垃圾的能源化技術(shù)（Waste to Energy）
國(guó)際上普遍觀點(diǎn)認(rèn)為，垃圾是一種放錯(cuò)了位置的“資源”。目前垃圾轉(zhuǎn)變?yōu)槟茉?waste to energy)包括國(guó)際能源署(IEA)在內(nèi)國(guó)際重要組織及國(guó)家的發(fā)展目標(biāo)之一。
針對(duì)城市生活垃圾(Municipal Solid Waste)的主要處理方式可分為資源再生(包括堆肥處理)、焚燒(包括附帶發(fā)電等能源回收的焚燒設(shè)施)和最終處置(包括土地填埋、海上填埋、海洋處置等)三大類。實(shí)際上，這些處理方式都不可能單獨(dú)存在的，往往是作為整個(gè)處理體系(或者是處理流程)中的一個(gè)工藝步驟存在。
Solid Waste Management Hierarchy
國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家一直注重垃圾處理及處置方面的技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用。垃圾處理技術(shù)近些年出現(xiàn)了新的趨勢(shì)：首先，改進(jìn)熱處理工藝，開發(fā)垃圾衍生燃料法，并且大規(guī)模使用熱裂解法，如利用水熱碳化方法處理垃圾中的有機(jī)固體，其產(chǎn)物是一種具有巨大潛力固體燃料。其次，更加注重生化法，用化學(xué)、生物轉(zhuǎn)化制備液態(tài)或氣態(tài)燃料以及肥料。
WTE conversion pathways. Illustration by NREL
當(dāng)然，垃圾焚燒發(fā)電仍是目前WTE的主流技術(shù)。垃圾焚燒處理法垃圾的燃燒過程，本質(zhì)上是質(zhì)量傳遞、熱傳遞、動(dòng)量傳遞、化學(xué)反應(yīng)、結(jié)構(gòu)變化等物理化學(xué)反應(yīng)綜合在一起的一個(gè)復(fù)雜過程。其中，垃圾焚燒余熱的利用成為人們普遍關(guān)注的問題，其利用方式主要有三種：發(fā)電、供熱和熱電聯(lián)產(chǎn)。
城市生活垃圾能否采用焚燒處理技術(shù)，取決于垃圾中可燃質(zhì)含量、低位發(fā)熱值和垃圾含水率。一般要求，生活垃圾可燃成分為30%~40%以上，低位發(fā)熱值在3350 kJ/kg以上，垃圾含水率50%以下，垃圾能夠自燃焚燒，但在此條件下垃圾焚燒，無法滿足爐膛內(nèi)煙氣850℃/2S的要求。生活垃圾低位發(fā)熱值在6280 kJ/kg以上，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒，不但可以滿足爐膛內(nèi)煙氣850℃/2S的要求，而且可以滿足工質(zhì)發(fā)電的需要，有效利用能源，建設(shè)垃圾焚燒發(fā)電廠。
垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)類型包括回轉(zhuǎn)窯焚燒爐(Rotary Kiln Incinerators)、流化床焚燒爐(Fluidized bed Incinerators)等。
日本使用的先進(jìn)垃圾焚燒設(shè)施(Advanced Moving Grate MSWI system)
然而垃圾在燃燒溫度850℃時(shí)會(huì)產(chǎn)生具有強(qiáng)致癌性的二噁英，主要是由于燃料中本身含有的二噁英在燃燒中未被破壞、燃料不完全燃燒或固體性灰表面發(fā)生異相催化反應(yīng)合成。目前主要的解決辦法就是把爐膛溫度控制在1200℃以上，生成物中將不包含二噁英前驅(qū)物，大大降低后期的重新合成幾率，但當(dāng)排煙溫度冷卻到300~500℃時(shí)，會(huì)重新組合生成二噁英，一般采用急冷技術(shù)使煙氣急速冷卻到200℃以下，從而減少煙氣在二噁英合成溫度區(qū)的停留時(shí)間，扼制其再合成，但這種溫度控制在技術(shù)上要求較高，急冷的方法也不利于焚燒余熱的利用，而且高溫除塵技術(shù)現(xiàn)在還不過關(guān)。
