1　绪论

1.1　研究背景

1.1.1　能源现状

截至2012年，我国已经成为世界上最大的能源生产国和第二大能源消费国［1］。根据2010年的统计数据，煤炭、石油、天然气三种化石燃料在我国能源结构中所占比例超过90%，而煤炭所占比例超过70%［2］。我国政府在丹麦哥本哈根气候大会上承诺，到2020年，单位GDP二氧化碳排放量相对2005年减少40%～45%，非化石燃料所占比例达到15%。随着经济的发展和城市化进程，能源供应和可持续发展成为全世界关注的焦点。因此，清洁与可再生能源的利用，对于解决能源问题及环境问题都至关重要。

城市生活垃圾包括城市居民的生活垃圾，商业垃圾以及市政管理产生的垃圾［3］。根据我国国家标准CJ/T313—2009《生活垃圾采样和物理分析方法》，城市生活垃圾可以分为9大类，包括厨余、纸类、橡胶塑料、纺织类、木竹类、灰土、砖瓦陶瓷、玻璃以及金属等。2009年我国的城市生活垃圾清运量已经达到1.5亿t，并且呈现逐年增加的趋势［4］。

城市生活垃圾的处置方式主要包括填埋、堆肥和焚烧。目前，很多城市生活垃圾还不能得到很好的处置，大部分只是进行简单填埋或堆肥处理。垃圾填埋是一种最简单的垃圾处理方式，具有投资少并且产生的CH4可利用等优点，但由于占地面积大，并且存在渗滤液等对水和土壤易造成污染的问题，并不是最好的选择。堆肥是利用微生物对垃圾进行分解，温度、湿度以及pH值对垃圾的分解过程影响较大。

垃圾焚烧，具有“减量化、资源化、无害化”的优点，而且可以作为替代化石燃料的一种方式，得到了广泛应用。在很多国家，焚烧被作为一种主流技术用来对城市生活垃圾进行处理［5-6］：日本是世界上建有最多垃圾焚烧厂的国家，全国有约1900座垃圾焚烧厂，其中200座焚烧厂被用于发电；在美国，大约有400座垃圾焚烧电厂。

1.1.2　垃圾焚烧技术概述

目前国内外的垃圾焚烧厂采用的主要技术包括炉排炉、流化床、回转窑以及气化熔融炉。

固定床焚烧垃圾［7］是一种较为成熟的技术，其优点是对垃圾的预处理要求不高，并且对燃料有较好的适应性，易于运行和维修。图1-1中，固定床的结构主要分为三部分，即预热段、燃烧段和燃尽段。着火现象最初发生在燃料堆的顶部，随着燃料的不断滚动和搅拌，加强了燃料和空气的接触，底部垃圾开始着火燃烧。对于固定床来说，温度的控制是焚烧厂运行的关键。高温下的结渣会对炉床和炉壁造成损坏，而低温下的不完全燃烧则会导致二英的产生。因此，炉排炉的焚烧温度一般控制在1000～1100℃，停留时间在2s以上。

流化床技术［8］被广泛用于垃圾焚烧电厂，结构见图1-2。流化床具有升温速率快、燃尽率高、燃料适应性强等特点，对于低热值和高水分的城市生活垃圾有很好的适应性。但由于城市生活垃圾的热值较低，通常需要掺煤进行混烧来保证燃烧的稳定性。

通过调整气体流速，可以实现颗粒的流化状态。由于流化床焚烧对于颗粒尺寸要求较高，因此需要进行破碎和筛分的预处理，颗粒粒径一般在15cm以下。

图1-1　炉排炉结构示意图［7］

图1-2　流化床结构示意图［8］

回转窑焚烧技术［8］主要是通过回转窑的转动使燃料不断上升和下降，在此过程中燃料与空气有充分接触，从而完成干燥、燃烧和燃尽的过程，其结构见图1-3。灰渣从回转窑的另一端排出，燃烧温度在1000℃左右。回转窑焚烧具有温度高、燃尽率高以及容易操作等优点；但窑壁的耐火材料容易损坏，并且对于高水分、低热值的垃圾适应性较差。

图1-3　回转窑焚烧炉结构示意图［8］

气化熔融炉［9］采取两段式对城市生活垃圾进行处理，其结构见图1-4。在气化炉中，不可燃组分从炉底排出，部分金属被回收，气化产生的可燃气体以及未燃碳被送入熔融炉中。在熔融炉中，利用可燃气和焦炭对灰渣进行熔融处理。气化熔融炉具有飞灰排放量少、二英产生量少以及灰渣熔融处理等优点。

图1-4　气化熔融炉结构示意图［9］

由于各地生活水平不同，生活垃圾的含水率、热值等特性存在差异，因此各地的焚烧设备选型也不同。研究不同城市生活垃圾成分的燃烧特性以及不同运行工况对燃烧过程的影响有助于更好地指导焚烧炉的运行。