新型上燃式氣化蜂窩爐專利技術(shù)簡介（ZL200510048078.1）

“使用生活垃圾制作的燃料的上燃式爐具”專利技術(shù)通過火焰在上面燃燒，燃料在火焰下面加入，在上部出灰渣的方式，由于氣化高溫，使燃料燃燒的完全充分，燃燒后不產(chǎn)生飛灰，尾氣無色、無味，抑制了二噁英類的產(chǎn)生條件，比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的燃燒方式的熱效率大大提高。生活垃圾作燃料用成型工藝制成蜂窩塊狀，可成倍提高燃料的能量密度，有利于氣化氣流至下而上的順利流通，同時(shí)增加氣固接觸。因煙氣、飛灰粉塵排放大量降低，使尾氣處理設(shè)備大大簡化，除塵器過濾面積減小，灰系統(tǒng)減小，在燃煤系統(tǒng)無需大型除塵設(shè)備，降低了設(shè)備投資。上燃式氣化燃燒是一種熱分解氣化技術(shù)，在將垃圾的有機(jī)成分氣化和無機(jī)成分融為可燃?xì)怏w的同時(shí)回收金屬等有用物質(zhì)的一種垃圾處理技術(shù)。

關(guān)鍵詞：無害化；資源化；無污染；無煙；無味；氣化燃燒

前言：

在世界矚目的德班聯(lián)合國氣候大會（世界環(huán)境大會）上，溫家寶總理鄭重承諾到2020年單位國內(nèi)生產(chǎn)總值溫室氣體排放比2005年下降40％—45％的行動目標(biāo)，標(biāo)志著中國面臨的重大挑戰(zhàn)及重大的責(zé)任。在2007年頒布的《中國應(yīng)對氣候變化國家方案》中提出：“在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、土地資源稀缺地區(qū)建設(shè)垃圾焚燒發(fā)電廠”；又在 《中國應(yīng)對氣候變化的政策與行動(2011)》白皮書中明確提出：“完善城市廢棄物標(biāo)準(zhǔn)，推廣利用先進(jìn)的垃圾焚燒技術(shù)”。

1. 概述

隨著人類生存環(huán)境的不斷惡化，全球氣候變暖、大氣污染、自然事件頻發(fā)已經(jīng)越來越挑戰(zhàn)著人類生存的條件。然而城市垃圾、污水處理排放的污泥這兩大現(xiàn)代城市頑疾已顯著的擺在人們面前：全世界每年約有450億噸生活垃圾產(chǎn)生。而我國只擁有世界上7%的土地、7%的水資源，卻擁有21%的世界人口，但是全國垃圾的歷年堆存量已達(dá)60多億t，侵占土地面積多達(dá)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。而且其滲濾液重金屬污染地下水，自燃產(chǎn)生有害氣體污染大氣；焚燒嗎？目前的技術(shù)設(shè)備的燃燒方式不可能完全燃燒，且尾部溫度在900℃以下，極易產(chǎn)生被認(rèn)為“世紀(jì)之毒”的二噁英（Dioxins）。然而靠復(fù)雜的尾氣處理設(shè)備和高昂的運(yùn)行成本來處理，也不能從根本上抑制二噁英的產(chǎn)生。北京六里屯、廣州番禺的垃圾焚燒項(xiàng)目因市民反對而擱淺，使垃圾處理陷入了進(jìn)退兩難的窘境，難怪權(quán)威媒體在大聲疾呼：“路在何方”？回答是肯定的：中國的國情決定未來的垃圾處理將大部分走焚燒之路，別無選擇!但是，焚燒的前提：必須是無害化焚燒。“使用生活垃圾制作的燃料的上燃式爐具”就是因此而研制開發(fā)的，并且已獲得國家發(fā)明專利。

1.1 垃圾焚燒與（Dioxins）二噁英的產(chǎn)生

垃圾焚燒與二噁英類的形成機(jī)理是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為焚燒過程中二噁英類的成，不論是從頭合成或前體物合成，其共同的特征是均需有氧。從頭合成過程是由殘?zhí)垦趸_始，前體物合成過程是由不完全燃燒產(chǎn)物作為起始，在飛灰催化作用下經(jīng)過一系列復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)生成二噁英類，其中兩者相同的反應(yīng)是氯化過程和聯(lián)芳基合成(Ullmann反應(yīng))。所以二噁英類的生成主要原因是垃圾中存在氯源和低溫、不完全燃燒造成的，其主要影響因素是：