Mass balance of MSW Incineration
目前垃圾焚燒技術(shù)的主要替代技術(shù)是新型熱解/氣化技術(shù)。
垃圾熱解是指在無氧或缺氧加熱的條件下，有機(jī)垃圾組分發(fā)生大分子斷裂，產(chǎn)生小分子氣體、熱解溶液和碳渣的過程，城市生活垃圾熱解過程可表示為：
焚燒的主要產(chǎn)物是二氧化碳和水，而熱解的主要產(chǎn)物是可燃的低分子化合物：氣態(tài)的氫氣、甲烷、一氧化碳;液態(tài)的甲醇、丙酮、醋酸、乙醛等有機(jī)物及焦油、溶劑油等。固態(tài)的主要是焦炭和炭黑。
氣化法不同于熱解法在于氣化法是有氧氣在高溫高壓(1000+℃，30bar)條件下參與反應(yīng)，與垃圾中的有機(jī)碳生成可燃?xì)怏w?焦油和灰渣的過程。氣化法和熱解法都是可以將多種有機(jī)質(zhì)、以及生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為有機(jī)的燃料的處理方法，但是其造價(jià)比較高。
Conceptual Overview of a High Temperature Waste Gasifier
以垃圾熱解氣化代替燃煤，不僅節(jié)約了煤(不可再生能源)的消耗，在一定程度上降低碳排放及二次污染，更重要的是實(shí)現(xiàn)了垃圾的資源化再利用，將垃圾本身蘊(yùn)含的能量用于發(fā)電或者供熱，充分體現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的落實(shí)。相較于普通的焚燒或填埋處置，對(duì)垃圾進(jìn)行熱解氣化處置更有利于促進(jìn)目標(biāo)產(chǎn)物高值化，抑制其它產(chǎn)物及污染物的生成。顯著的環(huán)保優(yōu)勢(shì)使得該技術(shù)被越來越多的國(guó)家、政府接受。
目前國(guó)際上主流的垃圾熱解氣化技術(shù)包括：Nippon Steel的熱解氣化設(shè)備、JFE的Fixed Beds WTE技術(shù)、EBARA的流化床氣化技術(shù)、Takuma的垃圾熱解氣化和熔融系統(tǒng)、ENERGOS的WTE系統(tǒng)，以及由西屋公司發(fā)明的等離子氣化設(shè)備。
現(xiàn)階段我國(guó)仍以垃圾填埋為主要垃圾處理方法，占垃圾處理量的70%，而焚燒只有10%，但由于垃圾填埋場(chǎng)選址要求復(fù)雜、嚴(yán)格，我國(guó)城市周邊符合填埋的場(chǎng)地嚴(yán)重缺乏，衛(wèi)生填埋已遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了對(duì)增長(zhǎng)迅速、數(shù)量巨大的垃圾處理需求，焚燒勢(shì)必將發(fā)展成為我國(guó)今后垃圾處理的主要方法。近些年來，為了解決垃圾填埋場(chǎng)緊缺問題，通過自主研發(fā)和技術(shù)引進(jìn)方法使垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目在我國(guó)陸續(xù)開工和投產(chǎn)。
2015年，全國(guó)城市生活垃圾清運(yùn)量為19142.17萬噸(約1.91億噸)，處理量為18750.64萬噸(約1.88億噸)，城市生活垃圾處理率97.95%。截至2015年，共建設(shè)生活垃圾無害化處理廠(場(chǎng))890座，其中填埋場(chǎng)640座，焚燒廠220座，堆肥及其他類型處理廠(場(chǎng))30座。
“十三五”期間，估計(jì)全國(guó)城鎮(zhèn)生活垃圾無害化處理設(shè)施建設(shè)總投資約1924億元。其中，無害化處理設(shè)施建設(shè)投資1360億元，收運(yùn)轉(zhuǎn)運(yùn)體系建設(shè)投資227億元，餐廚垃圾專項(xiàng)工程投資136元，存量整治工程投資77億元，垃圾分類示范工程投資86億元，監(jiān)管體系建設(shè)投資38億元。
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