城市固體垃圾焚燒處理技術(shù)及處理效果評(píng)價(jià)

胡德超

（濱州市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，山東 濱州256600）

固體垃圾集中焚燒是目前較為常見的垃圾處理方式，而且焚燒過程中產(chǎn)生的熱量還可以用于供暖、發(fā)電，綜合效益良好。近年來，國(guó)內(nèi)垃圾焚燒技術(shù)逐漸朝著資源化、無害化、智能化方向發(fā)展，很多大型的垃圾焚燒廠基本上實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化運(yùn)行，無論是減輕運(yùn)行管理壓力還是提升垃圾處理效果，都取得了較為理想的成績(jī)。通過加快推進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新和優(yōu)化處理效果評(píng)價(jià)體系，能夠?yàn)楣腆w垃圾的焚燒處理提供全方位的支持，這對(duì)城市的生態(tài)文明建設(shè)也大有裨益。

1 城市固體垃圾焚燒處理技術(shù)

1.1 干燥過程

固體垃圾中含有較多的水分，占比通常在20%～50%之間。為了提高焚燒處理效果，在固體垃圾焚燒之前要進(jìn)行干燥預(yù)處理。水分含量越高，則干燥過程中消耗的熱能越多，干燥處理的時(shí)間也相對(duì)較長(zhǎng)。現(xiàn)階段常用的固體垃圾干燥技術(shù)主要包括三種：其一是輻射干燥，利用高爐的側(cè)壁輻射出的高溫?zé)崃繉?duì)固體垃圾進(jìn)行烘干；其二是通氣干燥，高爐提供的高溫空氣，從爐底自下而上的流通，利用高溫?zé)釟鈱?duì)固體垃圾進(jìn)行烘干；其三是接觸干燥，固體垃圾燃燒之后，自身溫度升高，對(duì)水分也能夠起到烘干效果。固體垃圾經(jīng)過預(yù)處理后，含水率降低至2%以下，為下一步的徹底焚燒創(chuàng)造良好條件。

1.2 熱分解過程

城市固體垃圾中各類有機(jī)化合物，在高溫環(huán)境下可以發(fā)生分解、聚合等化學(xué)反應(yīng)。熱分解是焚燒的首要環(huán)節(jié)，并且與固體垃圾焚燒是否完全也會(huì)有直接的影響。通常來說，熱分解越徹底，焚燒處理的效率越高，產(chǎn)生的二次污染物越少。成分復(fù)雜的固體垃圾，在熱分解以后主要獲得烴類物質(zhì)、固定碳等組分。影響熱分解速率的因素有多種，例如可燃物的活化能、環(huán)境溫度、氣體流通速度等。計(jì)算熱分解速率可以使用如下公式：

上式中，K 即熱分解速率，A 代表頻率系數(shù)，e 為自然常數(shù)，E 為可燃物活化能，R 為氣體常數(shù)，T 為環(huán)境溫度。根據(jù)這一公式，通過降低可燃物的活化能（E），或是提高環(huán)境溫度（T）、增加空氣流速（R），都能夠起到加快熱分解速率的效果。除此之外，固體垃圾的成分也會(huì)通過影響導(dǎo)熱性能進(jìn)而對(duì)熱分解速度產(chǎn)生影響。但是考慮到固體垃圾成分復(fù)雜，在實(shí)際計(jì)算時(shí)允許忽略不計(jì)。

1.3 燃燒過程

由于固體垃圾的組分復(fù)雜，因此整個(gè)燃燒過程會(huì)發(fā)生多種反應(yīng)，以燃燒形式來看，除了分解燃燒外，還有表面燃燒、蒸發(fā)燃燒等若干種形式。除此之外，經(jīng)過一道預(yù)處理程序（烘干）和第一道燃燒程序（熱分解）后，固體垃圾中包含的可燃成分也被分為兩種，一種是固態(tài)可燃物，包括各類有機(jī)化合物；另一種是氣態(tài)可燃物，例如一氧化碳、飽和烷烴等。在高溫環(huán)境下，這些可燃物在通入氧氣的情況下進(jìn)行燃燒，并逐漸分解成分無害化的無機(jī)化合物。

