城市垃圾焚烧及其余热利用
随着城市的发展和人民生活水平的提高，城市垃圾的产生量大幅度增加，我国城市垃圾年产生量已达1.5亿t，并每年以8％～10％速度递增。在我国得到广泛应用的城市垃圾处理、处置技术主要有卫生填埋、焚烧和堆肥，其中最主要的是卫生填埋技术，但随着城市规模的扩大、城市人口的增加，我国土地资源日益紧张，很多城市很难找到适宜的填埋场地，采用垃圾焚烧处理方式的比例越来越高。垃圾焚烧既可以达到无害化的目的，同时又能获得能源，如果垃圾发热量城市垃圾焚烧及其余热利用按5000 kJ/kg来计算，1.5亿t的垃圾可折合标煤约2559亿t。
1 焚烧技术的特点
焚烧是一种将城市垃圾进行高温热化学处理的技术，也是将城市垃圾实施热能利用的一种形式。垃圾在800～1000℃下，垃圾中的可燃组分与空气中的氧进行激烈的化学反应，释放出热量并转化为高温燃烧气和少量性质稳定的固体残渣。垃圾焚烧处理与其他城市垃圾处理方法相比具有独特的优点：
1.1 消毒彻底、稳定化程度高、卫生条件好。城市垃圾经高温焚烧处理后，垃圾中的细菌、病毒等病原体被彻底消灭；恶臭氨气和有机质被高温分解；处理后的残渣可直接填埋处置。
1.2 减容效果好。城市垃圾经焚烧处理后一般可减容80％～90％，可大大节省最终处置用地。
1.3 处理效率高，受外界环境影响小，可实现全天候操作。如深圳市环卫综合处理厂——我国第一座燃垃圾电站，有3台13 t/h的双锅筒自然循环式锅炉，每台处理量为6.25 t/h，若平均年运行时间按6000 h计，则每年处理垃圾约11万t。
1.4 经济合算，占地面积少，发展前景好。随着卫生填埋费用的增加，焚烧处理的费用可望与卫生填埋持平；垃圾焚烧可以回收热能和垃圾中的有价金属，资源化程度高；占地面积小，可在市区建设，大大节省垃圾运输费用。
2 城市垃圾焚烧发热量的计算
城市垃圾采用焚烧技术进行处理的可行性取决于城市垃圾的发热量，要使垃圾维持燃烧，就要求城市垃圾燃烧释放出来的热量满足入炉的城市垃圾达到燃烧温度所需要的热量和发生燃烧反应所必需的活化能，否则，就需要添加辅助燃料才能维持燃烧。发热量有两种表示法，高位发热量和低位发热量，高位发热量是指废物在一定温度下反应达到最终产物的焓的变化，低位发热量同高位发热量含义相同，只不过低位发热量的最终产物中水以气态形式存在，而高位发热量最终产物中水以液态形式存在，高位发热量和低位发热量之间的差值即为水的气化潜热，低位发热量和高位发热量关系如下：
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式中Qα低位发热量；Qg高位发热量；ω(H)垃圾中氢的质量分数，％；W垃圾含水率，％。
根据经验，城市垃圾的低位发热量大于4180 kJ/kg时，燃烧过程无需添加辅助燃料，可实现自燃烧。
城市垃圾发热量计算最常用的方法就是先测定出城市垃圾中各组成成份的比例，再通过测定各组成物质的发热量，按比例求和法算出城市垃圾的发热量。
如果知道城市垃圾的组成物质及其组成物质的构成比例，则城市垃圾的低位发热量可近似算出，首先通过Dulong方程式算出各组成的低位发热量如：
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其中，ω(c)、ω(H)、ω(o)、ω(cl)和ω(s)分别代表碳、氢、氧、氯和硫的质量分数。
