固体废物污染控制工程04_固体废物的焚烧处理技术

1、第四讲第四讲 固体废物的焚烧处理技术固体废物的焚烧处理技术 n1概述概述n2燃烧反应过程的动力学规律燃烧反应过程的动力学规律n3燃烧反应计算燃烧反应计算n4焚烧系统焚烧系统n5垃圾焚烧技术工艺垃圾焚烧技术工艺n6固废焚烧过程中烟气的产生及其控制固废焚烧过程中烟气的产生及其控制n7焚烧过程的环保标准焚烧过程的环保标准1概述概述1.1 焚烧或燃烧的定义 n 从焚烧(incineration)或燃烧(combustion)过程的表象来看，焚烧或燃烧是一种伴有火焰发生的快速放热反应。n 从燃烧的最终结果来看，它是物质间的一种能量转换过程，是通过燃料和氧化剂在一定条件下进行的具放热和发光特点的剧烈氧化反

2、应，将燃料的内能转化为热能。n 就其本质特性而言，燃烧是指把具有强烈放热效应，有基态和电子激发态的自由基出现的并伴有光辐射的化学反应现象称为燃烧。 1.2 固体废物焚烧过程的“三化”特性 n1) 减量化：固体废物经过焚烧，可减重80%以上，减容90%以上，与其他处理技术比较，减量化是它最卓越的效果；n2) 无害化：与卫生填埋和堆肥所存在的潜在环境危害相比，其无害化特性具有明显优势。固废经焚烧，可以破坏其组成结构，杀灭病原菌，达到解毒除害的目的。n3) 资源化：固废含有潜在的能量，通过焚烧可以回收热能，并以电能输出。n由以上可见，固体废物的焚烧，是一种同时具有减量化，无害化和资源化的处理技术。

3、1.3 燃烧过程分析 n从定义知：燃烧是燃料（固体废物）和氧化剂两种组分在一定空间及时间激烈地发生放热化学反应的过程。n燃烧反应是过程进行的主体，是内因，而燃烧装置则是使这一过程得以实现的外部环境，二者缺一不可。当然，燃烧也可以不在具体的燃烧装置里进行，但热能不能利用，还会造成环境污染。 焚烧过程各因素间的关系焚烧过程各因素间的关系 燃烧反应过程(反映化学本征动力学特性)物理环境(流动，混合特性及传质、传热规律)反应规律系统行为装置特性不变化变化分解/简化/分别研究动量衡算质量衡算能量衡算揭示系统行为、规律构建系统的数学模型不变化指导设计、放大和优化 燃烧反应器（焚烧炉）中的燃烧过程是伴有流动

4、、传质和传热等物理过程的热化学反应过程，这些过程相互作用和影响，共同决定燃烧系统的行为和特性，是一个极为复杂的综合过程。而垃圾焚烧要提高效率和优化的关键则着重于改善焚烧过的传递条件，如选择合适炉型，改善气、固相间的接触，提高燃烬率，降低气相有毒有害物质的再合成。 动力学分析可知，燃烧过程炉型的变化并不影响本征的化学反应过程，即燃烧过程的化学反应是一定的，而改变的只能是装置的特性流体动力学行为。因此目前主要通过改进炉型结构和工艺过程，进而改变流体动力学和传递特性，来降低焚烧的二次污染和提高能源的利用率。1.4 固体废物的可燃性n（1）固体废物的热值：n 定义：固体废物的热值是指单位质量的固体废物

5、燃烧所释放出来的热量，单位为kJkg-1 。n 热值的表示方法：热值有两种表示法，即高位热值（HHV或QH）和低位热值（LHV或QL）。高位热值和低位热值的意义相同，均指化合物在一定温度下反应到达最终产物的焓变。n其区别在于，反应产物的状态不同：QH的终态H2O为气态，QL终态H2O是液态。n因此， QH-QL =水的汽化潜热 1.4 固体废物的可燃性n 高位热值与低位热值的关系nQL=QH-2420n式中 H2O为焚烧产物中水的质量百分率，%；H, Cl, F废物中H, Cl, F含量的质量百分率，%。)195 .35(9OH2FaH1.4 固体废物的可燃性n（2）热值与可焚烧性的关系n要使