1）存在有機(jī)或無機(jī)氯Cl,無論是氣態(tài)還是固態(tài)的氯化源都可在形成二噁英過程中提供必要的氯原子。其中CaC1。、CuC1。、FeC1。在反應(yīng)中，既是氯化源，又充當(dāng)催化劑的角色[11]。

2）存在氧O元素，氧在從頭合成反應(yīng)中扮演重要的角色，缺少氧氣碳將無法形成二噁英類。

3）存在過渡金屬陽離子作為催化劑，特別是銅在垃圾焚燒飛灰催化反應(yīng)中起決定作用。有研究表明：CuO、CuCl2與其它金屬氯化物相比，是數(shù)百-數(shù)千倍的Dioxins再合成媒介。

4）不完全燃燒，二噁英類的前體物形成是從前體物分子(氯酚、氯苯或者氯代聯(lián)苯等)形成。前體物主要是焚燒過程中不完全燃燒的產(chǎn)物，在高溫(大于4000C，最有效的范圍是750 0C)區(qū)域產(chǎn)生。后來在低溫區(qū)域進(jìn)一步反應(yīng)形成二噁英類。這個(gè)過程在國外許多實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)被廣泛的研究，許多學(xué)者甚至提出這是二噁英類在焚燒系統(tǒng)中形成的主要路線。而且不完全燃燒產(chǎn)生未燃碳元素，從頭合成過程是由殘?zhí)垦趸_始。

5）飛灰，煙氣中飛灰在二噁英類形成過程中起著非常重要的作用，它不僅提供了反應(yīng)場所和沒有完全燃盡的碳，同時(shí)含有各種金屬元素（主要是銅），提供了形成二噁英類的催化劑。而且無論是從頭合成反應(yīng)或是前驅(qū)物的異相催化反應(yīng)，飛灰是生成二噁英類主要的反應(yīng)表面。

6）低溫燃燒，溫度是影響二噁英類生成的重要因子，在同一溫度，二噁英類的生成與分解是同時(shí)進(jìn)行的，而二噁英類凈生成速率最大時(shí)的溫度稱為二噁英類最佳生成溫度。國外的研究表明，二噁英類的最佳生成溫度多在300-4000C，二噁英類的從頭合成過程是在低溫(250~350 0C)條件下大分子碳(殘?zhí)?與氧、氯、氫，通過基元反應(yīng)，在催化作用下形成的。但當(dāng)大于5000C時(shí)，仍會有二噁英類的生成，前體物是在高溫(大于4000C，最有效的范圍是750 0C)區(qū)域產(chǎn)生。可見，二嗯英類的生成反應(yīng)，不僅只限于熱回收設(shè)備和空氣污染防治設(shè)備，也可能在二燃室后面或是煙道壁附著的飛灰上發(fā)生 。

目前使用的無論是馬丁式爐排，還是逆推式往、復(fù)爐排式爐排都是火焰上部進(jìn)料，邊下落邊燃燒，并強(qiáng)調(diào)撥火作用，產(chǎn)生大量煙氣和飛灰，不可能完全燃燒，且尾部溫度在900℃以下，因此垃圾燃燒產(chǎn)生的二噁英，靠復(fù)雜的尾氣處理設(shè)備和高昂的運(yùn)行成本來處理，不能從根本上抑制二噁英的產(chǎn)生。

2. 用生活垃圾制作的燃料上燃燒原理特點(diǎn)簡介

因?yàn)槿紵諝饬亢腿剂贤度敕绞?，對煙氣、溫度有直接影響，所以對空氣量的加入方法、燃料的投入方式的研究探索，便是問題的突破重點(diǎn)。比較傳統(tǒng)燃燒爐，上燃式氣化燃燒的主要原理特點(diǎn)：

2.1與傳統(tǒng)燃燒方式主要區(qū)別是火焰在上面燃燒，燃料在火焰下面加入，在上部出灰渣。

2.2分層燃燒、分層受熱加溫。從下部燃料加入至最上面，火焰依次為：1）預(yù)熱層、2）熱解層、3）氣化層、4）燃燒層、5）高溫層。每層加熱溫度不同，從下部至上部逐層加熱到氣體產(chǎn)生，氣化燃燒的高溫層達(dá)1000℃以上。

