随着人类社会工业化和城市化进程的加快,导致了城市生活垃圾量日益增多,质日益复杂,成为世界各国面临的一个严重的社会公害,是各国迫切需要解决的重大环境保护问题之一。填埋、堆肥和焚烧是目前普遍使用的城市生活垃圾处理方法。焚烧法具有资源化和减量化优势,使其成为城市生活垃圾的主要处理技术之一。但由于焚烧设施设计上的不完善,对焚烧条件的控制不合理,产生了二嗯英和重金属的二次污染,使焚烧技术的应用受到了限制。为此,在深入研究垃圾热解和燃烧机理的基础上,开发新一代生活垃圾焚烧工艺是国内外科技领域普遍关注的课题。论文对城市生活垃圾的特点、焚烧技术及其存在的问题、直接气化熔融焚烧技术及其改进方向、城市生活垃圾热解及燃烧特性研究现状和方向进行了全面分析。采用TG-DSC-MS联用实验技术,检测了七种典型城市生活垃圾试样热解和燃烧过程中的质量损失、热效应和逸出气体成分,采用热分析热重动力学和热动力学方法进行了垃圾热解和燃烧反应机理和动力学研究。提出了城市生活垃圾并流竖炉气化熔融焚烧新工艺流程,并进行了并流竖炉热态模拟试验研究。1.垃圾热解机理及动力学。以塑料和橡胶为代表的有机高分子化合物在热解前存在软化吸热过程。热解过程一步完成,热解逸出的气体以烷烃和烯烃为主。塑料热解呈吸热效应,橡胶热解呈放热效应。以木屑、落叶、菜叶和棉布为代表的生物质成分热解过程分为三个阶段：先是脱水干燥阶段,之后是纤维素的快速热解阶段,逸出气体主要有H2O、CO2和CH4,最后是木质素转化为焦炭的缓慢热解阶段,逸出气体主要是CO2。棉布和纸的热解为吸热反应,而木屑、落叶和菜叶的热解都是放热反应。各种垃圾组分热解活化能由小到大的顺序为木屑、落叶、橡胶、纸、菜叶、棉布、塑料。热解活化能与热效应之间满足Evans-Palanyi关系式,放热反应的活化能通常小于吸热反应的活化能。2.垃圾燃烧机理及动力学。通过对TG、DSC和MS曲线的综合分析,全面地揭示燃烧反应路径及机理,并采用DSC热动力学解析方法,获得垃圾试样燃烧的动力学参数。塑料和橡胶类有机高分子化合物,燃烧开始温度高,燃烧速度快；木屑、落叶、菜叶、棉布和纸这些生物质类,垃圾试样总的燃烧反应大都可分为脱水干燥、快速燃烧和缓慢燃烧三个过程,快速燃烧过程中试样先热解,析出大量挥发份气体,气体又不断被氧化；缓慢燃烧过程紧接着快速燃烧过程发生,其燃烧速率只是稍低于快速燃烧,是中间产物及残碳的氧化过程,放出大量热量。棉布和塑料燃烧特性指数P较大,燃烧特性较好,而木屑的燃烧特性最差。对于高分子化合物类垃圾,塑料燃烧反应的活化能值都比较高,而橡胶的活化能则相对较小。生物质类的垃圾中,木屑、落叶、菜叶和纸的活化能较小,棉布的活化能较大。DSC热动力学参数与热重反应动力学参数差别很大,可以认为是有一定的互补性。3.提出了并流竖炉气化熔融焚烧新工艺路线。该工艺以竖炉为气化熔融主体设备,垃圾料层与助燃空气在炉内自上而下并流流动,能够使垃圾热解产生的可燃性气体在焚烧炉下部完全燃烧,以提供灰渣熔融耗热,从而减少、甚至不用辅助燃料量,达到自热焚烧和缩短工艺流程目的。建立了并流竖炉气化熔融焚烧工艺系统的物质平衡和热平衡方程,得出了满足该工艺要求的生活垃圾临界热值和绝热火焰温度。通过与并流工艺对比表明,逆流工艺对垃圾水份限制更为严格；在相同的空气预热温度和灰份下,并流工艺要求的垃圾临界热值远远低于逆流工艺,两种工艺要求的临界热值平均相差约5800kJ·g-1。在自建的并流竖炉实验装置上进行了热态模拟实验,将并流与逆流情况对比。实验表明,并流时垃圾料层中各点的温度明显高于逆流情况；逆流情况下反应管中产生一些焦油,气体中含有较多的CO和碳氢化合物类可燃成分；而并流反应中,垃圾热解气化产生的挥发份和焦油等在反应管内燃烧,产生了较多的CO2气体。研究表明并流竖炉在工艺上能够保证垃圾的干燥、热解气化、挥发分燃烧和碳的燃烧可以更有效地在同一个反应器内进行,更适合气化熔融焚烧工艺。并流竖炉气化熔融工艺在处理热值较低的生活垃圾时或许更有优势,是一种适合国内城市生活垃圾的处理方法。为探索城市生活垃圾焚烧新技术提供一定的理论和技术支持。