垃圾焚烧技术的现状与发展
随着经济的迅速发展和城市化进程的加快，城市(镇)承受着城市垃圾带来的巨大的环境压力。焚烧技术作为一种可同时实现城市垃圾减量化、无害化和资源化的垃圾处理技术，已成为世界各国城市垃圾处理的首选技术。
1、垃圾焚烧技术现状及其设施
1.1 日本城市生活垃圾焚烧处理现状
日本最早的垃圾发电站1965年建于大阪市，目前日本有垃圾焚烧炉3000座，垃圾发电站131座，总装机容量650MW。到2000年日本的垃圾发电量达到了2000MW，垃圾处理能力1000吨/日以上(最大为1800吨/日)的垃圾发电站8座，1995年日本建成一座最大的垃圾电站，发电容量24MW。日本早期电站为防止炉管腐蚀，采用低参数，发电效率较低，仅为10％－15％，现在谋求提高到30％。据悉，目前日本投入使用的最大垃圾焚烧厂是名古屋市新南阳垃圾处理厂，装机容量1500吨/日，发电设备装机容量000KW，平均每吨垃圾产生的热能转换为432度的电能。又如东京新建的垃圾焚烧厂，垃圾全由4条分别为16公里的地下通道输送，日焚烧垃圾 400吨，投资5亿多元。自上世纪60年代以来，东京已陆续建成14座垃圾焚烧厂，正在建设的有6座，日焚烧能力为600－800吨。
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图1 日本东京MINATO垃圾焚烧发电厂
1.2 德国城市生活垃圾焚烧处理的现状
德国以及许多欧洲国家现在都把热处理技术作为处理生活垃圾的主要手段，到2005年德国将有65
座热处理设施，焚烧处理 70％的生活垃圾。德国一般废弃物的焚烧率 27.5%(2005 年)。不过一些焚烧处理设施的建设还在进行中，今后焚烧率将会增加。
生活垃圾焚烧设备要满足很高的技术标准，不会生成废水，对烟气处理的要求比传统的火力发电厂还要高，对产生的热能可以利用。若先决条件有利，能量转换率可达到70％。但是也有缺点：(1)当地居民感情上不接受；(2)费用高；(3)不适宜处理低位发热量低的生活垃圾。
1.3 日本现有焚烧炉技术
日本现有焚烧设施分类如图2所示。根据政府调查，2004年末的垃圾焚烧设施数量为1,374所(比1998年减少22%)，其中的连续运行(24h/d)设施虽然只有39%，其处理能力却达到垃圾处理量的80%。其中炉排式设施占了全体设施数的7成，流化床式设施占了约3成。
炉排炉的发展历史较久，具有通用性及安定性，是一种高度成熟化的技术。生活垃圾炉排炉因为技术成熟、运行管理方便在日本应用最为广泛。流化床式炉使用高温的热媒介—流动沙，可以在短时间内启动和停止，具有较高机动性。
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图2 焚烧炉的种类
1.3.1 炉排炉技术
图3是一般炉排式焚烧炉的流程图。除了核心的焚烧炉之外，还设置了烟气处理/排水处理/残灰处理设备，及发电所需辅助设备。1990 年后期，以二恶英物质排放问题为起因，对设施改善提出了更加充分燃烧的要求。即，通过温度(Temperature) / 滞留时间(Time) / 充分搅拌(Turbulence)这三个 T 进行彻底的技术改进，其中有燃烧空气二次注入，人工智能高度控制等方式。
投入的垃圾要经过炉内干燥/燃烧/后燃烧三个工序，在炉内一边向上移动一边燃烧。燃烧速度较慢，对燃烧的废弃物种类和形状几乎没有限制。焚烧后炉灰约占原重 10%，通常采用填埋方式进行最终处理，近年用熔融炉生成熔渣的案例逐渐增加。
不过实际情况是，炉灰熔融炉的运转效率较低，熔渣的利用也不一定能够顺利开展。另外这样处理，金属类的回收利用变得困难，并且后续还会提到其发电效率总体较低，等等，此类问题亟需解决。