6、固体废物维持燃烧，就要求其燃烧所释放出的热量足以提供废物达到燃烧温度所需要的热量和发生燃烧反应所需的活化能。否则，要维持燃烧，必须添加辅助燃料。n对生活垃圾来说，当QL3344 kJkg-1时不满足焚烧条件；n当3344kJ kg-1QL4180 kJ kg-1时，理论上不借辅助燃料可焚烧，但废热利用价值不大；n当4180QL6000 kJ kg-1时，可稳定焚烧，供热、电发皆稳定。 1.5 垃圾焚烧现状 n（1）国外 虽然世界各国垃圾的处理方式仍以填埋为主，但自20世纪70年代以来，垃圾的焚烧技术在发达国家得到了较快的发展。如日本的垃圾的焚烧比例在20世纪90年代中期已达75%（1900座）

7、，瑞士、比利时、丹麦、法国、卢森堡、瑞典、新加坡等国焚烧的比例也都接近或超过填埋。垃圾焚烧技术正逐步成为各国主要的垃圾处理方式。 1.5 垃圾焚烧现状n（2）国内 我国垃圾焚烧技术的研究起步于20世纪80年代中期，其时，“城市生活垃圾焚烧处理技术”被列入“八五”期间的国家科技攻关项目。目前，随着我国经济的高速发展、人们生活水平的提高、城市化进程的加快，城市垃圾的可燃成分大量增加，垃圾的热值明显提高，使焚烧技术成为近年许多城市解决垃圾出路的新趋势、新热点。特别是东部沿海地区和部分中心城市，正在或将要建设垃圾焚烧厂，如深圳（已建）、珠海（已建）、广州（在建）、上海、北京、顺德、中山、常州、厦门、北

8、海、沈阳等城市，将建设垃圾焚烧厂的任务提到了办事日程。 1.5 垃圾焚烧现状n深圳市1985年，引进日本三菱重工的垃圾焚烧技术、设备，建成我国第一座现代化垃圾焚烧发电厂（深圳市政环卫综合处理厂）。该厂1985年开工，1988年11月第一、二条生产线投产。每条生产线日处理垃圾150t。在“八五”攻关项目的基础上，又增建了150td-1的三号炉（国产化率达85%）。1.5 垃圾焚烧现状n广州市目前在建的垃圾焚烧发电厂为德国巴高克公司的成套技术和设备，总投资6.3亿元人民币。该项目投产后日处理垃圾1000td-1，减容90%，系统配置为2炉1机，所采用的技术为当今国际先进水平，烟气排放标准达到或超过

9、目前西欧国家同类设施的标准。广州生活垃圾焚烧发电厂投入运行n李坑生活垃圾焚烧发电厂 一期工程一期工程（20052005，1010，2323）一期是今年广州市重点工程项一期是今年广州市重点工程项目之一，项目总投资目之一，项目总投资7.257.25亿元亿元。此次投入运行的一期工程设计此次投入运行的一期工程设计日处理垃圾日处理垃圾10401040吨吨，占目前日，占目前日产生活垃圾量的约产生活垃圾量的约1/71/7；该厂年；该厂年发电发电1.31.3亿度亿度，能满足，能满足1010万户万户家家庭生活所需，是符合广州特点，庭生活所需，是符合广州特点，达到国内领先水平的垃圾焚烧达到国内领先水平的垃圾焚烧发

10、电厂。一期用地仅为发电厂。一期用地仅为3.23.2万平万平方米，是兴丰垃圾填埋场的方米，是兴丰垃圾填埋场的1/101/10。二期工程n根据广州市固体废物污染防治规划，李坑垃圾焚烧发电厂根据广州市固体废物污染防治规划，李坑垃圾焚烧发电厂二二期工程期工程总投资总投资1010亿元亿元，设计日处理生活垃圾，设计日处理生活垃圾20002000吨吨，将于，将于20072007至至20082008年建成投产。届时，该发电厂将成为世界最大的生活垃圾焚年建成投产。届时，该发电厂将成为世界最大的生活垃圾焚烧发电厂。烧发电厂。20102010年前，广州还将在年前，广州还将在大田山大田山建设一座日处理建设一座日处理3

