垃圾焚燒技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展
隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，城市(鎮(zhèn))承受著城市垃圾帶來(lái)的巨大的環(huán)境壓力。焚燒技術(shù)作為一種可同時(shí)實(shí)現(xiàn)城市垃圾減量化、無(wú)害化和資源化的垃圾處理技術(shù)，已成為世界各國(guó)城市垃圾處理的首選技術(shù)。
1、垃圾焚燒技術(shù)現(xiàn)狀及其設(shè)施
1.1 日本城市生活垃圾焚燒處理現(xiàn)狀
日本最早的垃圾發(fā)電站1965年建于大阪市，目前日本有垃圾焚燒爐3000座，垃圾發(fā)電站131座，總裝機(jī)容量650MW。到2000年日本的垃圾發(fā)電量達(dá)到了2000MW，垃圾處理能力1000噸/日以上(最大為1800噸/日)的垃圾發(fā)電站8座，1995年日本建成一座最大的垃圾電站，發(fā)電容量24MW。日本早期電站為防止?fàn)t管腐蝕，采用低參數(shù)，發(fā)電效率較低，僅為10％－15％，現(xiàn)在謀求提高到30％。據(jù)悉，目前日本投入使用的最大垃圾焚燒廠是名古屋市新南陽(yáng)垃圾處理廠，裝機(jī)容量1500噸/日，發(fā)電設(shè)備裝機(jī)容量000KW，平均每噸垃圾產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)換為432度的電能。又如東京新建的垃圾焚燒廠，垃圾全由4條分別為16公里的地下通道輸送，日焚燒垃圾 400噸，投資5億多元。自上世紀(jì)60年代以來(lái)，東京已陸續(xù)建成14座垃圾焚燒廠，正在建設(shè)的有6座，日焚燒能力為600－800噸。
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圖1 日本東京MINATO垃圾焚燒發(fā)電廠
1.2 德國(guó)城市生活垃圾焚燒處理的現(xiàn)狀
德國(guó)以及許多歐洲國(guó)家現(xiàn)在都把熱處理技術(shù)作為處理生活垃圾的主要手段，到2005年德國(guó)將有65
座熱處理設(shè)施，焚燒處理 70％的生活垃圾。德國(guó)一般廢棄物的焚燒率 27.5%(2005 年)。不過(guò)一些焚燒處理設(shè)施的建設(shè)還在進(jìn)行中，今后焚燒率將會(huì)增加。
生活垃圾焚燒設(shè)備要滿足很高的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，不會(huì)生成廢水，對(duì)煙氣處理的要求比傳統(tǒng)的火力發(fā)電廠還要高，對(duì)產(chǎn)生的熱能可以利用。若先決條件有利，能量轉(zhuǎn)換率可達(dá)到70％。但是也有缺點(diǎn)：(1)當(dāng)?shù)鼐用窀星樯喜唤邮埽?2)費(fèi)用高；(3)不適宜處理低位發(fā)熱量低的生活垃圾。
1.3 日本現(xiàn)有焚燒爐技術(shù)
日本現(xiàn)有焚燒設(shè)施分類如圖2所示。根據(jù)政府調(diào)查，2004年末的垃圾焚燒設(shè)施數(shù)量為1,374所(比1998年減少22%)，其中的連續(xù)運(yùn)行(24h/d)設(shè)施雖然只有39%，其處理能力卻達(dá)到垃圾處理量的80%。其中爐排式設(shè)施占了全體設(shè)施數(shù)的7成，流化床式設(shè)施占了約3成。
爐排爐的發(fā)展歷史較久，具有通用性及安定性，是一種高度成熟化的技術(shù)。生活垃圾爐排爐因?yàn)榧夹g(shù)成熟、運(yùn)行管理方便在日本應(yīng)用最為廣泛。流化床式爐使用高溫的熱媒介—流動(dòng)沙，可以在短時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)和停止，具有較高機(jī)動(dòng)性。
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圖2 焚燒爐的種類
1.3.1 爐排爐技術(shù)
圖3是一般爐排式焚燒爐的流程圖。除了核心的焚燒爐之外，還設(shè)置了煙氣處理/排水處理/殘灰處理設(shè)備，及發(fā)電所需輔助設(shè)備。1990 年后期，以二惡英物質(zhì)排放問(wèn)題為起因，對(duì)設(shè)施改善提出了更加充分燃燒的要求。即，通過(guò)溫度(Temperature) / 滯留時(shí)間(Time) / 充分?jǐn)嚢?Turbulence)這三個(gè) T 進(jìn)行徹底的技術(shù)改進(jìn)，其中有燃燒空氣二次注入，人工智能高度控制等方式。
投入的垃圾要經(jīng)過(guò)爐內(nèi)干燥/燃燒/后燃燒三個(gè)工序，在爐內(nèi)一邊向上移動(dòng)一邊燃燒。燃燒速度較慢，對(duì)燃燒的廢棄物種類和形狀幾乎沒(méi)有限制。焚燒后爐灰約占原重 10%，通常采用填埋方式進(jìn)行最終處理，近年用熔融爐生成熔渣的案例逐漸增加。
