颠覆传统燃烧方式的新技术—克制二噁英

新型上燃式气化蜂窝炉专利技术简介（ZL200510048078.1）

“使用生活垃圾制作的燃料的上燃式炉具”专利技术通过火焰在上面燃烧，燃料在火焰下面加入，在上部出灰渣的方式，由于气化高温，使燃料燃烧的完全充分，燃烧后不产生飞灰，尾气无色、无味，抑制了二噁英类的产生条件，比传统结构的燃烧方式的热效率大大提高。生活垃圾作燃料用成型工艺制成蜂窝块状，可成倍提高燃料的能量密度，有利于气化气流至下而上的顺利流通，同时增加气固接触。因烟气、飞灰粉尘排放大量降低，使尾气处理设备大大简化，除尘器过滤面积减小，灰系统减小，在燃煤系统无需大型除尘设备，降低了设备投资。上燃式气化燃烧是一种热分解气化技术，在将垃圾的有机成分气化和无机成分融为可燃气体的同时回收金属等有用物质的一种垃圾处理技术。

关键词：无害化；资源化；无污染；无烟；无味；气化燃烧

前言：

在世界瞩目的德班联合国气候大会（世界环境大会）上，温家宝总理郑重承诺到2020年单位国内生产总值温室气体排放比2005年下降40％—45％的行动目标，标志着中国面临的重大挑战及重大的责任。在2007年颁布的《中国应对气候变化国家方案》中提出：“在经济发达、土地资源稀缺地区建设垃圾焚烧发电厂”；又在 《中国应对气候变化的政策与行动(2011)》白皮书中明确提出：“完善城市废弃物标准，推广利用先进的垃圾焚烧技术”。

1. 概述

随着人类生存环境的不断恶化，全球气候变暖、大气污染、自然事件频发已经越来越挑战着人类生存的条件。然而城市垃圾、污水处理排放的污泥这两大现代城市顽疾已显著的摆在人们面前：全世界每年约有450亿吨生活垃圾产生。而我国只拥有世界上7%的土地、7%的水资源，却拥有21%的世界人口，但是全国垃圾的历年堆存量已达60多亿t，侵占土地面积多达5亿m2(合75万亩)。全国600多座城市中，有200多座已为垃圾山所包围。而且其渗滤液重金属污染地下水，自燃产生有害气体污染大气；焚烧吗？目前的技术设备的燃烧方式不可能完全燃烧，且尾部温度在900℃以下，极易产生被认为“世纪之毒”的二噁英（Dioxins）。然而靠复杂的尾气处理设备和高昂的运行成本来处理，也不能从根本上抑制二噁英的产生。北京六里屯、广州番禺的垃圾焚烧项目因市民反对而搁浅，使垃圾处理陷入了进退两难的窘境，难怪权威媒体在大声疾呼：“路在何方”？回答是肯定的：中国的国情决定未来的垃圾处理将大部分走焚烧之路，别无选择!但是，焚烧的前提：必须是无害化焚烧。“使用生活垃圾制作的燃料的上燃式炉具”就是因此而研制开发的，并且已获得国家发明专利。

1.1 垃圾焚烧与（Dioxins）二噁英的产生

垃圾焚烧与二噁英类的形成机理是一个非常复杂的过程，学术界普遍认为焚烧过程中二噁英类的成，不论是从头合成或前体物合成，其共同的特征是均需有氧。从头合成过程是由残炭氧化开始，前体物合成过程是由不完全燃烧产物作为起始，在飞灰催化作用下经过一系列复杂化学反应生成二噁英类，其中两者相同的反应是氯化过程和联芳基合成(Ullmann反应)。所以二噁英类的生成主要原因是垃圾中存在氯源和低温、不完全燃烧造成的，其主要影响因素是：

1）存在有机或无机氯Cl,无论是气态还是固态的氯化源都可在形成二噁英过程中提供必要的氯原子。其中CaC1。、CuC1。、FeC1。在反应中，既是氯化源，又充当催化剂的角色[11]。

2）存在氧O元素，氧在从头合成反应中扮演重要的角色，缺少氧气碳将无法形成二噁英类。

3）存在过渡金属阳离子作为催化剂，特别是铜在垃圾焚烧飞灰催化反应中起决定作用。有研究表明：CuO、CuCl2与其它金属氯化物相比，是数百-数千倍的Dioxins再合成媒介。

