（环境工程专业论文）城市生活垃圾两步法气化熔融焚烧技术研究.pdf

摘要 城市生活垃圾两步法气化熔融焚烧技术研究 摘要 随着我国经济的发展和居民生活水平的提高，“垃圾围城”现象日益严重，生活垃圾的 有效处置已经关系到我国社会、经济的可持续发展，开发适合我国国情的高效垃圾处理技术 迫在眉睫。气化熔融焚烧技术是在直接焚烧基础上发展起来的新一代废物处理技术，该技术 可以实现彻底的无害化、显著的减容性、广泛的物料适应性和高效的能源与物资回收，被认 为是2 1 世纪最具发展潜力的垃圾处理综合利用技术。 为了促进气化熔融焚烧技术在我国的应用，本文结合我国城市生活垃圾特点，提出了两 步法气化熔融焚烧工艺流化床低温气化旋风炉高温熔融焚烧系统，并建立了系统试验 装置，在研究并掌握我国城市生活垃圾组分低温气化特性基础上，分别在该试验装置上进行 城市生活垃圾流化床低温气化单元试验研究和气化熔融联动试验研究，检验该工艺系统运行 稳定性的同时，对我国城市生活垃圾的低温气化特性、熔融特性和气化熔融后污染物生成特 性进行了研究和分析。 在热重一差热分析仪和固定床试验装置上，研究了我国城市生活垃圾典型组分及其混合 物的低温气化失重规律和气化气体生成特性，并采用分布活化能模型( d i s t r i b u t e d a c t i v a t i o n e n e r g ym o d e l ，简称d a e m ) 分析t g d t g 曲线，获得了各组分反应活化能分布函数。研 究表明：典型组分及其混合物气化过程中，失重速率峰随升温速率增大逐渐向高温侧移动， 失重率随反应终温升高而增大，失重主要发生在2 0 0 5 5 0 温度区间；纸类和聚乙烯的 气化反应活化能均随反应深入而不断增大，厨余的气化反应活化能变化曲线呈先增大后减小 的趋势，三者混合物的反应活化能随气化反应的进行，在经过三次小幅波动后持续增大；气 化反应过程中，h 2 0 的参与能明显促进h 2 的生成，c 0 2 的参与有助于生成更多的c o ，气化 气体中h 2 、c h 4 和c 2 h 4 的生成量均随反应温度升高而增大；混合物气化反应过程不是组分 的简单迭加，存在各组分之间的相互作用。 在常压循环流化床单元试验装置上，研究了城市生活垃圾组分在不同温度和过量空气系 数( e q u i v a l e n c er a t i o ，简称e r ) 下的低温气化规律。研究表明：气化产气率随e r 的增大 而显著增大，随温度变化不明显；生成气化气体低位热值随e r 增大而减小，随温度的升高 而增大；化学能转化率的变化范围：聚乙烯为5 7 9 7 ，木块为2 3 4 5 ，聚乙烯和 木块混合物( 混合物a ) 为4 0 6 8 6 1 ，厨余类混合物( 混合物b ) 为2 3 5 7 4 ； 聚乙烯的碳转化率和能量转化率均为1 0 0 ，炉渣不完全反应热损失率为0 ；其余三种物料 的碳转化率分别高于9 0 、9 3 和8 7 ，能量转化率分别高于9 2 、9 5 和9 2 ，炉渣不 完全反应热损失率分别低于o 4 、0 3 和0 5 ；与固定床相比，流化床作为低温气化反 应器可提高反应物的转化率和气化强度。 在流化床气化旋风炉熔融焚烧试验装置上，进行系统联动试验，研究了我国城市生活垃圾 的气化熔融特性和污染物生成特性。研究表明：随气化温度的升高，气化气体中可燃组分含 量均增大，气化气体低位热值增高，气化产气率变化不显著，能量转化率和碳转化率呈现增 大的趋势；随e r 的增大，气化气体中可燃组分含量减小，气化气体低位热值减小；产气率 增大，能量转化率和碳转化率呈现增大的趋势；垃圾中适当保持一定水分含量，有利于提高 其气化气体的热值；熔融炉温度在1 2 0 0 时，生成的飞灰融渣表面基本熔融，但内部仍有 少量未熔融转变成玻璃相；与低温气化段生成的多环芳烃( p a h s ) 的含量和毒性相比，气 化熔融后生成的p a h s 的含量和毒性均明显降低，且其分布具有从固相向气相迁移的趋 东南大学博士学位论文 势；生成的融渣中难挥发性重金属c r 和n i 的固熔率均大于9 0 。 通过流化床气化旋风炉熔融焚烧装置系统运行试验表明，两步法气化熔融焚烧工艺一 一流化床气化旋风炉熔融工艺系统设计基本合理，整个系统能够协调稳定运行，城市生活 垃圾流化床气化生成气体燃烧可为后部熔融系统提供所需热源，使熔融炉达到飞灰熔融温 度，固融飞灰中的重金属，有效降低尾气中p a h s 的生成量，因此，该工艺能够实现城市生 活垃圾的减量化、无害化和资源化处理。 在试验研究的基础上，本文采用g i b b s 自由能最小化方法建立了城市生活垃圾两步法气 化熔融焚烧系统预测模型，模拟结果与已有文献和本文的试验结果吻合良好，证明其具有较 高的可靠性。计算表明，采用两步法气化熔融焚烧技术处理我国城市生活原生垃圾，垃圾低 位热值高于7 8 0 0 1 0 k g ，气化时e r 为0 4 即可获得低位热值为2 2 5 0 k j n m 3 的气化气体，在 无辅助热源的条件下，该气化气体与2 0 0 c 的预热空气在过量空气系数为1 1 条件下燃烧放 热，燃烧绝热火焰温度可达到1 2 0 0 。 