垃圾焚燒技術的現(xiàn)狀與發(fā)展
隨著經(jīng)濟的迅速發(fā)展和城市化進程的加快，城市(鎮(zhèn))承受著城市垃圾帶來的巨大的環(huán)境壓力。焚燒技術作為一種可同時實現(xiàn)城市垃圾減量化、無害化和資源化的垃圾處理技術，已成為世界各國城市垃圾處理的首選技術。
1、垃圾焚燒技術現(xiàn)狀及其設施
1.1 日本城市生活垃圾焚燒處理現(xiàn)狀
日本最早的垃圾發(fā)電站1965年建于大阪市，目前日本有垃圾焚燒爐3000座，垃圾發(fā)電站131座，總裝機容量650MW。到2000年日本的垃圾發(fā)電量達到了2000MW，垃圾處理能力1000噸/日以上(最大為1800噸/日)的垃圾發(fā)電站8座，1995年日本建成一座最大的垃圾電站，發(fā)電容量24MW。日本早期電站為防止爐管腐蝕，采用低參數(shù)，發(fā)電效率較低，僅為10％－15％，現(xiàn)在謀求提高到30％。據(jù)悉，目前日本投入使用的最大垃圾焚燒廠是名古屋市新南陽垃圾處理廠，裝機容量1500噸/日，發(fā)電設備裝機容量000KW，平均每噸垃圾產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)換為432度的電能。又如東京新建的垃圾焚燒廠，垃圾全由4條分別為16公里的地下通道輸送，日焚燒垃圾 400噸，投資5億多元。自上世紀60年代以來，東京已陸續(xù)建成14座垃圾焚燒廠，正在建設的有6座，日焚燒能力為600－800噸。
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圖1 日本東京MINATO垃圾焚燒發(fā)電廠
1.2 德國城市生活垃圾焚燒處理的現(xiàn)狀
德國以及許多歐洲國家現(xiàn)在都把熱處理技術作為處理生活垃圾的主要手段，到2005年德國將有65
座熱處理設施，焚燒處理 70％的生活垃圾。德國一般廢棄物的焚燒率 27.5%(2005 年)。不過一些焚燒處理設施的建設還在進行中，今后焚燒率將會增加。
生活垃圾焚燒設備要滿足很高的技術標準，不會生成廢水，對煙氣處理的要求比傳統(tǒng)的火力發(fā)電廠還要高，對產(chǎn)生的熱能可以利用。若先決條件有利，能量轉(zhuǎn)換率可達到70％。但是也有缺點：(1)當?shù)鼐用窀星樯喜唤邮埽?2)費用高；(3)不適宜處理低位發(fā)熱量低的生活垃圾。
1.3 日本現(xiàn)有焚燒爐技術
日本現(xiàn)有焚燒設施分類如圖2所示。根據(jù)政府調(diào)查，2004年末的垃圾焚燒設施數(shù)量為1,374所(比1998年減少22%)，其中的連續(xù)運行(24h/d)設施雖然只有39%，其處理能力卻達到垃圾處理量的80%。其中爐排式設施占了全體設施數(shù)的7成，流化床式設施占了約3成。
爐排爐的發(fā)展歷史較久，具有通用性及安定性，是一種高度成熟化的技術。生活垃圾爐排爐因為技術成熟、運行管理方便在日本應用最為廣泛。流化床式爐使用高溫的熱媒介—流動沙，可以在短時間內(nèi)啟動和停止，具有較高機動性。
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圖2 焚燒爐的種類
1.3.1 爐排爐技術
圖3是一般爐排式焚燒爐的流程圖。除了核心的焚燒爐之外，還設置了煙氣處理/排水處理/殘灰處理設備，及發(fā)電所需輔助設備。1990 年后期，以二惡英物質(zhì)排放問題為起因，對設施改善提出了更加充分燃燒的要求。即，通過溫度(Temperature) / 滯留時間(Time) / 充分攪拌(Turbulence)這三個 T 進行徹底的技術改進，其中有燃燒空氣二次注入，人工智能高度控制等方式。
投入的垃圾要經(jīng)過爐內(nèi)干燥/燃燒/后燃燒三個工序，在爐內(nèi)一邊向上移動一邊燃燒。燃燒速度較慢，對燃燒的廢棄物種類和形狀幾乎沒有限制。焚燒后爐灰約占原重 10%，通常采用填埋方式進行最終處理，近年用熔融爐生成熔渣的案例逐漸增加。
不過實際情況是，爐灰熔融爐的運轉(zhuǎn)效率較低，熔渣的利用也不一定能夠順利開展。另外這樣處理，金屬類的回收利用變得困難，并且后續(xù)還會提到其發(fā)電效率總體較低，等等，此類問題亟需解決。