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图3 炉排式焚烧炉的整体流程图例
表1中列出了日本各会社炉排炉技术的发展趋势及特点：
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1.3.2 气化熔融技术
气化熔融炉具有以下特点，可解决目前为止的部分难题，在该技术备受关注和期待的90年代后期进行了开发和建设。
1)熔融过程 1,300~1,400 的高温燃烧，大幅降低二恶英类的排出。
2)气化流程产生还原反应，可以回收和有效利用垃圾中含有的金属成分。
3)空气比(燃烧时实际空气量与理论必需空气量的比值)如果降低，则烟气处理设备等附属设备可以精简，同时发电的效率也会提高。
4)垃圾产生热量高时，可引入到熔融过程继续利用。
5)建设及维护管理费相比 炉排炉 + 灰熔融炉 的方式较低。
以上这些方面都是开发者期望的优点和特长。
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图4中是气化熔融炉的3种构成类型。这些图可以作为实际设施构成图的参考，目的是表明有a)气化熔融一体式和b)，c)气化工序及熔融工序分离式等差异，并不代表烟气处理等附带设施的方式是固定的。气化流程的特点，或者是回转窑，或者是流化床炉等两种处理方式。
图5进一步说明各方式的导入情况，包括气化的烟气处理，2000年－2003年进行了大规模的新设施的建设，不过随后新建焚烧炉的整体建设速度放慢，增加的幅度减少。其中一体化式处理设施占48%，分离型流化床式占32%，回转窑式占20% 。
气化熔融炉与炉排炉相比具有减轻环境负荷/资源化等长处，同时也存在设施规模的局限(最多约300吨/天)，烟气处理设备精简化方面还存在困难，建设费及维护管理费比炉排炉高，从先期案例来看还存在问题和故障，存在高温炉内熔融盐黏附的问题等等，此类处理厂的技术还未完全成熟。
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图5 气化熔融炉的导入件数的变化
表2列出了当前日本各会社采用的气化熔融炉的类型及特点。
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2、新垃圾处理技术
2.1 日本研发的垃圾处理技术
2.1.1 新世纪炉排
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在进行气化熔融炉建设的同时，另一方面炉排炉范围内开展各种解决课题的研究，提出新世纪炉排炉的概念(如图6所示)。主要的课题包括燃烧性能提升，热回收率的提高及烟气/飞灰的净化处理。燃烧性能提升，体说是在较低空气比中能进行高温燃烧：空气比在1.3—1.5 左右，燃烧温度达到1000℃以上等等。为达到以上目标，除采用提升燃烧空气的氧气浓度(例如氧气浓度达26%)，及将后段燃烧烟气再次喷入炉内(称作烟气再循环或还流烟气系统)之外，还可将减温到300℃左右的燃烧烟气鼓入炉内二次燃烧地带，达到低空气比化及促进混合搅拌的作用。高温空气吹入炉内后，垃圾上方形成活跃的燃烧层，能在低空气比基础上进行稳定燃烧。另作为高温化对策之一，可以推进空冷方式高性能化，或采用水冷式炉条，同时还可以通过模糊控制进行高度自动化控制等。
热回收率提升方面，通过锅炉的高温/高压化，可以提高发电效率。蒸汽条件为6MPa/400℃以上，可达到24%以上的发电效率；或者蒸汽条件为6MPa/450℃。焚烧灰的处理及利用方面，有与灰熔融炉组合的方式，或与焚烧炉一体化的熔融或烧成炉组合方式，及蒸汽加热处理后再利用的方式。
