1 前言
随着经济的发展、人口的不断增多以及人民生活水平的日益提高，城市垃圾的产生量也日渐增多。在当今世界，大量的垃圾已成为城市中一个长期存在的污染源。对垃圾的处理不当，可能会造成严重的大气污染、水污染和土壤污染，并将占用大量的土地。二十世纪九十年代中期在西班牙发生的垃圾堆山体松动、滑移并严重污染海滨的严重事件，便是对人类发出的一次警告。可以说，垃圾对环境的污染已经成为日益严重的问题。如何经济、有效地进行垃圾处理，是广大环保工作者和环保行业面临的一个亟待解决的问题。
垃圾焚烧是目前固体废弃物处理的有效途径之一，其目的在于垃圾的无害化处理和利用[1]。在西方发达国家，垃圾焚烧技术的应用已经有将近130年的历史，而且目前仍被认为是最有效、经济的垃圾处理技术之一。我国对垃圾的处理目前基本上仍采用露天堆放和填埋法，而在垃圾焚烧技术的研究、开发和应用方面起步较晚。相比之下，我国垃圾焚烧设备的设计、生产和应用的水平和规模与发达国家的差距还很大。因此对我国的环保工作者和生产企业来说，了解垃圾焚烧炉燃烧技术及设备的发展趋势，进而学习和掌握先进的垃圾焚烧炉设计和制造技术显得非常迫切和重要[2]。
本文通过对垃圾焚烧炉燃烧技术及设备发展历史的回顾，分析各种燃烧设备的特点，并对我国的垃圾焚烧技术和设备的发展提出建议。
2 垃圾焚烧炉发展早期的主要型式和特点
从十九世纪下半叶开始，西方发达国家已着手设计和开发垃圾焚烧设备。当时应用垃圾焚烧技术和设备的主要目的是[3]：
（1）在高温下进行垃圾的无害化处理，灭除细菌以及病原体；
（2）产生可加以利用的灰渣；
（3）避免由于燃烧而产生的烟尘和气味；
（4）将垃圾中含有的能量转换为蒸汽、电能或者热水加以利用；
（5）以尽可能低的成本进行垃圾的焚烧处理，而且设备操作和工作条件合理；
（6）焚烧所有无法利用的可燃废弃物。
世界上第一台固体废弃物焚烧设备诞生在第二次技术革命时期的欧洲。十九世纪下半叶，英国的Paddington已经发展成为一座人口密集的工业化城市。1870年，一台垃圾焚烧炉在Paddington市投入运行。当时的垃圾水分和灰分均很大，故其发热量低而难以焚烧，因此这台焚烧炉的运行状况不良，不久即停止运营。针对垃圾品质低劣、焚烧困难的问题，先是采用双层炉排(下炉排上为强烈燃烧的煤层)，进而在1884年试图将垃圾与煤混烧，以改善垃圾燃料的燃烧特性。然而两种尝试均未获得令人满意的结果，而且由于烟囱低矮，使得附近的环境受到刺激性烟气的污染。
为了解决刺激性烟气和炭黑污染的问题，首先采取的措施是将焚烧温度提高到700℃，后来又进一步提高到800～1100℃。当时人们已经知晓燃烧空气量和投入方式对烟气温度的影响，因此相继采用了加高烟囱、配置送风机和引风机等措施，以增加通风量和满足焚烧过程对燃烧空气量的需求。烟囱加高后，同时也解决了烟气中刺激性有害物质的扩散问题。 由于垃圾的种类和成分随着地域和季节的不同而可能发生很大的变化，垃圾焚烧设备必须具有良好的燃料适应性。在这方面，当时所采取的技术措施是在焚烧炉中增设垃圾干燥区以及采用燃烧空气预热。
2.1 箱式垃圾焚烧炉