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圖3 爐排式焚燒爐的整體流程圖例
表1中列出了日本各會社爐排爐技術的發(fā)展趨勢及特點：
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1.3.2 氣化熔融技術
氣化熔融爐具有以下特點，可解決目前為止的部分難題，在該技術備受關注和期待的90年代后期進行了開發(fā)和建設。
1)熔融過程 1,300~1,400 的高溫燃燒，大幅降低二惡英類的排出。
2)氣化流程產(chǎn)生還原反應，可以回收和有效利用垃圾中含有的金屬成分。
3)空氣比(燃燒時實際空氣量與理論必需空氣量的比值)如果降低，則煙氣處理設備等附屬設備可以精簡，同時發(fā)電的效率也會提高。
4)垃圾產(chǎn)生熱量高時，可引入到熔融過程繼續(xù)利用。
5)建設及維護管理費相比 爐排爐 + 灰熔融爐 的方式較低。
以上這些方面都是開發(fā)者期望的優(yōu)點和特長。
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圖4中是氣化熔融爐的3種構成類型。這些圖可以作為實際設施構成圖的參考，目的是表明有a)氣化熔融一體式和b)，c)氣化工序及熔融工序分離式等差異，并不代表煙氣處理等附帶設施的方式是固定的。氣化流程的特點，或者是回轉(zhuǎn)窯，或者是流化床爐等兩種處理方式。
圖5進一步說明各方式的導入情況，包括氣化的煙氣處理，2000年－2003年進行了大規(guī)模的新設施的建設，不過隨后新建焚燒爐的整體建設速度放慢，增加的幅度減少。其中一體化式處理設施占48%，分離型流化床式占32%，回轉(zhuǎn)窯式占20% 。
氣化熔融爐與爐排爐相比具有減輕環(huán)境負荷/資源化等長處，同時也存在設施規(guī)模的局限(最多約300噸/天)，煙氣處理設備精簡化方面還存在困難，建設費及維護管理費比爐排爐高，從先期案例來看還存在問題和故障，存在高溫爐內(nèi)熔融鹽黏附的問題等等，此類處理廠的技術還未完全成熟。
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圖5 氣化熔融爐的導入件數(shù)的變化
表2列出了當前日本各會社采用的氣化熔融爐的類型及特點。
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2、新垃圾處理技術
2.1 日本研發(fā)的垃圾處理技術
2.1.1 新世紀爐排
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在進行氣化熔融爐建設的同時，另一方面爐排爐范圍內(nèi)開展各種解決課題的研究，提出新世紀爐排爐的概念(如圖6所示)。主要的課題包括燃燒性能提升，熱回收率的提高及煙氣/飛灰的凈化處理。燃燒性能提升，體說是在較低空氣比中能進行高溫燃燒：空氣比在1.3—1.5 左右，燃燒溫度達到1000℃以上等等。為達到以上目標，除采用提升燃燒空氣的氧氣濃度(例如氧氣濃度達26%)，及將后段燃燒煙氣再次噴入爐內(nèi)(稱作煙氣再循環(huán)或還流煙氣系統(tǒng))之外，還可將減溫到300℃左右的燃燒煙氣鼓入爐內(nèi)二次燃燒地帶，達到低空氣比化及促進混合攪拌的作用。高溫空氣吹入爐內(nèi)后，垃圾上方形成活躍的燃燒層，能在低空氣比基礎上進行穩(wěn)定燃燒。另作為高溫化對策之一，可以推進空冷方式高性能化，或采用水冷式爐條，同時還可以通過模糊控制進行高度自動化控制等。
熱回收率提升方面，通過鍋爐的高溫/高壓化，可以提高發(fā)電效率。蒸汽條件為6MPa/400℃以上，可達到24%以上的發(fā)電效率；或者蒸汽條件為6MPa/450℃。焚燒灰的處理及利用方面，有與灰熔融爐組合的方式，或與焚燒爐一體化的熔融或燒成爐組合方式，及蒸汽加熱處理后再利用的方式。
2.1.2 龍卷爐