2.1.2 龙卷炉
在日本垃圾焚烧技术一直在不断发展，例如：日本正在研究开发一种新型的垃圾焚烧炉技术。这种新型焚烧炉称为“龙卷炉”，它采用气化燃烧方式，能有效地抑制二噁英等有毒物质的排放量。垃圾在炉内化后，在炉子的中央部分燃烧，仿佛是由火焰形成的龙卷风。火焰不接触炉体内侧，不需要耐火材料。
目前这种新型焚烧炉已经制造出试验炉。该炉每小时可焚烧垃圾200公斤。点火时只需要少量的柴油，以水作为助燃剂，燃烧温度可达1200－1300℃。经化验分析，这种焚烧炉排烟量和灰烬中的二噁英、硫化物、氮化物、氯化氢等有害物质的含量都低于政府新公布的废弃物污染排放标准。这种炉型如能开发成功，将对垃圾焚烧二次污染排放的控制起到积极的作用。
2.2 德国研发的新垃圾处理技术
2.2.1 机械生物处理设备(MBA)与焚烧相结合
近年来，德国开始采用一种新的、与焚烧混合生活垃圾不同的技术，先把生活垃圾中的非易燃物分选出来，然后仅焚烧发热量高的剩余部分。该技术被称为机械生物处理技术，德文缩写为 MBA。由于MBA技术的费用通常较低，而且在环境保护方面有一定的优势，因此人们对其接受程度较高。
对混合生活垃圾进行分类，原则上并没有什么新意。但分类技术只是近些年才真正取得突破性进展，如机械或电子机械分类技术的改进，光学(近红外线)分类技术的应用，以及近年来计算机运算能力的大幅提高，使得更精确的材料识别技术得已成功开发等，都有力地推动了机械生物处理技术的发展。
采用先进的垃圾分类技术，现在可以从混合生活垃圾中分选出下列物品，而且分选效率通常可超过 90％：(1)有色金属(铅、铝、铜等)；(2)铁金属；(3)玻璃(可按颜色分为白、绿、褐色等)；(4)矿物质；(5)塑料(可分种类多达 16 种)；(6)有机物及剩余物。
位于德国阿斯拉的干稳定物处理厂从混合生活垃圾中自动分选出来的白、褐、绿3种颜色的玻璃。错误分选率可达 0．0025％，即每分选100万只不同颜色的玻璃瓶，仅有25只的颜色被分错了。一旦需要，分选率还可以进一步提高。
2.2.2 干燥稳定技术
对预破碎的混合生活垃圾进行为期 7d 的生物堆肥处理。生物堆肥过程中，由于微生物的活动，生活垃圾的温度高达 70℃。利用这一温度，再加入过量空气，便可对垃圾进行脱水。经过 7d 生物堆肥后，圾的含水率一般仅为 10％-15％。经过如此处理的垃圾被称为干燥稳定物。由于干燥稳定物的含水率低，因而很难再发生生物反应，也不再释放臭气。干燥稳定物具有如下特性： (1)可稳定贮存；(2)由于干燥，利对其进一步分类和处理；(3)可从其中分选出有色金属、铁金属、玻璃、矿物质、塑料以及有机物等可再利用的物品； (4)理论上来讲，可对其进行 100％的利用。
目前德国和意大利有 4 座设施正在进行 100％的废物利用，年处理总量近 50 万 t。再利用率的高低是由当地的生活垃圾组成和市场情况决定。就德国而言，从原生生活垃圾中可以分出的物品的种类和数量如下：(1)约2％的有色金属，包括电池；(2)约3％的铁金属，包括电池；(3)约15％的石块和玻璃； (4)约30 ％的水以及脱水过程所造成的物料损失；(5)约50％的干燥稳定物，包括塑料。
先进的干燥稳定技术不会生成废水，过量空气经过后处理，可满足最严格的欧洲标准，其气味是中性的，不会给周围环境带来空气污染。位于意大利威尼斯 1 座采用干燥稳定技术的处理设施。
该技术的成本较低，因为最多只有 50％的原生生活垃圾被焚烧。由于金属、矿物质和水已从生活垃圾中分离出来，剩余的是相当于不含有害物的工业燃料，其燃烧发热量相当于干褐煤。就德国而言，干燥稳定物所含的生物质约占 70％，对其它国家来说，生物质所占的比例可能会更高一些。一旦需要，可采用近红外线分选技术，从干燥稳定物中分选出不同种类的塑料，进行再利用。此时，剩余干燥稳定物所含生物质比例可高达80％以上。
