垃圾焚燒爐燃燒技術及設備的發展

1 前言
隨著經濟的發展、人口的不斷增多以及人民生活水平的日益提高，城市垃圾的產生量也日漸增多。在當今世界，大量的垃圾已成為城市中一個長期存在的污染源。對垃圾的處理不當，可能會造成嚴重的大氣污染、水污染和土壤污染，並將占用大量的土地。二十世紀九十年代中期在西班牙發生的垃圾堆山體松動、滑移並嚴重污染海濱的嚴重事件，便是對人類發出的一次警告。可以說，垃圾對環境的污染已經成為日益嚴重的問題。如何經濟、有效地進行垃圾處理，是廣大環保工作者和環保行業面臨的一個亟待解決的問題。 垃圾焚燒是目前固體廢棄物處理的有效途徑之一，其目的在於垃圾的無害化處理和利用[1]。在西方發達國家，垃圾焚燒技術的應用已經有將近130年的歷史，而且目前仍被認為是最有效、經濟的垃圾處理技術之一。我國對垃圾的處理目前基本上仍采用露天堆放和填埋法，而在垃圾焚燒技術的研究、開發和應用方面起步較晚。相比之下，我國垃圾焚燒設備的設計、生產和應用的水平和規模與發達國家的差距還很大。因此對我國的環保工作者和生產企業來說，了解垃圾焚燒爐燃燒技術及設備的發展趨勢，進而學習和掌握先進的垃圾焚燒爐設計和制造技術顯得非常迫切和重要[2]。 本文通過對垃圾焚燒爐燃燒技術及設備發展歷史的回顧，分析各種燃燒設備的特點，並對我國的垃圾焚燒技術和設備的發展提出建議。
2 垃圾焚燒爐發展早期的主要型式和特點
從十九世紀下半葉開始，西方發達國家已著手設計和開發垃圾焚燒設備。當時應用垃圾焚燒技術和設備的主要目的是[3]： （1）在高溫下進行垃圾的無害化處理，滅除細菌以及病原體； （2）產生可加以利用的灰渣； （3）避免由於燃燒而產生的煙塵和氣味； （4）將垃圾中含有的能量轉換為蒸汽、電能或者熱水加以利用； （5）以盡可能低的成本進行垃圾的焚燒處理，而且設備操作和工作條件合理； （6）焚燒所有無法利用的可燃廢棄物。 世界上第一臺固體廢棄物焚燒設備誕生在第二次技術革命時期的歐洲。十九世紀下半葉，英國的Paddington已經發展成為一座人口密集的工業化城市。1870年，一臺垃圾焚燒爐在Paddington市投入運行。當時的垃圾水分和灰分均很大，故其發熱量低而難以焚燒，因此這臺焚燒爐的運行狀況不良，不久即停止運營。針對垃圾品質低劣、焚燒困難的問題，先是采用雙層爐排(下爐排上為強烈燃燒的煤層)，進而在1884年試圖將垃圾與煤混燒，以改善垃圾燃料的燃燒特性。然而兩種嘗試均未獲得令人滿意的結果，而且由於煙囪低矮，使得附近的環境受到刺激性煙氣的污染。 為了解決刺激性煙氣和炭黑污染的問題，首先采取的措施是將焚燒溫度提高到700℃，後來又進一步提高到800～1100℃。當時人們已經知曉燃燒空氣量和投入方式對煙氣溫度的影響，因此相繼采用了加高煙囪、配置送風機和引風機等措施，以增加通風量和滿足焚燒過程對燃燒空氣量的需求。煙囪加高後，同時也解決了煙氣中刺激性有害物質的擴散問題。 由於垃圾的種類和成分隨著地域和季節的不同而可能發生很大的變化，垃圾焚燒設備必須具有良好的燃料適應性。在這方面，當時所采取的技術措施是在焚燒爐中增設垃圾干燥區以及采用燃燒空氣預熱。
2.1 箱式垃圾焚燒爐