关键词：城市生活垃圾；气化熔融；流化床；旋风炉；多环芳烃；重金属；g i b b s 自由能最 小化 i i 摘要 s t u d yo nt w o - s t e pg a s i f i c a t i o na n dm e l t i n g t e c h n o l o g yo fm u n i c i p a ls o l i dw a s t e a b s t r a c t w i t ht h ee c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n dt h ei m p r o v e m e n to fl i v i n gs t a n d a r do ft h er e s i d e n t si n c i t y , ap r o b l e mo ft h eb e s i e g e dc i t yo fg a r b a g eh a sb e e ns e r i o u si no u rc o u n t r y t r e a t m e n to f m u n i c i p a ls o l i dw a s t e ( m s w ) i sr e l a t i n gt ot h eg r a n dp l a no fo u rc o u n t r y ss u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n ds o c i e t y i th a sb e c o m eu r g e n tt oe x p l o i tt h eh i g h - e f f i c i e n c ym s w t r e a t m e n tt e c h n o l o g ya c c o r d i n gt ot h es i t u a t i o no fo u rc o u n t r y t h eg a s i f i c a t i o na n dm e l t i n g t e c h n o l o g yi san e ww a s t ed i s p o s a lt e c h n i q u eo nt h eb a s i so fm s w i n c i n e r a t i o n t h et e c h n o l o g y c a nr e a l i z es t r i c th a r m l e s s ，h i 曲v o l u m e t r i cr e d u c t i o n , h i g hf l e x i b i l i t yt ow a s t e s ，h i g h - e f f i c i e n c y r e s o u r c eu t i l i z a t i o n , a n dh a sb e e nc o n s i d e r e do n eo ft h em o s tp o t e n t i a lm s w sc o m p r e h e n s i v e u t i l i z a t i o nt e c h n o l o g i e si nt h e2 1s tc e n t u r y t op r o m o t et h ea p p l i c a t i o no fg a s i f i c a t i o na n dm e l t i n gt e c h n o l o g yi no u rc o u n t r y , a c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fo u rc o u n t r y m s wt w o - s t e pg a s i f i c a t i o na n dm e l t i n gp r o c e s s f l u i d i z e d - b e dg a s i f i c a t i o na n ds w i r l f l o wm e l t i n gp r o c e s si sp r o p o s e da n dap i l o ti n s t a l l a t i o nh a s b e e n e s t a b l i s h e d e x p e r i m e n t a ls t u d y o ff l u i d i z e d - b e d l o w - t e m p e r a t u r eg a s i f i c a t i o n a n d g a s i f i c a t i o n & m e l t i n go fm s ww e r ec a r r i e do u t ，a f t e rh a v i n gs t u d i e da n du n d e r s t o o d l o w - t e m p e r a