垃圾燃烧机理及设备

项目三固体废物焚烧工艺从减容和回收能源的角度，对固体废物进行焚烧处理，是目前很多国家普遍采用的处理方式。特点：无害化、减量化、资源化、经济性、实用性。一、垃圾热值热值是单位质量的固体废物燃烧释放出来的热量，以kJ/kg表示。表示方法有两种，粗热值（高位发热量）和净热值（低位发热量）。粗热值是指化合物在一定温度下反应到达最终产物的焓的变化。净热值是与粗热值意义相同的，不同的是产物水的状态不同，前者是液态水，后者是气态水。两者相差的正是水的汽化潜热。判断城市生活垃圾能否采用焚烧处理的依据之一就是它的发热量能否支付对它自身干燥，并维持一定高的焚烧温度。简便的判断方法是用一种垃圾焚烧三元图。对于焚烧工艺和焚烧炉的设计，必需做详细的物质平衡和热量平衡计算。二、固体废物的燃烧过程从工程技术观点看，需焚烧的物料从送入焚烧炉起，到形成烟气和固态残渣的整个过程，可总称为焚烧过程。它包括了三个阶段：（1）干燥阶段对机械送料的运动式炉排，从物料送入焚烧炉起到物料开始析出挥发分着火，都属于干燥阶段。在此阶段，水分以蒸汽形态析出，需吸收大量的热量。因此物料水分不易过高，否则炉温降低，不易着火，需投入辅料来改善。有时也可采用干燥段和焚烧段分开的设计。（2）焚烧阶段焚烧阶段包括三个同时发生的化学反应模式：强氧化反应即废物中的可燃组分发生完全燃烧的反应。热解即在无氧或近乎无氧的条件下，利用热能破坏含碳高分子化合物元素间的化学键，使含碳化合物破坏或者进行化学重组。在焚烧阶段，大分子含碳化合物总是先进行热解，析出气态可燃成份，如CO、CH4等等。挥发分析出的温度区间为200~800℃，物料在不同的热解温度下析出的成分和数量都不相同。原子基团碰撞焚烧过程出现的火焰，实质上是高温下富有含原子基团的气流，它们的电子能量跃迁，以及分子的旋转和振动产生量子辐射，它包括红外的热辐射、可见光以及波长更短的紫外线。温度在1000℃以上就能形成火焰。废物组分上的原子基团碰撞，还易使废物分解。（3）燃尽阶段在燃尽阶段，灰层的形成和惰性气体增加，氧气要穿透灰层与可燃成份反应也愈困难。要使物料完全燃烧，必须保证足够的燃尽时间，这与焚烧炉的几何尺寸直接相关。一般措施有：翻动、拨火等措施来减少物料表面的灰层，增加物料停留时间等。影响燃烧过程的因素主要有：（1）时间：一般来说，燃烧时间与固体粒度的平房成正比。（2）废物与空气的混合量比例：燃烧室内处于少量过剩空气条件下，燃烧效率最高。（3）温度：燃烧温度决定于燃料特性，例如燃料的起燃温度、含水量以及炉子结构和燃烧空气量等等。燃烧过程中常采用预热空气来提高燃烧温度。三、焚烧的产物1、完全燃烧的产物：可燃固体废物基本是有机物，由大量的C、H、O元素组成，有些还含有N、S、P和卤等元素。这些元素完全燃烧后，生成各种氧化物或部分元素的氢化物。OH2N2HClCOO)24w-yv(xClSNOHC2222wyuwxzwvuzyx2、燃烧过程污染物的产生（1）粉尘的产生和特性项目炉室燃烧室锅炉室、烟道除尘器烟囱无机烟尘1）燃烧空气卷起的不燃物、可燃灰分；2）高温燃烧区域中低沸点物质气化；3）有害气体（HCl、SOx去除时，投入的CaCO3末引起的反应生成物和未反应物气－固、气－气反应引起的粉尘1）烟气冷却引起的盐分；2）为去除有害气体（HCl、SOx）而投入的Ca(OH)2引起的反应生成物和未反应物——微小粉尘（1μm），碱性盐占多数有机烟尘1）纸屑等的卷起；2）不完全燃烧引起的未燃碳分不完全燃烧引起的纸灰——再度飞散的粉灰——粉尘浓度/[g/m（标准）]——1～61～4——0.01～0.04（使用除尘器的场合）（2）无机有害气体的产生和特性包括CO和酸性气体（HCl、HF、SOx、NOx）。