2.3特殊的供氣（氧）方式，可以調(diào)整過量空氣系數(shù)在最佳狀態(tài)下。由于氣化高溫，使燃料燃燒的完全充分，燃燒后不產(chǎn)生飛灰，尾氣無色、無味，抑制了二噁英類的產(chǎn)生條件，比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的燃燒方式的熱效率提高20%以上。

2.4 從氣化層以下各層處在無氧、厭氧狀態(tài)（除濕氣產(chǎn)生的O元素外），有利于熱解反應(yīng)，這一點(diǎn)對于含有氧元素的廢棄物燃料尤為重要，它不僅抑制重金屬的浸出，更重要的是有效的抑制金屬氧化物的產(chǎn)生，因?yàn)榻饘傺趸锾貏e是氧化銅CuO會催化二噁英類的生成。廢棄物中有PVC等含有氯原子的物質(zhì)在700℃以下的焚燒時(shí)產(chǎn)生氯氣與未燃盡的碳C元素、氧O、在氧化銅的催化下合成Dioxins二噁英。

2.5生活垃圾作燃料用成型工藝制成蜂窩塊狀，可成倍提高燃料的能量密度，有利于氣化氣流至下而上的順利流通，同時(shí)增加氣固接觸。

燃料適應(yīng)性強(qiáng)，可適應(yīng)的燃料：

a.煤（包括劣質(zhì)煤）：可用于燃煤爐、燃煤鍋爐。

b.煤混污水處理廢棄的污泥：可用于污泥處理的焚燒爐、鍋爐。

c.煤混生活垃圾：可用于不發(fā)達(dá)地區(qū)低發(fā)熱量2800 KJ/Kg左右的生活垃圾處理的焚燒爐、鍋爐。

d.垃圾混污泥（污水處理廢棄物）：可用于同時(shí)處理垃圾和污泥的焚燒爐、鍋爐。同時(shí)處理兩大城市頑疾。

（尤其是用在垃圾、污泥為燃料時(shí)特點(diǎn)尤為突出，效果更好，祥見可行性報(bào)告）

2.6燃燒系統(tǒng)有多個(gè)分體爐組成，可根據(jù)熱系統(tǒng)的熱功率大小需要自由組合，數(shù)量不受限制。而水、蒸汽、尾氣煙道系統(tǒng)集中共用一個(gè)，可簡化水、煙、飽和蒸汽、過熱器系統(tǒng)。這種結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)熱穩(wěn)定效果好，我們知道汽車、輪船發(fā)動機(jī)的氣缸是越多越穩(wěn)定，高級車的氣缸多達(dá)8個(gè)以上，豪華輪船汽缸達(dá)64個(gè)，這樣當(dāng)一個(gè)氣缸出現(xiàn)問題不影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。如果只用一個(gè)氣缸，當(dāng)這個(gè)氣缸出現(xiàn)問題系統(tǒng)就會出現(xiàn)很大的波動，甚至停車。同樣道理，多個(gè)分體爐組合使整個(gè)系統(tǒng)熱穩(wěn)定性大大提高，當(dāng)其中一個(gè)爐出渣、或出現(xiàn)問題（如檢修）時(shí)，其它爐照樣運(yùn)行，對系統(tǒng)影響不大。而且溫度調(diào)節(jié)方便、快捷、精確，有利于上部出渣。

2.7燃燒室特殊設(shè)計(jì)，系統(tǒng)不需送風(fēng)機(jī)，空氣經(jīng)過預(yù)、加熱器后調(diào)節(jié)直接供給燃燒室。由于燃燒完全，氣、飛灰、粉塵排量小，不用吸風(fēng)機(jī)?？繜煹雷匀回?fù)壓吸力排放，這樣既節(jié)省能源。預(yù)測將來會取消高大的煙囪。

2.8因煙氣、飛灰粉塵排放大量降低，使尾氣處理設(shè)備大大簡化，除塵器過濾面積減小，灰系統(tǒng)減小，在燃煤系統(tǒng)無需大型除塵設(shè)備，降低了設(shè)備投資。

2.9硫S在800-950℃低溫燃燒時(shí)可以實(shí)現(xiàn)燃燒脫硫，再經(jīng)過1000℃以上高溫層硫幾乎脫盡，其脫硫效果明顯優(yōu)于循環(huán)流化床爐。這樣用于煤炭燃料時(shí)可以不用建造龐大的脫硫島及復(fù)雜昂貴的脫硫設(shè)備，節(jié)約設(shè)備投資。