t u r eg a s i f y i n gp r o p e a i e so fm s wc o m p o n e n t s w o r k i n gs t a b i l i t yo fp i l o ts y s t e mw a s t e s t e d l o w - t e m p e r a t u r eg a s i f i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，m e l t i n g c h a r a c t e r i s t i c sa n dp o l l u t a n t s p r o d u c t i o nw e r es t u d i e d t h ew e i g h tl o s sa n dg a sf o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i co ft y p i c a lm s wc o m p o n e n t sa n dt h e i r m i x t u r eg a s i f i c a t i o n 、) l 脯s t u d i e di nat h e r m og r a v i m e t r i ca n a l y z e ra n daf i x e d - b e dt e s tf a c i l i t y t h ea c t i v a t i o ne n e r g yd i s t r i b u t i o nf u n c t i o n sw e r eo b t a i n e db yd i s t r i b u t e da c t i v a t i o ne n e r g ym o d e l ( d a e m ) t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep e a l ( v a l u eo fw e i g h tl o s sr a t em o v e st o w a r d h i g h e r t e m p e r a t u r ew i t hi n c r e a s i n gh e a t i n gr a t e h i g h e rt e r m i n a lt e m p e r a t u r ec a u s e sh i g h e rm a s sl o s s w e i g h tl o s so ft y p i c a lm s wc o m p o n e n t sa n dt h e i rm i x t u r eo c c u r si nt h et e m p e r a t u r er a n g eo f 2 0 0 c 5 0 0 c w i t ht h ei n c r e a s eo f r e a c t i o nt i m e ，t h ea c t i v a t i o ne n e r g yo f p a p e ra n dp o l y e t h y l e n e ( p e ) i n c r e a s e s ，t h ea c t i v a t i o ne n e r g yo fk i t c h e nw a s t e si n c r e a s e sf i r s t l ya n dt h e nd e c r e a s e s ，a n dt h e a c t i v a t i o ne n e r g yo fm i x t u r ei n c r e a s e sa f t e rt h r e ef l u c t u a t i o n si nas m a l lr e g i o n i nt h eg a s i f i c a t i o n o ft y p i c a lm s wc o m p o n e n t sa n dt h e i rm i x t u r e ，a d d i n gh 2 0i na t m o s p h e r ec a ni m p r o v et h ey i e l d t oh y d r o g e n ( h 2 ) ，a d d i n gc 0 2c a ne n h a n c et h ey i e l dt oc a r b o nm o n o x i d e ( c o ) ，a n dh i g h e r t e m p e r a t u r ec o n t r i b u t e st om o r ep r o d u c t i o no fh 2 ，c h 4 ，c 2 h 4 t h e r eh a st h ei n t e r a c t i o nb e t w e e n t h ec o m p o n e n t sd u r i n gg a s i f y i n go f m