1876年，一家垃圾焚燒廠在英國Manchester市投入運行。該廠裝有數臺箱式垃圾焚燒爐，各爐共用一個排煙通道，爐內采用固定傾斜式階梯爐排。運行結果表明，這種箱式焚燒爐比較適合於垃圾焚燒。在操作時，垃圾從爐門由人工投入燃燒室進行燃燒。爐門除了用於投入垃圾外，還用於除渣和撥火。爐排上方的爐拱在燃燒過程中呈白熱化狀態，由此而產生的強烈輻射對新燃料起到了烘干的作用。 由於當時Manchester這種類型的垃圾焚燒爐的成功，到十九世紀末在英國共制造和成功投運了210座同類型的垃圾焚燒裝置，僅London一地就有14座。這種箱式焚燒爐的主要缺陷在於操作工人勞動強度大、工作條件惡劣。此外，人工投料和除渣操作造成焚燒過程的不連續性。圖1所示的箱式垃圾焚燒爐在後牆增設了單獨的除渣和撥火孔。 此後，在上述箱式焚燒爐的基礎上又出現了雙箱式焚燒爐和串聯爐排爐等許多型式的垃圾焚燒爐。雙箱式焚燒爐由兩套箱式焚燒爐的燃燒設備以背靠背的形式組成，共有連接兩套燃燒設備的後牆和一個垃圾給料口。運行時，在兩套燃燒設備中交替進行除渣、給料和焚燒過程，即當其中一套燃燒設備進行除渣和給料操作時，另一套設備中正在進行垃圾焚燒過程。新加入的垃圾通過與灼熱的後牆接觸，也能夠得到干燥。因此，即使在垃圾發熱量較低時，爐內燃燒溫度也能達到700～1000℃。箱式焚燒爐的爐門最寬可達1 m,爐排面積通常為1.0～1.5 m2，最大可達3 m2。由於除渣操作頻繁、焚燒過程不連續，箱式焚燒爐的焚燒量隻有6～10 t/日(以24小時計)，在垃圾得到預熱時可達20 t/日。

2.2 立式垃圾焚燒爐
德國的Wiesbaden市於1902年建造了一座采用立式焚燒爐的垃圾焚燒廠。這種焚燒爐在運行時，垃圾由爐子上方經過一個倒置喇叭口投入爐膛，燃燒空氣則通過水平渣井中的縫隙流入，在冷卻爐渣的同時也得到了預熱(圖2)。在喇叭口處，煙氣從側面引出，並在加入二次風後進入燃燼室，以將煙氣中攜帶的可燃成分(特別是可燃氣體)充分燃燼。該焚燒爐爐高3 m，爐膛橫截面為矩形，爐底尺寸為0.8×0.8 m。與箱式焚燒爐相比，立式焚燒爐的焚燒量較大，而且燃燼效果好，但仍存在人工除渣勞動強度大的缺點。 對上述型式的焚燒爐進行改進之後，出現了圓筒形爐膛的立式焚燒爐。燃燒空氣改由爐膛的側面送入，除渣操作則由一種特制的清渣刀來完成。在需要除渣時，圓筒爐膛的底蓋打開，清渣刀由底部伸入爐膛中進行除渣操作；在其完成除渣操作退出爐膛後，爐膛底蓋重新關閉，垃圾靠其自重自動地落在底蓋上，爐膛上方空間由新加入的垃圾填充。這種焚燒爐每m2爐排面積的焚燒量可達2.6 t/h，爐膛溫度約為900℃。一座垃圾焚燒廠可由數臺立式焚燒爐組成，擁有公用的燃燼室和飛灰收集裝置。 此後在歐洲各國又出現了各種改進型的立式焚燒爐，所應用的新技術包括采用水冷壁冷卻立式爐壁、采用螺旋連續給料裝置以及機械除渣。特別值得一提的是，在二十世紀初的歐洲就已經出現類似於沸騰燃燒的立式垃圾焚燒爐[3]。垃圾由爐子上方送入爐膛，而燃燒空氣由下至上噴入。在40～50 mbar 空氣壓力的作用下，垃圾中熱值較低的碎屑便被分離出來，並和飛灰一起由煙氣攜帶至飛灰收集室，而熱值較高的粗大垃圾則在面積約為1.2 m2的爐排上進行燃燒。這種焚燒爐采用了機械化給料裝置，每m2爐排面積的焚燒量達1.1 t/h，爐膛溫度約為1000～1100℃。

2.3 其它型式的垃圾焚燒爐
