城市垃圾焚燒發展概況

文 姜楓

當前垃圾焚燒技術需要滿足以下三個要求：城市生活垃圾的體積減少，最多的熱能回收以及排放最清潔的煙氣。

垃圾焚燒的發展脈絡

伴隨著城市化進程的加快以及人口的增加，城市中產生的垃圾量也快速增長。據世界銀行估算，至2025年，全球每天產生的固體廢棄物會從現在的350萬噸增長到610萬噸。面對如此嚴峻的情況，固體廢棄物的焚燒減量控制刻不容緩。垃圾焚燒技術不僅僅是一種減量垃圾、處理垃圾的技術，同時其產生的能量也是不容忽視的。面對當前超過80%的能源是化石能源的情況下，垃圾焚燒技術產生的新能源作為一種化石能源的替代品，能夠在一定程度上減緩當前的能源危機，同時也能減緩垃圾污染，一舉兩得。截至2017年，全世界共修建了1179座日處理容量超過70萬噸的垃圾焚燒廠，其中大部分位于美國、中國、歐洲等國家和地區。而非洲以及拉丁美洲等地雖然也積極推行垃圾焚燒技術，但卻忽視了能量的回收利用。

廢物量的增加可以通過焚燒部分廢物和回收廢物中存在的一些物質來解決。早期焚燒爐的重點僅在于廢物管理，而未利用其產生的熱量。英國第一座垃圾焚燒爐建于1870年，而在美國，第一座沒有能源回收的垃圾焚燒爐于1885年在紐約建成。焚化爐的熱量回收則始于20世紀之前的歐洲。在美國，直到20世紀中葉，油價上漲才促使人們利用焚燒爐產生的熱量來產生蒸汽和電力。最初，廢物資源化的工廠采用簡單的水冷壁和模塊化焚燒爐，缺乏煙氣處理機制。蒸汽市場的潛力進一步催化了熱回收的熱處理固體廢物的增長。不久之后，新問題出現，垃圾焚燒廠存在技術問題，導致工廠定期關閉和停工時間過長。并且，當時的政策不足以支持資源回收，預期經濟收益尚未實現。同時，焚化爐造成的污染日益受到關注，公眾的反對意見開始增多。20世紀60年代，顆粒物質是唯一受到管制的污染物，到了1980年，酸性氣體也需要控制。焚燒固體廢棄物的異質混合物以及灰燼處理不當引起了公眾懷疑。這些早期焚化爐所造成的不良聲譽嚴重影響了公眾輿論并引發了反對。不斷增加的公眾壓力推動了新工廠遠離城鎮，但也遠離了產生熱量和蒸汽的消費者。這種發展使得供應熱量和蒸汽的基礎設計更加復雜和昂貴。這一系列新問題導致當時垃圾填埋成為垃圾焚燒替代方案。但是由于快速城市化的壓力，人們越來越認識到，垃圾填埋場很快就會填滿，而建造新垃圾填埋場的土地很快就會耗盡。隨著垃圾焚燒技術和廢氣控制技術的革新，使得垃圾焚燒重新回到人們的視野當中。

隨著廢物資源化的提出，人們將越來越多的注意力從垃圾的焚燒處置向熱能回收集中。而且，針對垃圾焚燒的灰分以及煙氣的排放標準變得越來越嚴格。當前垃圾焚燒技術需要滿足以下三個要求：城市生活垃圾的體積減少，最多的熱能回收以及排放最清潔的煙氣。多年來針對這些問題，人們對焚燒技術和廢氣控制技術進行了不斷革新。