i x t u r e t h ee x p e r i m e n t sf o rl o w - t e m p e r a t u r eg a s i f i c a t i o no fm s wu n d e rd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e sa n d e q u i v a l e n c er a t i o s ( e r ) w e r ep e r f o r m e di nf l u i d i z e d - b e dg a s i f i e r t h er e s u l t si n d i c a t et h a tr a i s i n g e rc a u s e st h es i g n i f i c a n ti n c r e a s eo ff u e lg a sq u a l i t y t e m p e r a t u r ed o e sn o th a v eas i g n i f i c a n t i m p a c to nf u e lg a sq u a l i t y l o w e rh e a tv a l u e ( l h v ) o ff u e lg a sc a nb eh i 曲e ru n d e r l o w e re ra n d h i g h e rt e m p e r a t u r e c h e m i c a le n e r g yc o n v e r s i o n so fp e ，w o o d , p ea n dw o o dm i x t u r e ，k i t c h e n g a r b a g ev a r yf r o m5 7 t o9 7 ，2 3 t o4 5 ，4 0 6 t o8 6 1 ，a n d2 3 t o5 7 4 r e s p e c t i v e l y c a r b o nc o n v e r s i o na n de n e r g yc o n v e r s i o no fp ea r e10 0 h e a tl o s so fi n c o m p l e t er e a c t i o no f s l a go fp ei s0 c a r b o nc o n v e r s i o n so fw o o d ，p ea n dw o o dm i x t u r e ，k i t c h e ng a r b a g ea r eh i g h e r i i i 东南大学博士学位论文 t h a n9 0 ，9 3 a n d8 7 r e s p e c t i v e l y e n e r g yc o n v e r s i o n so fw o o d , p ea n dw o o dm i x t u r e ，k i t c h e n g a r b a g ea r eh i g h e rt h a n9 2 9 5 a n d9 2 r e s p e c t i v e l y h e a tl o s so fi n c o m p l e t er e a c t i o no fs l a g o fw o o d ，p ea n dw o o dm i x t u r e ，k i t c h e ng a r b a g ea r el o w e rt h a no 4 ，o 3 a n d0 5 r e s p e c t i v e l y t h eg a s i f i c a t i o nc a na c h i e v eh i g h e ri n t e n s i t ya n dm o r ec o n v e r s i o ni nf l u i d i z e d - b e dt h a ni n f l x e d - b e d l o wg a s i f i y i n ga n dm e l t i n gc h a r a c t e r i s t i c so fm s wa n dp o l l u t a n t s e m i s s i o nf r o mm s w g a s i f i c a t i o na n dm e l t i n gw e r ei n v e s t i g a t e di nf l u i d i z e d - b e dg a s i f i c a t i o na n ds w i r l - f l o wm e l t i n g p i l o tf a c i l i t y n 地r e s u l t sr e v e a lt h a tc o m b u s t i b l ec o m p o n e n t s c o n t e n ti nf u e lg a s ，l h vo ff u e lg a s , c a r b o nc