1876年，一家垃圾焚烧厂在英国Manchester市投入运行。该厂装有数台箱式垃圾焚烧炉，各炉共用一个排烟通道，炉内采用固定倾斜式阶梯炉排。运行结果表明，这种箱式焚烧炉比较适合于垃圾焚烧。在操作时，垃圾从炉门由人工投入燃烧室进行燃烧。炉门除了用于投入垃圾外，还用于除渣和拨火。炉排上方的炉拱在燃烧过程中呈白热化状态，由此而产生的强烈辐射对新燃料起到了烘干的作用。
由于当时Manchester这种类型的垃圾焚烧炉的成功，到十九世纪末在英国共制造和成功投运了210座同类型的垃圾焚烧装置，仅London一地就有14座。这种箱式焚烧炉的主要缺陷在于操作工人劳动强度大、工作条件恶劣。此外，人工投料和除渣操作造成焚烧过程的不连续性。图1所示的箱式垃圾焚烧炉在后墙增设了单独的除渣和拨火孔。
此后，在上述箱式焚烧炉的基础上又出现了双箱式焚烧炉和串联炉排炉等许多型式的垃圾焚烧炉。双箱式焚烧炉由两套箱式焚烧炉的燃烧设备以背靠背的形式组成，共有连接两套燃烧设备的后墙和一个垃圾给料口。运行时，在两套燃烧设备中交替进行除渣、给料和焚烧过程，即当其中一套燃烧设备进行除渣和给料操作时，另一套设备中正在进行垃圾焚烧过程。新加入的垃圾通过与灼热的后墙接触，也能够得到干燥。因此，即使在垃圾发热量较低时，炉内燃烧温度也能达到700～1000℃。箱式焚烧炉的炉门最宽可达1 m,炉排面积通常为1.0～1.5 m2，最大可达3 m2。由于除渣操作频繁、焚烧过程不连续，箱式焚烧炉的焚烧量只有6～10 t/日(以24小时计)，在垃圾得到预热时可达20t/日。
2.2 立式垃圾焚烧炉
德国的Wiesbaden市于1902年建造了一座采用立式焚烧炉的垃圾焚烧厂。这种焚烧炉在运行时，垃圾由炉子上方经过一个倒置喇叭口投入炉膛，燃烧空气则通过水平渣井中的缝隙流入，在冷却炉渣的同时也得到了预热(图2)。在喇叭口处，烟气从侧面引出，并在加入二次风后进入燃烬室，以将烟气中携带的可燃成分(特别是可燃气体)充分燃烬。该焚烧炉炉高3 m，炉膛横截面为矩形，炉底尺寸为0.8×0.8 m。与箱式焚烧炉相比，立式焚烧炉的焚烧量较大，而且燃烬效果好，但仍存在人工除渣劳动强度大的缺点。
对上述型式的焚烧炉进行改进之后，出现了圆筒形炉膛的立式焚烧炉。燃烧空气改由炉膛的侧面送入，除渣操作则由一种特制的清渣刀来完成。在需要除渣时，圆筒炉膛的底盖打开，清渣刀由底部伸入炉膛中进行除渣操作；在其完成除渣操作退出炉膛后，炉膛底盖重新关闭，垃圾靠其自重自动地落在底盖上，炉膛上方空间由新加入的垃圾填充。这种焚烧炉每m2炉排面积的焚烧量可达2.6 t/h，炉膛温度约为900℃。一座垃圾焚烧厂可由数台立式焚烧炉组成，拥有公用的燃烬室和飞灰收集装置。
此后在欧洲各国又出现了各种改进型的立式焚烧炉，所应用的新技术包括采用水冷壁冷却立式炉壁、采用螺旋连续给料装置以及机械除渣。特别值得一提的是，在二十世纪初的欧洲就已经出现类似于沸腾燃烧的立式垃圾焚烧炉[3]。垃圾由炉子上方送入炉膛，而燃烧空气由下至上喷入。在40～50 mbar 空气压力的作用下，垃圾中热值较低的碎屑便被分离出来，并和飞灰一起由烟气携带至飞灰收集室，而热值较高的粗大垃圾则在面积约为1.2 m2的炉排上进行燃烧。这种焚烧炉采用了机械化给料装置，每m2炉排面积的焚烧量达1.1 t/h，炉膛温度约为1000～1100℃。
2.3 其它型式的垃圾焚烧炉