不過(guò)實(shí)際情況是，爐灰熔融爐的運(yùn)轉(zhuǎn)效率較低，熔渣的利用也不一定能夠順利開(kāi)展。另外這樣處理，金屬類的回收利用變得困難，并且后續(xù)還會(huì)提到其發(fā)電效率總體較低，等等，此類問(wèn)題亟需解決。
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圖3 爐排式焚燒爐的整體流程圖例
表1中列出了日本各會(huì)社爐排爐技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)及特點(diǎn)：
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1.3.2 氣化熔融技術(shù)
氣化熔融爐具有以下特點(diǎn)，可解決目前為止的部分難題，在該技術(shù)備受關(guān)注和期待的90年代后期進(jìn)行了開(kāi)發(fā)和建設(shè)。
1)熔融過(guò)程 1,300~1,400 的高溫燃燒，大幅降低二惡英類的排出。
2)氣化流程產(chǎn)生還原反應(yīng)，可以回收和有效利用垃圾中含有的金屬成分。
3)空氣比(燃燒時(shí)實(shí)際空氣量與理論必需空氣量的比值)如果降低，則煙氣處理設(shè)備等附屬設(shè)備可以精簡(jiǎn)，同時(shí)發(fā)電的效率也會(huì)提高。
4)垃圾產(chǎn)生熱量高時(shí)，可引入到熔融過(guò)程繼續(xù)利用。
5)建設(shè)及維護(hù)管理費(fèi)相比 爐排爐 + 灰熔融爐 的方式較低。
以上這些方面都是開(kāi)發(fā)者期望的優(yōu)點(diǎn)和特長(zhǎng)。
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圖4中是氣化熔融爐的3種構(gòu)成類型。這些圖可以作為實(shí)際設(shè)施構(gòu)成圖的參考，目的是表明有a)氣化熔融一體式和b)，c)氣化工序及熔融工序分離式等差異，并不代表煙氣處理等附帶設(shè)施的方式是固定的。氣化流程的特點(diǎn)，或者是回轉(zhuǎn)窯，或者是流化床爐等兩種處理方式。
圖5進(jìn)一步說(shuō)明各方式的導(dǎo)入情況，包括氣化的煙氣處理，2000年－2003年進(jìn)行了大規(guī)模的新設(shè)施的建設(shè)，不過(guò)隨后新建焚燒爐的整體建設(shè)速度放慢，增加的幅度減少。其中一體化式處理設(shè)施占48%，分離型流化床式占32%，回轉(zhuǎn)窯式占20% 。
氣化熔融爐與爐排爐相比具有減輕環(huán)境負(fù)荷/資源化等長(zhǎng)處，同時(shí)也存在設(shè)施規(guī)模的局限(最多約300噸/天)，煙氣處理設(shè)備精簡(jiǎn)化方面還存在困難，建設(shè)費(fèi)及維護(hù)管理費(fèi)比爐排爐高，從先期案例來(lái)看還存在問(wèn)題和故障，存在高溫爐內(nèi)熔融鹽黏附的問(wèn)題等等，此類處理廠的技術(shù)還未完全成熟。
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圖5 氣化熔融爐的導(dǎo)入件數(shù)的變化
表2列出了當(dāng)前日本各會(huì)社采用的氣化熔融爐的類型及特點(diǎn)。
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2、新垃圾處理技術(shù)
2.1 日本研發(fā)的垃圾處理技術(shù)
2.1.1 新世紀(jì)爐排
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在進(jìn)行氣化熔融爐建設(shè)的同時(shí)，另一方面爐排爐范圍內(nèi)開(kāi)展各種解決課題的研究，提出新世紀(jì)爐排爐的概念(如圖6所示)。主要的課題包括燃燒性能提升，熱回收率的提高及煙氣/飛灰的凈化處理。燃燒性能提升，體說(shuō)是在較低空氣比中能進(jìn)行高溫燃燒：空氣比在1.3—1.5 左右，燃燒溫度達(dá)到1000℃以上等等。為達(dá)到以上目標(biāo)，除采用提升燃燒空氣的氧氣濃度(例如氧氣濃度達(dá)26%)，及將后段燃燒煙氣再次噴入爐內(nèi)(稱作煙氣再循環(huán)或還流煙氣系統(tǒng))之外，還可將減溫到300℃左右的燃燒煙氣鼓入爐內(nèi)二次燃燒地帶，達(dá)到低空氣比化及促進(jìn)混合攪拌的作用。高溫空氣吹入爐內(nèi)后，垃圾上方形成活躍的燃燒層，能在低空氣比基礎(chǔ)上進(jìn)行穩(wěn)定燃燒。另作為高溫化對(duì)策之一，可以推進(jìn)空冷方式高性能化，或采用水冷式爐條，同時(shí)還可以通過(guò)模糊控制進(jìn)行高度自動(dòng)化控制等。
熱回收率提升方面，通過(guò)鍋爐的高溫/高壓化，可以提高發(fā)電效率。蒸汽條件為6MPa/400℃以上，可達(dá)到24%以上的發(fā)電效率；或者蒸汽條件為6MPa/450℃。焚燒灰的處理及利用方面，有與灰熔融爐組合的方式，或與焚燒爐一體化的熔融或燒成爐組合方式，及蒸汽加熱處理后再利用的方式。
2.1.2 龍卷爐
