垃圾焚烧技术

垃圾焚烧技术ZuojinZhua([e-mail])aFacultyofEngineeringScience,UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei,230026,China2015年9月24日EditedbyDr.ZuojinZhuat目录1垃圾焚烧原理31.1垃圾来源和分类........................................31.2拉圾特点和性质........................................31.3垃圾焚烧原理..........................................41.4烟气、飞灰和炉渣.......................................61.5焚烧垃圾工艺流程.......................................101.6垃圾焚烧工艺的主要系统...................................122垃圾焚烧设备142.1焚烧炉的类型和原理.....................................142.1.1固定炉排焚烧炉....................................142.1.2机械炉排焚烧炉....................................152.1.3流化床焚烧炉......................................182.1.4回转窑焚烧炉......................................182.2机械炉排焚烧炉燃烧设备...................................212.2.1机械炉排........................................212.2.2附属设备........................................242.2.3烟气净化工艺技术...................................243索引302本章主要含垃圾焚烧原理、垃圾焚烧设备两个小节，大部分内容摘自文献第九章[1]，差别仅仅体现在描述方式。x1垃圾焚烧原理x1.1垃圾来源和分类在生产、生活中，会产生污染环境的固、液和气三态废弃物，其中的固态废弃物，称为垃圾。垃圾可能是有机的，也可能是无机的，可简单地分为危险的和非危险的两类。但是，按照垃圾的来源，则可分成三类：城市生活垃圾；工业固体垃圾；危险垃圾。城市生活垃圾是城市居民日常生活中产生的固体废物，主要包括废纸、费塑料、废织物；废木制品、废金属制品、废食物；废砖瓦、废玻璃、废陶瓷等。这些废物的特点是成分复杂，有机物含量高。垃圾的主要影响因素，包括生活水平，习惯和气候等。工业固体垃圾是生产过程中排出的废渣、粉尘、固体废弃物，如冶金工业固体废物，金属冶炼产生的废渣；能源动力工业废物，燃煤电站的粉煤灰，炉渣，采煤洗煤产生的煤矸石；石油化学工业废物，石油工业的油泥、焦油页岩渣，硫铁矿渣，酸渣碱渣，盐泥等；矿业固体废物，采矿废石，尾矿；轻工业固体废物，包括食品、造纸、印刷、纺织印染、皮革、塑料等加工中的污泥、动物残物、废酸、废碱等；其它工业固体废物，包括机械加工中的金属碎霄、电镀污泥和气体废渣等。危险垃圾是各种化学生物的危险品、易燃易爆物、放射性固体废物，及其它对人体和动物的生命有危险的垃圾。危险垃圾,主要来源于医院、生物制品厂、科研单位等.x1.2拉圾特点和性质垃圾的特点，是产量增长速度快，成分变化较快，和经济价值偏低。因商品的生产量和消费量，与时俱进，导致城市垃圾产量,迅速提高。比如，中国大陆城市垃圾的产量总体，据统计，1990年约6900万吨，1995年约1亿吨，平均增长率大约为62万吨。