2.10燃煤鍋爐可節(jié)省除塵、脫硫的運(yùn)行成本：電量、水、石灰粉、活性炭等尾部煙氣處理添加劑原料、人工。

2.11 上燃式氣化燃燒是一種熱分解氣化技術(shù)，在將垃圾的有機(jī)成分氣化和無機(jī)成分融為可燃?xì)怏w的同時(shí)回收金屬等有用物質(zhì)的一種垃圾處理技術(shù)。其原理為：垃圾在貧氧條件下部分燃燒實(shí)現(xiàn)氣化，生成可燃?xì)怏w；飛灰或底渣被熔融，徹底分解其表面的二噁英，還能控制灰渣中的重金屬污染；底灰經(jīng)過高溫處理后成為活性材料可制成良好的建筑材料如水泥等，不僅提高了資源利用率，而且大大減輕了填埋處置負(fù)擔(dān)。

3. 無害化焚燒的必然趨勢

盡管業(yè)內(nèi)一直提倡垃圾綜合處理是主要的環(huán)境目標(biāo)，但是我們必須要面對現(xiàn)實(shí)：我國擁有世界上7%的土地、7%的水資源，卻擁有21%的世界人口。城市化、工業(yè)化的腳步如此加快，大、中城市10年后的垃圾場地都已用完，加上污泥排放場地，可以說大、中城市近無地可用。而本地區(qū)城市的垃圾總不能運(yùn)到以外地區(qū)處理。理論上講如果將本城市的生活垃圾運(yùn)輸?shù)轿鞅辈康纳衬貐^(qū)處理，由此產(chǎn)生成本由全體市民來負(fù)擔(dān)的話無疑是不可行的。就上海市區(qū)而言在1260 km2 范圍內(nèi)有50 m2 以上的垃圾堆近2000個(gè)，占地面積約7900畝。垃圾的長期露天堆放對大氣環(huán)境、地下水和土壤等已經(jīng)造成了明顯的威脅和危害。因此，大力發(fā)展我國城市垃圾焚燒技術(shù)的研究和設(shè)備的開發(fā)應(yīng)用勢在必行。而焚燒在我國垃圾處理中所占的比例將會不斷增大。

相關(guān)資料，全世界每年約有450億噸生活垃圾產(chǎn)生，其中，城市生活垃圾每人每天的1～2 kg。照此計(jì)算我國城市生活垃圾產(chǎn)量也已達(dá)1.5億多噸，且每年以8%～10%的速度遞增，城市生活垃圾已成公害。雖然有51.69%的垃圾得到集中處理，但真正達(dá)到無害化處理的比例并不高，部分垃圾處理廠仍然存在著二次污染現(xiàn)象。而傳統(tǒng)的填埋法由于占地面積較大，在發(fā)達(dá)國家已經(jīng)很少使用，取而代之的是焚燒法。垃圾焚燒發(fā)電在國外已有近四十年的歷史，目前已成為發(fā)達(dá)國家處理生活垃圾的主要途徑之一。例如美國有180多座垃圾焚燒發(fā)電廠，德國有53座。日本的垃圾焚燒場有1860個(gè)，約占世界垃圾焚燒場總數(shù)的三分之二。

專家預(yù)測，中國垃圾焚燒處理技術(shù)與設(shè)施建設(shè)將有一個(gè)較大的發(fā)展，例如我國的珠江三角洲、長江三角洲、環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)帶僅占全國總面積9.4％，但人口卻占34.6％，經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出占61％?？梢?，上述地區(qū)人口綢密、土地緊張、經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)，宜以焚燒處理為主。中、西部地區(qū)也將會有一定的發(fā)展空間。但是焚燒必須是以無害化為前提，這就對焚燒技術(shù)提出了新的、更高的要求，而用生活垃圾制作的燃料上燃燒正是生活垃圾“無害化、資源化”符合這種新的市場需求。

不論經(jīng)濟(jì)是繁榮也好，蕭條也好，危機(jī)也好，復(fù)蘇也罷:人類只要生存就要產(chǎn)生垃圾；也就需要經(jīng)濟(jì)、無害的垃圾處理。在人類生存環(huán)境的不斷惡化的今天這已經(jīng)不只是政府的事情：誠摯的希望真正的有識、有誠之士共同合作發(fā)展!

一切的最終目標(biāo)是建設(shè)清潔、美好的環(huán)境和資源節(jié)約型的和諧社會造福人類！