在日本垃圾焚燒技術一直在不斷發(fā)展，例如：日本正在研究開發(fā)一種新型的垃圾焚燒爐技術。這種新型焚燒爐稱為“龍卷爐”，它采用氣化燃燒方式，能有效地抑制二噁英等有毒物質(zhì)的排放量。垃圾在爐內(nèi)化后，在爐子的中央部分燃燒，仿佛是由火焰形成的龍卷風；鹧娌唤佑|爐體內(nèi)側，不需要耐火材料。
目前這種新型焚燒爐已經(jīng)制造出試驗爐。該爐每小時可焚燒垃圾200公斤。點火時只需要少量的柴油，以水作為助燃劑，燃燒溫度可達1200－1300℃。經(jīng)化驗分析，這種焚燒爐排煙量和灰燼中的二噁英、硫化物、氮化物、氯化氫等有害物質(zhì)的含量都低于政府新公布的廢棄物污染排放標準。這種爐型如能開發(fā)成功，將對垃圾焚燒二次污染排放的控制起到積極的作用。
2.2 德國研發(fā)的新垃圾處理技術
2.2.1 機械生物處理設備(MBA)與焚燒相結合
近年來，德國開始采用一種新的、與焚燒混合生活垃圾不同的技術，先把生活垃圾中的非易燃物分選出來，然后僅焚燒發(fā)熱量高的剩余部分。該技術被稱為機械生物處理技術，德文縮寫為 MBA。由于MBA技術的費用通常較低，而且在環(huán)境保護方面有一定的優(yōu)勢，因此人們對其接受程度較高。
對混合生活垃圾進行分類，原則上并沒有什么新意。但分類技術只是近些年才真正取得突破性進展，如機械或電子機械分類技術的改進，光學(近紅外線)分類技術的應用，以及近年來計算機運算能力的大幅提高，使得更精確的材料識別技術得已成功開發(fā)等，都有力地推動了機械生物處理技術的發(fā)展。
采用先進的垃圾分類技術，現(xiàn)在可以從混合生活垃圾中分選出下列物品，而且分選效率通？沙^ 90％：(1)有色金屬(鉛、鋁、銅等)；(2)鐵金屬；(3)玻璃(可按顏色分為白、綠、褐色等)；(4)礦物質(zhì)；(5)塑料(可分種類多達 16 種)；(6)有機物及剩余物。
位于德國阿斯拉的干穩(wěn)定物處理廠從混合生活垃圾中自動分選出來的白、褐、綠3種顏色的玻璃。錯誤分選率可達 0．0025％，即每分選100萬只不同顏色的玻璃瓶，僅有25只的顏色被分錯了。一旦需要，分選率還可以進一步提高。
2.2.2 干燥穩(wěn)定技術
對預破碎的混合生活垃圾進行為期 7d 的生物堆肥處理。生物堆肥過程中，由于微生物的活動，生活垃圾的溫度高達 70℃。利用這一溫度，再加入過量空氣，便可對垃圾進行脫水。經(jīng)過 7d 生物堆肥后，圾的含水率一般僅為 10％-15％。經(jīng)過如此處理的垃圾被稱為干燥穩(wěn)定物。由于干燥穩(wěn)定物的含水率低，因而很難再發(fā)生生物反應，也不再釋放臭氣。干燥穩(wěn)定物具有如下特性： (1)可穩(wěn)定貯存；(2)由于干燥，利對其進一步分類和處理；(3)可從其中分選出有色金屬、鐵金屬、玻璃、礦物質(zhì)、塑料以及有機物等可再利用的物品； (4)理論上來講，可對其進行 100％的利用。
目前德國和意大利有 4 座設施正在進行 100％的廢物利用，年處理總量近 50 萬 t。再利用率的高低是由當?shù)氐纳罾M成和市場情況決定。就德國而言，從原生生活垃圾中可以分出的物品的種類和數(shù)量如下：(1)約2％的有色金屬，包括電池；(2)約3％的鐵金屬，包括電池；(3)約15％的石塊和玻璃； (4)約30 ％的水以及脫水過程所造成的物料損失；(5)約50％的干燥穩(wěn)定物，包括塑料。
先進的干燥穩(wěn)定技術不會生成廢水，過量空氣經(jīng)過后處理，可滿足最嚴格的歐洲標準，其氣味是中性的，不會給周圍環(huán)境帶來空氣污染。位于意大利威尼斯 1 座采用干燥穩(wěn)定技術的處理設施。
該技術的成本較低，因為最多只有 50％的原生生活垃圾被焚燒。由于金屬、礦物質(zhì)和水已從生活垃圾中分離出來，剩余的是相當于不含有害物的工業(yè)燃料，其燃燒發(fā)熱量相當于干褐煤。就德國而言，干燥穩(wěn)定物所含的生物質(zhì)約占 70％，對其它國家來說，生物質(zhì)所占的比例可能會更高一些。一旦需要，可采用近紅外線分選技術，從干燥穩(wěn)定物中分選出不同種類的塑料，進行再利用。此時，剩余干燥穩(wěn)定物所含生物質(zhì)比例可高達80％以上。
