城市固体垃圾焚烧处理技术及处理效果评价

胡德超

（滨州市规划设计研究院，山东 滨州256600）

固体垃圾集中焚烧是目前较为常见的垃圾处理方式，而且焚烧过程中产生的热量还可以用于供暖、发电，综合效益良好。近年来，国内垃圾焚烧技术逐渐朝着资源化、无害化、智能化方向发展，很多大型的垃圾焚烧厂基本上实现了自动化运行，无论是减轻运行管理压力还是提升垃圾处理效果，都取得了较为理想的成绩。通过加快推进技术创新和优化处理效果评价体系，能够为固体垃圾的焚烧处理提供全方位的支持，这对城市的生态文明建设也大有裨益。

1 城市固体垃圾焚烧处理技术

1.1 干燥过程

固体垃圾中含有较多的水分，占比通常在20%～50%之间。为了提高焚烧处理效果，在固体垃圾焚烧之前要进行干燥预处理。水分含量越高，则干燥过程中消耗的热能越多，干燥处理的时间也相对较长。现阶段常用的固体垃圾干燥技术主要包括三种：其一是辐射干燥，利用高炉的侧壁辐射出的高温热量对固体垃圾进行烘干；其二是通气干燥，高炉提供的高温空气，从炉底自下而上的流通，利用高温热气对固体垃圾进行烘干；其三是接触干燥，固体垃圾燃烧之后，自身温度升高，对水分也能够起到烘干效果。固体垃圾经过预处理后，含水率降低至2%以下，为下一步的彻底焚烧创造良好条件。

1.2 热分解过程

城市固体垃圾中各类有机化合物，在高温环境下可以发生分解、聚合等化学反应。热分解是焚烧的首要环节，并且与固体垃圾焚烧是否完全也会有直接的影响。通常来说，热分解越彻底，焚烧处理的效率越高，产生的二次污染物越少。成分复杂的固体垃圾，在热分解以后主要获得烃类物质、固定碳等组分。影响热分解速率的因素有多种，例如可燃物的活化能、环境温度、气体流通速度等。计算热分解速率可以使用如下公式：

上式中，K 即热分解速率，A 代表频率系数，e 为自然常数，E 为可燃物活化能，R 为气体常数，T 为环境温度。根据这一公式，通过降低可燃物的活化能（E），或是提高环境温度（T）、增加空气流速（R），都能够起到加快热分解速率的效果。除此之外，固体垃圾的成分也会通过影响导热性能进而对热分解速度产生影响。但是考虑到固体垃圾成分复杂，在实际计算时允许忽略不计。

1.3 燃烧过程

由于固体垃圾的组分复杂，因此整个燃烧过程会发生多种反应，以燃烧形式来看，除了分解燃烧外，还有表面燃烧、蒸发燃烧等若干种形式。除此之外，经过一道预处理程序（烘干）和第一道燃烧程序（热分解）后，固体垃圾中包含的可燃成分也被分为两种，一种是固态可燃物，包括各类有机化合物；另一种是气态可燃物，例如一氧化碳、饱和烷烃等。在高温环境下，这些可燃物在通入氧气的情况下进行燃烧，并逐渐分解成分无害化的无机化合物。

在热分解环节形成的一些具有较强还原性的气体（如一氧化碳、氢气），在提供高温、高氧环境后，可以发生剧烈的燃烧。这一阶段高炉内会出现燃烧的火焰；随着可燃气体被消耗完全，只剩下固体可燃物进行表面燃烧，此时燃烧火焰减小甚至消失。要想提高固体垃圾的燃烧速率和分解效果，除了做好烘干、热分解两道工序外，还应保证固体垃圾的持续、均匀供应。调节空气流也是一种提高燃烧效率的方式，但是在实际操作中，应注意控制风量和风速，避免通入空气过多、风速过快而导致垃圾熔融结块、影响正常排烟的情况。

1.4 国标要求

在《生活垃圾焚烧污染控制标准》（GB18485-2014）中，对固体垃圾焚烧处理的相关指标作出了明确的要求。在实际进行焚烧处理时，必须符合这些要求，从而让固体垃圾完全燃烧、处理彻底。例如，燃烧剩余的炉渣，其热灼减率不得超过5%；燃烧室内烟气在高于850℃的情况下，滞留时间不得少于2s。

2 燃烧过程控制参数

对垃圾焚烧有重要影响的因素，在燃烧过程中均需要重点控制。可以概括为“3T+E”，即焚烧温度、气体留滞时间、垃圾混合程度和过剩空气率。另外还有燃烧室内温度与负荷，各个变量的影响关系如表1 所示。