为了实现垃圾焚烧过程中进料、拨火、清渣和除灰等主要操作的机械化，先后开发和应用了阶梯式炉排、倾斜炉排和链条炉排以及转筒式垃圾焚烧炉。与现代的倾斜往复炉排相似，本世纪二十年代的阶梯式炉排也是由固定炉排片和活动炉排片组成的，整个炉排呈阶梯状，水平倾角约为10～13° 。垃圾通过螺旋给料装置进入炉子，并在预热后被抛向炉排的最低处。通过炉排片的往复运动，垃圾在炉排上连续并均匀地自下而上逆向移动，并产生良好的拨火作用，而且有利于破碎硬化的灰渣层。10～13° 的炉排倾角可使熔融的灰渣回流至新加入的垃圾中，有利于加速垃圾的干燥和着火。因此，阶梯式炉排不仅能够较好地适应垃圾成分的波动，而且与箱式和立式焚烧炉相比，更加适用于焚烧量和蒸发量较大的情况。根据焚烧量的大小，阶梯式炉排可以采用单排或双排的型式。当时阶梯式炉排长度可达3.5 m，单排宽度1.3 m，平均焚烧量可达3.5 t/h。
此后又进一步开发了采用倾斜炉排的垃圾焚烧炉。这种倾斜炉排的特点是炉排自进料口至灰斗方向向下倾斜15～25° (即与现代倾斜往复炉排的倾角大致相同[4, 5])，垃圾由于炉排片的往复运动而向灰斗方向移动并同时得到松动，故其亦具有很好的拨火作用。具有双排倾斜炉排的垃圾焚烧炉的炉排总面积达16 m2，其焚烧量可达8 t/h，炉膛温度约为900～1000℃。
转筒式垃圾焚烧炉的开发和应用是垃圾焚烧操作走向机械化的一个重要步骤。通常这种焚烧炉的燃烧设备是由转筒和倾斜炉排共同组成的。垃圾进入炉膛后首先在倾斜炉排上得到部分高温烟气的干燥；在进入转筒前，垃圾甚至已经着火或开始燃烧。对于低热值的垃圾，整个炉膛内布置有分别用于垃圾干燥、引燃和焚烧的三组倾斜炉排。因为用于垃圾干燥和引燃的炉排的位置均高于焚烧炉排和转筒，造成炉膛高度和体积较大，设备投资较高。因此从技术经济比较的角度来看，转筒式垃圾焚烧炉的焚烧量应不小于30000 t/年。
拨火操作对于垃圾(尤其是低热值、高灰分的垃圾)焚烧过程影响较大，而链条炉排的主要缺点之一正是其对燃料层无自动扰动作用，拨火操作仍需借助于人力，因此将链条炉排用于低热值垃圾焚烧不太适宜。到本世纪六十年代，曾有外国公司在垃圾焚烧炉中采用链条炉排。但是由于链条炉排在燃烧技术上的种种缺陷(着火条件差、拨火作用弱以及配风调节能力差等)，到八十年代末便为往复推饲炉排所代替。
3 现代垃圾焚烧炉的主要型式和特点
垃圾焚烧技术已经经历了将近130年的发展过程，垃圾焚烧技术和设备已经日臻完善并得到了广泛的应用。西方发达国家目前通用的垃圾焚烧系统主要有以下几类：
（1）垃圾层燃焚烧系统，如采用滚动炉排、水平往复推饲炉排和倾斜往复炉排(包括顺推和逆推倾斜往复炉排)等。层燃焚烧方式的主要特点是垃圾无需严格的预处理。滚动炉排和往复炉排的拨火作用强，比较适用于低热值、高灰分的城市垃圾的焚烧；
（2）流化床式焚烧系统，其特点是垃圾的悬浮燃烧，空气与垃圾充分接触，燃烧效果好。但是流化床燃烧需要颗粒大小较均匀的燃料，同时也要求燃料给料均匀，故一般难以焚烧大块垃圾，因此流化床式焚烧系统对垃圾的预处理要求严格，由此限制了其在工业废弃物和城市垃圾焚烧领域的发展；