该技术成本低的另一个原因在于，一方面通过采用较低成本的分选技术，把生活垃圾中的金属等分选出来并销售，另一方面可把剩余的、可贮存的干燥稳定物用于专门设计的设备，替代初级燃料，如煤炭、石油或天然气等。
目前，除在德国和意大利有4座设施在运行外，在德国和比利时还有6座设施正在建设或已处于规划阶段。到2005年，这些设施每年共可处理100多万吨的生活垃圾，相当于300多万居民1 年产生的生活垃圾。
3．焚烧技术的发展方向
与其它处理方法相比，垃圾焚烧具有(1)工艺简单、运行可靠 (2)处理垃圾速度快，处理量大(3)焚烧后减容量大等显著优点。焚烧过程中产生的烟气的热能可回收利用，而性质较稳定的残渣可直接填埋，能有效地做到废弃物综合利用，回收能源和资源。但是同时，焚烧技术中产生的废气若处理不当，很容易对环境造成二次污染。因此当今焚烧技术发展的动向为：
(1)垃圾焚烧厂尾气净化技术，特别是二恶英等污染物的消除越来越受到重视。
(2)焚烧余热综合利用技术将进一步完善。
(3)为满足日益严格的环保要求，焚烧技术向着烟气净化、残渣与废水处理以及废热回收等设备整体化方向发展。
3.1二噁英的防治
上世纪 80 年代，日本对垃圾焚烧的依赖程度居全球之首，焚烧厂的数量占全球的 70％，全国超过 1/3的城市固体废弃物通过焚烧处理，这导致大气中的二噁英含量严重超标，成为“二噁英大国”。
被列为一级致癌物的二噁英是多氯甲苯、多氯乙苯等有毒化学品的俗称，被称为“毒中之毒”。二噁英是工业化社会产生的恶果之一，焚烧有毒的生活垃圾(特别是含有大量废旧聚氯乙烯塑料制品的垃圾)时，氯化物燃烧不充分会产生大量二噁英。
1940 年代到 1970 年代，二噁英主要来源于化学药品和杀虫剂。直到 1976 年，荷兰的焚烧炉里发现了这一物质，垃圾焚烧产生的二噁英污染才开始为人所知。从那时开始，人们意识到二噁英不仅仅是个化学物品问题，还是个垃圾处理问题。
二噁英具有强烈的致癌性，被日本视为对环境最有危害的物质之一。20 世纪 90 年代，日本大气中测得的二噁英水平竟然是其它工业国家的 10 倍，焚烧炉每年释放约 5 千克的二噁英。动物实验已经表示，1克的二噁英就足以杀死 1 万人。日本政府为减少二噁英，还制定了更为严格的垃圾焚烧排放标准。于 1999年 7 月出台了防治二噁英法令，加强了对垃圾焚烧炉二噁英排放量的限制。这项法令规定，在 2003 年之前把二噁英总排放量减少到 1997 年的 1/10，焚烧炉排放的每立方米废气中二噁英含量不得超过 80 纳克。
3.1.1 改进焚烧炉技术
垃圾焚烧污染环境是制约垃圾焚烧发展的重要条件，过去许多垃圾焚烧设施倒闭的主要原因也是没有
很好解决垃圾焚烧的二次污染防治问题。国内外的研究和实践均表明，减少生活垃圾焚烧厂烟气中二噁英浓度的主要方法是采取有效措施控制二噁英的生成。这些控制措施主要包括：
(1) 选用合适的炉膛和炉排结构。使垃圾在焚烧炉得以充分燃烧，烟气中 CO 的浓度是衡量垃圾是否
充分燃烧的重要指标之一，CO 的浓度越低说明燃烧越充分，烟气中比较理想的 CO 浓度指标是低于60mg/m3；
(2) 控制炉膛及二次燃烧室内，或在进入余热锅炉前烟道内的烟气温度不低于 850℃，烟气在炉膛及二次燃烧室内的停留时间不小于 2s，余热锅炉出口 O2浓度控制在 6%-10%之间，并合理控制助燃空气的风量、温度和注入位置；
(3) 缩短烟气在处理和排放过程中处于 300-500℃温度域的时间，控制余热锅炉的排烟温度不超过250℃左右；