在熱分解環(huán)節(jié)形成的一些具有較強(qiáng)還原性的氣體（如一氧化碳、氫氣），在提供高溫、高氧環(huán)境后，可以發(fā)生劇烈的燃燒。這一階段高爐內(nèi)會(huì)出現(xiàn)燃燒的火焰；隨著可燃?xì)怏w被消耗完全，只剩下固體可燃物進(jìn)行表面燃燒，此時(shí)燃燒火焰減小甚至消失。要想提高固體垃圾的燃燒速率和分解效果，除了做好烘干、熱分解兩道工序外，還應(yīng)保證固體垃圾的持續(xù)、均勻供應(yīng)。調(diào)節(jié)空氣流也是一種提高燃燒效率的方式，但是在實(shí)際操作中，應(yīng)注意控制風(fēng)量和風(fēng)速，避免通入空氣過多、風(fēng)速過快而導(dǎo)致垃圾熔融結(jié)塊、影響正常排煙的情況。

1.4 國(guó)標(biāo)要求

在《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB18485-2014）中，對(duì)固體垃圾焚燒處理的相關(guān)指標(biāo)作出了明確的要求。在實(shí)際進(jìn)行焚燒處理時(shí)，必須符合這些要求，從而讓固體垃圾完全燃燒、處理徹底。例如，燃燒剩余的爐渣，其熱灼減率不得超過5%；燃燒室內(nèi)煙氣在高于850℃的情況下，滯留時(shí)間不得少于2s。

2 燃燒過程控制參數(shù)

對(duì)垃圾焚燒有重要影響的因素，在燃燒過程中均需要重點(diǎn)控制。可以概括為“3T+E”，即焚燒溫度、氣體留滯時(shí)間、垃圾混合程度和過剩空氣率。另外還有燃燒室內(nèi)溫度與負(fù)荷，各個(gè)變量的影響關(guān)系如表1 所示。

表1 燃燒控制參數(shù)的影響關(guān)系

其中：（1）焚燒溫度越高，則對(duì)固體垃圾中可燃廢物的分解與氧化能力越強(qiáng)，有毒有害物質(zhì)的轉(zhuǎn)化效率較高，但是也要考慮高溫引起的負(fù)荷問題，避免一味增加焚燒溫度而增加運(yùn)行成本。（2）氣體留滯時(shí)間約長(zhǎng)，燃燒越充分。尤其是經(jīng)過熱分解之后，空氣中可燃燒的固體顆粒物或氣體含量增加。適當(dāng)延長(zhǎng)氣體留滯時(shí)間，讓這些氣態(tài)可燃物有更加充分的機(jī)會(huì)與空氣接觸，因此燃燒也更加徹底。（3）垃圾混合程度是指固體垃圾與空氣接觸的面積和時(shí)間。在實(shí)際工作中可以采取旋轉(zhuǎn)擾動(dòng)、機(jī)械爐排擾動(dòng)等方式，實(shí)現(xiàn)爐床上、下同時(shí)送風(fēng)的效果，使得混合強(qiáng)度進(jìn)一步提升，垃圾熱灼減量更低。

理論上，固體垃圾中的可燃物與氧氣充分混合后，能夠?qū)崿F(xiàn)徹底燃燒。但是實(shí)際上，垃圾焚燒廠出于成本考慮，并不會(huì)直接通入純氧，而是通入空氣。由于空氣中含有二氧化碳等不可燃的成分，會(huì)導(dǎo)致可燃物無法做到完全燃燒。因此同等情況下要想實(shí)現(xiàn)完全燃燒，必須提供更多的助燃空氣量，即過剩空氣。過剩空氣系數(shù)M可以通過公式求得：

M=實(shí)際供應(yīng)空氣率/理論空氣量

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在焚燒過程中確定通入空氣的最佳量。過剩空氣系數(shù)M對(duì)垃圾燃燒的影響如圖1 所示。