（3）旋转筒式焚烧炉，其特点是将垃圾投入连续、缓慢转动的筒体内焚烧直到燃烬，故能够实现垃圾与空气的良好接触和均匀充分的燃烧。西方国家多将该类焚烧炉用于有毒、有害工业垃圾的处理。
在当今高度工业化的时代，城市垃圾焚烧技术面临着许多新情况和新问题：
（1）在经济发达国家，城市垃圾堆积密度小、热值高且灰分和水分较低；
（2）垃圾焚烧排放标准日益严格，特别是要求烟气中有害物质的排放得到有效的控制。除了烟尘之外，垃圾焚烧烟气中主要的有害物质有CO、SOx、NOx、有机碳以及二氧(杂)芑(二恶英，dioxins)和呋喃(furane)。通过对燃烧技术的改进和焚烧过程的调整，这些物质的产生和排放可以在一定程度上得到控制。相比较而言，在本世纪五十年代以前仅对垃圾焚烧炉的烟尘排放以及最低焚烧温度有过限制。规定最低焚烧温度(如800℃)目的在于将产生刺激性气味的有害物质在炉子中充分燃烬；
（3）从焚烧炉投资和运行经济性的角度来看，其最低焚烧量应为3 t/h到20～25 t/h。
因此，现代垃圾层燃焚烧系统应该满足以下要求：
（1）拨火作用强，以保证整个炉排面上垃圾的均匀、充分燃烧并防止结渣。影响炉排拨火作用的主要因素有：① 炉排的型式；② 炉排运动的方式和强度；③ 炉排倾角和垃圾在炉排面上的移动方向等；
（2）为了保证垃圾的及时引燃、充分燃烧和燃烬，炉排应分成干燥和引燃区、主焚烧区和灰渣燃烬区三个区域；
（3）燃烧设备应该具有对经常发生的垃圾成分(水分或者热值)突然出现波动情况的适应能力。当垃圾成分发生波动时，焚烧炉垃圾给料量以及一次风量及其分布和温度均应及时准确地予以调节；
（4）对燃烧空气(一次风和二次风)进行预热；
（5）具有投入某些添加剂的可能性，以降低某些有害物质如二恶英、NOx和SOx的排放量；
（6）将整个燃烧过程划分为垃圾焚烧阶段和烟气中可燃有害物质的燃烧阶段，后一阶段烟气的燃烬需要足够的空气。在垃圾焚烧阶段需限制燃烧空气量，以避免炉膛温度的强烈波动以及产生过多飞灰；
（7）保证较低的灰渣和飞灰含碳量(1～3%)，燃烬良好。
现代垃圾层燃焚烧炉炉排的主要型式之一是往复推饲炉排，其中应用最广泛的应数单级或多级布置的顺推倾斜往复炉排。垃圾由机械给料装置自动进入炉膛，先后在炉排上经过干燥和引燃区、主焚烧区以及燃烬区，完成整个焚烧过程，垃圾在炉膛内的停留时间一般为1小时。借助于炉排倾角并通过炉排的往复运动，垃圾在向灰斗的运动过程中不断地得到翻搅，拨火作用强。为了适应焚烧量、垃圾种类以及成分的变化，燃烧空气量及其分布均可调节，并可分为一次风、二次风或者三次风分别配给。德国EVT公司的垃圾焚烧系统是采用顺推倾斜往复炉排的典型例子。其特点在于采用一个链条炉排来保证垃圾的均匀和连续输送。通过对链条炉排传送速度的无级调节，使得焚烧炉能够对垃圾热值的波动作出灵活的反应，有利于燃烧工况的调节[6]。
滚动炉排也是一种前推式炉排，一般由倾斜布置的多个滚筒组成。滚筒在液压装置的作用下作旋转运动，使得滚筒上的垃圾在燃烧过程中形成波浪式的运动，垃圾从而得到充分的搅拌，拨火作用强，燃烧充分。该类焚烧炉炉膛的设计合理地结合了滚动炉排的特性和垃圾焚烧的特点，前面的几个滚筒为垃圾的干燥和燃烧区，能使高水分、低热值的垃圾迅速得到干燥并及时着火。低热值的垃圾在前拱高温辐射的作用下，形成垃圾焚烧所必需的高温区域，以使垃圾充分燃烧并减少有害物质的产生和排放。在后拱的作用下，火焰和高温烟气直接冲刷后面滚筒燃烬段上的垃圾，以促使垃圾的进一步燃烬。