为了减少二噁英，日本政府进行大型焚烧炉的建造，并给予财政补贴。这种大型的焚烧炉可以在高温下持续运作，有助于减少二噁英排放。 焚烧达到很高的温度—超过 800 摄氏度—能减少二噁英的排放。
自1999 年以来，日本全国已有 4600 座垃圾焚烧设施被禁止使用。据日本环境省调查，4600 座垃圾焚烧设施约占全国垃圾焚烧设施的 l7％。它们都是由于二噁英排放量大大超标，但又无力进行改造而被停止使用的。这些垃圾焚烧设施大多为小型设施(1899 座)。
3.1.2 改进尾气净化技术
尽管通过改造现有焚烧炉设备能够在一定程度上减少焚烧过程中二噁英的产生，但是焚烧处理后含有 二噁英的大气污染物排出仍是一个大的困扰点。去除烟气中已经产生的二噁英主要包括以下几点措施：
(1)在减温塔出口处喷射吸附能力极强的活性炭，吸附烟气中的二噁英活性碳可以采用向普通烟道吹入的方式，该量与烟气量的比例为 50—300mg/ Nm3左右。根据以往经验，需要基于单位吸附容量进行推算，例如活性碳的比表面积大概是 500—1200m2/g。不过经过进一步考察平衡吸附量影响因子的关系，以及材料物质属性试验/评估结果表明，比表面积及纳米孔(孔径在 2nm 以下)所形成的细孔容积与平衡吸附量数值密切相关。换言之，即使在分子内具有尺寸大的氯原子，纳米孔仍是二噁英类等污染物质吸附的主要场所。一般气体浓度中对应的吸附剂单位吸附量为 3—10mg/g，据此，即使是表面积较少的活性焦炭，也具有较强的吸附能力。
在新近建设的设施中还设置了催化还原塔。在去除 NOx 的催化还原脱氮工序中，随着 NOx 的还原，同时进行了二噁英物质的氧化分解反应。催化还原常使用钒氧化物(V2O5)及辅助催化剂--钨氧化物，以及催化还原载体--钛氧化物。催化剂表面活性点可以吸附二噁英类分子及氧气，可以进行脱氯/氧化分解反应。
由于受到分子内含有的氯元素影响，分解特性中，高氯化物的分解率较高。采用的充填塔方式中，填充物一般为不规则齿链状。装置运行时空间速度可达 5000/h，有利于烟气处理。温度方面，通常是温度高则效果好，一般可用 200℃以上至 250℃左右。与不规则链状催化剂不同的是，除尘袋的滤布采用将催化剂成分织入网内的催化还原过滤器方式，可以省去催化还原反应器，精简设备数量。由于为避免烟尘的影响，通常将催化还原脱氮塔设置在袋式除尘器的后段，如果烟气温度降低了，需要进行升温处理。(关于脱氮适用温度，一直都有在开发在低温下也具有高效作用的催化还原。)另需要注意的是，硫酸氨的生成和蓄积会造成催化剂活性降低。
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从处理系统观点来看，可考虑在进行气化熔融炉及飞灰熔融炉的飞灰处理后，与袋式除尘器组合构成两段式结构。图 7 中是最近具有代表性的烟气处理系统。(a)是最简单的，在袋式除尘器前段注入熟石灰及活性碳，(b)是在后段设置催化还原脱氮塔。近年最常用的(c)，是在第 1 段袋式除尘器中注入活性碳及硅藻土为主体的助剂来去除烟尘及二噁英类物质，然后用熟石灰等碱性药剂在第 2 段袋式除尘器中去除氯化氢等酸性气体。捕集物包括以烟尘为主体的积尘，以及对在去除酸性成分时产生的反应生成物及未进行反应的药剂进行分离和积尘，然后根据积尘的不同性质进行相应的处理。气化熔融炉或熔融炉工厂中，大多对除尘袋(1)捕集的飞灰采用熔融处理，对除尘袋(2)产生的杂质采用药剂处理。
2) 选用高效袋式除尘器，提高除尘器效率，进一步去除二噁英
传统静电除尘器(EP 或 ESP)可以通过除尘级气体洗净等操作去除烟尘、烟酸、硫氧化物及氮氧化物等气体污染物，不过二噁英类物质问题的出现产生了重要影响。之前的污染物质都是无机化合物，其浓度单位为 ppm(mg/m3)，但是二噁英类是有机化合物，浓度通常为 ppb 或 ppt(使用 μg/ m3或 ng/ m3)浓度单位，传统静电除尘器对其处理效果不理想。因此对抑制二噁英类排出具有显著作用的袋式除尘器取代了静电除尘器，以至目前新建的焚烧设施几乎全部采用袋式除尘过滤系统。