在日本垃圾焚燒技術(shù)一直在不斷發(fā)展，例如：日本正在研究開(kāi)發(fā)一種新型的垃圾焚燒爐技術(shù)。這種新型焚燒爐稱為“龍卷爐”，它采用氣化燃燒方式，能有效地抑制二噁英等有毒物質(zhì)的排放量。垃圾在爐內(nèi)化后，在爐子的中央部分燃燒，仿佛是由火焰形成的龍卷風(fēng)；鹧娌唤佑|爐體內(nèi)側(cè)，不需要耐火材料。
目前這種新型焚燒爐已經(jīng)制造出試驗(yàn)爐。該爐每小時(shí)可焚燒垃圾200公斤。點(diǎn)火時(shí)只需要少量的柴油，以水作為助燃劑，燃燒溫度可達(dá)1200－1300℃。經(jīng)化驗(yàn)分析，這種焚燒爐排煙量和灰燼中的二噁英、硫化物、氮化物、氯化氫等有害物質(zhì)的含量都低于政府新公布的廢棄物污染排放標(biāo)準(zhǔn)。這種爐型如能開(kāi)發(fā)成功，將對(duì)垃圾焚燒二次污染排放的控制起到積極的作用。
2.2 德國(guó)研發(fā)的新垃圾處理技術(shù)
2.2.1 機(jī)械生物處理設(shè)備(MBA)與焚燒相結(jié)合
近年來(lái)，德國(guó)開(kāi)始采用一種新的、與焚燒混合生活垃圾不同的技術(shù)，先把生活垃圾中的非易燃物分選出來(lái)，然后僅焚燒發(fā)熱量高的剩余部分。該技術(shù)被稱為機(jī)械生物處理技術(shù)，德文縮寫為 MBA。由于MBA技術(shù)的費(fèi)用通常較低，而且在環(huán)境保護(hù)方面有一定的優(yōu)勢(shì)，因此人們對(duì)其接受程度較高。
對(duì)混合生活垃圾進(jìn)行分類，原則上并沒(méi)有什么新意。但分類技術(shù)只是近些年才真正取得突破性進(jìn)展，如機(jī)械或電子機(jī)械分類技術(shù)的改進(jìn)，光學(xué)(近紅外線)分類技術(shù)的應(yīng)用，以及近年來(lái)計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的大幅提高，使得更精確的材料識(shí)別技術(shù)得已成功開(kāi)發(fā)等，都有力地推動(dòng)了機(jī)械生物處理技術(shù)的發(fā)展。
采用先進(jìn)的垃圾分類技術(shù)，現(xiàn)在可以從混合生活垃圾中分選出下列物品，而且分選效率通常可超過(guò) 90％：(1)有色金屬(鉛、鋁、銅等)；(2)鐵金屬；(3)玻璃(可按顏色分為白、綠、褐色等)；(4)礦物質(zhì)；(5)塑料(可分種類多達(dá) 16 種)；(6)有機(jī)物及剩余物。
位于德國(guó)阿斯拉的干穩(wěn)定物處理廠從混合生活垃圾中自動(dòng)分選出來(lái)的白、褐、綠3種顏色的玻璃。錯(cuò)誤分選率可達(dá) 0．0025％，即每分選100萬(wàn)只不同顏色的玻璃瓶，僅有25只的顏色被分錯(cuò)了。一旦需要，分選率還可以進(jìn)一步提高。
2.2.2 干燥穩(wěn)定技術(shù)
對(duì)預(yù)破碎的混合生活垃圾進(jìn)行為期 7d 的生物堆肥處理。生物堆肥過(guò)程中，由于微生物的活動(dòng)，生活垃圾的溫度高達(dá) 70℃。利用這一溫度，再加入過(guò)量空氣，便可對(duì)垃圾進(jìn)行脫水。經(jīng)過(guò) 7d 生物堆肥后，圾的含水率一般僅為 10％-15％。經(jīng)過(guò)如此處理的垃圾被稱為干燥穩(wěn)定物。由于干燥穩(wěn)定物的含水率低，因而很難再發(fā)生生物反應(yīng)，也不再釋放臭氣。干燥穩(wěn)定物具有如下特性： (1)可穩(wěn)定貯存；(2)由于干燥，利對(duì)其進(jìn)一步分類和處理；(3)可從其中分選出有色金屬、鐵金屬、玻璃、礦物質(zhì)、塑料以及有機(jī)物等可再利用的物品； (4)理論上來(lái)講，可對(duì)其進(jìn)行 100％的利用。
目前德國(guó)和意大利有 4 座設(shè)施正在進(jìn)行 100％的廢物利用，年處理總量近 50 萬(wàn) t。再利用率的高低是由當(dāng)?shù)氐纳罾M成和市場(chǎng)情況決定。就德國(guó)而言，從原生生活垃圾中可以分出的物品的種類和數(shù)量如下：(1)約2％的有色金屬，包括電池；(2)約3％的鐵金屬，包括電池；(3)約15％的石塊和玻璃； (4)約30 ％的水以及脫水過(guò)程所造成的物料損失；(5)約50％的干燥穩(wěn)定物，包括塑料。
先進(jìn)的干燥穩(wěn)定技術(shù)不會(huì)生成廢水，過(guò)量空氣經(jīng)過(guò)后處理，可滿足最嚴(yán)格的歐洲標(biāo)準(zhǔn)，其氣味是中性的，不會(huì)給周圍環(huán)境帶來(lái)空氣污染。位于意大利威尼斯 1 座采用干燥穩(wěn)定技術(shù)的處理設(shè)施。
該技術(shù)的成本較低，因?yàn)樽疃嘀挥?50％的原生生活垃圾被焚燒。由于金屬、礦物質(zhì)和水已從生活垃圾中分離出來(lái)，剩余的是相當(dāng)于不含有害物的工業(yè)燃料，其燃燒發(fā)熱量相當(dāng)于干褐煤。就德國(guó)而言，干燥穩(wěn)定物所含的生物質(zhì)約占 70％，對(duì)其它國(guó)家來(lái)說(shuō)，生物質(zhì)所占的比例可能會(huì)更高一些。一旦需要，可采用近紅外線分選技術(shù)，從干燥穩(wěn)定物中分選出不同種類的塑料，進(jìn)行再利用。此時(shí)，剩余干燥穩(wěn)定物所含生物質(zhì)比例可高達(dá)80％以上。
