一、技術(shù)開發(fā)的背景與意義

　　二十世紀(jì)以來(lái)，固體廢棄物的排放急劇增加，造成的大氣污染、地下水污染、土壤污芽土地占用、自然景觀破壞等問題日趨嚴(yán)重。固體廢棄物分為工業(yè)垃圾和城市垃圾兩種，城市垃圾的產(chǎn)量是驚人的，據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)1990年城市垃圾總產(chǎn)量為6900萬(wàn)噸，北京市每年的城市權(quán)產(chǎn)量超過200萬(wàn)噸。如何有效地處理這些城市垃圾，使之資源化、減量化和無(wú)害化（即"三化"），成為當(dāng)前世界各國(guó)十分關(guān)注的課題。

　　對(duì)城市垃圾的常用處理方法有填埋、堆肥，制沼氣、填海、焚燒和流化床制燃?xì)獾龋渲幸苑贌?、流化床制燃?xì)獾奶幚矸椒榧?，符?ldquo;三化”的要求。由于流化床制燃?xì)獾姆椒ㄍ顿Y大、工藝設(shè)備復(fù)雜，尚處于研究起步階段。城市垃圾焚燒技術(shù)在美國(guó)一日本、法國(guó)、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家己得到初步應(yīng)用，并產(chǎn)主了良好的環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益。焚燒垃圾、回收能源的辦法是我國(guó)處理城市垃圾的一個(gè)主要發(fā)展方向。

　　二、國(guó)外垃圾焚燒發(fā)電概況

　　1．國(guó)外垃圾發(fā)電

　　國(guó)外最早進(jìn)行垃圾焚燒技術(shù)研究開發(fā)的是德國(guó)，隨即英國(guó)、法國(guó)、美國(guó)、日本等國(guó)也積極開展了這方面的研究。

　　德國(guó)目前己有五十余座從垃圾中提取能量的裝置及十多家垃圾發(fā)電廠，并且用于熱電聯(lián)產(chǎn)，以便有效地對(duì)城市進(jìn)行采暖或提供工業(yè)用汽，1965年聯(lián)邦德國(guó)垃圾焚燒爐只有7臺(tái)，年處理垃圾71．8萬(wàn)噸，可供總?cè)丝?．1%的居民用電。至1985年，焚燒爐已增至46臺(tái)，年處理垃圾800萬(wàn)噸以上，占垃圾總數(shù)的 30％，可供總?cè)丝?4％的居民用電，柏林、漢堡、慕尼黑等大型城市中，民用電的10、7％來(lái)自垃圾焚燒。1995年德國(guó)垃圾焚燒爐達(dá)67臺(tái)，受益人口的比率從34%增加到50％。法國(guó)共有垃圾焚燒爐約300臺(tái)，可將城市垃圾的40％以上處理掉。巴黎有4個(gè)垃圾焚燒廠，年處理量170萬(wàn)噸，占全市垃圾總量的90％，口收的能量相當(dāng)于20萬(wàn)噸石油，供蒸汽量占巴黎市供熱公司總量的三分之一。美國(guó)從80年代起，政府投資70億美元，興建90座焚燒廠，年總處理能力3000萬(wàn)噸。目前最大的垃圾發(fā)電廠已經(jīng)在底特律市建造，日處理垃圾量4000噸，發(fā)電量65MWe。瑞典、丹麥等國(guó)也有類似的焚燒發(fā)電廠。

　　2．國(guó)外垃圾焚燒設(shè)備

　　垃圾鍋爐是垃圾熱電站臺(tái)的主要設(shè)備，亦是發(fā)展垃圾熱電站的關(guān)鍵所在。由于垃圾燃料是具有一定腐蝕性、水分大、熱值不穩(wěn)定的垃圾，因而垃圾鍋爐及其燃燒設(shè)備在設(shè)計(jì)上有其一定的特殊性。由于垃圾發(fā)熱值低，且水份含量較高，因此，性能優(yōu)良的燃燒設(shè)備是垃圾鍋爐的關(guān)鍵之處。國(guó)外已投入運(yùn)行的垃圾鍋爐燃燒方式主要有以下幾種：

（1）多級(jí)階梯鏈條爐排垃圾在爐排上由高到低逐級(jí)流動(dòng)，逐級(jí)燃燒至燃盡。

（2）傾斜往復(fù)式爐排是間隙動(dòng)作的逆向傾斜往復(fù)爐排，與我國(guó)一般燃煤的間隙動(dòng)作順向傾斜往復(fù)式爐排不一樣。這種爐排的優(yōu)點(diǎn)是：