11、0003000吨吨的生活垃圾焚烧发电厂的生活垃圾焚烧发电厂，广州生活垃圾焚烧处理量将达到每天，广州生活垃圾焚烧处理量将达到每天60006000吨的规模。届时，广州的垃圾处理将正式由目前的填埋为主，吨的规模。届时，广州的垃圾处理将正式由目前的填埋为主，转变为以焚烧发电为主。转变为以焚烧发电为主。n此次李坑垃圾焚烧发电厂的投入运行将大大缓解兴丰生活垃圾填此次李坑垃圾焚烧发电厂的投入运行将大大缓解兴丰生活垃圾填埋场的作业压力，标志着广州的生活垃圾处理方法和处理水平已埋场的作业压力，标志着广州的生活垃圾处理方法和处理水平已跨入世界先进水平。跨入世界先进水平。n李坑垃圾焚烧发电厂建设采用了多项世界领先的

12、环保技术，烟尘、二氧化硫、氮氧化物等排放标准远优于国家排放标准，与欧洲同类型垃圾焚烧厂水平相当，而运行的实时监测结果远小于这个标准。维也纳、巴黎等一些欧洲城市的垃圾焚烧发电厂建在了城市中心区域，有些还成了城市一大景观。 n广东省城市垃圾的发热量在全国是比较高的，特别是珠三角经济发达地区，如南海、佛山、顺德、珠海、汕头、深圳等城市，垃圾的热值达到7000 kJkg-1以上。目前广州垃圾的热值约5000kJkg-1左右，到广州垃圾焚烧发电厂建后可望达到6000kJkg-1，具备焚烧发电的基本要求。1.6 固体废物焚烧的控制因素 n（1）固体废物在焚烧炉中充分燃烧的条件：）固体废物在焚烧炉中充分燃烧

13、的条件：nA. 燃烧所需的氧气（空气）能充分供给；nB. 反应系统有良好的搅动（废物与氧良好的接触）；nC. 系统的操作温度必须足够高。n（2）基本控制因素：n 废物在焚烧炉中与空气接触的时间，即停留时间（）；n 废物与空气之间的混合量，即混合程度或湍流度（T）n 反应进行的温度（t）。 t1.6 固体废物焚烧的控制因素n（3）三者之间的关系）三者之间的关系( 3( 3T T 间的关系间的关系) ) E （燃烧效果） ttT我们用一个等边三角形三个边分别代温度、停留时间和混合程度或湍流度，用三角形的面积表示燃烧效果或效率，则由于某种原因，它的某个边变短了，那么，为保持同样大的面积（即燃烧效果）

14、，三角形的另二边就必须延伸。 例如：焚烧炉中，废物和空气的混合量减少了，就必须延长停留时间或提高温度，才能达到同样的燃烧效果。同样，炉温降低了，为达到同样的燃烧效果，就必须充分地搅动和延长停留时间。 1.7 焚烧（燃烧）效果 n在实际的燃烧过程中，因某种原因，其操作达不到理想效果，使得废物燃烧过程不完全，这就是燃烧效果问题。n评价焚烧效果的方法有：目测法、热灼减量法和CO法等。n(1)目测法：通过观察烟气的“黑度”来判断焚烧效果，烟气越黑，效果当然越差。n(2)热灼减量法：它是用焚烧炉渣中有机可燃物的量来评价焚烧效果的，可表示为 %100)1(fLSWWEES为焚烧效果，%；WL为单位质量炉渣