該技術(shù)成本低的另一個(gè)原因在于，一方面通過(guò)采用較低成本的分選技術(shù)，把生活垃圾中的金屬等分選出來(lái)并銷售，另一方面可把剩余的、可貯存的干燥穩(wěn)定物用于專門設(shè)計(jì)的設(shè)備，替代初級(jí)燃料，如煤炭、石油或天然氣等。
目前，除在德國(guó)和意大利有4座設(shè)施在運(yùn)行外，在德國(guó)和比利時(shí)還有6座設(shè)施正在建設(shè)或已處于規(guī)劃階段。到2005年，這些設(shè)施每年共可處理100多萬(wàn)噸的生活垃圾，相當(dāng)于300多萬(wàn)居民1 年產(chǎn)生的生活垃圾。
3．焚燒技術(shù)的發(fā)展方向
與其它處理方法相比，垃圾焚燒具有(1)工藝簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠 (2)處理垃圾速度快，處理量大(3)焚燒后減容量大等顯著優(yōu)點(diǎn)。焚燒過(guò)程中產(chǎn)生的煙氣的熱能可回收利用，而性質(zhì)較穩(wěn)定的殘?jiān)芍苯犹盥，能有效地做到廢棄物綜合利用，回收能源和資源。但是同時(shí)，焚燒技術(shù)中產(chǎn)生的廢氣若處理不當(dāng)，很容易對(duì)環(huán)境造成二次污染。因此當(dāng)今焚燒技術(shù)發(fā)展的動(dòng)向?yàn)椋?/p>
(1)垃圾焚燒廠尾氣凈化技術(shù)，特別是二惡英等污染物的消除越來(lái)越受到重視。
(2)焚燒余熱綜合利用技術(shù)將進(jìn)一步完善。
(3)為滿足日益嚴(yán)格的環(huán)保要求，焚燒技術(shù)向著煙氣凈化、殘?jiān)c廢水處理以及廢熱回收等設(shè)備整體化方向發(fā)展。
3.1二噁英的防治
上世紀(jì) 80 年代，日本對(duì)垃圾焚燒的依賴程度居全球之首，焚燒廠的數(shù)量占全球的 70％，全國(guó)超過(guò) 1/3的城市固體廢棄物通過(guò)焚燒處理，這導(dǎo)致大氣中的二噁英含量嚴(yán)重超標(biāo)，成為“二噁英大國(guó)”。
被列為一級(jí)致癌物的二噁英是多氯甲苯、多氯乙苯等有毒化學(xué)品的俗稱，被稱為“毒中之毒”。二噁英是工業(yè)化社會(huì)產(chǎn)生的惡果之一，焚燒有毒的生活垃圾(特別是含有大量廢舊聚氯乙烯塑料制品的垃圾)時(shí)，氯化物燃燒不充分會(huì)產(chǎn)生大量二噁英。
1940 年代到 1970 年代，二噁英主要來(lái)源于化學(xué)藥品和殺蟲劑。直到 1976 年，荷蘭的焚燒爐里發(fā)現(xiàn)了這一物質(zhì)，垃圾焚燒產(chǎn)生的二噁英污染才開(kāi)始為人所知。從那時(shí)開(kāi)始，人們意識(shí)到二噁英不僅僅是個(gè)化學(xué)物品問(wèn)題，還是個(gè)垃圾處理問(wèn)題。
二噁英具有強(qiáng)烈的致癌性，被日本視為對(duì)環(huán)境最有危害的物質(zhì)之一。20 世紀(jì) 90 年代，日本大氣中測(cè)得的二噁英水平竟然是其它工業(yè)國(guó)家的 10 倍，焚燒爐每年釋放約 5 千克的二噁英。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)已經(jīng)表示，1克的二噁英就足以殺死 1 萬(wàn)人。日本政府為減少二噁英，還制定了更為嚴(yán)格的垃圾焚燒排放標(biāo)準(zhǔn)。于 1999年 7 月出臺(tái)了防治二噁英法令，加強(qiáng)了對(duì)垃圾焚燒爐二噁英排放量的限制。這項(xiàng)法令規(guī)定，在 2003 年之前把二噁英總排放量減少到 1997 年的 1/10，焚燒爐排放的每立方米廢氣中二噁英含量不得超過(guò) 80 納克。
3.1.1 改進(jìn)焚燒爐技術(shù)
垃圾焚燒污染環(huán)境是制約垃圾焚燒發(fā)展的重要條件，過(guò)去許多垃圾焚燒設(shè)施倒閉的主要原因也是沒(méi)有
很好解決垃圾焚燒的二次污染防治問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外的研究和實(shí)踐均表明，減少生活垃圾焚燒廠煙氣中二噁英濃度的主要方法是采取有效措施控制二噁英的生成。這些控制措施主要包括：
(1) 選用合適的爐膛和爐排結(jié)構(gòu)。使垃圾在焚燒爐得以充分燃燒，煙氣中 CO 的濃度是衡量垃圾是否
充分燃燒的重要指標(biāo)之一，CO 的濃度越低說(shuō)明燃燒越充分，煙氣中比較理想的 CO 濃度指標(biāo)是低于60mg/m3；
(2) 控制爐膛及二次燃燒室內(nèi)，或在進(jìn)入余熱鍋爐前煙道內(nèi)的煙氣溫度不低于 850℃，煙氣在爐膛及二次燃燒室內(nèi)的停留時(shí)間不小于 2s，余熱鍋爐出口 O2濃度控制在 6%-10%之間，并合理控制助燃空氣的風(fēng)量、溫度和注入位置；
(3) 縮短煙氣在處理和排放過(guò)程中處于 300-500℃溫度域的時(shí)間，控制余熱鍋爐的排煙溫度不超過(guò)250℃左右；