(3) 根据需要适当投加碱性物质、含硫含氮化合物等抑制剂
过去进行酸性成分去除的药剂最常使用的是熟石灰，但因为熟石灰做去除剂时，如果要提高去除率，需要药剂量较大，这会产生在最终填埋处理场由于钙化物含量过高而使集排水管道堵塞，及渗滤液碱性过高等问题。现今常用的是碳酸氢钠，其在注入到烟道内后会释放 CO2及水蒸气而变成表面多孔的碳酸，其与酸性气体成分的反应效率高于熟石灰的反应效率。
(4) 在生活垃圾焚烧厂中设置先进、完善和可靠的全套自动控制系统，使焚烧和净化工艺得以良好执行
(5) 通过分类收集或预分拣控制生活垃圾中氯和重金属含量高的物质进入垃圾焚烧厂
(6) 由于二噁英可在飞灰上被吸附或生成，所以对飞灰应按照相关标准要求进行稳定化和无害化处理
日本政府 1999 年 7 月出台了防治二噁英法令，加强了对垃圾焚烧炉二噁英排放量的限制。这项法令规定，在 2003 年之前把二噁英总排放量减少到 1997 年的 1/10，焚烧炉排放的每立方米废气中二噁英含量不得超过 80 纳克。
3.1.3 严格的垃圾分类制度
随着合并焚烧炉，建设大规模的高温焚烧，一系列问题也随之而来，例如增加了温室气体和重金属。二噁英排放增加的原因是聚氯乙烯生产和消费，也就是说，工业生产模式和社会消费模式是有效减少二噁英排放的主要障碍。很明显二噁英问题与生活方式密切相关。由此，绕过与焚烧炉相关的种种手段，日本政府改道从垃圾的源头着手，发起了大规模的垃圾分类和回收运动。
日本举全国之力来减少垃圾，增加循环利用。在大城市、小城镇、办公楼，住宅区都实行垃圾分类，几乎到了惊人的程度。一只袜子属于可燃烧物品，一双袜子则是旧衣物；口红的外壳属于小金属，口红条属于可燃烧物；领带是旧衣服，但一定要是洗过和被烘干过的。拥有 350 万人口的横滨市积极响应，在全市范围内将现有的垃圾分类数量从过去的 5 类增加到 10 类。
为了让市民们能更好地了解市政府的新措施，横滨市有关方面近日还向当地居民分发了一本 27 页的小册子，罗列了 518 项回收常见垃圾的详细指南。
与横滨相比，面积 110 平方公里、人口总数仅有 2200 人的上胜却早在 2000 年前就把垃圾回收的种类提高到 34 种。然而，为了减少垃圾、扩大再回收范围，这个小镇在最近几年中又逐步把回收种类提升到现在的 44 种。
环境专家们表示，以更清洁的方式分拣和回收垃圾也许比倾倒更昂贵，但是和焚烧垃圾的成本不相上下。横滨的目标是到 2010 年，将垃圾焚烧率降低 30％。但上胜的目标似乎更加雄心勃勃，它们计划在 2020年彻底结束垃圾焚烧的历史。
3.1.4 二噁英控制新技术
(1)超声波分解技术
日本还发明了利用超声波分解二噁英和多氯联苯(PCB)等有害有机氯化物的新技术。此项技术一旦被采用，将为污水净化提供安全廉价的新方法。研究中发现，二噁英、多氯联苯、氯氟烃等有机氯化物与水的亲和性很差，当利用超声波在水中产生细小气泡后，这些物质就被吸附在气泡上，气泡破裂时，依靠产生的高温高压，这些有害物质就被分解成无害的碳酸气和氯化物离子。例如：浓度为 l0ppm 的多氯联苯溶液加以 200 千赫的超声波，经 30 分钟后，有 95％的多氯联苯被分解了，同时，对二噁英和氯氟烃的分解效果也基本相同。如果将分解率提高到 99.99％的话，这种安全廉价的超声波分解方法将有望走向实用化。
(2)电子束照射分解技术