其中NOx的生成有两个重要的因素，燃烧区域的氧含量和火焰的温度。（3）重金属的产生和特性焚烧过程中产生的灰渣（包括炉渣和飞灰）一般为无机物质，其中含有重金属化合物。（4）有机污染物的产生和特性包括二噁英（PCDDs）、呋喃（PCDFs）及多环芳香烃化合物（PAHs）。四、焚烧技术的指标和标准比较直接的是用肉眼观察垃圾焚烧产生的烟气的“黑度”来判断焚烧效果，烟气越黑，焚烧效果越差。也可用如下几项技术指标来衡量焚烧处理结果。（1）减量比用于衡量焚烧处理废物减量化效果的指标是减量比，可用下式计算%100cbabmmmmMRC式中MRC——减量比，％；ma——焚烧残渣的质量，kg；mb——投加的废物质量，kg；mc——残渣中不可燃物质量，kg。（2）热灼减量指焚烧残渣在（600±25）℃经3h灼热后减少的质量占原焚烧残渣质量的百分数，计算方法如下%100ddaRmmmQ式中QR——热灼减量，％；ma——焚烧残渣在室温时的质量，kg；md——焚烧残渣在（600±25）℃经3h灼热后冷却至室温的质量，kg。（3）燃烧效率在焚烧处理生活垃圾及一般工业废物时，多以燃烧效率（CE）作为评估是否可以达到预期处理要求的指标。%100]CO[]CO[]CO[CE22式中[CO2]和[CO]——分别为烟道气中该种气体的浓度值。（4）破坏去除效率对危险废物，验证焚烧是否可以达到预期的处理要求的指标还有特殊化学物质『有机性有害主成分（POHCs）的破坏去除效率（DRE），定义为%100式中Win——进入焚烧炉的POHCs的质量流率；Wout——从焚烧炉流出的该种物质的质量流率。（5）烟气排放浓度限制指标废物在焚烧过程中会产生一系列新污染物，有可能造成二次污染。对焚烧设施排放的大气污染物控制项目大致包括以下四个方面。a．烟尘常将颗粒物、黑度、总碳量作为控制指标；b．有害气体包括SO2、HCl、HF、CO和NOx；c．重金属元素单质和其化合物如Hg、Cd、Pb、Ni、Cr、As等。d．有机污染物如二噁英，包括多氯代二苯并－p－二噁英（PCDDs）和多氯代二苯并呋喃（PCDFs）。详细可参考我国于2001年11月发布的《生活垃圾焚烧污染控制标准》。五、固体废物的焚烧系统1、原料贮存及进料系统固体废物进入焚烧系统之前应满足物料中的不可燃成分降低到5％左右，粒度小而均匀，含水率降低到15％以下，不含有毒害性物质。进料系统分为间歇与连续两种，现代大型焚烧炉均采用连续进料方式。2、焚烧系统即焚烧炉本体内的设备，主要包括炉床及燃烧室。炉床多为机械可移动式炉排构造。燃烧时一般在炉床正上方，按构造可分成室式炉（箱式炉）、多段炉、回转炉、流化床炉等。燃烧可分为一次燃烧和二次燃烧。一次燃烧是燃烧的开始，二次燃烧是完成整个燃烧过程的重要阶段。3、助燃空气系统包括一次助燃空气（炉排下送入）、二次助燃空气（二次燃烧室喷入）、辅助燃油所需的空气以及炉墙密封冷却空气等。主要设备是送风机。4、余热利用系统直接热能利用回收热气体、蒸汽、热水等。热利用率高、设备投资省，适合于小规模（日处理量100t/d）、垃圾焚烧设备和垃圾热值较低的小型焚烧厂。余热发电可以远距离输送，不受用户限制。主要设备是余热锅炉。热电联供即发电-区域性供热和发电-工业供热，热利用率较高。5、排渣系统由焚烧炉产生的底灰及废气处理单元产生的飞灰，有些厂采用合并收集方式，有些则采用分开收集方式。