①火種與主垃圾混合性好，易干燥，著火快。

②垃圾層間攪拌充分，利用完全燃燒：

③干燥、著火、燃燒、燃盡一系列過程都在爐排上進(jìn)行，故而處理效率極高

④垃圾層均勻，燃燒穩(wěn)定，爐溫及鍋爐蒸發(fā)量變動(dòng)很小。

（3）流化床燃燒方式流化床燃燒對(duì)燃料的適應(yīng)性好，能完全燃燒各類城市垃圾或有機(jī)的工業(yè)垃圾等。

（4）旋轉(zhuǎn)式燃燒旋轉(zhuǎn)式燃燒是KWU／SIEMNS公司在Uim一Wibligen試驗(yàn)成功的新的工業(yè)流程。該工藝是將垃圾在緩慢旋轉(zhuǎn)的簡(jiǎn)體內(nèi)450℃ 進(jìn)行無(wú)氧碳化，產(chǎn)主沼氣和固態(tài)殘留物。固態(tài)殘留物中用機(jī)械方法去除非可燃物（如金屬、石塊、玻璃等），余下部分為碳化物，其熱值達(dá)到與褐煤相仿。這部分碳化物與產(chǎn)生的煤氣共同在1300℃下燃燒。

（5）等離子弧燃燒方式該方法是通過在垃圾堆中設(shè)一條通道，將等離子弧及冷卻劑和氣體經(jīng)通道輸入垃圾中，這時(shí)火種將垃圾熔化蒸發(fā)，使之變成無(wú)害的玻璃狀熔渣。燃燒火焰溫度可高達(dá)8000℃，釋放的氣體引入燃料電池發(fā)電。

　　目前，國(guó)外垃圾焚燒鍋爐的容量一般在10t／h~100t／h，蒸汽壓力為1.4Mpa~4.7Mpa，蒸汽溫度多為飽滿和溫度，一般是在400．C左右。

　　三、中國(guó)迫切需要發(fā)展垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)

　　1．我國(guó)垃圾產(chǎn)量及成份

　　我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展和人民主活水平的不斷提高，城市生活垃圾的產(chǎn)量逐年增加，年均增長(zhǎng)率接近9%。 雖然我國(guó)城市居民人均日產(chǎn)垃圾不足1kg，低于大多數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家，但其總產(chǎn)量卻相當(dāng)高，見表1。預(yù)計(jì)到2000年我國(guó)城市垃圾產(chǎn)量將達(dá)到19000萬(wàn)噸左右，我國(guó)城市垃圾的特點(diǎn)是無(wú)機(jī)物含量高于有機(jī)物含量，不可燃成分高于可燃成分。但不同類別城市之間差別較大，中小城市垃圾的有機(jī)質(zhì)含量多為2%左右，一些大城市如北京市的垃圾有機(jī)質(zhì)含量可高達(dá)8％以上。有機(jī)成分中，以生物質(zhì)（即生物與廚房垃圾）所占比例為大，紙張較少，而國(guó)外垃圾中紙張所占比例較大：無(wú)機(jī)成分中，以灰土磚石為主，玻璃、金屬等含量很低。垃圾組成成分不同，決定了我國(guó)垃圾處理應(yīng)走自己的路、而且不同城市之間也采取不同的處理，不能簡(jiǎn)單地仿效國(guó)外。

　　2．發(fā)展垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)大有可為

　　一般認(rèn)為，當(dāng)垃圾的發(fā)熱值大于3349kJ/kg時(shí)，就可以由自然方式直接燃燒。我國(guó)垃圾的發(fā)熱值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家。

　　我國(guó)中等以上城市的垃圾低位發(fā)熱量一般在2512~4605kJ/kg范圍內(nèi)，北京地區(qū)較高，可達(dá)到349~65605kJ/kg。隨著城市生活水平的不斷提高，北京市1997年以后天然氣營(yíng)道接通后城市燃煤氣率將有突破性增加，垃圾的發(fā)熱值還會(huì)不斷增加。顯然，燃煤氣化的發(fā)展對(duì)保證垃圾可烯是很重要的一步。

　　燃用煤氣地區(qū)的城市垃圾中有機(jī)物的含量相當(dāng)高,一般超過50％，高的達(dá)80%以上。大量的有機(jī)垃圾是極寶貴的資源，它既可提煉有用的物質(zhì)，亦是垃圾中主要的可燃成分。

　　發(fā)展城市垃圾熱電站與城市人口數(shù)量亦有一定的關(guān)系，因?yàn)殡娬镜闹鳟a(chǎn)是連續(xù)性的，需要有厄夠數(shù)量的垃圾才能保證連續(xù)運(yùn)行。同時(shí)，還要考慮垃圾數(shù)量與質(zhì)量會(huì)隨季節(jié)的不同而有變化。按城市人口平均每人每天產(chǎn)主垃圾量約為1kg（發(fā)達(dá)國(guó)家稍多）計(jì)算，城市人口太于100萬(wàn)以上·則每日產(chǎn)主城市垃圾在1000噸以上，就可以保證穩(wěn)定發(fā)電。