垃圾成分本身就复杂，不同地区经济发展水平不同，居民日用燃料种类的变化，也造成垃圾成分的变化。燃煤锅炉变成燃气锅炉，家用燃煤炉变成燃气灶，使炉灰减少。商品包装材料的改变，增加了垃圾中废纸、废塑料、废玻璃和废金属的成分。城市垃圾的总体情况是，无机成分多(2:5:1)，不可燃烧的成分远大于可燃烧的成分(20:1)，构成垃圾经济价值偏低的主要原因。当然，垃圾的经济价值,与地区的经济发展水平有关。通常，经济发达的地区，垃圾中有机成分多一些。垃圾有物理、化学、生物和感观方面的性质，其中化学性质，对垃圾的回收处理很重要。垃圾的化学性质有含水量、挥发分、灰分、元素组成和热值等。含水量，是指用烘箱在110oC排出的单位质量垃圾中的水分。若垃圾的含水量大，就不容易点燃。城市生活垃圾的含水量，约为45%，其偏差也大，有时可达到30%。挥发分，是指在温度约为600oC的情况下，完全燃烧烘干的垃圾的损失量，是垃圾的可燃成分指标。灰分，是指除去水分、挥发分的垃圾残留部分，是垃圾中不可燃烧的物质，主要是垃圾的无机成分。元素组成,是垃圾中的元素，如C、H、O、S、N等的含量。它是垃圾的特性参数，对垃圾回收处理也很重要。通过元素组成，可估算垃圾的热值，也可估算垃圾堆肥的生化需氧量。热值，是指完全燃烧单位质量垃圾释放的热量，它是衡量垃圾作为燃料的指标。要维持垃圾焚烧，要求燃烧释热足以把垃圾加热到燃点，足以提供燃烧所需的活化能，否则就需要有辅助燃料。垃圾有高位热值和低位热值。高位热值，是指完全燃烧单位质量垃圾，冷却燃烧产物，使其中的水蒸气变为0oC时，所释放的热量；低位热值，则对应于把产物中的水蒸气变成20oC时，完全燃烧单位质量垃圾的释热。经验表明，若垃圾的低位热值高于自燃临界值3350kJ=kg(800cal=kg),垃圾自燃烧容易，就可不必加辅助燃料。3表1城市垃圾热值及元素分析典型值成分惰性残留物(燃烧后)Qnet质量分数范围(%)典型值(%)(kJ=kg)碳氢氧氮硫食品垃圾285465048.06.437.62.60.4废纸4861675043.56.044.00.30.2废纸板33516300445.944.60.30.2废塑料620103257060.07.222.8破布242.5745055.06.631.24.60.16废橡胶82010326078.010.02.0废皮革82010745060.08.011.610.00.4园林废物264.5651047.86.038.03.40.3废木料0.621.51861049.56.042.70.20.1碎玻璃969998140罐头盒909998700非铁金属909996铁金属949998700炉灰、灰土、砖608070698026.33.02.00.40.2城市垃圾10470垃圾的热值，通常用氧弾量热计测量。热值估算，基于元素分析的方法是Qgr=81C+300H26(OS)(1)Qnet=Qgr6(W+9H)(2)其中Qgr、Qnet分别是高位热值和低位热值，C,H,O,S是垃圾中碳、氢、氧、硫的质量分数，W是新鲜垃圾的含水率。城市垃圾中各种成分的热值，列于表1中。x1.3垃圾焚烧原理焚烧，是一种垃圾热处理方法，在回收垃圾热值的同时，也把垃圾变为惰性残渣。垃圾热值可用于供热、供汽，甚至发电。垃圾残渣只占垃圾原量的5%20%,有毒有害物质经燃烧被破坏。因此，垃圾焚烧，是一种改善生态环境的热能工程，相关技术值得注意和开展研究。垃圾焚烧，顾名思义，是指垃圾的燃烧。燃烧过程比较复杂，涉及热分解，熔融，热质传递，化学反应和流体流动。依垃圾种类的不同，焚烧可分为蒸发燃烧、分解燃烧和表面燃烧。若像蜡烛燃烧那样，垃圾先受热融化为液体，再蒸发为可燃蒸汽在空气中发生的混合扩散燃烧，就称为蒸发燃烧。若像木材燃烧那样，垃圾着火前受热分解，逸出可燃挥发分，在空气中发生混合扩散燃烧，留下固定碳和惰性物质，表面的固定碳与空气接触发生表面燃烧，这种过程就称为分解燃烧。