逆推倾斜往复炉排的典型代表是德国马丁公司的炉排，其与前推倾斜往复炉排的不同之处在于炉排片的运动方向与垃圾运动方向相反(图5)。因此，采用逆推倾斜往复炉排可使来自主焚烧区域的灼热灰渣与干燥引燃区域中的垃圾更加充分地混合，有利于垃圾的引燃。可见，这种炉排更加适用于水分高、热值低的垃圾的焚烧。
4 我国城市垃圾的特点和焚烧设备的发展
随着生产的飞速发展和经济的迅速崛起，我国已经步入城市生活垃圾高产国的行列。据统计，1990年中国城市垃圾的总产量为6900万t，其中上海全市垃圾产量为270万t(每天约7500 t)，居全国首位。1995年全国城市垃圾的总产量已达1亿t。根据对418个大、中城市的调查统计，我国城市的垃圾产量以每年10%的速度递增，预计到2010年垃圾年产量将达约2亿t。目前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。上海市区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。
城市生活垃圾含有可燃和不可燃垃圾两大部分，其中可燃部分包括废弃纸张、破布、竹木、皮革、塑料和动植物残余物等。而不可燃部分为各类废弃金属、沙石、玻璃陶瓷碎片等。我国城市消费水平较低，垃圾不可燃成分比例较高，热值远低于发达国家。但是我国城市生活水平正在不断提高，城市垃圾正向着含水率降低、可燃成分逐渐增加的趋势发展，中等以上城市的垃圾热值一般在2512～4605 kJ/kg，个别地区已达3349～6280 kJ/kg，已达到或接近垃圾焚烧的要求(热值不小于3350 kJ/kg)。
应该引起注意的是，我国城市垃圾中不可燃成分比例大，垃圾热值低、水分含量高，而且垃圾的成分因地域、季节、城市消费水平以及年份的不同而变化，因此要求垃圾焚烧设备对于垃圾成分的变化(特别是水分和热值的变化)具有很强的适应性，可以根据垃圾成分的波动对燃烧过程进行及时、有效的调整，以保证垃圾的及时引燃和稳定燃烧。自1985年深圳市从日本引进马丁式垃圾焚烧炉以来，我国珠海、广州等城市也相继采用了国外垃圾层燃焚烧系统，上海浦东新区生活垃圾焚烧厂也将引进法国公司提供的倾斜往复炉排焚烧炉。应该通过引进国外先进设备，积累运行经验，逐步消化国外先进技术，再结合我国的实际情况，开发和研制适合我国国情的垃圾焚烧设备。
分析各种城市垃圾焚烧设备的特点可知，结合我国国情来发展倾斜往复推饲炉排焚烧炉是合理可行的。在设计中，除了要考虑受热面传热效率外，还应考虑受热面和炉墙的腐蚀和磨损、烟气净化以及自动控制等问题。在炉拱和炉膛设计和燃烧空气布置、分配方面，应该充分考虑到我国城市垃圾热值低、水分含量高的特点。考虑到我国的实际情况，在研制大型垃圾锅炉、建设大规模垃圾焚烧厂的同时，应该鼓励开发中、小型垃圾焚烧设备。在焚烧排放标准方面既不能照搬发达国家的标准，也不能过于宽松，应该在参考国外有关标准的基础上，逐步制定适合我国国情的排放标准。
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