o n v e r s i o na n de n e r g yc o n v e r s i o ni n c r e a s ew i t hp r o m o t i n gt e m p e r a t u r e f u e lg a sq u a l i t y d o e sn o tc h a n g es i g n i f i c a n t l yw h e nt e m p e r a t u r eg o e su p i m p r o v i n ge rr e s u l t si nd e c r e a s i n go f c o m b u s t i b l ec o m p o n e n t s c o n t e n ti nf u e lg a sa n df u e lg a sl h v h i g h i n ge rc a ne n h a n c ec a r b o n c o n v e r s i o n , e n e r g yc o n v e r s i o na n df u e lg a sq u a l i t y c a r b o nc o n v e r s i o n d o e sn o tc h a n g e s i g n i f i c a n t l yw i t he r i n c r e a s i n gw a t e rc o n t e n ti nm s wa c c e p t a b l yi sh e l p f u lt oi n c r e a s el h vo f f u e lg a s a t1 2 0 0 t h es a m p l ef l ya s hh a dm e l t e da l m o s t a m o u n ta n dt o x i c i t yo f 舢sf r o m m s w g a s i f i c a t i o na n dm e l t i n ga r es m a l l e rt h a nt h o s ef r o mm s wg a s i f y i n g t h ef i x a t i o nr a t e so f c h r o m i u ma n dn i c k e la 糟b i g g e rt h a n9 0 i ns l a g a c t u a lo p e r a t i o no ff l u i d i z e d b e dg a s i f i c a t i o na n ds w i r l - f l o wm e l t i n gp i l o ti n s t a l l a t i o n d e m o n s t r a t et h a tt h ee x p e r i m e n t a ls y s t e md e s i g ni sr e a s o n a b l e ，a n dt h er u n n i n gs t a b i l i t yi sv e r i f i e d t h ec o m b u s t i o nt e m p e r a t u r eo ff u e lg a sc a na c h i e v em e l t i n gt e m p e r a t u r eo ff l ya s h t h eh e a v y m e t a l si nf l ya s ha r ef i x e d , a n da m o u n to fp a h si nf l u eg a sa l er e d u c e d t h e r e f o r e ，f l u i d i z e d - b e d g a s i f i c a t i o na n ds w i r l - f l o wm e l t i n gp r o c e s sc a nr e a l i z er e d u c t i o n , h a r m l e s sa n dr e c l a m a t i o no f m s w b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，ap r e d i c t i o nm o d e lo f t w o s t e pg a s i f i c a t i o na n dm e l t i n g p r o c e s si sc o n s t r u c t e db yt h em i n i m i z a t i o no fg i b b sf r e ee n e r g y m o d e lp r e d i c t i o n sa r ec o m p a r e d w i t he x p e r i m e n t a ld a t aa n dt h ea g r e e m e n ti sg e n e r a l l ys a t i s