而像木炭之类的固体燃料那样，受热不融化、不蒸发、不分解，在固体表面与空气发生的反应，则称为表面燃烧。垃圾中有机成分多，相应的焚烧是蒸发、分解和表面燃烧的综合过程。垃圾，特别是城市垃圾，含水量明显高于其它燃料。为更清楚地理解垃圾焚烧，把焚烧过程分为干燥、热分解、燃烧三个阶段，虽然三个阶段界线模糊，但出现的时间段，的确有所不同。干燥垃圾，即烘烤垃圾，利用热能排除垃圾中的水分。因垃圾的含水率较高，送入焚烧炉前，有些可达30%以上,因此干燥垃圾要消耗较多的热能。若垃圾含水量大，则相应的干燥时间就长。垃圾含水率过高，则会降低炉温，影响着火，需补助燃料助燃，以提高炉温，改善垃圾着火条件。热分解，是指在高温下垃圾中有机可燃物的分解或聚合反应过程。反应产物有各种烃类、固定碳、不完全燃烧物等。一般情况下，垃圾的可燃物，元4图1燃烧温度、燃烧率和停留时间的关系素组成中有C、H、O、Cl、S、N等。热分解反应，可能是吸热的，也可能是放热的。热分解速率k，可用阿累尼乌斯公式表示k=Aexp(EaRT)(3)其中A是频率因子，而Ea是可燃物活化能,单位J=mol;R是气体常数，单位J=(mol
K);T是热力学温度，单位K.速率公式表明，在热分解温度相同的情况下，活化能小的可燃物，分解速率大。热、质传递的速率，对热分解影响明显，而热量传递速率的影响较大。燃烧，是指在空气中垃圾中有机物的氧化反应。垃圾焚烧，过程很复杂。经过干燥、热分解，产生不同的气、固可燃物，与空气混合，当着火条件满足时，就可形成火焰发生燃烧。垃圾的着火点温度，取决于垃圾有机物的组分。垃圾焚烧，是气相燃烧和非均相燃烧的混合，比气、液燃料燃烧更复杂。垃圾燃烧，有完全的，也有不完全的。若最终产物是CO2和H2O,则是完全燃烧；若产物是CO或其它可燃有机物，则是不完全燃烧。固态可燃物着火点温度，大约是600oC。若氧气供应充分，则可提高垃圾焚烧的完全度。若垃圾本身的热值相当低，则需辅助燃料维持燃烧。通常，垃圾焚烧是不完全的，尽管焚烧炉的设计和操作的目标，是实现垃圾的完全燃烧。垃圾焚烧，对焚烧炉有基本工艺条件，涉及垃圾性质和操作过程。操作过程的条件参数有焚烧温度、停留时间、混合强度和过量空气系数，简称控制参数。在垃圾性质中，热值是影响焚烧的主要因素。当热值大于临界值时，垃圾就具备自行焚烧的条件，无需辅助燃料来维持燃烧。热值大，焚烧就容易，效果就好。在多数情况下，热值偏小，需要用辅助燃料，来维持垃圾炉内的燃烧。辅助燃料的补加量，要根据焚烧炉的热平衡进行估算。垃圾的形状和物理性质，对垃圾预处理、炉内燃烧设备、炉型选择很重要。垃圾尺寸小，单位体积的比表面积大，与氧气接触面积就大，焚烧完全度就高。因此，送焚烧炉之前，对垃圾进行粉碎预处理，可改善焚烧效果。焚烧温度，是指垃圾有害组分的高温氧化、分解直至破坏所需要达到的温度，是垃圾焚烧所能达到的最高温度，远高于垃圾的着火点温度，是焚烧炉设计和选材的重要依据。通常，提高焚烧温度，有利于垃圾有害组分的分解破坏，也有利于抑制产生黑烟。焚烧炉内近火焰区域，温度最高可达8001000oC.垃圾热值高，相应的焚烧温度就高。对于大多数有机物，焚烧温度范围是8001100oC,一般的范围约为800900oC。但是，焚烧温度过高，燃料消耗量就大，垃圾中金属挥发量和NOx的生成量就大，产生二次污染。因此，较高的焚烧温度，是不适宜的。焚烧温度与垃圾在炉内的停留时间，关系密切。当焚烧温度高时，垃圾停留时间就短；否则就长。碳氢化合物(HC)和CO燃烧时，燃烧温度、燃烧率(燃烧完全度)、停留时间的关系，如图1所示..停留时间，是指在焚烧条件下，垃圾中有害组分氧化、分解直至破坏所需的时间。它有双层含义，一是垃圾在焚烧炉内的停留时间，即从垃圾进炉到炉渣排除所需的时间；二是焚烧的烟气在炉内的停留时间，即焚烧垃圾的烟气从逸出到从炉中排除所需的时间。停留时间的长短，直接影响