圖1 過剩空氣系數(shù)過低對(duì)垃圾燃燒的影響合上圖可知，當(dāng)固體垃圾焚燒過程中過剩空氣不

結(jié)足的情況下，部分可燃性差的垃圾由于與氧氣接觸的機(jī)會(huì)少，因此更容易出現(xiàn)燃燒不徹底的情況。不能完全燃燒的固體垃圾，會(huì)釋放出更多的一氧化碳、氮氧化物。這些污染氣體以尾氣的形式排出，容易造成空氣的污染。同樣的，過剩空氣還會(huì)起到加速爐內(nèi)熱量擴(kuò)散的作用，如果通入的過剩空氣不足，還會(huì)造成爐內(nèi)溫度持續(xù)的上升。當(dāng)實(shí)際溫度超過高爐運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)溫度后，會(huì)帶來兩種負(fù)面影響：其一是爐內(nèi)高溫空氣會(huì)隨著除塵器排出，導(dǎo)致尾氣的溫度明顯上升，尾氣中二噁英的含量增加，排放入空氣后造成嚴(yán)重的空氣污染。其二是高爐內(nèi)產(chǎn)生結(jié)渣，附著在高爐的內(nèi)壁上，久而久之就會(huì)對(duì)耐火物造成損傷，縮短了高爐設(shè)備的使用壽命。

3 焚燒處理效果的評(píng)判

3.1 減量比

固體垃圾的成分復(fù)雜，其中既有可燃物也有非可燃物。減量比是固體垃圾中可燃燒廢物經(jīng)焚燒處理后減少的質(zhì)量，占固體垃圾中可燃燒廢物總質(zhì)量的比值，計(jì)算公式如下：

上式中，MRC 即減量比，單位為%；m1 為焚燒前固體垃圾的總量，單位為kg；m2 為焚燒后剩余殘?jiān)馁|(zhì)量，單位為kg；m3為剩余殘?jiān)胁豢扇嘉锏馁|(zhì)量，單位為kg。減量比越高，說明固體垃圾中廢物處理效果越理想。

3.2 熱灼減量

經(jīng)過高溫焚燒后的垃圾殘?jiān)?jīng)600℃（±25℃）連續(xù)經(jīng)過3小時(shí)后的高溫灼燒后，其質(zhì)量會(huì)進(jìn)一步降低。減少的這一部分質(zhì)量占垃圾殘?jiān)偭康谋戎担礊闊嶙茰p量，計(jì)算公式如下：

式中，Q 為熱灼減量，單位為%；m2 是焚燒殘?jiān)?jīng)干燥后冷卻至室溫的質(zhì)量，單位為kg；m4 為焚燒殘?jiān)?jīng)600℃（±25℃）灼燒3 小時(shí)后恢復(fù)至常溫的質(zhì)量，單位為kg。減少的這部分質(zhì)量，主要是固體垃圾中未完全燃燒的碳，或其他可燃物。因此，熱灼減量的高低，代表了固體垃圾的焚燒是否徹底。熱灼減量越多，則焚燒越徹底，說明處理效果越好。

3.3 煙氣排放濃度限制指標(biāo)

固體垃圾在焚燒過程中，會(huì)釋放出新的有害物質(zhì)。這些微小顆粒或氣體成分，會(huì)通過煙氣排放到空氣中。在污染物濃度較高的情況下，將會(huì)對(duì)垃圾焚燒廠周邊的空氣環(huán)境造成嚴(yán)重污染。因此，在評(píng)價(jià)固體垃圾焚燒處理效果時(shí)，應(yīng)當(dāng)將煙氣排放濃度作為一項(xiàng)限制指標(biāo)。其中，需要加以限制的成分主要有四類：第一類是煙塵，例如顆粒物的含量，煙氣的黑度等；第二類是有毒、有害氣體成分，例如氮氧化物、二氧化硫等；第三類是重金屬元素，例如汞、鉛等；第四類是有機(jī)化合物，如二噁英。

4 結(jié)論

城市固體垃圾的減量化、無害化處理，已經(jīng)成為影響城市可持續(xù)發(fā)展的重要因素。焚燒處理作為現(xiàn)階段一種成本較低、效果較好且效益較高的固體垃圾處理技術(shù)，既有其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，也存在一些技術(shù)缺陷。例如煙氣中有害物質(zhì)超標(biāo)、垃圾殘?jiān)贌粡氐椎取Ｍㄟ^構(gòu)建更加完善的處理效果評(píng)價(jià)體系，客觀的衡量當(dāng)前焚燒處理的效果；根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果找出不足，進(jìn)而將其作為技術(shù)研究的方向，讓焚燒處理技術(shù)趨于完善，更好的應(yīng)用于城市固體垃圾的無害化處理。