f y i n g , t h e r e f o r et h ec o r r e c u l e s so ft h e p r o p o s e dm o d e li s d e m o n s t r a t e d t h ec a l c u l a t e dr e s u l t ss h o wt h a tb y a p p l y i n gt w o - s t e p g a s i f i c a t i o na n dm e l t i n gt e c h n o l o g y , w h e nl h vo fm s wh i g h e rt h a n7 8 0 0 k g k ja n de rb e i n g0 4 ， l h vo ff u e lg a sc a nr e a c h2 2 5 0 k j n m 3 w h e nt h ef u e lg a sb u m sw i t hp r e h e a t e da i rw h o s e t e m p e r a t u r ei s2 0 0 ca n de ri s1 1 ，a d i a b a t i cf l a m et e m p e r a t u r ec a na c h i e v e1 2 0 0 cw i t h o u tt h e a u x i l i a r yh e a ts o u r c e k e y w o r d s ：m u n i c i p a ls o l i dw a s t e ( m s m ；g a s i f i c a t i o na n dm e l t i n g ；f l u i d i z e d - b e d ；s w i r l - f o w ； p o l y c y c l i ca r o m a t i ch y d r o c a r b o n s ( p a h s ) ；h e a v ym e t a l s ；g i b b sf r e ee n e r g ym i n i m i z a t i o n i v 目录 符号和缩略词注释表 v 东南大学博士学位论文 v i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：赴日期：硅彦彳弓 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 城市生活垃圾的危害 第一章绪论 城市生活垃圾是指城市居民日常生活中或为城市日常生活提供服务的活动中产生的废 弃物或丢弃物，是固体废弃物的一种f l 】。包括居民生活垃圾和商业垃圾，主要有易腐有机物、 煤灰、塑料、橡胶、纸张、布匹等，它在城市垃圾整体中，不仅数量占居首位，而且成分最 为复杂，其构成受区域和季节影响，变化大，且极不均匀【2 】。如果处理不当，在长期的自然 因素作用下，这些“终态”废物中含有的有害成分就会通过水体、大气、土壤和食物链等途 径污染环境、危害人体健康，其影响主要表现在以下方面【i j ： ( 1 ) 对大气环境的影响。城市生活垃圾中的细微颗粒等在自然风力的带动下随处飞扬， 从而对大气环境造成污染；此外，一些生活垃圾中的有机废物，在适宜的湿度和温度下被微 生物分解，释放出有害气体，产生毒气和恶臭，造成地区性大气污染。 ( 2 ) 对水环境的影响。城市生活垃圾中不但含有病原性微生物，而且在堆放过程中还 会产生大量的酸性和碱性有机污染物，并将垃圾中的重金属溶解出来，是集有机物、重金属 和病原性微生物三位一体的污染源。任意堆放或简易填埋的垃圾，其本身所含水分或淋入堆 放垃圾中的雨水产生渗滤液，流入周围地表水体和渗入土壤，会造成地表水或地下水的严重 污染。 ( 3 ) 对土壤环境的影响。城市生活垃圾及其渗滤液中的有害物质会改变土壤的性质和 结构；垃圾中的有害物质可能杀害土壤中原有的微生物，而大量繁殖另外几种微生物，破坏 原有的生物链，对土壤中微生物的活动产生影响；此外，垃圾中有害成分的存在还会在植物 有机体内积蓄，通过食物链危及生态平衡和人类健康。 ( 4 ) 影响环境卫生、传播疾病。随着城市人口的增加，城市生活垃圾产生量也在增加， 由于管理和环境意识薄弱，城市中的一些死角成为垃圾堆放的场地，从而严重影响了环境卫 生；同时到处可见的各种塑料包装袋形成的“白色污染”破坏了市容和景观，造成“视觉污 染”；此外，垃圾的随意堆放，许多疾病的病菌在垃圾堆中滋生、繁殖和蔓延，对人类健康 造成潜在的危险。 ( 5 ) 容易引发安全事故。城市生活垃圾露天堆放和填埋过程中产生的填埋气体容易引 起爆炸和火灾，从而引发安全事故。 总之，城市生活垃圾是以多种污染成分长期存在于环境中，由于这些污染成分的迁移转 化是一个比较缓慢的过程，其危害性可能在数年甚至数十年后才会显现，因此，从某种意义 上说，其对环境造成的危害可能比废气、废水和噪声造成的危害严重得多。 随着我国城市经济的发展、居民生活水平的逐渐提高和城市化进程的不断深入，生活垃 圾的排放量越来越多，再加上我国传统的垃圾消纳倾倒方式是一种不负责的“服务当代，遗 害子孙”的“污染物转移”方式，因此，生活垃圾带来的问题尤为严重，且日趋严重。