為了減少二噁英，日本政府進(jìn)行大型焚燒爐的建造，并給予財(cái)政補(bǔ)貼。這種大型的焚燒爐可以在高溫下持續(xù)運(yùn)作，有助于減少二噁英排放。 焚燒達(dá)到很高的溫度—超過(guò) 800 攝氏度—能減少二噁英的排放。
自1999 年以來(lái)，日本全國(guó)已有 4600 座垃圾焚燒設(shè)施被禁止使用。據(jù)日本環(huán)境省調(diào)查，4600 座垃圾焚燒設(shè)施約占全國(guó)垃圾焚燒設(shè)施的 l7％。它們都是由于二噁英排放量大大超標(biāo)，但又無(wú)力進(jìn)行改造而被停止使用的。這些垃圾焚燒設(shè)施大多為小型設(shè)施(1899 座)。
3.1.2 改進(jìn)尾氣凈化技術(shù)
盡管通過(guò)改造現(xiàn)有焚燒爐設(shè)備能夠在一定程度上減少焚燒過(guò)程中二噁英的產(chǎn)生，但是焚燒處理后含有 二噁英的大氣污染物排出仍是一個(gè)大的困擾點(diǎn)。去除煙氣中已經(jīng)產(chǎn)生的二噁英主要包括以下幾點(diǎn)措施：
(1)在減溫塔出口處噴射吸附能力極強(qiáng)的活性炭，吸附煙氣中的二噁英活性碳可以采用向普通煙道吹入的方式，該量與煙氣量的比例為 50—300mg/ Nm3左右。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，需要基于單位吸附容量進(jìn)行推算，例如活性碳的比表面積大概是 500—1200m2/g。不過(guò)經(jīng)過(guò)進(jìn)一步考察平衡吸附量影響因子的關(guān)系，以及材料物質(zhì)屬性試驗(yàn)/評(píng)估結(jié)果表明，比表面積及納米孔(孔徑在 2nm 以下)所形成的細(xì)孔容積與平衡吸附量數(shù)值密切相關(guān)。換言之，即使在分子內(nèi)具有尺寸大的氯原子，納米孔仍是二噁英類等污染物質(zhì)吸附的主要場(chǎng)所。一般氣體濃度中對(duì)應(yīng)的吸附劑單位吸附量為 3—10mg/g，據(jù)此，即使是表面積較少的活性焦炭，也具有較強(qiáng)的吸附能力。
在新近建設(shè)的設(shè)施中還設(shè)置了催化還原塔。在去除 NOx 的催化還原脫氮工序中，隨著 NOx 的還原，同時(shí)進(jìn)行了二噁英物質(zhì)的氧化分解反應(yīng)。催化還原常使用釩氧化物(V2O5)及輔助催化劑--鎢氧化物，以及催化還原載體--鈦氧化物。催化劑表面活性點(diǎn)可以吸附二噁英類分子及氧氣，可以進(jìn)行脫氯/氧化分解反應(yīng)。
由于受到分子內(nèi)含有的氯元素影響，分解特性中，高氯化物的分解率較高。采用的充填塔方式中，填充物一般為不規(guī)則齒鏈狀。裝置運(yùn)行時(shí)空間速度可達(dá) 5000/h，有利于煙氣處理。溫度方面，通常是溫度高則效果好，一般可用 200℃以上至 250℃左右。與不規(guī)則鏈狀催化劑不同的是，除塵袋的濾布采用將催化劑成分織入網(wǎng)內(nèi)的催化還原過(guò)濾器方式，可以省去催化還原反應(yīng)器，精簡(jiǎn)設(shè)備數(shù)量。由于為避免煙塵的影響，通常將催化還原脫氮塔設(shè)置在袋式除塵器的后段，如果煙氣溫度降低了，需要進(jìn)行升溫處理。(關(guān)于脫氮適用溫度，一直都有在開(kāi)發(fā)在低溫下也具有高效作用的催化還原。)另需要注意的是，硫酸氨的生成和蓄積會(huì)造成催化劑活性降低。
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從處理系統(tǒng)觀點(diǎn)來(lái)看，可考慮在進(jìn)行氣化熔融爐及飛灰熔融爐的飛灰處理后，與袋式除塵器組合構(gòu)成兩段式結(jié)構(gòu)。圖 7 中是最近具有代表性的煙氣處理系統(tǒng)。(a)是最簡(jiǎn)單的，在袋式除塵器前段注入熟石灰及活性碳，(b)是在后段設(shè)置催化還原脫氮塔。近年最常用的(c)，是在第 1 段袋式除塵器中注入活性碳及硅藻土為主體的助劑來(lái)去除煙塵及二噁英類物質(zhì)，然后用熟石灰等堿性藥劑在第 2 段袋式除塵器中去除氯化氫等酸性氣體。捕集物包括以煙塵為主體的積塵，以及對(duì)在去除酸性成分時(shí)產(chǎn)生的反應(yīng)生成物及未進(jìn)行反應(yīng)的藥劑進(jìn)行分離和積塵，然后根據(jù)積塵的不同性質(zhì)進(jìn)行相應(yīng)的處理。氣化熔融爐或熔融爐工廠中，大多對(duì)除塵袋(1)捕集的飛灰采用熔融處理，對(duì)除塵袋(2)產(chǎn)生的雜質(zhì)采用藥劑處理。
2) 選用高效袋式除塵器，提高除塵器效率，進(jìn)一步去除二噁英
傳統(tǒng)靜電除塵器(EP 或 ESP)可以通過(guò)除塵級(jí)氣體洗凈等操作去除煙塵、煙酸、硫氧化物及氮氧化物等氣體污染物，不過(guò)二噁英類物質(zhì)問(wèn)題的出現(xiàn)產(chǎn)生了重要影響。之前的污染物質(zhì)都是無(wú)機(jī)化合物，其濃度單位為 ppm(mg/m3)，但是二噁英類是有機(jī)化合物，濃度通常為 ppb 或 ppt(使用 μg/ m3或 ng/ m3)濃度單位，傳統(tǒng)靜電除塵器對(duì)其處理效果不理想。因此對(duì)抑制二噁英類排出具有顯著作用的袋式除塵器取代了靜電除塵器，以至目前新建的焚燒設(shè)施幾乎全部采用袋式除塵過(guò)濾系統(tǒng)。