4）不完全燃烧，二噁英类的前体物形成是从前体物分子(氯酚、氯苯或者氯代联苯等)形成。前体物主要是焚烧过程中不完全燃烧的产物，在高温(大于4000C，最有效的范围是750 0C)区域产生。后来在低温区域进一步反应形成二噁英类。这个过程在国外许多实验室已经被广泛的研究，许多学者甚至提出这是二噁英类在焚烧系统中形成的主要路线。而且不完全燃烧产生未燃碳元素，从头合成过程是由残炭氧化开始。

5）飞灰，烟气中飞灰在二噁英类形成过程中起着非常重要的作用，它不仅提供了反应场所和没有完全燃尽的碳，同时含有各种金属元素（主要是铜），提供了形成二噁英类的催化剂。而且无论是从头合成反应或是前驱物的异相催化反应，飞灰是生成二噁英类主要的反应表面。

6）低温燃烧，温度是影响二噁英类生成的重要因子，在同一温度，二噁英类的生成与分解是同时进行的，而二噁英类净生成速率最大时的温度称为二噁英类最佳生成温度。国外的研究表明，二噁英类的最佳生成温度多在300-4000C，二噁英类的从头合成过程是在低温(250~350 0C)条件下大分子碳(残碳)与氧、氯、氢，通过基元反应，在催化作用下形成的。但当大于5000C时，仍会有二噁英类的生成，前体物是在高温(大于4000C，最有效的范围是750 0C)区域产生。可见，二嗯英类的生成反应，不仅只限于热回收设备和空气污染防治设备，也可能在二燃室后面或是烟道壁附着的飞灰上发生 。

目前使用的无论是马丁式炉排，还是逆推式往、复炉排式炉排都是火焰上部进料，边下落边燃烧，并强调拨火作用，产生大量烟气和飞灰，不可能完全燃烧，且尾部温度在900℃以下，因此垃圾燃烧产生的二噁英，靠复杂的尾气处理设备和高昂的运行成本来处理，不能从根本上抑制二噁英的产生。

2. 用生活垃圾制作的燃料上燃烧原理特点简介

因为燃烧空气量和燃料投入方式，对烟气、温度有直接影响，所以对空气量的加入方法、燃料的投入方式的研究探索，便是问题的突破重点。比较传统燃烧炉，上燃式气化燃烧的主要原理特点：

2.1与传统燃烧方式主要区别是火焰在上面燃烧，燃料在火焰下面加入，在上部出灰渣。

2.2分层燃烧、分层受热加温。从下部燃料加入至最上面，火焰依次为：1）预热层、2）热解层、3）气化层、4）燃烧层、5）高温层。每层加热温度不同，从下部至上部逐层加热到气体产生，气化燃烧的高温层达1000℃以上。

2.3特殊的供气（氧）方式，可以调整过量空气系数在最佳状态下。由于气化高温，使燃料燃烧的完全充分，燃烧后不产生飞灰，尾气无色、无味，抑制了二噁英类的产生条件，比传统结构的燃烧方式的热效率提高20%以上。

2.4 从气化层以下各层处在无氧、厌氧状态（除湿气产生的O元素外），有利于热解反应，这一点对于含有氧元素的废弃物燃料尤为重要，它不仅抑制重金属的浸出，更重要的是有效的抑制金属氧化物的产生，因为金属氧化物特别是氧化铜CuO会催化二噁英类的生成。废弃物中有PVC等含有氯原子的物质在700℃以下的焚烧时产生氯气与未燃尽的碳C元素、氧O、在氧化铜的催化下合成Dioxins二噁英。

2.5生活垃圾作燃料用成型工艺制成蜂窝块状，可成倍提高燃料的能量密度，有利于气化气流至下而上的顺利流通，同时增加气固接触。

燃料适应性强，可适应的燃料：

a.煤（包括劣质煤）：可用于燃煤炉、燃煤锅炉。

b.煤混污水处理废弃的污泥：可用于污泥处理的焚烧炉、锅炉。

c.煤混生活垃圾：可用于不发达地区低发热量2800 KJ/Kg左右的生活垃圾处理的焚烧炉、锅炉。

d.垃圾混污泥（污水处理废弃物）：可用于同时处理垃圾和污泥的焚烧炉、锅炉。同时处理两大城市顽疾。

（尤其是用在垃圾、污泥为燃料时特点尤为突出，效果更好，祥见可行性报告）

2.6燃烧系统有多个分体炉组成，可根据热系统的热功率大小需要自由组合，数量不受限制。而水、蒸汽、尾气烟道系统集中共用一个，可简化水、烟、饱和蒸汽、过热器系统。这种结构形式的优点是系统热稳定效果好，我们知道汽车、轮船发动机的气缸是越多越稳定，高级车的气缸多达8个以上，豪华轮船汽缸达64个，这样当一个气缸出现问题不影响系统稳定运行。如果只用一个气缸，当这个气缸出现问题系统就会出现很大的波动，甚至停车。同样道理，多个分体炉组合使整个系统热稳定性大大提高，当其中一个炉出渣、或出现问题（如检修）时，其它炉照样运行，对系统影响不大。而且温度调节方便、快捷、精确，有利于上部出渣。