表1 燃烧控制参数的影响关系

其中：（1）焚烧温度越高，则对固体垃圾中可燃废物的分解与氧化能力越强，有毒有害物质的转化效率较高，但是也要考虑高温引起的负荷问题，避免一味增加焚烧温度而增加运行成本。（2）气体留滞时间约长，燃烧越充分。尤其是经过热分解之后，空气中可燃烧的固体颗粒物或气体含量增加。适当延长气体留滞时间，让这些气态可燃物有更加充分的机会与空气接触，因此燃烧也更加彻底。（3）垃圾混合程度是指固体垃圾与空气接触的面积和时间。在实际工作中可以采取旋转扰动、机械炉排扰动等方式，实现炉床上、下同时送风的效果，使得混合强度进一步提升，垃圾热灼减量更低。

理论上，固体垃圾中的可燃物与氧气充分混合后，能够实现彻底燃烧。但是实际上，垃圾焚烧厂出于成本考虑，并不会直接通入纯氧，而是通入空气。由于空气中含有二氧化碳等不可燃的成分，会导致可燃物无法做到完全燃烧。因此同等情况下要想实现完全燃烧，必须提供更多的助燃空气量，即过剩空气。过剩空气系数M可以通过公式求得：

M=实际供应空气率/理论空气量

根据计算结果，在焚烧过程中确定通入空气的最佳量。过剩空气系数M对垃圾燃烧的影响如图1 所示。

图1 过剩空气系数过低对垃圾燃烧的影响合上图可知，当固体垃圾焚烧过程中过剩空气不

结足的情况下，部分可燃性差的垃圾由于与氧气接触的机会少，因此更容易出现燃烧不彻底的情况。不能完全燃烧的固体垃圾，会释放出更多的一氧化碳、氮氧化物。这些污染气体以尾气的形式排出，容易造成空气的污染。同样的，过剩空气还会起到加速炉内热量扩散的作用，如果通入的过剩空气不足，还会造成炉内温度持续的上升。当实际温度超过高炉运行的标准温度后，会带来两种负面影响：其一是炉内高温空气会随着除尘器排出，导致尾气的温度明显上升，尾气中二噁英的含量增加，排放入空气后造成严重的空气污染。其二是高炉内产生结渣，附着在高炉的内壁上，久而久之就会对耐火物造成损伤，缩短了高炉设备的使用寿命。

3 焚烧处理效果的评判

3.1 减量比

固体垃圾的成分复杂，其中既有可燃物也有非可燃物。减量比是固体垃圾中可燃烧废物经焚烧处理后减少的质量，占固体垃圾中可燃烧废物总质量的比值，计算公式如下：

上式中，MRC 即减量比，单位为%；m1 为焚烧前固体垃圾的总量，单位为kg；m2 为焚烧后剩余残渣的质量，单位为kg；m3为剩余残渣中不可燃物的质量，单位为kg。减量比越高，说明固体垃圾中废物处理效果越理想。

3.2 热灼减量

经过高温焚烧后的垃圾残渣，经600℃（±25℃）连续经过3小时后的高温灼烧后，其质量会进一步降低。减少的这一部分质量占垃圾残渣总量的比值，即为热灼减量，计算公式如下：

式中，Q 为热灼减量，单位为%；m2 是焚烧残渣经干燥后冷却至室温的质量，单位为kg；m4 为焚烧残渣经600℃（±25℃）灼烧3 小时后恢复至常温的质量，单位为kg。减少的这部分质量，主要是固体垃圾中未完全燃烧的碳，或其他可燃物。因此，热灼减量的高低，代表了固体垃圾的焚烧是否彻底。热灼减量越多，则焚烧越彻底，说明处理效果越好。

3.3 烟气排放浓度限制指标

固体垃圾在焚烧过程中，会释放出新的有害物质。这些微小颗粒或气体成分，会通过烟气排放到空气中。在污染物浓度较高的情况下，将会对垃圾焚烧厂周边的空气环境造成严重污染。因此，在评价固体垃圾焚烧处理效果时，应当将烟气排放浓度作为一项限制指标。其中，需要加以限制的成分主要有四类：第一类是烟尘，例如颗粒物的含量，烟气的黑度等；第二类是有毒、有害气体成分，例如氮氧化物、二氧化硫等；第三类是重金属元素，例如汞、铅等；第四类是有机化合物，如二噁英。

4 结论

城市固体垃圾的减量化、无害化处理，已经成为影响城市可持续发展的重要因素。焚烧处理作为现阶段一种成本较低、效果较好且效益较高的固体垃圾处理技术，既有其应用优势，也存在一些技术缺陷。例如烟气中有害物质超标、垃圾残渣焚烧不彻底等。通过构建更加完善的处理效果评价体系，客观的衡量当前焚烧处理的效果；根据评价结果找出不足，进而将其作为技术研究的方向，让焚烧处理技术趋于完善，更好的应用于城市固体垃圾的无害化处理。