為了實現垃圾焚燒過程中進料、撥火、清渣和除灰等主要操作的機械化，先後開發和應用了階梯式爐排、傾斜爐排和鏈條爐排以及轉筒式垃圾焚燒爐。與現代的傾斜往復爐排相似，本世紀二十年代的階梯式爐排也是由固定爐排片和活動爐排片組成的，整個爐排呈階梯狀，水平傾角約為10～13° 。垃圾通過螺旋給料裝置進入爐子，並在預熱後被拋向爐排的最低處。通過爐排片的往復運動，垃圾在爐排上連續並均勻地自下而上逆向移動，並產生良好的撥火作用，而且有利於破碎硬化的灰渣層。10～13° 的爐排傾角可使熔融的灰渣回流至新加入的垃圾中，有利於加速垃圾的干燥和著火。因此，階梯式爐排不僅能夠較好地適應垃圾成分的波動，而且與箱式和立式焚燒爐相比，更加適用於焚燒量和蒸發量較大的情況。根據焚燒量的大小，階梯式爐排可以采用單排或雙排的型式。當時階梯式爐排長度可達3.5 m，單排寬度1.3 m，平均焚燒量可達3.5 t/h。 此後又進一步開發了采用傾斜爐排的垃圾焚燒爐。這種傾斜爐排的特點是爐排自進料口至灰鬥方向向下傾斜15～25° (即與現代傾斜往復爐排的傾角大致相同[4, 5])，垃圾由於爐排片的往復運動而向灰鬥方向移動並同時得到松動，故其亦具有很好的撥火作用。具有雙排傾斜爐排的垃圾焚燒爐的爐排總面積達16 m2，其焚燒量可達8 t/h，爐膛溫度約為900～1000℃。 轉筒式垃圾焚燒爐的開發和應用是垃圾焚燒操作走向機械化的一個重要步驟。通常這種焚燒爐的燃燒設備是由轉筒和傾斜爐排共同組成的。垃圾進入爐膛後首先在傾斜爐排上得到部分高溫煙氣的干燥；在進入轉筒前，垃圾甚至已經著火或開始燃燒。對於低熱值的垃圾，整個爐膛內布置有分別用於垃圾干燥、引燃和焚燒的三組傾斜爐排。因為用於垃圾干燥和引燃的爐排的位置均高於焚燒爐排和轉筒，造成爐膛高度和體積較大，設備投資較高。因此從技術經濟比較的角度來看，轉筒式垃圾焚燒爐的焚燒量應不小於30000 t/年。 撥火操作對於垃圾(尤其是低熱值、高灰分的垃圾)焚燒過程影響較大，而鏈條爐排的主要缺點之一正是其對燃料層無自動擾動作用，撥火操作仍需借助於人力，因此將鏈條爐排用於低熱值垃圾焚燒不太適宜。到本世紀六十年代，曾有外國公司在垃圾焚燒爐中采用鏈條爐排。但是由於鏈條爐排在燃燒技術上的種種缺陷(著火條件差、撥火作用弱以及配風調節能力差等)，到八十年代末便為往復推飼爐排所代替。
3 現代垃圾焚燒爐的主要型式和特點
垃圾焚燒技術已經經歷了將近130年的發展過程，垃圾焚燒技術和設備已經日臻完善並得到了廣泛的應用。西方發達國家目前通用的垃圾焚燒繫統主要有以下幾類： （1）垃圾層燃焚燒繫統，如采用滾動爐排、水平往復推飼爐排和傾斜往復爐排(包括順推和逆推傾斜往復爐排)等。層燃焚燒方式的主要特點是垃圾無需嚴格的預處理。滾動爐排和往復爐排的撥火作用強，比較適用於低熱值、高灰分的城市垃圾的焚燒； （2）流化床式焚燒繫統，其特點是垃圾的懸浮燃燒，空氣與垃圾充分接觸，燃燒效果好。但是流化床燃燒需要顆粒大小較均勻的燃料，同時也要求燃料給料均勻，故一般難以焚燒大塊垃圾，因此流化床式焚燒繫統對垃圾的預處理要求嚴格，由此限制了其在工業廢棄物和城市垃圾焚燒領域的發展； （3）旋轉筒式焚燒爐，其特點是將垃圾投入連續、緩慢轉動的筒體內焚燒直到燃燼，故能夠實現垃圾與空氣的良好接觸和均勻充分的燃燒。西方國家多將該類焚燒爐用於有毒、有害工業垃圾的處理。 在當今高度工業化的時代，城市垃圾焚燒技術面臨著許多新情況和新問題：