該技術成本低的另一個原因在于，一方面通過采用較低成本的分選技術，把生活垃圾中的金屬等分選出來并銷售，另一方面可把剩余的、可貯存的干燥穩(wěn)定物用于專門設計的設備，替代初級燃料，如煤炭、石油或天然氣等。
目前，除在德國和意大利有4座設施在運行外，在德國和比利時還有6座設施正在建設或已處于規(guī)劃階段。到2005年，這些設施每年共可處理100多萬噸的生活垃圾，相當于300多萬居民1 年產(chǎn)生的生活垃圾。
3．焚燒技術的發(fā)展方向
與其它處理方法相比，垃圾焚燒具有(1)工藝簡單、運行可靠 (2)處理垃圾速度快，處理量大(3)焚燒后減容量大等顯著優(yōu)點。焚燒過程中產(chǎn)生的煙氣的熱能可回收利用，而性質(zhì)較穩(wěn)定的殘渣可直接填埋，能有效地做到廢棄物綜合利用，回收能源和資源。但是同時，焚燒技術中產(chǎn)生的廢氣若處理不當，很容易對環(huán)境造成二次污染。因此當今焚燒技術發(fā)展的動向為：
(1)垃圾焚燒廠尾氣凈化技術，特別是二惡英等污染物的消除越來越受到重視。
(2)焚燒余熱綜合利用技術將進一步完善。
(3)為滿足日益嚴格的環(huán)保要求，焚燒技術向著煙氣凈化、殘渣與廢水處理以及廢熱回收等設備整體化方向發(fā)展。
3.1二噁英的防治
上世紀 80 年代，日本對垃圾焚燒的依賴程度居全球之首，焚燒廠的數(shù)量占全球的 70％，全國超過 1/3的城市固體廢棄物通過焚燒處理，這導致大氣中的二噁英含量嚴重超標，成為“二噁英大國”。
被列為一級致癌物的二噁英是多氯甲苯、多氯乙苯等有毒化學品的俗稱，被稱為“毒中之毒”。二噁英是工業(yè)化社會產(chǎn)生的惡果之一，焚燒有毒的生活垃圾(特別是含有大量廢舊聚氯乙烯塑料制品的垃圾)時，氯化物燃燒不充分會產(chǎn)生大量二噁英。
1940 年代到 1970 年代，二噁英主要來源于化學藥品和殺蟲劑。直到 1976 年，荷蘭的焚燒爐里發(fā)現(xiàn)了這一物質(zhì)，垃圾焚燒產(chǎn)生的二噁英污染才開始為人所知。從那時開始，人們意識到二噁英不僅僅是個化學物品問題，還是個垃圾處理問題。
二噁英具有強烈的致癌性，被日本視為對環(huán)境最有危害的物質(zhì)之一。20 世紀 90 年代，日本大氣中測得的二噁英水平竟然是其它工業(yè)國家的 10 倍，焚燒爐每年釋放約 5 千克的二噁英。動物實驗已經(jīng)表示，1克的二噁英就足以殺死 1 萬人。日本政府為減少二噁英，還制定了更為嚴格的垃圾焚燒排放標準。于 1999年 7 月出臺了防治二噁英法令，加強了對垃圾焚燒爐二噁英排放量的限制。這項法令規(guī)定，在 2003 年之前把二噁英總排放量減少到 1997 年的 1/10，焚燒爐排放的每立方米廢氣中二噁英含量不得超過 80 納克。
3.1.1 改進焚燒爐技術
垃圾焚燒污染環(huán)境是制約垃圾焚燒發(fā)展的重要條件，過去許多垃圾焚燒設施倒閉的主要原因也是沒有
很好解決垃圾焚燒的二次污染防治問題。國內(nèi)外的研究和實踐均表明，減少生活垃圾焚燒廠煙氣中二噁英濃度的主要方法是采取有效措施控制二噁英的生成。這些控制措施主要包括：
(1) 選用合適的爐膛和爐排結構。使垃圾在焚燒爐得以充分燃燒，煙氣中 CO 的濃度是衡量垃圾是否
充分燃燒的重要指標之一，CO 的濃度越低說明燃燒越充分，煙氣中比較理想的 CO 濃度指標是低于60mg/m3；
(2) 控制爐膛及二次燃燒室內(nèi)，或在進入余熱鍋爐前煙道內(nèi)的煙氣溫度不低于 850℃，煙氣在爐膛及二次燃燒室內(nèi)的停留時間不小于 2s，余熱鍋爐出口 O2濃度控制在 6%-10%之間，并合理控制助燃空氣的風量、溫度和注入位置；
(3) 縮短煙氣在處理和排放過程中處于 300-500℃溫度域的時間，控制余熱鍋爐的排煙溫度不超過250℃左右；
為了減少二噁英，日本政府進行大型焚燒爐的建造，并給予財政補貼。這種大型的焚燒爐可以在高溫下持續(xù)運作，有助于減少二噁英排放。 焚燒達到很高的溫度—超過 800 攝氏度—能減少二噁英的排放。
自1999 年以來，日本全國已有 4600 座垃圾焚燒設施被禁止使用。據(jù)日本環(huán)境省調(diào)查，4600 座垃圾焚燒設施約占全國垃圾焚燒設施的 l7％。它們都是由于二噁英排放量大大超標，但又無力進行改造而被停止使用的。這些垃圾焚燒設施大多為小型設施(1899 座)。