15、中热灼减量，kg；Wf为单位质量废物中的可燃物量，kg。1.7 焚烧（燃烧）效果n（3）CO法： %10022COCOCOgCCCEEg为燃烧效率，Eg越大，燃烧效果越好。 1.8 现代焚烧系统基本组成 废物预处理拚混喷雾筛分推出机破碎螺旋加料器加热吹管液体喷射转窑炉固定床流化床废气处理急冷文丘里添料塔热回收静电除尘器喷雾塔离子化IWS筛板塔袋式除尘器IWS*ESP预处理焚烧烟气处理除尘洗涤除尘器烟囱炉灰处理残余物处理焚烧脱水化学稳定安全填埋回收 中和化学处理POTW*图图6-3 焚烧系统组成图焚烧系统组成图IWS离子化湿式洗涤器；离子化湿式洗涤器；*公共废物处理厂公共废物处理厂 2燃烧反应过

16、程的动力学规律燃烧反应过程的动力学规律2.1 固体废物燃烧的异相反应特性 n2.1.1 2.1.1 固体废物焚烧的异相反应速度固体废物焚烧的异相反应速度n气固异相反应速度，是指单位时间、单位反应表面上物质的反应量，即： (,)d nrfTcA d t固体废物与O2反应通常包括以下几个步骤： O2自气相主体向反应表面的传递（扩散）； O2被反应表面吸附； 发生表面化学反应； 反应产物的脱附； 气相产物向表面气相主体的扩散。 2.1 固体废物燃烧的异相反应特性n上面各步骤串联进行，稳态时，各步速率相等，即： dzdcDAdtdnN（1 1）异相燃烧反应的动力区和扩散区）异相燃烧反应的动力区和扩散区

17、若O2的气相主体浓度为cb, 表面浓度为ci。则根据膜扩散理论，扩散通量为 ibdibdcckccDN反应速率 niiickr（6-1） （6-2） 式中，为表面反应速率；为表面反应速度常数 irik2.1 固体废物燃烧的异相反应特性n稳态时 diGNrr（6-3） 将式(6-1)和式(6-2)做如下变换（并用 代替Nd和ri），则式（6-1）变为 GrGribdGcckr（6-5） （6-4） 式（6-2）变为 ndGkr1= ci 消去未知的ci，即（6-4）+（6-5），得 + = cb dGkrniGkr1（6-6） 2.1 固体废物燃烧的异相反应特性n若为一级反应，则 dGkriGk

18、r+ = cb （6-7） （6-8） （6-9） idbGkkcr11该式即为同时考虑扩散和反应规律的表面反应速率表达式，且化学反应为一级。将式（6-8）写成 bGGckrididGkkkkk（6-10） “综合速率常数” 2.1 固体废物燃烧的异相反应特性n对式（6-10）进行讨论：n 当kikd时，例如高温区，则 bdGddidiGckrkkkkkk这种情况下，异相反应速率取决于气相反应介质（O2）向反应表面的扩散传质速度，称反应处于”扩散区”。 2.1 固体废物燃烧的异相反应特性n由此可见：n 若反应处于动力区，则强化燃烧过程的主要手段是提高系统的反应温度。n 若反应处于扩散区，则为了

19、强化燃烧过程则应设法增大传质系数，这可通过增加流体（气体）的流速，减少颗粒直径而达到。 2.1 固体废物燃烧的异相反应特性n因为 dDShkDdkShddDkd1 / 21 / 3122eCRS而 Sh = 式中，D为扩散系数；d 为特征尺寸（此处为颗粒直径）。 udReDSc当为层流时 Sh = 2故 dDkd2由此可知，若反应处于扩散区，可通过增加流体的流速和减少颗粒直径，来增大传质系数从而强化燃烧过程。 2.1 固体废物燃烧的异相反应特性n（2 2）固体的内部反应）固体的内部反应n上面我们介绍的反应是在固体表面上进行的。固体废物具有多孔性，O2可进入内部进行反应。n设固体颗粒的半径为R，

20、外表面积为A，颗粒内部单位体积所具有的内表面面积为Ai，则粒子的总反应表面积为 31343iiRAAARAA总（6-13） 24 rA)()31(内iiikcRAAdtdnr（6-14） )(内ickAk为有效反应速率常数。 2.1 固体废物燃烧的异相反应特性n 当温度很低时，化学反应速率很慢，则riNd ，可认为内表面上的氧气浓度等于ci， 则n 当温度很高时，化学反应速率很快，即 ，则 ，可认为内部反应基本停止，故 iickAr 22OiOdrN 0内iciiAkcr （2 2）固体的内部反应）固体的内部反应n动力学方程中的表面浓度ci，难以用试验测定，反应工程学中采用效率因子法和表观动力