焚燒技術的發展革新

早期的焚燒爐根據進料方式的不同分為連續進料、分批進料以及沖壓式進料的焚燒爐。除此之外還有圓錐形和回收余熱的焚燒爐。其中連續進料的焚燒爐進一步分為移動爐排焚燒爐、往復式焚燒爐以及回轉窯和桶裝式焚燒爐。相較于每次幾乎完全燃燒廢料的批量進料焚燒爐來說，連續進料的焚燒爐具備了處理更大量垃圾廢物的能力，而沖壓式焚燒爐和錐形焚燒爐只是批量進料焚燒爐的變種。在這些早期的焚燒爐中，只有廢熱回收焚燒爐設計了回收熱量的裝置，而其余的焚燒爐設計的主要目的是減少垃圾量和廢物惰性化。早期的廢熱回收焚燒爐包括了低壓鍋爐、高壓鍋爐和水冷壁爐。其中，水冷壁爐比低壓和高壓鍋爐具有更高的熱回收效率，回收的熱量主要是為家庭和工業供暖、為污水污泥干燥以及海水淡化提供熱水以及為沿海地區的家庭提供飲用水等。20世紀中期，法國巴黎建造第一家回收熱發電的工廠。20世紀末，由于需要提高燃燒效率，焚化爐設計變得更加復雜，同時還需要開發廢氣排放控制系統和高效的材料處理系統。現在，垃圾焚燒爐主要分為三大類：移動爐排、回轉窯和流化床焚燒爐。盡管這三種焚燒爐早在20世紀上半葉就已經開始使用，但多年來對它們的技術改進已經能夠使它們適應當前垃圾焚燒的需求。

早期焚燒爐中沒有設計相應的預處理設施來預處理不同的垃圾，但隨著科技的發展，已經開發出用于去除大塊有害物質以及不可燃物質的預處理技術，從而使預處理后的垃圾具有更好的可燃性和排放控制。通過使用滾筒篩、空氣分級器、磁力分離器和渦流分離器進行篩選，可以在焚燒之前減少垃圾的不均勻性。滾筒篩網根據垃圾顆粒尺寸、滾筒篩孔徑、傾斜角度、滾筒長度和旋轉速度的相互作用來分離垃圾，而空氣分級器則利用密度差異來分離來自垃圾主體的輕餾分。目前可用的更先進的系統是利用光學分選裝置，根據其光學特性分離廢料。

同時，移動爐排焚燒爐已經證明優于旋轉窯或流化床焚燒爐，主要是因為它們能夠處理大量的垃圾而無需事先分揀或粉碎。另外，它們能夠適應廢物成分和熱值的巨大變化，操作穩定。盡管回轉窯和流化床焚燒爐自20世紀中期以來一直在使用，但只有移動爐排焚燒爐已經完全開發和測試，滿足了大規模技術性能的要求。但是與流化床或回轉窯焚燒爐相比，移動爐排的主要缺點是需要相對較高的投資和維護資金支出。流化床焚燒爐需要投資和運營資金大約是可移動爐排的70%。然而，它們在原料均勻性方面的嚴格要求以及它們對廢物原料熱值變化的高度敏感性使得操作變得困難。中國目前擁有最大的利用流化床技術的垃圾焚燒產能，但應用比例正在下降，而且大部分流化床技術仍然是從歐洲進口的。

廢氣排放控制技術革新

與垃圾焚燒技術相比，廢氣排放控制技術圍繞早期焚燒爐的大氣污染問題無疑更大程度上影響了廢物資源化的演變。早期的焚燒爐僅僅是一個個大規模的燃燒工廠，幾乎沒有廢氣排放控制。結果，他們很快引起了公眾的反對，導致許多工廠被迫關閉。而靜電除塵器是在20世紀70年代左右開發的，更先進的廢氣排放控制系統則在20世紀80年代后期開發。裝有靜電除塵器和粉塵噴霧的工廠可以通過降低煙氣中顆粒物的濃度，滿足現行的排放限制。由于公眾對垃圾焚燒排放廢氣的擔憂日益增加，排放限制變得更加嚴格。公眾主要關注的垃圾焚燒污染物是顆粒物質（尤其是灰塵）、氮氧化物和硫以及重金屬等。因此，結合濕法洗滌的廢氣排放控制系統主要涉及水噴霧、很少或不添加化學品和催化劑。在20世紀末，當人們發現二噁英從垃圾焚燒廠排放時，開始對廢氣排放控制設備進行改造以控制煙氣中二噁英的破壞。