3.1.2 改進尾氣凈化技術
盡管通過改造現(xiàn)有焚燒爐設備能夠在一定程度上減少焚燒過程中二噁英的產(chǎn)生，但是焚燒處理后含有 二噁英的大氣污染物排出仍是一個大的困擾點。去除煙氣中已經(jīng)產(chǎn)生的二噁英主要包括以下幾點措施：
(1)在減溫塔出口處噴射吸附能力極強的活性炭，吸附煙氣中的二噁英活性碳可以采用向普通煙道吹入的方式，該量與煙氣量的比例為 50—300mg/ Nm3左右。根據(jù)以往經(jīng)驗，需要基于單位吸附容量進行推算，例如活性碳的比表面積大概是 500—1200m2/g。不過經(jīng)過進一步考察平衡吸附量影響因子的關系，以及材料物質(zhì)屬性試驗/評估結果表明，比表面積及納米孔(孔徑在 2nm 以下)所形成的細孔容積與平衡吸附量數(shù)值密切相關。換言之，即使在分子內(nèi)具有尺寸大的氯原子，納米孔仍是二噁英類等污染物質(zhì)吸附的主要場所。一般氣體濃度中對應的吸附劑單位吸附量為 3—10mg/g，據(jù)此，即使是表面積較少的活性焦炭，也具有較強的吸附能力。
在新近建設的設施中還設置了催化還原塔。在去除 NOx 的催化還原脫氮工序中，隨著 NOx 的還原，同時進行了二噁英物質(zhì)的氧化分解反應。催化還原常使用釩氧化物(V2O5)及輔助催化劑--鎢氧化物，以及催化還原載體--鈦氧化物。催化劑表面活性點可以吸附二噁英類分子及氧氣，可以進行脫氯/氧化分解反應。
由于受到分子內(nèi)含有的氯元素影響，分解特性中，高氯化物的分解率較高。采用的充填塔方式中，填充物一般為不規(guī)則齒鏈狀。裝置運行時空間速度可達 5000/h，有利于煙氣處理。溫度方面，通常是溫度高則效果好，一般可用 200℃以上至 250℃左右。與不規(guī)則鏈狀催化劑不同的是，除塵袋的濾布采用將催化劑成分織入網(wǎng)內(nèi)的催化還原過濾器方式，可以省去催化還原反應器，精簡設備數(shù)量。由于為避免煙塵的影響，通常將催化還原脫氮塔設置在袋式除塵器的后段，如果煙氣溫度降低了，需要進行升溫處理。(關于脫氮適用溫度，一直都有在開發(fā)在低溫下也具有高效作用的催化還原。)另需要注意的是，硫酸氨的生成和蓄積會造成催化劑活性降低。
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從處理系統(tǒng)觀點來看，可考慮在進行氣化熔融爐及飛灰熔融爐的飛灰處理后，與袋式除塵器組合構成兩段式結構。圖 7 中是最近具有代表性的煙氣處理系統(tǒng)。(a)是最簡單的，在袋式除塵器前段注入熟石灰及活性碳，(b)是在后段設置催化還原脫氮塔。近年最常用的(c)，是在第 1 段袋式除塵器中注入活性碳及硅藻土為主體的助劑來去除煙塵及二噁英類物質(zhì)，然后用熟石灰等堿性藥劑在第 2 段袋式除塵器中去除氯化氫等酸性氣體。捕集物包括以煙塵為主體的積塵，以及對在去除酸性成分時產(chǎn)生的反應生成物及未進行反應的藥劑進行分離和積塵，然后根據(jù)積塵的不同性質(zhì)進行相應的處理。氣化熔融爐或熔融爐工廠中，大多對除塵袋(1)捕集的飛灰采用熔融處理，對除塵袋(2)產(chǎn)生的雜質(zhì)采用藥劑處理。
2) 選用高效袋式除塵器，提高除塵器效率，進一步去除二噁英
傳統(tǒng)靜電除塵器(EP 或 ESP)可以通過除塵級氣體洗凈等操作去除煙塵、煙酸、硫氧化物及氮氧化物等氣體污染物，不過二噁英類物質(zhì)問題的出現(xiàn)產(chǎn)生了重要影響。之前的污染物質(zhì)都是無機化合物，其濃度單位為 ppm(mg/m3)，但是二噁英類是有機化合物，濃度通常為 ppb 或 ppt(使用 μg/ m3或 ng/ m3)濃度單位，傳統(tǒng)靜電除塵器對其處理效果不理想。因此對抑制二噁英類排出具有顯著作用的袋式除塵器取代了靜電除塵器，以至目前新建的焚燒設施幾乎全部采用袋式除塵過濾系統(tǒng)。
(3) 根據(jù)需要適當投加堿性物質(zhì)、含硫含氮化合物等抑制劑
