城市生活垃圾复杂成分焚烧过程解耦及重金属定向固化

我国城市生活垃圾能源化利用因成分复杂导致热利用技术复制性和规模化困难。另外，重金属等污染物排放及安全处置等问题亟待解决。本研究旨在探索城市生活垃圾多组分在燃烧过程中的交互影响、重金属转化及富集机理、灰渣资源化利用方法。项目研究的主要结论如下： 城市生活垃圾中典型的可燃组分混合燃烧后，各组分挥发物质释放影响较小，但混合焦样的物理结构和化学结构相对于单组分焦样的改变，使得混合焦样的燃烧特性显著提高。垃圾中的残留水份促进热解气的生成，相比于自由水，结合水作用更明显；低温下促进热解焦油中链状、不饱和化合物生成，与高温下挥发分反应使得焦孔隙率及比表面积增大，促使C-C键断裂，加速焦C向气态C转化，增加H2产量。鉴于传统垃圾物理属性的分类方法对垃圾焚烧实际运行中燃烧过程的指导意义有限，本研究提出基于重量加权平均表观活化能的概念，将不同的垃圾分成四类，实现了对垃圾各组成活化能的统计和分类。 以易挥发砷和难挥发的铬为研究对象，探究了垃圾焚烧过程中重金属形态迁移和转化机理。焚烧过程中易挥发砷大部分以气相释放到烟气，部分被固化到飞灰基质中，气相中砷部分与多种无机矿物经化学氧化存在于飞灰中，生成不同形态的砷酸盐（As(V)）；温度更低时，部分通过物理吸附于飞灰中；CaO的喷入促进砷的物理吸附（As(III)）。研究发现，垃圾焚烧后游离CaO及碱金属促进铬氧化，生成毒性更高的Cr(VI)，炉内铬的氧化主要受游离CaO的影响，在局部还原性气氛下和Ca/Cr比例较小的情形下，Cr将转化成CaCr2O4；相对于Cr2O3，CaCr2O4在CaO或碱金属作用下氧化更容易生成Cr(VI)。 城市生活垃圾焚烧飞灰中重金属的含量较低，不利于直接进行回收。通过热处理技术，可以实现易挥发重金属Zn和Pb在二次飞灰中富集，未挥发重金属被固化在飞灰基质中，从而降低危害。飞灰中游离CaO的存在促进了热处理过程中的铬氧化，使得热处理后飞灰中铬的浸出量增加，通过合理调节飞灰中Ca与Fe、Al和Si等化合物比例，可有效抑制热处理过程中铬的氧化，进而降低热处理飞灰中铬对环境中的浸出。依据不同重金属化合物的溶解特性，发明了二次飞灰中重金属的湿化学回收方法。经热处理后的飞灰可作为建筑材料的原料使用，制备水泥、陶粒等，实现飞灰无害化和资源化的利用。 2100433B

我国城市生活垃圾能源化利用因成分复杂导致热处置方法的复制性和规模化困难，更为关键的是重金属等污染物的安全处置。本研究针对我国城市生活垃圾多组分特性，从复杂成分中分离出单元成分出发，基于二次反应最小化的实验手段，研究各单元成分中有机和无机成分的热解、燃烧等热化学转化过程，跟踪前驱物、中间产物及相变过程，定量描述各单元可燃成分的热解、燃烧的化学反应动力学过程，对我国城市生活垃圾复杂成分的热处置过程进行解耦，解析其可燃成分之间的交互影响规律；揭示高温条件下重金属在燃烧过程中/后的行为及其化学反应动力学；结合我国城市生活垃圾燃烧特性，定量描述重金属及其化合物的蒸发、均相/非均相反应过程，同时阐明其它主要气态污染物参与的化学动力学过程，分析灰渣中重金属化学形态。合理调整城市生活垃圾热处置过程，促使重金属污染物定向富集与固化，寻求适合我国城市生活垃圾焚烧后灰、渣及重金属的无害化、资源化处置思路和方法。

生活垃圾焚烧技术无害化

垃圾经焚烧处理后，垃圾中的病原体被彻底消灭，燃烧过程中产生的有害气体和烟尘经处理后达到排放要求；

生活垃圾焚烧技术减量化

经过焚烧，垃圾中的可燃成分被高温分解后，一般可减重80%、减容90%以上，可节约大量填埋场占地；

生活垃圾焚烧技术资源化

垃圾焚烧所产生的高温烟气，其热能被废热锅炉吸收转变为蒸汽，用来供热或发电，垃圾被作为能源来利用，还可回收铁磁性金属等资源；

生活垃圾焚烧技术经济性

垃圾焚烧厂占地面积小，尾气经净化处理后污染较小，可以靠近市区建厂，既节约用地又缩短了垃圾的运输距离，随着对垃圾填埋的环境措施要求的提高，焚烧法的操作费用可望低于填埋；