(3) 根據(jù)需要適當(dāng)投加堿性物質(zhì)、含硫含氮化合物等抑制劑
過(guò)去進(jìn)行酸性成分去除的藥劑最常使用的是熟石灰，但因?yàn)槭焓易鋈コ齽⿻r(shí)，如果要提高去除率，需要藥劑量較大，這會(huì)產(chǎn)生在最終填埋處理場(chǎng)由于鈣化物含量過(guò)高而使集排水管道堵塞，及滲濾液堿性過(guò)高等問(wèn)題，F(xiàn)今常用的是碳酸氫鈉，其在注入到煙道內(nèi)后會(huì)釋放 CO2及水蒸氣而變成表面多孔的碳酸，其與酸性氣體成分的反應(yīng)效率高于熟石灰的反應(yīng)效率。
(4) 在生活垃圾焚燒廠中設(shè)置先進(jìn)、完善和可靠的全套自動(dòng)控制系統(tǒng)，使焚燒和凈化工藝得以良好執(zhí)行
(5) 通過(guò)分類收集或預(yù)分揀控制生活垃圾中氯和重金屬含量高的物質(zhì)進(jìn)入垃圾焚燒廠
(6) 由于二噁英可在飛灰上被吸附或生成，所以對(duì)飛灰應(yīng)按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行穩(wěn)定化和無(wú)害化處理
日本政府 1999 年 7 月出臺(tái)了防治二噁英法令，加強(qiáng)了對(duì)垃圾焚燒爐二噁英排放量的限制。這項(xiàng)法令規(guī)定，在 2003 年之前把二噁英總排放量減少到 1997 年的 1/10，焚燒爐排放的每立方米廢氣中二噁英含量不得超過(guò) 80 納克。
3.1.3 嚴(yán)格的垃圾分類制度
隨著合并焚燒爐，建設(shè)大規(guī)模的高溫焚燒，一系列問(wèn)題也隨之而來(lái)，例如增加了溫室氣體和重金屬。二噁英排放增加的原因是聚氯乙烯生產(chǎn)和消費(fèi)，也就是說(shuō)，工業(yè)生產(chǎn)模式和社會(huì)消費(fèi)模式是有效減少二噁英排放的主要障礙。很明顯二噁英問(wèn)題與生活方式密切相關(guān)。由此，繞過(guò)與焚燒爐相關(guān)的種種手段，日本政府改道從垃圾的源頭著手，發(fā)起了大規(guī)模的垃圾分類和回收運(yùn)動(dòng)。
日本舉全國(guó)之力來(lái)減少垃圾，增加循環(huán)利用。在大城市、小城鎮(zhèn)、辦公樓，住宅區(qū)都實(shí)行垃圾分類，幾乎到了驚人的程度。一只襪子屬于可燃燒物品，一雙襪子則是舊衣物；口紅的外殼屬于小金屬，口紅條屬于可燃燒物；領(lǐng)帶是舊衣服，但一定要是洗過(guò)和被烘干過(guò)的。擁有 350 萬(wàn)人口的橫濱市積極響應(yīng)，在全市范圍內(nèi)將現(xiàn)有的垃圾分類數(shù)量從過(guò)去的 5 類增加到 10 類。
為了讓市民們能更好地了解市政府的新措施，橫濱市有關(guān)方面近日還向當(dāng)?shù)鼐用穹职l(fā)了一本 27 頁(yè)的小冊(cè)子，羅列了 518 項(xiàng)回收常見(jiàn)垃圾的詳細(xì)指南。
與橫濱相比，面積 110 平方公里、人口總數(shù)僅有 2200 人的上勝卻早在 2000 年前就把垃圾回收的種類提高到 34 種。然而，為了減少垃圾、擴(kuò)大再回收范圍，這個(gè)小鎮(zhèn)在最近幾年中又逐步把回收種類提升到現(xiàn)在的 44 種。
環(huán)境專家們表示，以更清潔的方式分揀和回收垃圾也許比傾倒更昂貴，但是和焚燒垃圾的成本不相上下。橫濱的目標(biāo)是到 2010 年，將垃圾焚燒率降低 30％。但上勝的目標(biāo)似乎更加雄心勃勃，它們計(jì)劃在 2020年徹底結(jié)束垃圾焚燒的歷史。
3.1.4 二噁英控制新技術(shù)
(1)超聲波分解技術(shù)
日本還發(fā)明了利用超聲波分解二噁英和多氯聯(lián)苯(PCB)等有害有機(jī)氯化物的新技術(shù)。此項(xiàng)技術(shù)一旦被采用，將為污水凈化提供安全廉價(jià)的新方法。研究中發(fā)現(xiàn)，二噁英、多氯聯(lián)苯、氯氟烴等有機(jī)氯化物與水的親和性很差，當(dāng)利用超聲波在水中產(chǎn)生細(xì)小氣泡后，這些物質(zhì)就被吸附在氣泡上，氣泡破裂時(shí)，依靠產(chǎn)生的高溫高壓，這些有害物質(zhì)就被分解成無(wú)害的碳酸氣和氯化物離子。例如：濃度為 l0ppm 的多氯聯(lián)苯溶液加以 200 千赫的超聲波，經(jīng) 30 分鐘后，有 95％的多氯聯(lián)苯被分解了，同時(shí)，對(duì)二噁英和氯氟烴的分解效果也基本相同。如果將分解率提高到 99.99％的話，這種安全廉價(jià)的超聲波分解方法將有望走向?qū)嵱没?/p>
(2)電子束照射分解技術(shù)
日本原子能研究所的科學(xué)家們利用電子束照射的方法分解、清除廢氣中的有害物質(zhì)二噁英，收到良好效果。該技術(shù)的原理是，采用電子束照射方式，使廢氣中的空氣和水生成活性氧等易反應(yīng)物質(zhì)，進(jìn)而破壞二噁英的化學(xué)結(jié)構(gòu)。該研究所在垃圾焚燒廠進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明：焚燒一般的生活垃圾，按每小時(shí)產(chǎn)生 1000 立方米廢氣計(jì)算，施加 30 萬(wàn)伏的電壓生成的電子束(電流 40 毫安、帶寬 45 厘米)可分解和去除 90％以上的二噁英，F(xiàn)有的過(guò)濾凈化法(袋過(guò)濾器法)雖然能夠把廢氣中的高濃度二噁英除去，但是無(wú)法將其分解，需要進(jìn)行再處理。而新技術(shù)則能把廢氣中的高濃度二噁英分解掉，并且處理成本降低 1/3。