過去進行酸性成分去除的藥劑最常使用的是熟石灰，但因為熟石灰做去除劑時，如果要提高去除率，需要藥劑量較大，這會產(chǎn)生在最終填埋處理場由于鈣化物含量過高而使集排水管道堵塞，及滲濾液堿性過高等問題，F(xiàn)今常用的是碳酸氫鈉，其在注入到煙道內(nèi)后會釋放 CO2及水蒸氣而變成表面多孔的碳酸，其與酸性氣體成分的反應效率高于熟石灰的反應效率。
(4) 在生活垃圾焚燒廠中設置先進、完善和可靠的全套自動控制系統(tǒng)，使焚燒和凈化工藝得以良好執(zhí)行
(5) 通過分類收集或預分揀控制生活垃圾中氯和重金屬含量高的物質(zhì)進入垃圾焚燒廠
(6) 由于二噁英可在飛灰上被吸附或生成，所以對飛灰應按照相關標準要求進行穩(wěn)定化和無害化處理
日本政府 1999 年 7 月出臺了防治二噁英法令，加強了對垃圾焚燒爐二噁英排放量的限制。這項法令規(guī)定，在 2003 年之前把二噁英總排放量減少到 1997 年的 1/10，焚燒爐排放的每立方米廢氣中二噁英含量不得超過 80 納克。
3.1.3 嚴格的垃圾分類制度
隨著合并焚燒爐，建設大規(guī)模的高溫焚燒，一系列問題也隨之而來，例如增加了溫室氣體和重金屬。二噁英排放增加的原因是聚氯乙烯生產(chǎn)和消費，也就是說，工業(yè)生產(chǎn)模式和社會消費模式是有效減少二噁英排放的主要障礙。很明顯二噁英問題與生活方式密切相關。由此，繞過與焚燒爐相關的種種手段，日本政府改道從垃圾的源頭著手，發(fā)起了大規(guī)模的垃圾分類和回收運動。
日本舉全國之力來減少垃圾，增加循環(huán)利用。在大城市、小城鎮(zhèn)、辦公樓，住宅區(qū)都實行垃圾分類，幾乎到了驚人的程度。一只襪子屬于可燃燒物品，一雙襪子則是舊衣物；口紅的外殼屬于小金屬，口紅條屬于可燃燒物；領帶是舊衣服，但一定要是洗過和被烘干過的。擁有 350 萬人口的橫濱市積極響應，在全市范圍內(nèi)將現(xiàn)有的垃圾分類數(shù)量從過去的 5 類增加到 10 類。
為了讓市民們能更好地了解市政府的新措施，橫濱市有關方面近日還向當?shù)鼐用穹职l(fā)了一本 27 頁的小冊子，羅列了 518 項回收常見垃圾的詳細指南。
與橫濱相比，面積 110 平方公里、人口總數(shù)僅有 2200 人的上勝卻早在 2000 年前就把垃圾回收的種類提高到 34 種。然而，為了減少垃圾、擴大再回收范圍，這個小鎮(zhèn)在最近幾年中又逐步把回收種類提升到現(xiàn)在的 44 種。
環(huán)境專家們表示，以更清潔的方式分揀和回收垃圾也許比傾倒更昂貴，但是和焚燒垃圾的成本不相上下。橫濱的目標是到 2010 年，將垃圾焚燒率降低 30％。但上勝的目標似乎更加雄心勃勃，它們計劃在 2020年徹底結束垃圾焚燒的歷史。
3.1.4 二噁英控制新技術
(1)超聲波分解技術
日本還發(fā)明了利用超聲波分解二噁英和多氯聯(lián)苯(PCB)等有害有機氯化物的新技術。此項技術一旦被采用，將為污水凈化提供安全廉價的新方法。研究中發(fā)現(xiàn)，二噁英、多氯聯(lián)苯、氯氟烴等有機氯化物與水的親和性很差，當利用超聲波在水中產(chǎn)生細小氣泡后，這些物質(zhì)就被吸附在氣泡上，氣泡破裂時，依靠產(chǎn)生的高溫高壓，這些有害物質(zhì)就被分解成無害的碳酸氣和氯化物離子。例如：濃度為 l0ppm 的多氯聯(lián)苯溶液加以 200 千赫的超聲波，經(jīng) 30 分鐘后，有 95％的多氯聯(lián)苯被分解了，同時，對二噁英和氯氟烴的分解效果也基本相同。如果將分解率提高到 99.99％的話，這種安全廉價的超聲波分解方法將有望走向?qū)嵱没?/p>
(2)電子束照射分解技術
日本原子能研究所的科學家們利用電子束照射的方法分解、清除廢氣中的有害物質(zhì)二噁英，收到良好效果。該技術的原理是，采用電子束照射方式，使廢氣中的空氣和水生成活性氧等易反應物質(zhì)，進而破壞二噁英的化學結構。該研究所在垃圾焚燒廠進行實驗的結果表明：焚燒一般的生活垃圾，按每小時產(chǎn)生 1000 立方米廢氣計算，施加 30 萬伏的電壓生成的電子束(電流 40 毫安、帶寬 45 厘米)可分解和去除 90％以上的二噁英，F(xiàn)有的過濾凈化法(袋過濾器法)雖然能夠把廢氣中的高濃度二噁英除去，但是無法將其分解，需要進行再處理。而新技術則能把廢氣中的高濃度二噁英分解掉，并且處理成本降低 1/3。