現代廢氣排放控制系統結合了靜電除塵、多級洗滌、袋式過濾、選擇性和非選擇性催化還原技術來處理氮和硫以及大多數重金屬的氧化物。這種多級系統比單級煙氣處理系統更具成本效益。此外，除非在通過煙囪排放之前對煙道氣進行再加熱，否則從現代垃圾焚燒廠煙囪中依舊可以看到白色煙氣。盡管廢氣排放控制系統能夠清潔煙道以滿足嚴格的排放要求，但正是這種白色煙氣使公眾懷疑垃圾焚燒廠正在排放高毒性污染物。

因為燃燒室中的進料是不均勻的，廢氣排放控制技術必須應對由于顆粒物質負荷的波動和氣體流速變化帶來的問題。現代廢氣排放控制系統涉及燃燒控制和燃燒后控制，以限制常規和痕量污染物的形成并改善離開煙囪的煙道氣的質量。另一種技術是煙氣的再循環，導致熱容量增加，氮氧化物減少，抑制二噁英的產生，從而使煙氣的后燃處理更容易。

雖然通過技術的革新，垃圾焚燒能夠使得垃圾減量化、資源化和無害化，但不斷增加的城市人口密度以及大量浪費的消費模式會使廢物量迅速增加。最初，固體廢物管理不是一個值得擔心的問題，因為那時產量太低而且不會對健康產生重大影響。但如今，固體廢物管理已經成為政府面臨的最緊迫問題之一。因此，長期解決方案應該是各國政府真正努力應對的根本問題，而臨時措施應當實現人均廢物產生的零增長。一旦實現這一目標，最終目標將是實現人均垃圾產生的無限下降量。

2018年7月4日，全國第一條垃圾干化生產線一期工程，在江蘇連云港市開發區晨興環保垃圾焚燒電廠開始帶料調試。CNSphoto供圖

同時，人們普遍認為垃圾焚燒廠是二噁英的來源，盡管在減少垃圾焚燒廠排放方面已經取得了巨大進展，但公眾仍然存疑，以至于垃圾焚燒廠的能量回收仍然是一個廣泛爭論的主題。辯論的主要問題是，二噁英是生物累積的。它們存在于垃圾中，即使它們在高溫燃燒過程中可能被破壞，它們也能夠在燃燒后的煙氣中重整。由于它們的半衰期長達數年至數十年，因此它們在環境中具有高度持久性。在煙氣中控制這些化合物主要是通過維持燃燒室中最佳破壞條件，并防止有利于它們在燃燒后氣體中重新形成的條件。因此準確發布垃圾焚燒廠的環境績效信息，尤其是關于廢氣排放的準確信息，對于消除公眾恐懼并將垃圾焚燒從有爭議的技術轉變為可接受的選擇至關重要。

另外，加強政策或立法，推動有利于城市生活垃圾焚燒前的處理措施。歐盟已經制定了“2012-2020環境行動計劃”，其理念是“在地球的極限范圍內生活”。根據修訂后的政策，歐盟計劃到2020年將廢物作為一種資源進行管理，人均廢物產生絕對量下降，通過開發廣泛的收集系統和二級功能市場，在經濟上開發具有再利用和再循環功能的產品。最新的情況是，歐盟已采用計劃中的循環經濟計劃，旨在促進更多的廢物再利用和再循環。這一政策顯示了政策對垃圾焚燒處理未來前景的影響。同時，隨著各國實現減少垃圾填埋場管理的目標，進一步擴大焚燒可能會減速并最終停止，這為垃圾焚燒的未來帶來了很多的不確定性。

盡管各界對垃圾焚燒存在一些爭論，但面對日益增長的固體廢物，全世界現在依然不能放棄垃圾焚燒，它應該成為綜合固體廢物管理系統的一部分。另外，更重要的是要意識到垃圾焚燒不會是無限期的，只是為了使人類的生活更加美好。