(3)生垃圾發(fā)電系統(tǒng)
日本鹿島建設(shè)技術(shù)研究所內(nèi)設(shè)置了一套“生垃圾發(fā)電系統(tǒng)”，這是一種非燃燒垃圾方式，完全不產(chǎn)生二噁英等有害物質(zhì)的發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)于 1999 年 7 月獲得日本土木學(xué)會(huì)地球環(huán)境技術(shù)獎(jiǎng)。該發(fā)電系統(tǒng)由燃料發(fā)電電池設(shè)備，貯藏生物氣體的貯氣罐，高溫甲烷發(fā)酵式有機(jī)廢物處理系統(tǒng)及生垃圾分選設(shè)備等組成。
貯氣罐容積為 50 立方米，高溫甲烷發(fā)酵方式有機(jī)廢棄物處理系統(tǒng)每天在生垃圾分選機(jī)中投人 200 公斤生垃圾，將分選后的有機(jī)垃圾送人漿液罐中，加水稀釋，然后由生垃圾粉碎機(jī)將有機(jī)質(zhì)垃圾粉碎，并送入生物反應(yīng)器，每天可產(chǎn)生 10 立方米的生物氣體。所產(chǎn)生的生物氣體輸入氣體精制塔，再送入貯氣罐或燃料電池供發(fā)電。廢棄物處理系統(tǒng)在 55℃的溫度下分解垃圾，生成生物氣體。與以往的中溫(37℃左右)甲烷分解處理系統(tǒng)相比，由于分解速度提高 1 倍以上，因此裝置可以謀求緊湊化和低成本化。鹿島公司于 1995年開(kāi)發(fā)并實(shí)現(xiàn)了商品化有機(jī)廢棄物處理系統(tǒng)，利用微生物使有機(jī)垃圾發(fā)酵分解為甲烷氣體、二氧化碳和水。
最近，該公司與 NEDO 聯(lián)合開(kāi)發(fā)了該生垃圾發(fā)電設(shè)備，并開(kāi)始了試驗(yàn)性運(yùn)行。這次開(kāi)發(fā)的設(shè)備將高溫甲烷發(fā)酵處理系統(tǒng)與該系統(tǒng)產(chǎn)生的甲烷氣為燃料的燃料電池設(shè)備系統(tǒng)一體化為綜合系統(tǒng)。在燃料電池中，由甲烷氣體中提取的氫氣與氧氣反應(yīng)而產(chǎn)生電力。燃料電池容量為 50 千瓦。利用該系統(tǒng)處理生垃圾時(shí)，1 噸垃圾可獲得約 580 千瓦小時(shí)的電力(效率達(dá) 40％)，相當(dāng)于一戶人家兩個(gè)月的用電量。從 1999 年 4 月到 2000年 3 月，該研究所還驗(yàn)證了由生物氣體產(chǎn)生的能用于燃料電池發(fā)電的成分，并研究了生物氣體濃度變動(dòng)對(duì)燃料電池的影響。日本兩家設(shè)備公司準(zhǔn)備開(kāi)發(fā)一種新型扶梯垃圾燃燒系統(tǒng)，可將燃燒效率提高 2 倍。此設(shè)備可將可燃垃圾粉碎、壓縮成 2—3 厘米的小球，在燃燒時(shí)可起到類似于煤一樣的作用。新系統(tǒng)則在燃燒前將固體垃圾燃料再次粉碎，利用燃燒裝置使之與碳粉混合后燃燒。傳統(tǒng)型的共同垃圾燃料在完全燃燒狀態(tài)下的燃燒效率約為 10％，而新系統(tǒng)的燃燒效率可達(dá) 30％。
3.2 余熱利用－焚燒發(fā)電
焚燒產(chǎn)生燃燒氣體的熱能回收，并進(jìn)而轉(zhuǎn)換為電力等能源的有效利用，最近幾年越來(lái)越受重視。歐美以前就有“refuse (waste) to energy”的說(shuō)法，因此認(rèn)為對(duì)垃圾潛在能量加以利用是理所當(dāng)然的做法。如表 2 所示，目前日本的垃圾設(shè)施中，對(duì)溫水/蒸汽/發(fā)電等熱量進(jìn)行了有效利用的設(shè)施，占了全國(guó) 1396 所設(shè)施的約 71%比例(2003 年)。焚燒設(shè)施中通過(guò)廢熱鍋爐，空氣預(yù)熱器，溫水產(chǎn)生器，可分別對(duì)蒸汽/高溫氣體/溫水進(jìn)行回收。發(fā)電方面，除了維持設(shè)施內(nèi)所用電量外，剩余電量可以反過(guò)來(lái)賣給電力公司。近年來(lái)不但積極開(kāi)展售電設(shè)施的建設(shè)，同時(shí)綜合資源能源調(diào)查供給部會(huì)將(廢棄物發(fā)電及木屑發(fā)電)列為與太陽(yáng)能發(fā)電及風(fēng)力發(fā)電相同的新能源，設(shè)定了到 2010 年導(dǎo)入(換算為原油 586 萬(wàn) kl，設(shè)備容量達(dá) 450 萬(wàn) kW)的目標(biāo)，并發(fā)布了《電氣事業(yè)者利用新能源的特別處置法(2002 年)》等法規(guī)。