(3)生垃圾發(fā)電系統(tǒng)
日本鹿島建設技術研究所內(nèi)設置了一套“生垃圾發(fā)電系統(tǒng)”，這是一種非燃燒垃圾方式，完全不產(chǎn)生二噁英等有害物質(zhì)的發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)于 1999 年 7 月獲得日本土木學會地球環(huán)境技術獎。該發(fā)電系統(tǒng)由燃料發(fā)電電池設備，貯藏生物氣體的貯氣罐，高溫甲烷發(fā)酵式有機廢物處理系統(tǒng)及生垃圾分選設備等組成。
貯氣罐容積為 50 立方米，高溫甲烷發(fā)酵方式有機廢棄物處理系統(tǒng)每天在生垃圾分選機中投人 200 公斤生垃圾，將分選后的有機垃圾送人漿液罐中，加水稀釋，然后由生垃圾粉碎機將有機質(zhì)垃圾粉碎，并送入生物反應器，每天可產(chǎn)生 10 立方米的生物氣體。所產(chǎn)生的生物氣體輸入氣體精制塔，再送入貯氣罐或燃料電池供發(fā)電。廢棄物處理系統(tǒng)在 55℃的溫度下分解垃圾，生成生物氣體。與以往的中溫(37℃左右)甲烷分解處理系統(tǒng)相比，由于分解速度提高 1 倍以上，因此裝置可以謀求緊湊化和低成本化。鹿島公司于 1995年開發(fā)并實現(xiàn)了商品化有機廢棄物處理系統(tǒng)，利用微生物使有機垃圾發(fā)酵分解為甲烷氣體、二氧化碳和水。
最近，該公司與 NEDO 聯(lián)合開發(fā)了該生垃圾發(fā)電設備，并開始了試驗性運行。這次開發(fā)的設備將高溫甲烷發(fā)酵處理系統(tǒng)與該系統(tǒng)產(chǎn)生的甲烷氣為燃料的燃料電池設備系統(tǒng)一體化為綜合系統(tǒng)。在燃料電池中，由甲烷氣體中提取的氫氣與氧氣反應而產(chǎn)生電力。燃料電池容量為 50 千瓦。利用該系統(tǒng)處理生垃圾時，1 噸垃圾可獲得約 580 千瓦小時的電力(效率達 40％)，相當于一戶人家兩個月的用電量。從 1999 年 4 月到 2000年 3 月，該研究所還驗證了由生物氣體產(chǎn)生的能用于燃料電池發(fā)電的成分，并研究了生物氣體濃度變動對燃料電池的影響。日本兩家設備公司準備開發(fā)一種新型扶梯垃圾燃燒系統(tǒng)，可將燃燒效率提高 2 倍。此設備可將可燃垃圾粉碎、壓縮成 2—3 厘米的小球，在燃燒時可起到類似于煤一樣的作用。新系統(tǒng)則在燃燒前將固體垃圾燃料再次粉碎，利用燃燒裝置使之與碳粉混合后燃燒。傳統(tǒng)型的共同垃圾燃料在完全燃燒狀態(tài)下的燃燒效率約為 10％，而新系統(tǒng)的燃燒效率可達 30％。
3.2 余熱利用－焚燒發(fā)電
焚燒產(chǎn)生燃燒氣體的熱能回收，并進而轉(zhuǎn)換為電力等能源的有效利用，最近幾年越來越受重視。歐美以前就有“refuse (waste) to energy”的說法，因此認為對垃圾潛在能量加以利用是理所當然的做法。如表 2 所示，目前日本的垃圾設施中，對溫水/蒸汽/發(fā)電等熱量進行了有效利用的設施，占了全國 1396 所設施的約 71%比例(2003 年)。焚燒設施中通過廢熱鍋爐，空氣預熱器，溫水產(chǎn)生器，可分別對蒸汽/高溫氣體/溫水進行回收。發(fā)電方面，除了維持設施內(nèi)所用電量外，剩余電量可以反過來賣給電力公司。近年來不但積極開展售電設施的建設，同時綜合資源能源調(diào)查供給部會將(廢棄物發(fā)電及木屑發(fā)電)列為與太陽能發(fā)電及風力發(fā)電相同的新能源，設定了到 2010 年導入(換算為原油 586 萬 kl，設備容量達 450 萬 kW)的目標，并發(fā)布了《電氣事業(yè)者利用新能源的特別處置法(2002 年)》等法規(guī)。
如表 3 所示進行發(fā)電的焚燒設施有 271 所，占全體數(shù)量約 19% ，發(fā)電量合計 149 萬 kW，相比上述所說的設備設計容量 450 萬 kW 還有很大的提升的空間。其中一個原因，因為日本國內(nèi)以 2000kw 發(fā)電裝機容量為界，2000kw 以上必須結特高壓、其安裝和運行管理費用相對較高，所以中小廠受到成本壓力而特意迎合發(fā)電量未滿 2000kW 的標準，從而使得小規(guī)模垃圾焚燒發(fā)電廠占了 4 成之多。