再根据城市垃圾各组成的比例计算出城市垃圾的低位发热量：
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城市垃圾组成不同，其发热量不同。全由废塑料构成的城市垃圾低位发热量可达32527 kJ/kg，全由废木料构成的城市垃圾低位发热量可达18610 kJ/kg，但由碎玻璃构成的城市垃圾低位发热量可能只有140 kJ/kg。人们的生活水平以及城市产业构成不同，致使城市垃圾发热量不同。比如1997年常州城市垃圾的发热量为3007 kJ/kg，而同期杭州为4452 kJ/kg，广州为4412 kJ/kg，美国、德国、日本等发达国家的城市垃圾发热量大多高于6000 kJ/kg。随着工业的发展和人民生活水平的提高，我国城市垃圾成分也发生了很大的变化，一方面，因为能源逐渐以煤制气、液化石油气和电能为主，城市垃圾成分中炉灰大量减少；另一方面，城市垃圾中包装和轻工业生产所废弃的纸、布、竹、木、塑料、橡胶等大量增多，使得我国垃圾发热量提高，采用垃圾焚烧技术解决我国城市垃圾环境和资源问题变得切实可行。
3 焚烧设备
目前世界上焚烧炉型号已达200多种，这些焚烧技术或设备各有特色，按垃圾焚烧方式可分为：
3.1 炉排式焚烧炉炉排式焚烧炉在焚烧过程中利用炉排运送固体废物和炉渣，同时不断搅动固体废物并使炉排下方的空气穿过固体燃烧层，使燃烧反应充分进行。炉排式焚烧炉应用时间长，技术成熟；处理能力可达1200 t/d，是最大处理能力的焚烧炉型；设备简单、维修方便、燃烧管理容易、运行费用低，但炉排型焚烧炉燃烧温度较低，易产生二恶英，炉渣需经无害化处理后才能被利用。炉排式焚烧炉根据活动炉排的种类又可分为并列摇动式炉排炉、台阶往复式炉排炉、逆动式炉排炉、台阶式炉排炉、履带式炉排炉和滚筒式炉排炉。
3.2 流化床焚烧炉流化床焚烧炉在炉内铺设一定厚度、一定粒度范围的石英砂或炉渣，通过底部布风板鼓入一定压力的空气，将砂粒吹起、翻腾、浮动，使燃烧发生在高密度、充满固体的环境中，流化床内气——固混合强烈，传质速率高，单位面积处理能力大，具有极好的着火条件。采用石英砂作为热载体，蓄热量太，燃烧稳定性较好，燃烧反应温度均匀，很少局部过热。可通过加入小颗粒的碱性物质，与燃烧过程中产生的酸性气体反应，达到减少酸性气体排放的目的。但流化床焚烧炉要求颗粒均匀的燃烧废物，且要求均匀的废物给料率；处理能力及减容比在焚烧炉系统中最小，分别为150t/d和33:1；设备复杂、维修困难、燃烧管理困难、运行费用高；较易产生二恶英，烟气中含大量灰尘，处理困难；焚烧炉渣需经无害化处理才能被利用。
3.3 回转窑式焚烧炉回转窑式焚烧炉在圆柱形金属壳外砌筑耐火砖，水平安放稍有倾斜，通过炉体整体转动达到固体均匀混合并沿倾斜角度向出料端移动。回转窑式焚烧炉由窑头、窑尾及窑体组成，窑体内可安装扬料板。回转窑式焚烧炉的特殊结构可使废弃物在燃烧过程中充分接触，燃烧速度快，燃烧充分；可以焚烧多种类型的垃圾，可以处理体积较大的废物，对于危险废物，特别是混合垃圾（液态、固态混合），经常采用这种形式的焚烧炉。回转式焚烧炉设备简单、操作容易、运行费用相对较低，但焚烧设备维修相对困难；产生的烟气中含有一定量的二恶英，焚烧炉渣需经无害化处理后才能被利用。
