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)，在將垃圾的有機成分氣化和無機成分融為可燃氣體的同時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，標志著中國面臨的重大挑戰(zhàn)及重大的責任。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)濟發(fā)達、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：“完善城市廢棄物標準，推廣利用先進的垃圾焚燒技術(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。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)生被認為“世紀之毒”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目因市民反對而擱淺，使垃圾處理陷入了進退兩難的窘境，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理是一個非常復(fù)雜的過程，學(xué)術(shù)界普遍認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）存在有機或無機氯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)域進一步反應(yīng)形成二噁英類。這個過程在國外許多實驗室已經(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進行的，而二噁英類凈生成速率最大時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。但當大于5000C時，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?？梢姡庞㈩惖纳煞磻?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料，邊下落邊燃燒，并強調(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簡介

因為燃燒空氣量和燃料投入方式，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。比較傳統(tǒng)燃燒爐，上燃式氣化燃燒的主要原理特點：

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，因為金屬氧化物特別是氧化銅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，同時增加氣固接觸。

燃料適應(yīng)性強，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）：可用于同時處理垃圾和污泥的焚燒爐、鍋爐。同時處理兩大城市頑疾。

（尤其是用在垃圾、污泥為燃料時特點尤為突出，效果更好，祥見可行性報告）

2.6燃燒系統(tǒng)有多個分體爐組成，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，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)點是系統(tǒng)熱穩(wěn)定效果好，我們知道汽車、輪船發(fā)動機的氣缸是越多越穩(wěn)定，高級車的氣缸多達8個以上，豪華輪船汽缸達64個，這樣當一個氣缸出現(xiàn)問題不影響系統(tǒng)穩(wěn)定運行。如果只用一個氣缸，當這個氣缸出現(xiàn)問題系統(tǒng)就會出現(xiàn)很大的波動，甚至停車。同樣道理，多個分體爐組合使整個系統(tǒng)熱穩(wěn)定性大大提高，當其中一個爐出渣、或出現(xiàn)問題（如檢修）時，其它爐照樣運行，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，系統(tǒng)不需送風機，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，不用吸風機。靠煙道自然負壓吸力排放，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℃低溫燃燒時可以實現(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)，在將垃圾的有機成分氣化和無機成分融為可燃氣體的同時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現(xiàn)氣化，生成可燃氣體；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擔。

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，但是我們必須要面對現(xiàn)實：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到以外地區(qū)處理。理論上講如果將本城市的生活垃圾運輸?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擔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，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。照此計算我國城市生活垃圾產(chǎn)量也已達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，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)濟帶僅占全國總面積9.4％，但人口卻占34.6％，經(jīng)濟產(chǎn)出占61％?？梢?，上述地區(qū)人口綢密、土地緊張、經(jīng)濟較發(fā)達，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)濟是繁榮也好，蕭條也好，危機也好，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、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！