（1）在經濟發達國家，城市垃圾堆積密度小、熱值高且灰分和水分較低；
（2）垃圾焚燒排放標準日益嚴格，特別是要求煙氣中有害物質的排放得到有效的控制。除了煙塵之外，垃圾焚燒煙氣中主要的有害物質有CO、SOx、NOx、有機碳以及二氧(雜)芑(二惡英，dioxins)和 喃(furane)。通過對燃燒技術的改進和焚燒過程的調整，這些物質的產生和排放可以在一定程度上得到控制。相比較而言，在本世紀五十年代以前僅對垃圾焚燒爐的煙塵排放以及最低焚燒溫度有過限制。規定最低焚燒溫度(如800℃)目的在於將產生刺激性氣味的有害物質在爐子中充分燃燼； （3）從焚燒爐投資和運行經濟性的角度來看，其最低焚燒量應為3 t/h到20～25 t/h。 因此，現代垃圾層燃焚燒繫統應該滿足以下要求： （1）撥火作用強，以保證整個爐排面上垃圾的均勻、充分燃燒並防止結渣。影響爐排撥火作用的主要因素有： 爐排的型式； 爐排運動的方式和強度； 爐排傾角和垃圾在爐排面上的移動方向等； （2）為了保證垃圾的及時引燃、充分燃燒和燃燼，爐排應分成干燥和引燃區、主焚燒區和灰渣燃燼區三個區域； （3）燃燒設備應該具有對經常發生的垃圾成分(水分或者熱值)突然出現波動情況的適應能力。當垃圾成分發生波動時，焚燒爐垃圾給料量以及一次風量及其分布和溫度均應及時準確地予以調節； （4）對燃燒空氣(一次風和二次風)進行預熱； （5）具有投入某些添加劑的可能性，以降低某些有害物質如二惡英、NOx和SOx的排放量； （6）將整個燃燒過程劃分為垃圾焚燒階段和煙氣中可燃有害物質的燃燒階段，後一階段煙氣的燃燼需要足夠的空氣。在垃圾焚燒階段需限制燃燒空氣量，以避免爐膛溫度的強烈波動以及產生過多飛灰； （7）保證較低的灰渣和飛灰含碳量(1～3%)，燃燼良好。 現代垃圾層燃焚燒爐爐排的主要型式之一是往復推飼爐排，其中應用最廣泛的應數單級或多級布置的順推傾斜往復爐排(圖3)。垃圾由機械給料裝置自動進入爐膛，先後在爐排上經過干燥和引燃區、主焚燒區以及燃燼區，完成整個焚燒過程，垃圾在爐膛內的停留時間一般為1小時。借助於爐排傾角並通過爐排的往復運動，垃圾在向灰鬥的運動過程中不斷地得到翻攪，撥火作用強。為了適應焚燒量、垃圾種類以及成分的變化，燃燒空氣量及其分布均可調節，並可分為一次風、二次風或者三次風分別配給。德國EVT公司的垃圾焚燒繫統是采用順推傾斜往復爐排的典型例子。其特點在於采用一個鏈條爐排來保證垃圾的均勻和連續輸送。通過對鏈條爐排傳送速度的無級調節，使得焚燒爐能夠對垃圾熱值的波動作出靈活的反應，有利於燃燒工況的調節[6]。

滾動爐排也是一種前推式爐排，一般由傾斜布置的多個滾筒組成(圖4)。滾筒在液壓裝置的作用下作旋轉運動，使得滾筒上的垃圾在燃燒過程中形成波浪式的運動，垃圾從而得到充分的攪拌，撥火作用強，燃燒充分。該類焚燒爐爐膛的設計合理地結合了滾動爐排的特性和垃圾焚燒的特點，前面的幾個滾筒為垃圾的干燥和燃燒區，能使高水分、低熱值的垃圾迅速得到干燥並及時著火。低熱值的垃圾在前拱高溫輻射的作用下，形成垃圾焚燒所必需的高溫區域，以使垃圾充分燃燒並減少有害物質的產生和排放。在後拱的作用下，火焰和高溫煙氣直接衝刷後面滾筒燃燼段上的垃圾，以促使垃圾的進一步燃燼。 逆推傾斜往復爐排的典型代表是德國馬丁公司的爐排，其與前推傾斜往復爐排的不同之處在於爐排片的運動方向與垃圾運動方向相反(圖5)。因此，采用逆推傾斜往復爐排可使來自主焚燒區域的灼熱灰渣與干燥引燃區域中的垃圾更加充分地混合，有利於垃圾的引燃。可見，這種爐排更加適用於水分高、熱值低的垃圾的焚燒。