我国 历年全国城市生活垃圾清运量见图1 1 ，图1 2 为我国历年全国未经处理的城市生活垃圾总 量f 蛐j 。以上数据表明，截止到2 0 0 5 年，我国6 6 0 个建制市生活垃圾产生量达到1 5 6 亿吨， 其中0 7 5 亿吨未经任何处理，占垃圾产量的5 0 ，这些垃圾或被堆放在指定地点，或随意 堆放在河沿、池塘及城乡结合部，生活垃圾“围城”现象十分严重，因此如何有效处理城市生 活垃圾已经关系到我国城市社会、经济的可持续发展，问题的解决迫在眉睫。 东南大学博士学位论文 ? y a 一 一厂、 t t l 一 ，万一 l 92 o洳l2 22 0 0 32 0 0 42 0 0 5 图1 1 我国历年全国城市生活垃圾清运量 2 0 0 12 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 5 年份 图1 2 我国历年全国未经处理的城市生活垃圾总量 1 1 2 城市生活垃圾的处理 目前，世界上开发的城市生活垃圾资源化处理技术主要为：物理分选回收技术、填埋处 理技术、生物处理技术和化学处理技术，具体分类和特点见表1 1 睁1 3 j 。其中，综合各技术 的适应性、可靠性和投资运行成本等因素，填埋、焚烧、堆肥和回收利用是当前世界各国应 用最为广泛的垃圾资源化处理技术。表1 2 为部分发达国家垃圾处理方式及变化趋势1 2 , 1 4 1 。 由表可以看出，这些发达国家在资源化处理城市生活垃圾的历史过程中，基本上是逐步加大 垃圾焚烧、堆肥和回收利用的比例，减少填埋处理的比例，其中，生活垃圾焚烧处理技术在 发达国家得到了较快的发展，在生活垃圾处理方式中所占比例越来越大。 2 鲫 姗 姗 舢 舢 咖 舢 砌 管r嘲至孵繇秘 o o 0 0 o o 0 o 0 8 7 6 5 4 3 2 1 訾k 嘲蹈翅窨剐文斌张 第一章绪论 表1 1 城市生活垃圾资源化处理技术分类及特点 技术分类特点 物理破碎技术( 包括干式、湿式、半湿式技术) 、分选可以最大程度的循环利用垃圾中的有用资源； 分选 技术( 包括手工分选、筛分、重力分选、磁选、电但需要消耗大量的能源、空间和人力资源，常 回收选、浮选、红外分选) 、分离技术( 包括单溶剂分作为其他资源化技术的预处理使用。 离、双溶剂分离) 等。 填埋 技术成熟，应用广泛，投资和运行成本较低， 处理可以回收沼气资源；但需要有合适的填埋场地 和良好的后期维护与检测。 生物堆肥技术( 包括高温好氧堆肥、快速厌氧堆肥技 处理术) 、沼气化技术、生物转化技术( 包括生物修复、 处理成本较低，投资少；但处理周期较长。 微生物脱臭技术) 等。 化学 热处理技术( 包括焚烧、热解、气化、等离子处理、处理周期较短，占用土地资源较少，处理量较 处理r d f 技术) 、化学分解技术( 包括水解技术、碱化大；但投资较大，通常还须垃圾预处理。 处理技术) 等。 表1 2 部分发达国家垃圾处理方式的变化 长期以来，我国城市生活垃圾处理主要以寻找合适地点加以消纳为目的，卫生填埋一直 占据主导，其次是高温堆肥和焚烧。然而，随着城市人口膨胀，城市周围可用于填埋的场地 越来越少，新建填埋场离城市越来越远，使得填埋处理运输费大大增加。而高温堆肥是针对 垃圾中可被微生物分解的有机物，是垃圾中有机成分的处理技术，不是全部垃圾的最终处理 技术。与填埋和堆肥相比，采用焚烧法处理垃圾，不仅垃圾的容积和重量可大大减少，而且 还能利用垃圾中的能源进行发电和供热，因此，近年来我国城市生活垃圾采用焚烧处理的比 例明显上升，垃圾焚烧处理厂的数量逐年增加。表1 3 和1 4 分别为2 0 0 3 和2 0 0 4 年我国部 分省市城市生活垃圾处理方式的变化和垃圾焚烧厂的数量l ，由表可以看出，我国经济较 为发达的省份和大城市垃圾焚烧处理量增加较为显著。 3 东南大学博士学位论文 表1 - 3 我国部分省市垃圾处理方式的应用比例 2 0 0 3 年2 0 0 4 年 地区 垃圾无害化 填埋 堆肥焚烧脯 垃圾无害化 填埋堆肥腻焚烧 处理量万吨 处理量万吨 北京 3 3 4 38 8 09 6 2 43 9 2 89 1 7 4 5 3 8 河北 吉林 上海 江苏 浙江 安徽 河南 广西 海南 四川 2 9 2 4 2 8 4 1 6 9 3 6 9 5 5 7 2 5 1 4 7 1 4 2 3 8 1 36 4 6 2 5 2 3 6 5 8 7 9 l o 71 43 1 0 67 3 52 1 84 7 9 6 23 803 0 0 4 9 0 0 3 76 3 2 6 12 6 6 4 7 31 2 3 31 2 83 1 55 5 7 9 4 43 22 47 4 3 79 3 44 22 4 8 2 3o1 7 76 0 5 5 7 8 602 1 4 8 0 i 9 40 51 1 9 28 6 25 28 6 6 8 33 0 01 73 7 6 97 4 52 3 22 3 8 3 11 6 70 21 3 9 38 2 78 4 8 9 9 