生活垃圾焚烧技术实用性

焚烧处理可全天候操作，不易受天气影响。

垃圾焚烧技术在国外的应用和发展已有几十年的历史，比较成熟的炉型有热解干馏气化炉、脉冲抛式炉排焚烧炉、机械炉排焚烧炉、流化床焚烧炉、回转式焚烧炉和CAO焚烧炉，下面对这几种炉型作简单的介绍。

热解干馏气化炉

热解干馏气化炉采用热解、干馏、气化等技术设计，垃圾在炉内温度和水蒸气的作用下发生化学反应，垃圾得到充分碳化，最终生成一氧化碳CO可燃气体；整个反应过程均在厌氧环境下完成，有效避让了重金属和二噁英的生成条件和环境，各项排放指标均满足GB18485、EU2000/76/EC等相关标准。

可燃气经平底双竖管、洗涤塔等净化设备降温、脱酸、除尘处理后可替代天然气直接应用。

单台处理能力：50-200吨/天（多台并列可实现提高处理能力），适合中小型城市生活垃圾处理。

机械炉排焚烧炉

工作原理：垃圾通过进料斗进入倾斜向下的炉排（炉排分为干燥区、燃烧区、燃尽区），由于炉排之间的交错运动，将垃圾向下方推动，使垃圾依次通过炉排上的各个区域（垃圾由一个区进入到另一区时，起到一个大翻身的作用），直至燃尽排出炉膛。燃烧空气从炉排下部进入并与垃圾混合；高温烟气通过锅炉的受热面产生热蒸汽，同时烟气也得到冷却，最后烟气经烟气处理装置处理后排出。

流化床焚烧炉

工作原理：炉体是由多孔分布板组成，在炉膛内加入大量的石英砂，将石英砂加热到600℃以上，并在炉底鼓入200℃以上的热风，使热砂沸腾起来，再投入垃圾。垃圾同热砂一起沸腾，垃圾很快被干燥、着火、燃烧。未燃尽的垃圾比重较轻，继续沸腾燃烧，燃尽的垃圾比重较大，落到炉底，经过水冷后，用分选设备将粗渣、细渣送到厂外，少量的中等炉渣和石英砂通过提升设备送回到炉中继续使用。

回转式焚烧炉

回转式焚烧炉

工作原理：回转式焚烧炉是用冷却水管或耐火材料沿炉体排列，炉体水平放置并略为倾斜。通过炉身的不停运转，使炉体内的垃圾充分燃烧，同时向炉体倾斜的方向移动，直至燃尽并排出炉体。

CAO焚烧炉

工作原理：垃圾运至储存坑，进入生化处理罐，在微生物作用下脱水，使天然有机物（厨余、叶、草等）分解成粉状物，其他固体包括塑料橡胶一类的合成有机物和垃圾中的无机物则不能分解粉化。经筛选，未能粉化的废弃物进入焚烧炉的先进入第一燃烧室（温度为600℃），产生的可燃气体再进入第二燃烧室，不可燃和不可热解的组份呈灰渣状在第一燃烧室中排出。第二室温度控制在860℃进行燃烧，高温烟气加热锅炉产生蒸汽。烟气经处理后由烟囱排至大气，金属玻璃在第一燃烧室内不会氧化或融化，可在灰渣中分选回收。

脉冲抛式炉排焚烧炉

工作原理：垃圾经自动给料单元送入焚烧炉的干燥床干燥，然后送入第一级炉排，在炉排上经高温挥发、裂解，炉排在脉冲空气动力装置的推动下抛动，将垃圾逐级抛入下一级炉排，此时高分子物质进行裂解、其它物质进行燃烧。如此下去，直至最后燃尽后进入灰渣坑，由自动除渣装置排出。助燃空气由炉排上的气孔喷入并与垃圾混合燃烧，同时使垃圾悬浮在空中。挥发和裂解出来的物质进入第二级燃烧室，进行进一步的裂解和燃烧，未燃尽的烟气进入第三级燃烧室进行完全燃烧；高温烟气通过锅炉受热面加热蒸汽，同时烟气经冷却后排出。

以过量的空气与被处理的生活垃圾在焚烧炉内进行氧化燃烧反应，在释放出能量的同时，垃圾中的有毒有害物质在高温下氧化、热解、燃烧而被破坏。垃圾焚烧可同时实现垃圾的减量化、无害化、能源化；经过焚烧处理，一般可实现垃圾体积减少95%，并且可获得部分能量。