日本原子能研究所的科学家们利用电子束照射的方法分解、清除废气中的有害物质二噁英，收到良好效果。该技术的原理是，采用电子束照射方式，使废气中的空气和水生成活性氧等易反应物质，进而破坏二噁英的化学结构。该研究所在垃圾焚烧厂进行实验的结果表明：焚烧一般的生活垃圾，按每小时产生 1000 立方米废气计算，施加 30 万伏的电压生成的电子束(电流 40 毫安、带宽 45 厘米)可分解和去除 90％以上的二噁英。现有的过滤净化法(袋过滤器法)虽然能够把废气中的高浓度二噁英除去，但是无法将其分解，需要进行再处理。而新技术则能把废气中的高浓度二噁英分解掉，并且处理成本降低 1/3。
(3)生垃圾发电系统
日本鹿岛建设技术研究所内设置了一套“生垃圾发电系统”，这是一种非燃烧垃圾方式，完全不产生二噁英等有害物质的发电系统。该系统于 1999 年 7 月获得日本土木学会地球环境技术奖。该发电系统由燃料发电电池设备，贮藏生物气体的贮气罐，高温甲烷发酵式有机废物处理系统及生垃圾分选设备等组成。
贮气罐容积为 50 立方米，高温甲烷发酵方式有机废弃物处理系统每天在生垃圾分选机中投人 200 公斤生垃圾，将分选后的有机垃圾送人浆液罐中，加水稀释，然后由生垃圾粉碎机将有机质垃圾粉碎，并送入生物反应器，每天可产生 10 立方米的生物气体。所产生的生物气体输入气体精制塔，再送入贮气罐或燃料电池供发电。废弃物处理系统在 55℃的温度下分解垃圾，生成生物气体。与以往的中温(37℃左右)甲烷分解处理系统相比，由于分解速度提高 1 倍以上，因此装置可以谋求紧凑化和低成本化。鹿岛公司于 1995年开发并实现了商品化有机废弃物处理系统，利用微生物使有机垃圾发酵分解为甲烷气体、二氧化碳和水。
最近，该公司与 NEDO 联合开发了该生垃圾发电设备，并开始了试验性运行。这次开发的设备将高温甲烷发酵处理系统与该系统产生的甲烷气为燃料的燃料电池设备系统一体化为综合系统。在燃料电池中，由甲烷气体中提取的氢气与氧气反应而产生电力。燃料电池容量为 50 千瓦。利用该系统处理生垃圾时，1 吨垃圾可获得约 580 千瓦小时的电力(效率达 40％)，相当于一户人家两个月的用电量。从 1999 年 4 月到 2000年 3 月，该研究所还验证了由生物气体产生的能用于燃料电池发电的成分，并研究了生物气体浓度变动对燃料电池的影响。日本两家设备公司准备开发一种新型扶梯垃圾燃烧系统，可将燃烧效率提高 2 倍。此设备可将可燃垃圾粉碎、压缩成 2—3 厘米的小球，在燃烧时可起到类似于煤一样的作用。新系统则在燃烧前将固体垃圾燃料再次粉碎，利用燃烧装置使之与碳粉混合后燃烧。传统型的共同垃圾燃料在完全燃烧状态下的燃烧效率约为 10％，而新系统的燃烧效率可达 30％。
3.2 余热利用－焚烧发电
焚烧产生燃烧气体的热能回收，并进而转换为电力等能源的有效利用，最近几年越来越受重视。欧美以前就有“refuse (waste) to energy”的说法，因此认为对垃圾潜在能量加以利用是理所当然的做法。如表 2 所示，目前日本的垃圾设施中，对温水/蒸汽/发电等热量进行了有效利用的设施，占了全国 1396 所设施的约 71%比例(2003 年)。焚烧设施中通过废热锅炉，空气预热器，温水产生器，可分别对蒸汽/高温气体/温水进行回收。发电方面，除了维持设施内所用电量外，剩余电量可以反过来卖给电力公司。近年来不但积极开展售电设施的建设，同时综合资源能源调查供给部会将(废弃物发电及木屑发电)列为与太阳能发电及风力发电相同的新能源，设定了到 2010 年导入(换算为原油 586 万 kl，设备容量达 450 万 kW)的目标，并发布了《电气事业者利用新能源的特别处置法(2002 年)》等法规。
