圖4所示，廢棄物在沒有預處理的情況下壓實，緊接著進入熱解通道(degassing channel)，熱解通道通過外部間接加熱保持在在600℃左右的溫度，廢棄物在熱解通道中干燥、熱解。熱解過的廢棄物被投入高溫反應爐。通過添加氧氣使熱解殘?zhí)籍a生氣體。燃燒灰渣在底部通過爐體上布置的燒嘴添加天然氣和氧氣在2000℃高溫下均質化熔融。熔融物通過水急冷，由于金屬和礦物的熱導率不同，兩類物質自動分離成顆粒裝。金屬顆粒可以通過磁力分選裝置分選。在反應爐上部通過添加燒嘴溫度保持在1200℃左右。氣化氣體在缺氧狀況下在爐體內停留2秒重整，合成氣主要成分為H2、CO、CO2。典型的體積分數(shù)為H2 25%～42%，CO2 25%～42%，CO 10%～25%。合成氣在出口通過水噴淋在<30ms的時間內從1200℃急速冷卻到70℃，從而防止二惡英及其它有機化合物的形成。急冷后的合成氣通過酸洗(除去合成氣中的HCl和HF，同時將合成氣的中的揮發(fā)重金屬和他們的化合物轉變成金屬離子)、堿洗(使用NaOH出去酸性液滴)、除塵(通過水洗出去氣體中的細微顆粒，洗出的細微顆粒在分離后被送回高溫熔融爐熔融)、脫硫(使用Fe3+將H2S中的硫氧化為硫單質)、干燥(使用三乙基乙二醇(TEG)干燥劑出去水分，同時可以出去痕量的重金屬)得到純凈的合成氣。從煙氣凈化系統(tǒng)除去的金屬元素和礦物可以回收利用。 
從表3可以看出該系統(tǒng)在排放和資源回收方面都環(huán)境非常友好，可回收99.5%以上的資源。熱選工藝的處理的垃圾有很強的適應性，在同樣的焚燒爐內可以處理很廣泛熱值和成分的垃圾。通過3個商業(yè)運行的垃圾處理廠證明了熱選工藝的可靠性。 
表3熱選工藝副產品二惡英含量及副產品回收情況(千葉) 


結論 
(1)國外的試運行表明氣化熔融技術是一項能有效凈化尾氣，能高溫分解二惡英，能有效處理灰渣并減小灰渣體積的技術。 
(2)與傳統(tǒng)的垃圾焚燒方式相比，氣化熔融技術能能有效的進行資源回收，并且對環(huán)境友好。 
(3)我國的垃圾焚燒技術剛起步，應在借鑒國外經(jīng)驗的基礎上采用適合我國國情的垃圾處理方式，少走彎路。