这些灰渣中都含有重金属，飞灰中含量尤其高，在对其进行最终处置之前必须先经过稳定化处理。灰渣的产量与垃圾种类、焚烧炉形式、焚烧条件有关。一般焚烧1t垃圾会产生100~150kg炉渣，飞灰约20kg左右。6、废气排放与污染控制系统固体废物燃烧过程产生烟气，主要成份是N2、O2、CO2及H2O。生活垃圾焚烧烟气中的污染物可分为颗粒物（粉尘）、酸性气体（HCl、HF、SOx、NOx等）、重金属（Hg、Pb、Cr等）和有机剧毒性污染物（二噁英、呋喃等）四大类。与垃圾的成份、焚烧炉的炉型、燃烧条件等因素有密切的关系。研究和实践表明，“低温控制”和“高效颗粒物捕集”是烟气净化系统成功运行的关键因素。首先控制温度尽可能低（露点以下），同时应采用高效除尘器。7、自动控制系统在大型垃圾焚烧厂自控系统中，一般选用以微机为基础的集散型控制系统（distributedcontrolsystem，DCS）。典型自动控制包括称重及车辆自动管制自动控制，吊车的自动运行，炉渣吊车的自动控制，自动燃烧系统、焚烧炉的自动启动和停炉，以及实现多变量控制的模糊数学控制。感测仪器（温度、压力、液位和PH计）控制中心＆电脑动作控制设备（控制阀、风门）六、焚烧设备1、按焚烧室数量分类单室焚烧炉多用来处理少数工业垃圾。多室焚烧炉生活垃圾处理中多采用。主要特点是空气多次供给。2、按炉型分类立式多段炉炉体从上到下共分三个操作区：干燥区（310~540℃）、焚烧区（760~980℃）、焚烧后灰渣冷却区（260~540℃）。优点：停留时间长、适合处理多种废物，运转灵活，燃烧效率高。缺点：结构复杂、易出故障、维修费用高，排气温度低，易产生恶臭，需设二次燃烧设备。此设备在污泥焚烧方面应用较广泛，但不适合含可溶性灰分的废物，以及需极高温度才能破坏的废物的焚烧处理。回转窑焚烧炉根据不同的分类，可分成如下几类：顺流炉（高水分垃圾）和逆流炉（高挥发性垃圾）：根据燃烧气体和垃圾前进方向是否一致来划分。熔融炉（炉内温度在1100℃以下）和非熔融炉（1200℃以上）带耐火材料和不带耐火材料炉最常用的回转窑一般是顺流式、带耐火材料的非熔融炉。流化床焚烧炉垃圾被破碎到20cm以下投入到炉内，垃圾和炉内的高温流动砂接触混合，瞬间气化并燃烧。未燃尽成份和轻质垃圾飞到上部继续燃烧，不可燃物和流动砂沉到炉底，一起被排出，混合物分离成流动砂和不可燃物，流动砂可保持大量热量，流回炉内循环使用，70%左右垃圾的灰分以飞灰形式流向烟气处理设备。七、焚烧过程污染物的产生与防治垃圾所产生的烟气主要成份为CO2、H2O、N2、O2等，部分有害物质：烟尘、酸性气体（HCl、HF、SO2）、NOx、CO、碳氢化合物、重金属（Pb、Hg）和二噁英。1、酸性气体的处理处理方法有干法和湿法两种。参见《大气污染控制》相关内容。2、NOx的去除燃烧控制法通过低氧浓度燃烧控制的产生，但易引起不完全燃烧，产生CO而产生二噁英。无触媒脱氮法将尿素或氨水喷入焚烧炉内，通过下列反应而分解NOx。触媒脱氮法即使用催化剂（含有Pt以及Cu、Cr）来催化还原，去除率高但价格昂贵。3、二噁英的控制最有效的方法就是“三T”：温度：维持炉内温度在800℃以上，最好900℃以上，将二噁英完全分解；时间：保证足够的烟气高温停留时间；涡流：采用优化炉型和二次喷入空气的方法，充分混合搅拌烟气使之完全燃烧能够。对产生的二噁英可采用喷入活性炭粉末吸收；设置触媒分解器；设置活性炭塔吸收。4、烟尘的处理可采用除尘设备。常用的有静电除尘器、滤袋式除尘器以及湿法除尘等等。