3.4 熔融气化焚烧炉熔融气化焚烧炉是近年才发展起来的一种焚烧炉型，在燃烧过程中能有效扼制二恶英类毒性物质的生成，能够有效回收垃圾中的有价金属和综合利用炉渣。熔融气化焚烧炉在焚烧过程中先将生活垃圾进行热解产生可燃性气体和固体残渣，然后进行燃烧和熔融，或将气化和熔融合为一体。熔融气化焚烧炉主要是利用二恶英在高温下大部分会分解的特性通过控制烟气温度来分解二恶英及其前体物，从而使总体产生的二恶英类物质减少。由于熔融气化焚烧炉的炉渣经过高温熔融，燃烬率高，炉渣已经经过消毒可直接回收利用。熔融气化焚烧炉整个炉膛的气氛为还原状态，有价金属在炉膛中不会受到氧化，在随炉渣排出后易被分选而回收利用。熔融气化焚烧炉运行费用高、维修相对困难，但减容比为各类焚烧炉中最高，可达70:1，资源回收利用高，二次污染小，是值得大力发展的焚烧炉型。
4 焚烧余热的利用
4.1 余热直接利用
将垃圾焚烧产生的烟气余热转化为蒸汽、热水和热空气是典型的热能直接利用形式。通过布置在垃圾焚烧炉之后的余热锅炉或其他热交换器，将烟气热量转化成一定压力和温度的热水、蒸汽以及一定温度的助燃空气，直接提供给外界。将经预热后的助燃空气充人焚烧炉体，对于垃圾焚烧可以起到两个方面的好处，一就是预热后的助燃空气可以改善在焚烧炉内焚烧垃圾所需着火条件，促进有效快速焚烧垃圾；二就是余热后的助燃热空气可以把热量带人焚烧炉内，提高焚烧炉体内可有效利用的热量。热水，蒸汽不仅可以供给焚烧厂自身的生产需要，还可以作为工厂副产品对外供应。
热能直接利用方式受垃圾焚烧厂自身的生产需要和与副产品受纳点距离等因素的限制，采用这种方式有效利用余热的前提是焚烧厂建设规划合理，否则余热可能会因为无法实现良好的供求关系而白白浪费。
4.2 余热发电
为了克服余热直接利用受建厂规划的限制不能充分利用的缺点，将热能转化为电力是一种相对有效的方式。因为转化为电力后长途运输受限较少，还可以整合小型分散的焚烧厂，实现规模效应，当然把余热转化为电力需要增加一定的固定资产，使得焚烧厂的固定投资增加，运行费用有所增加，但余热转化为电力后带来稳定的收益，具有比较明显的经济效益。目前我国城市垃圾年清运量已达到1.5亿t，若焚烧处理率为15％，每吨垃圾发电量按250 kW·h计，则年焚烧发电量可达到56.71亿kW·h，完全可以把垃圾作为一种新型能源加以开发利用。深圳市环卫综合处理厂于1985年从日本引进了2 台三菱马丁式垃圾焚烧炉，单台日处理垃圾150 t，还装有1台500 kW发电机组及配套设备。二期工程于1996年7月投产增建1台国产马丁炉和1台3000 kW发电机组。北京、上海、天津、重庆、广州、长沙、珠海等城市也都进行了大量可行性研究。在建或拟建垃圾焚烧发电厂。在美国169座垃圾焚烧设施中，有 37座设施利用焚烧余热进行发电，发电总量高达200 MW。瑞士的48座垃圾焚烧厂，其中有30多座发电。日本东京有13座垃圾焚烧厂，1984年共发电3亿kW·h，收入11亿日元以上，同时还为生活小区提供蒸汽及居民福利设施的热水。很多国家规定，在建设垃圾焚烧厂后，厂家有义务回收垃圾焚烧产生的能源，还有不少国家规定，电力公司有义务购买垃圾焚烧厂全年的电力，这些法律条文的出台，为垃圾焚烧发电事业提供了法律保障。高效垃圾发电技术的开发应用，为垃圾焚烧发电提供了必要的条件，把垃圾焚烧当作大型发电厂来建设，使过去单纯的公益性垃圾处理设施转变为盈利型处理设施。