　　3．開發(fā)適合我日垃圾的國(guó)產(chǎn)焚燒鍋爐

　　國(guó)外目前比較成熟的垃圾焚燒設(shè)備多為馬丁爐排鏈條爐。對(duì)于熱值較高的城市垃圾而言，這種選擇無(wú)疑具有其科學(xué)性，但在處理熱值較低且變化范圍較大的我國(guó)城市垃圾時(shí)，必然帶來(lái)一定程度上的困難，甚至影響整個(gè)垃圾焚燒廠運(yùn)行。深圳衛(wèi)主處理廠引進(jìn)的日本焚燒爐就已經(jīng)遇到了這一情況，從投資的角度來(lái)看，引進(jìn)一套（兩臺(tái)）日處理量600噸垃圾（發(fā)電功率為2x3Mwe）的焚燒發(fā)電處理廠需要投資約4.5億人民幣，對(duì)于處于發(fā)展時(shí)期的我國(guó)來(lái)說是難以接受的。若能開發(fā)研制符合中國(guó)國(guó)情的國(guó)產(chǎn)化垃圾焚燒爐，將具有廣闊和應(yīng)用前景。在固體廢棄物的焚燒處理方面，我國(guó)科研工作者做過大量的工作，主要采用鼓泡流化床或循環(huán)流化床燃燒方式。對(duì)于熱值及成分多變的垃圾，流化床燃燒是具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)的，這己為國(guó)外學(xué)者所公認(rèn)。尤其是在污染物控制方面，流化床同時(shí)解決了燃燒與脫污染物過程，有效地降低了設(shè)備的初投資，減小系統(tǒng)的復(fù)雜性，因此采用流化床焚燒方式，開發(fā)研制符合中國(guó)國(guó)情的國(guó)產(chǎn)化垃圾焚燒爐將是一條合理的技術(shù)路線。從工藝角度看。垃圾焚燒技術(shù)的核心是燃燒問題，只有保證鍋爐能穩(wěn)定、充分清潔地燃燒，才可能實(shí)現(xiàn)垃圾的無(wú)害化和降容化。為了組織好燃燒；需要開發(fā)一套成熟的能把成分復(fù)雜、大小不一的原始垃圾順利送入燃燒裝置，并把灰渣及不可燃物質(zhì)（如石磚等）從燃燒設(shè)備順利排出的技術(shù)和裝置，焚燒后垃圾減量程度可達(dá)90％。為了保證垃圾焚燒后不對(duì)環(huán)境造成二次污染，需要發(fā)展相關(guān)的污染控制技術(shù)，一方面要靠合理、有效地組織燃燒過程以控制Nox和二惡英、吹哺類的污染物產(chǎn)生量，另一方面要有效地去除或防止HCI、Sox和重金屬的污染，為了減少投資和提高效率，需要有效地回收燃燒產(chǎn)物：煙氣中的熱能。燒掉垃圾，只是滿足環(huán)保的需要，實(shí)現(xiàn)了垃圾的無(wú)害化、降容化。垃圾焚燒爐的熱利用，亦即進(jìn)一步運(yùn)用余熱鍋爐，充分利用焚燒熱，實(shí)現(xiàn)蒸汽發(fā)電、供熱，是垃圾的資源化。此外，還可對(duì)焚燒后的灰渣進(jìn)行制磚等綜合利用。概括他說，垃圾焚燒綜合利用技術(shù)需要解決燃燒、污染控制和進(jìn)料、排渣等一系列問題。這些問題在通常的燃燒組成穩(wěn)定的燃料時(shí)是可以解決的，但由于作為燃料的垃圾的復(fù)雜成分需要進(jìn)行深入詳細(xì)的研究。

　　四、垃圾熒僥發(fā)電綜合利用技術(shù)

　　1．垃圾進(jìn)料裝置

　　國(guó)內(nèi)的城市生活垃圾沒有分類，而分選、破碎的設(shè)備不僅十分復(fù)雜，而且可靠性差，因此不能走國(guó)外的流化床焚燒爐把垃圾破碎到一定粒度（如1~10mm）的路線，必須開發(fā)出能原始垃圾（盡管其中可能含有木頭、金屬和磚石等不規(guī)則物體）順利送入爐膛的進(jìn)料裝置，清吩學(xué)根據(jù)幾十年煤燃燒技術(shù)科研與工程的經(jīng)驗(yàn)和對(duì)國(guó)內(nèi)外有關(guān)裝置的比較、研究，選用爐排進(jìn)料、流化床燃燒的方式，順利解決了這個(gè)問題。

　　2．流化床垃圾焚燒技術(shù) 流化床燃燒技術(shù)是專門針對(duì)低熱值燃料而開發(fā)的，流化床焚燒低熱值的垃圾有較高的效率，燃燒效率可高達(dá)95％以上，而且對(duì)燃料成分變化不敏感：熱值不足以維持熱平衡時(shí)投入輔助燃料（煤）助燃。通過實(shí)驗(yàn)運(yùn)行，己解決了焚燒的充分性、可靠性，而且由于流化床獨(dú)特的燃燒方式，其氣體有害物的排放量少于其它焚燒方式。清華大學(xué)對(duì)垃圾焚燒機(jī)理的理論與實(shí)驗(yàn)研究己為垃圾焚燒爐的設(shè)計(jì)提供了必需的設(shè)計(jì)依據(jù)。