如表 3 所示進(jìn)行發(fā)電的焚燒設(shè)施有 271 所，占全體數(shù)量約 19% ，發(fā)電量合計(jì) 149 萬(wàn) kW，相比上述所說(shuō)的設(shè)備設(shè)計(jì)容量 450 萬(wàn) kW 還有很大的提升的空間。其中一個(gè)原因，因?yàn)槿毡緡?guó)內(nèi)以 2000kw 發(fā)電裝機(jī)容量為界，2000kw 以上必須結(jié)特高壓、其安裝和運(yùn)行管理費(fèi)用相對(duì)較高，所以中小廠受到成本壓力而特意迎合發(fā)電量未滿 2000kW 的標(biāo)準(zhǔn)，從而使得小規(guī)模垃圾焚燒發(fā)電廠占了 4 成之多。
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該垃圾發(fā)電裝置效率(發(fā)電效率=發(fā)電量 [kW]x3600[kJ/kWh]/垃圾入熱量[kJ/h]，其中 3600kJ/kWh 是熱—電能換算值)范圍從 0%至 20% ，實(shí)際平均值在約 10%值上下浮動(dòng)。即使將發(fā)電及其他余熱利用累加起來(lái)，燃燒產(chǎn)生的熱量還是會(huì)損失掉 3/4。為提高垃圾發(fā)電效率，技術(shù)上結(jié)合燃?xì)獍l(fā)電機(jī)及蒸汽發(fā)電機(jī)兩種方式進(jìn)行發(fā)電，如圖 8 所示能量流示意圖。設(shè)立一個(gè)獨(dú)立的過(guò)熱器，利用燃?xì)獍l(fā)電機(jī)約 500℃的排氣，將垃圾余熱鍋爐的蒸汽再次加溫到 400℃以上，這樣可以提高垃圾焚燒發(fā)電效率，同時(shí)又解決了過(guò)熱器高溫腐蝕的問(wèn)題。
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圖 8 能源再利用中結(jié)合沼氣渦輪
該方式又被稱作組合式高效垃圾發(fā)電工藝。采用該技術(shù)的設(shè)施，可以達(dá)到 20%--30%左右的發(fā)電效率。前述氣化熔融爐的調(diào)查表明，垃圾能源再利用進(jìn)行發(fā)電存在于任一設(shè)施，但是受到發(fā)電量上限(2，000kW)等現(xiàn)實(shí)條件的制約，而且還需另外投入輔助助燃劑以及其他輔助材料。假設(shè)條件下，計(jì)算得出發(fā)電量如圖 3 所示。由圖可知，氣化熔融方式中，發(fā)電電量跟垃圾處理量成一個(gè)近似比例，處理量 1 噸對(duì)應(yīng)發(fā)電電量約250kWh 。由爐排爐及流化床連續(xù)焚燒設(shè)施的調(diào)查數(shù)據(jù)表明,1 噸垃圾發(fā)電量 100—350kWh，相比而言氣化熔融爐可發(fā)電量值集中在一個(gè)較小的范圍內(nèi)。
對(duì)鍋爐進(jìn)行高效率利用的努力從未間斷，在提升焚燒設(shè)施的熱利用率上，對(duì)于之前未予以利用的低溫區(qū)域的廢熱進(jìn)行有效利用也成為今后的課題之一。例如，最近開(kāi)發(fā)一種潛熱蓄熱回收利用設(shè)備等。
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圖 9 調(diào)查氣化熔融爐的垃圾處理量于發(fā)電量的關(guān)系
3.3 殘?jiān)?/p>
日本在垃圾焚燒殘?jiān)睦梅矫嬉踩〉昧诉M(jìn)展，例如：日本東方公司開(kāi)發(fā)出利用城市生活垃圾焚燒灰 渣制造道路及廣場(chǎng)鋪裝塊的技術(shù)。過(guò)去垃圾在焚燒廠焚燒，灰渣主要用來(lái)填埋處理，因數(shù)量日益增加，給填埋場(chǎng)造成壓力。此外，道路的鋪裝塊每年的需求量極大；以窃诟邷叵氯芑Y(jié)晶，成為接近花崗巖強(qiáng)度的材料，用該材料制成每立方米可吸收 240L 水的鋪裝塊，既能吸收土中的水分，又能使雨水保存在塊內(nèi)，有冷卻路面的效果，緩解熱島現(xiàn)象。
此外，日本東京還利用垃圾焚燒灰渣生產(chǎn)水泥制品。在東京 2001 年建設(shè)了一座專門利用垃圾焚燒灰渣生產(chǎn)水泥的工廠，年可處理垃圾焚燒灰渣約 8 萬(wàn)噸，生產(chǎn)水泥約 l0 萬(wàn)噸。其生產(chǎn)工藝為：用罐車將垃圾焚燒灰渣運(yùn)至該廠，作為生產(chǎn)水泥的主要原料，經(jīng)預(yù)處理后進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯中，加入一定量的石灰石在回轉(zhuǎn)窯中共同煅燒，最后，再經(jīng)磨細(xì)后就成了水泥。回轉(zhuǎn)窯的尾氣經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的處理，即經(jīng)除塵、除二噁英、脫硫、脫硝等處理，盡可能減少污染物的排放。與一般水泥廠相比，尾氣的處理程序要復(fù)雜得多。在垃圾焚燒殘?jiān)扑嗟难芯块_(kāi)發(fā)過(guò)程中，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省也給予了大力支持，所生產(chǎn)水泥列入了政府綠色采購(gòu)目錄，并特別制定出垃圾焚燒殘?jiān)鄻?biāo)準(zhǔn)。由于日本總體環(huán)境意識(shí)較強(qiáng)，大家都愿意購(gòu)買這種水泥。
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