目前我国采用垃圾焚烧发电还存在很多的问题，主要表现为：
（1）垃圾发电要求具有较高的垃圾焚烧管理水平，对焚烧垃圾的发热量要求较高。
垃圾焚烧发电需要垃圾生产者的充分配合，并实现垃圾分类收集。目前我国垃圾管理体制不健全，垃圾没有进行分类收集，根据经验，城市垃圾的低位发热量大于 4180 kJ/kg时，燃烧过程无需添加辅助燃料，易于实现自燃烧，但目前我国很多城市生活垃圾的焚烧发热量本身就不高，同时不合理的收集方式进一步降低了垃圾焚烧的可行性。
（2）全套垃圾焚烧设备投资惊人，国产化程度低，对经济承受能力要求较高。
引进垃圾焚烧发电设备费用惊人，国外垃圾发电机组的初投资比国内同等规模的初投资大4倍多，运行费用高30％～50％，同时国外垃圾焚烧设备主要适用于处理经过分拣、发热量较高的垃圾。杭州锅炉厂投巨资引进日本三菱重工技术生产的垃圾焚烧炉，合同规定销售10台后将开始实现设备全国产化。
（3）垃圾焚烧发电后电力产业化问题。
国家要对垃圾焚烧发电产业化给以必要的优惠政策。目前，国外一些企业探讨垃圾发电的“BOT”方式，他们提出：保证垃圾焚烧发电优先上网；对垃圾发电上网电价实行优惠；垃圾发电厂免征各项税费；由政府免费提供建厂用地。
4.3 热电联供
在热能转化为电能的过程中，热能的损失很大，热能损失率大小取决于垃圾的发热量、余热锅炉热效率以及气轮发电机组的热效率。采用热电联供方式，将供热和发电结合在一起，可提高热能的利用效率。在采用单纯热能转化为电能的情况下，焚烧厂的热能有效利用率仅为13％～22.5％，而通过合理组合热电联供的方式，焚烧厂的热能利用效率可达到50％左右，甚至达到70％。
常用的热电联供方式主要通过发电和区域性供热结合在一起，区域性供热又可细分为居民区供热（冷）、工业供热（冷）和农业供热。总的来说，常用的热电供应模式有：发电＋居民区供热（冷）；发电+工业供热（冷）；发电＋农业供热；发电＋工业供热（冷）+居民区供热（冷）；发电+工业供热（冷）＋农业供热；发电＋居民区供热（冷）＋农业供热等多种组合形式，热电供应模式是否有效主要取决于焚烧厂建设是否合理，同时保证有可靠的热（冷）商品的受纳用户，在考虑到直接供热时热能的利用效率要远高于热能发电再输送给最终用户的热能利用效率的情况下，可采取一种近似理想的方式对外供应热电，即以满足供热为前提，在有余热的情况下进行发电，达到最大的能源利用效率。
5 结论
城市垃圾的焚烧处理是彻底实现废物充分利用，变废为宝的有效途径，但对我国大多数中、小城市而言，尚不具备建设大型垃圾焚烧厂，一是由于这些中小城市人民的总体生活水平不高，生活垃圾中可燃、易燃成分少，不适于进行焚烧处理；二是由于采用垃圾焚烧法处理城市垃圾的一次性投资过高，超出这些中小城市的经济承受能力。随着城市经济水平的提高，土地资源的匮乏，采用垃圾焚烧技术势在必行，可以肯定，在兼顾近期利益和长期发展的基础上，今后相当长的一段时间内，在坚持综合治理的前提下，我国城市垃圾焚烧处理率将稳步提高。
要提高对城市垃圾的管理水平，做好垃圾分类收集工作，不断改进垃圾焚烧技术，提高焚烧余热的利用效率，在符合国家的环保政策、能源政策的前提下，抓好城市垃圾焚烧工作，使城市垃圾焚烧工作体现最大的环境效益、社会效益、经济效益，实现资源的最大利用。
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