0 99 105 5 8 9 3 06 30 7 8 1 61 0 1 8 32 5 9 87 9 41 0 79 9 全国7 5 4 4 78 5 99 24 98 0 8 8 78 5 29 0 5 8 表1 4 我国部分省市垃圾焚烧厂的数量 2 0 0 3 年，座2 0 0 4 年座 地区 无害化处 填埋堆肥焚烧 无害化处理 填埋堆肥焚烧 理厂总数厂总数 北京1 5l ll31 81 32 3 河北 辽宁 吉林 上海 江苏 浙江 安徽 山东 河南 广东 广西 海南 四川 4 l l l 6 2 1 4 1 6 7 3 2 46 2 1 2 8 全国5 7 54 5 77 04 85 5 9 4 4 4 6 l 5 4 - - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - l i - _ l l - - _ _ _ _ _ _ - _ l _ _ - _ _ _ _ i _ i _ _ _ _ _ _ l l - _ - - 一i - - - _ _ - _ _ _ - i l - _ - l _ - _ i l - _ _ _ _ i l i - l _ _ _ _ _ _ - l _ _ l _ _ - _ _ - 目前，我国已建成的垃圾焚烧厂，无论是炉排层燃方式还是回转窑和流化床方式，均为 单一焚烧处理，即在8 0 0 1 0 0 0 的焚烧炉内，城市生活垃圾中的可燃成分与空气中的氧 进行剧烈的燃烧反应，从而转换成高温燃烧气和少量性质稳定的固体残渣的过程。从目前运 行情况来看，这种焚烧处理方式存在以下问题 1 5 1 2 ( 1 ) 垃圾焚烧炉易产生二嗯英( d i o x i n s ) 污染问题。1 9 7 7 年荷兰学者o l i e 等人首次在 垃圾焚烧炉烟道气和飞灰中发现二嗯英，其剧毒性、生物累积性和具有高熔点与高沸点而导 致其不易被分解等特性，引起了环保界的震惊。即使是属于较先进的焚烧厂如美国的w r w s c o 、n o r t h w e s t 及瑞典的e s k j o ，其排放的废气每立方米中仍可检测出几十纳克二嗯英。 二嗯英由焚烧产生的化学反应非常复杂，迄今仍在进行各种研究以探讨其产生的机理与途 4 3 l 2 2 4 n 2 3 3 8 2 l 7 9 7堪铂”8记砣侈8 3 bm射4铂勰轮盯他屹6筋 2 l l 2 3 “l l m 7插卯铊n他m n 6 3 抡 ：2 9堪4：2铊h够墙9 5 勉 第一章绪论 径，根据研究报告，焚烧产生二嗯英的机理可能有以下三种【临i s l ：由于焚烧炉中温度较低 或停留时间太短造成垃圾中有机物如p c b s 、p c d d f s 等不能有效分解而形成d i o x i n s ：由 氯化有机芳香族类的二嗯英前趋物在下游设备的低温区域( 2 5 0 3 5 0 ) 下生成；由非 氯化有机物、氯盐、氧气和水分子在飞灰中的金属盐类化合物( 如c u c l 2 ) 等催化剂的催化 下，发生迪亚康( d e a c o n ) 反应在下游设备的低温区域( 2 5 0 - 3 5 0 ) 下生成。 ( 2 ) 垃圾焚烧炉易产生h c i 、h f 、s 0 2 等酸性气体污染和高温腐蚀问题。焚烧过程中， 特别是炉排层燃方式生成大量的酸性污染气体如h c i 、h f 、s 0 2 、n o x 等，这些腐蚀性极强 的酸性气体不仅对环境造成污染，而且易造成锅炉受热面高温腐蚀，使材料耐热性降低，从 而限制了蒸汽压力和温度等参数的提高，使发电效率较低，一般在1 0 以下，最先进的垃 圾发电厂也只有1 0 1 5 ，从而影响了能量利用效率。此外，过热器因高温腐蚀而频繁爆 管，致使焚烧炉不能正常连续运行，事故率高。 ( 3 ) 垃圾焚烧炉易产生c d 、a s 、h g 、p b 等重金属污染问题。焚烧产生的飞灰和底渣 中富集重金属，释放进入空气、水和土壤中易造成污染，此外，由于灰渣中重金属的渗析， 导致排出的灰渣不能有效利用。 为了全面控制垃圾焚烧带来的二次污染，包括剧毒的二嗯英等有机物污染，c d 、a s 、 h g 、p b 等重金属污染以及h c l 、h f 、s 0 2 等酸性气体污染等，许多国家纷纷对垃圾焚烧污染 物排放进行严格限制，我国也于2 0 0 1 年颁布了“城市生活垃圾焚烧烟气排放标准 g b l 8 4 8 5 2 0 0 1 ”。垃圾焚烧厂为达到烟气排放标准，必须采用规模庞大的尾气处理设备( 在 发达国家，尾气处理系统费用几乎占总投资费用的四分之一左右) ，而且，净化处理过程产 生的残渣还须再次作为危险废弃物进行处置，使投资和运行费用大幅度增加，直接影响了垃 圾电站的经济效益和发展，从而严重削弱了垃圾焚烧处理的技术优势，给该技术的推广应用 带来了巨大障碍。 为了更高效地回收垃圾中的能源和满足更严格的排放标准，世界各国特别是发达国家 在二十世纪7 0 8 0 年代，纷纷致力于开发新的第二代垃圾焚烧工艺，城市生活垃圾气化熔融 焚烧技术，就是当时美国、德国、日本等发达国家为了解决垃圾焚烧处理过程中产生二噫英 类毒性物质的问题而提出的一种新型技术