4 我國城市垃圾的特點和焚燒設備的發展
隨著生產的飛速發展和經濟的迅速崛起，我國已經步入城市生活垃圾高產國的行列。據統計，1990年中國城市垃圾的總產量為6900萬t，其中上海全市垃圾產量為270萬t(每天約7500 t)，居全國首位。1995年全國城市垃圾的總產量已達1億t。根據對418個大、中城市的調查統計，我國城市的垃圾產量以每年10%的速度遞增，預計到2010年垃圾年產量將達約2億t(圖6)。目前全國垃圾的歷年堆存量已達60多億t，侵占土地面積多達5億m2(合75萬畝)。全國600多座城市中，有200多座已為垃圾山所包圍。上海市區1260 km2 範圍內有50 m2 以上的垃圾堆近2000個，占地面積約7900畝。垃圾的長期露天堆放對大氣環境、地下水和土壤等已經造成了明顯的威脅和危害。因此，大力發展我國城市垃圾焚燒技術的研究和設備的開發應用勢在必行。

城市生活垃圾含有可燃和不可燃垃圾兩大部分，其中可燃部分包括廢棄紙張、破布、竹木、皮革、塑料和動植物殘餘物等。而不可燃部分為各類廢棄金屬、沙石、玻璃陶瓷碎片等。我國城市消費水平較低，垃圾不可燃成分比例較高，熱值遠低於發達國家。但是我國城市生活水平正在不斷提高，城市垃圾正向著含水率降低、可燃成分 逐漸增加的趨勢發展，中等以上城市的垃圾熱值一般在2512～4605 kJ/kg，個別地區已達3349～6280 kJ/kg，已達到或接近垃圾焚燒的要求(熱值不小於3350 kJ/kg)。 應該引起注意的是，我國城市垃圾中不可燃成分比例大，垃圾熱值低、水分含量高，而且垃圾的成分因地域、季節、城市消費水平以及年份的不同而變化，因此要求垃圾焚燒設備對於垃圾成分的變化(特別是水分和熱值的變化)具有很強的適應性，可以根據垃圾成分的波動對燃燒過程進行及時、有效的調整，以保證垃圾的及時引燃和穩定燃燒。自1985年深圳市從日本引進馬丁式垃圾焚燒爐以來，我國珠海、廣州等城市也相繼采用了國外垃圾層燃焚燒繫統，上海浦東新區生活垃圾焚燒廠也將引進法國公司提供的傾斜往復爐排焚燒爐。應該通過引進國外先進設備，積累運行經驗，逐步消化國外先進技術，再結合我國的實際情況，開發和研制適合我國國情的垃圾焚燒設備。

分析各種城市垃圾焚燒設備的特點可知，結合我國國情來發展傾斜往復推飼爐排焚燒爐是合理可行的。在設計中，除了要考慮受熱面傳熱效率外，還應考慮受熱面和爐牆的腐蝕和磨損、煙氣淨化以及自動控制等問題。在爐拱和爐膛設計和燃燒空氣布置、分配方面，應該充分考慮到我國城市垃圾熱值低、水分含量高的特點。考慮到我國的實際情況，在研制大型垃圾鍋爐、建設大規模垃圾焚燒廠的同時，應該鼓勵開發中、小型垃圾焚燒設備。在焚燒排放標準方面既不能照搬發達國家的標準，也不能過於寬松，應該在參考國外有關標準的基礎上，逐步制定適合我國國情的排放標準。