2.7燃烧室特殊设计，系统不需送风机，空气经过预、加热器后调节直接供给燃烧室。由于燃烧完全，气、飞灰、粉尘排量小，不用吸风机。靠烟道自然负压吸力排放，这样既节省能源。预测将来会取消高大的烟囱。

2.8因烟气、飞灰粉尘排放大量降低，使尾气处理设备大大简化，除尘器过滤面积减小，灰系统减小，在燃煤系统无需大型除尘设备，降低了设备投资。

2.9硫S在800-950℃低温燃烧时可以实现燃烧脱硫，再经过1000℃以上高温层硫几乎脱尽，其脱硫效果明显优于循环流化床炉。这样用于煤炭燃料时可以不用建造庞大的脱硫岛及复杂昂贵的脱硫设备，节约设备投资。

2.10燃煤锅炉可节省除尘、脱硫的运行成本：电量、水、石灰粉、活性炭等尾部烟气处理添加剂原料、人工。

2.11 上燃式气化燃烧是一种热分解气化技术，在将垃圾的有机成分气化和无机成分融为可燃气体的同时回收金属等有用物质的一种垃圾处理技术。其原理为：垃圾在贫氧条件下部分燃烧实现气化，生成可燃气体；飞灰或底渣被熔融，彻底分解其表面的二噁英，还能控制灰渣中的重金属污染；底灰经过高温处理后成为活性材料可制成良好的建筑材料如水泥等，不仅提高了资源利用率，而且大大减轻了填埋处置负担。

3. 无害化焚烧的必然趋势

尽管业内一直提倡垃圾综合处理是主要的环境目标，但是我们必须要面对现实：我国拥有世界上7%的土地、7%的水资源，却拥有21%的世界人口。城市化、工业化的脚步如此加快，大、中城市10年后的垃圾场地都已用完，加上污泥排放场地，可以说大、中城市近无地可用。而本地区城市的垃圾总不能运到以外地区处理。理论上讲如果将本城市的生活垃圾运输到西北部的沙漠地区处理，由此产生成本由全体市民来负担的话无疑是不可行的。就上海市区而言在1260 km2 范围内有50 m2 以上的垃圾堆近2000个，占地面积约7900亩。垃圾的长期露天堆放对大气环境、地下水和土壤等已经造成了明显的威胁和危害。因此，大力发展我国城市垃圾焚烧技术的研究和设备的开发应用势在必行。而焚烧在我国垃圾处理中所占的比例将会不断增大。

相关资料，全世界每年约有450亿吨生活垃圾产生，其中，城市生活垃圾每人每天的1～2 kg。照此计算我国城市生活垃圾产量也已达1.5亿多吨，且每年以8%～10%的速度递增，城市生活垃圾已成公害。虽然有51.69%的垃圾得到集中处理，但真正达到无害化处理的比例并不高，部分垃圾处理厂仍然存在着二次污染现象。而传统的填埋法由于占地面积较大，在发达国家已经很少使用，取而代之的是焚烧法。垃圾焚烧发电在国外已有近四十年的历史，目前已成为发达国家处理生活垃圾的主要途径之一。例如美国有180多座垃圾焚烧发电厂，德国有53座。日本的垃圾焚烧场有1860个，约占世界垃圾焚烧场总数的三分之二。

专家预测，中国垃圾焚烧处理技术与设施建设将有一个较大的发展，例如我国的珠江三角洲、长江三角洲、环渤海经济带仅占全国总面积9.4％，但人口却占34.6％，经济产出占61％。可见，上述地区人口绸密、土地紧张、经济较发达，宜以焚烧处理为主。中、西部地区也将会有一定的发展空间。但是焚烧必须是以无害化为前提，这就对焚烧技术提出了新的、更高的要求，而用生活垃圾制作的燃料上燃烧正是生活垃圾“无害化、资源化”符合这种新的市场需求。

不论经济是繁荣也好，萧条也好，危机也好，复苏也罢:人类只要生存就要产生垃圾；也就需要经济、无害的垃圾处理。在人类生存环境的不断恶化的今天这已经不只是政府的事情：诚挚的希望真正的有识、有诚之士共同合作发展!

一切的最终目标是建设清洁、美好的环境和资源节约型的和谐社会造福人类！