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該垃圾發(fā)電裝置效率(發(fā)電效率=發(fā)電量 [kW]x3600[kJ/kWh]/垃圾入熱量[kJ/h]，其中 3600kJ/kWh 是熱—電能換算值)范圍從 0%至 20% ，實際平均值在約 10%值上下浮動。即使將發(fā)電及其他余熱利用累加起來，燃燒產(chǎn)生的熱量還是會損失掉 3/4。為提高垃圾發(fā)電效率，技術上結合燃氣發(fā)電機及蒸汽發(fā)電機兩種方式進行發(fā)電，如圖 8 所示能量流示意圖。設立一個獨立的過熱器，利用燃氣發(fā)電機約 500℃的排氣，將垃圾余熱鍋爐的蒸汽再次加溫到 400℃以上，這樣可以提高垃圾焚燒發(fā)電效率，同時又解決了過熱器高溫腐蝕的問題。
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圖 8 能源再利用中結合沼氣渦輪
該方式又被稱作組合式高效垃圾發(fā)電工藝。采用該技術的設施，可以達到 20%--30%左右的發(fā)電效率。前述氣化熔融爐的調(diào)查表明，垃圾能源再利用進行發(fā)電存在于任一設施，但是受到發(fā)電量上限(2，000kW)等現(xiàn)實條件的制約，而且還需另外投入輔助助燃劑以及其他輔助材料。假設條件下，計算得出發(fā)電量如圖 3 所示。由圖可知，氣化熔融方式中，發(fā)電電量跟垃圾處理量成一個近似比例，處理量 1 噸對應發(fā)電電量約250kWh 。由爐排爐及流化床連續(xù)焚燒設施的調(diào)查數(shù)據(jù)表明,1 噸垃圾發(fā)電量 100—350kWh，相比而言氣化熔融爐可發(fā)電量值集中在一個較小的范圍內(nèi)。
對鍋爐進行高效率利用的努力從未間斷，在提升焚燒設施的熱利用率上，對于之前未予以利用的低溫區(qū)域的廢熱進行有效利用也成為今后的課題之一。例如，最近開發(fā)一種潛熱蓄熱回收利用設備等。
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圖 9 調(diào)查氣化熔融爐的垃圾處理量于發(fā)電量的關系
3.3 殘渣利用
日本在垃圾焚燒殘渣的利用方面也取得了進展，例如：日本東方公司開發(fā)出利用城市生活垃圾焚燒灰 渣制造道路及廣場鋪裝塊的技術。過去垃圾在焚燒廠焚燒，灰渣主要用來填埋處理，因數(shù)量日益增加，給填埋場造成壓力。此外，道路的鋪裝塊每年的需求量極大；以窃诟邷叵氯芑Y晶，成為接近花崗巖強度的材料，用該材料制成每立方米可吸收 240L 水的鋪裝塊，既能吸收土中的水分，又能使雨水保存在塊內(nèi)，有冷卻路面的效果，緩解熱島現(xiàn)象。
此外，日本東京還利用垃圾焚燒灰渣生產(chǎn)水泥制品。在東京 2001 年建設了一座專門利用垃圾焚燒灰渣生產(chǎn)水泥的工廠，年可處理垃圾焚燒灰渣約 8 萬噸，生產(chǎn)水泥約 l0 萬噸。其生產(chǎn)工藝為：用罐車將垃圾焚燒灰渣運至該廠，作為生產(chǎn)水泥的主要原料，經(jīng)預處理后進入回轉(zhuǎn)窯中，加入一定量的石灰石在回轉(zhuǎn)窯中共同煅燒，最后，再經(jīng)磨細后就成了水泥；剞D(zhuǎn)窯的尾氣經(jīng)過嚴格的處理，即經(jīng)除塵、除二噁英、脫硫、脫硝等處理，盡可能減少污染物的排放。與一般水泥廠相比，尾氣的處理程序要復雜得多。在垃圾焚燒殘渣制水泥的研究開發(fā)過程中，日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省也給予了大力支持，所生產(chǎn)水泥列入了政府綠色采購目錄，并特別制定出垃圾焚燒殘渣水泥標準。由于日本總體環(huán)境意識較強，大家都愿意購買這種水泥。
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