如表 3 所示进行发电的焚烧设施有 271 所，占全体数量约 19% ，发电量合计 149 万 kW，相比上述所说的设备设计容量 450 万 kW 还有很大的提升的空间。其中一个原因，因为日本国内以 2000kw 发电装机容量为界，2000kw 以上必须结特高压、其安装和运行管理费用相对较高，所以中小厂受到成本压力而特意迎合发电量未满 2000kW 的标准，从而使得小规模垃圾焚烧发电厂占了 4 成之多。
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该垃圾发电装置效率(发电效率=发电量 [kW]x3600[kJ/kWh]/垃圾入热量[kJ/h]，其中 3600kJ/kWh 是热—电能换算值)范围从 0%至 20% ，实际平均值在约 10%值上下浮动。即使将发电及其他余热利用累加起来，燃烧产生的热量还是会损失掉 3/4。为提高垃圾发电效率，技术上结合燃气发电机及蒸汽发电机两种方式进行发电，如图 8 所示能量流示意图。设立一个独立的过热器，利用燃气发电机约 500℃的排气，将垃圾余热锅炉的蒸汽再次加温到 400℃以上，这样可以提高垃圾焚烧发电效率，同时又解决了过热器高温腐蚀的问题。
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图 8 能源再利用中结合沼气涡轮
该方式又被称作组合式高效垃圾发电工艺。采用该技术的设施，可以达到 20%--30%左右的发电效率。前述气化熔融炉的调查表明，垃圾能源再利用进行发电存在于任一设施，但是受到发电量上限(2，000kW)等现实条件的制约，而且还需另外投入辅助助燃剂以及其他辅助材料。假设条件下，计算得出发电量如图 3 所示。由图可知，气化熔融方式中，发电电量跟垃圾处理量成一个近似比例，处理量 1 吨对应发电电量约250kWh 。由炉排炉及流化床连续焚烧设施的调查数据表明,1 吨垃圾发电量 100—350kWh，相比而言气化熔融炉可发电量值集中在一个较小的范围内。
对锅炉进行高效率利用的努力从未间断，在提升焚烧设施的热利用率上，对于之前未予以利用的低温区域的废热进行有效利用也成为今后的课题之一。例如，最近开发一种潜热蓄热回收利用设备等。
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图 9 调查气化熔融炉的垃圾处理量于发电量的关系
3.3 残渣利用
日本在垃圾焚烧残渣的利用方面也取得了进展，例如：日本东方公司开发出利用城市生活垃圾焚烧灰 渣制造道路及广场铺装块的技术。过去垃圾在焚烧厂焚烧，灰渣主要用来填埋处理，因数量日益增加，给填埋场造成压力。此外，道路的铺装块每年的需求量极大。灰渣是在高温下溶化结晶，成为接近花岗岩强度的材料，用该材料制成每立方米可吸收 240L 水的铺装块，既能吸收土中的水分，又能使雨水保存在块内，有冷却路面的效果，缓解热岛现象。
此外，日本东京还利用垃圾焚烧灰渣生产水泥制品。在东京 2001 年建设了一座专门利用垃圾焚烧灰渣生产水泥的工厂，年可处理垃圾焚烧灰渣约 8 万吨，生产水泥约 l0 万吨。其生产工艺为：用罐车将垃圾焚烧灰渣运至该厂，作为生产水泥的主要原料，经预处理后进入回转窑中，加入一定量的石灰石在回转窑中共同煅烧，最后，再经磨细后就成了水泥。回转窑的尾气经过严格的处理，即经除尘、除二噁英、脱硫、脱硝等处理，尽可能减少污染物的排放。与一般水泥厂相比，尾气的处理程序要复杂得多。在垃圾焚烧残渣制水泥的研究开发过程中，日本经济产业省也给予了大力支持，所生产水泥列入了政府绿色采购目录，并特别制定出垃圾焚烧残渣水泥标准。由于日本总体环境意识较强，大家都愿意购买这种水泥。
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