21、学法，以主体浓度cb代替ci。n 表现动力学法 n将传递的影响因素归并于速率常数K之中，则K不仅由反应的特性决定，而且与传递特性有关，而本征动力学中的k则由化学因素决定。 biAKcrn 效率因子法 n即传递过程的影响归并于效率因子中。n虽然ci难以测定，但可通过传递方程得到ci与cb的关系。n以C粒的燃烧反应为例，设碳粒的半径为R，气相O2的浓度为。n假设该过程只有分子扩散存在，故对任何一半径为r的球形面来说，则氧气的扩散量为n（6-15）bikCAr2()bOc24rdrdcDq（2 2）固体的内部反应）固体的内部反应n对（6-15）求导 （6-16）)4(2rdrdcdrdDdrdq对稳

22、态过程，且不存在外部空间的反应，则dq=0。故 （6-17）042drrdrdcdrdDdq即 （6-18）02222drrdrdcrdrcdD（2 2）固体的内部反应）固体的内部反应0dr故 （6-19） 0222drdcrdrcdD,:,birccB CrRcc 时时求解式（6-19）得 （6-20）DRARkccibi311（2 2）固体的内部反应）固体的内部反应n根据 kGcb=kcin将（6-20）代入，得到表现速率常数DRAkkkiG)1(1式中，3R（6-21） 由式（6-21）可知，减小碳粒的直径，使扩散阻力减少（R/D），进而使反应速率加大。当R0时，有kG =k传递影响消除

23、。就是说，温度不变时，随着碳粒的烧烬，燃烧过程总是要进入动力区的。 R2.2 C和和H的燃烧反应机理及动力学特性的燃烧反应机理及动力学特性 n固体废物中可燃物质主要为C和H，因此，以C和H的燃烧反应为例，了解固体废物焚烧过程的本征动力学规律。n例如对一个简单反基元应来说：aA+bBcC+dDbBaAAAckcdtdcrDCBArrrrDCBArdcrbrra112.2 C和和H的燃烧反应机理及动力学特性的燃烧反应机理及动力学特性2.2.1 氢的燃烧反应机理及动力学氢的燃烧反应机理及动力学 n我们知道，对氢的氧化反应来说，其反应式是2H2+O22H2，则反应的动力学方程似乎应是：n但实际并非如此

24、。因为上式不是基元反应，惟基元反应才能按质量作用定律直接写出反应的速率方程。22222OHHHckcdtdcr2.2.1 氢的燃烧反应机理及动力学氢的燃烧反应机理及动力学n氢的的燃烧反应机理被认为是典型支链反应，其基本反应方程式如下：n 链的产生：nA H2+O22OHnB H2+2+MnC O2+O2O3+On 链的继续及支化nH+O2OH+OnOH+H2H2O+HnO+H2OH+Hn 器壁断链（链的终止）n别外还有空间断链，总之，、反应循环进行，引起原子数的不断增加。将链支化的三步相加，即nH+O2OH+On2OH+2H22H2O+2Hn+) O+H2OH+HnH+3H2+O22 H2O+

25、3Hn在三个反应中，的活化能最大（7.54104）, 和的活化能较小，因此，速率的控制步骤为步，则222OHHHckcdtdcr2.2.2 碳的燃烧反应机理及动力学 n（1）碳与氧的反应（即燃烧反应），有 n（2）C与CO2反应(g)CO(g)OC(s)2212212COCO409(kJ mol)2CO2CO246(kJ mol)1622COCOC2n（3）一氧化碳CO的氧化反应n2CO+O2=2CO2+571（kJmol-1）n由上述这些反应可见，初次反应和二次反应都生成CO和CO2。n根据对碳氧化反应机理的研究表明，碳与氧可结合成一种结构不定的质点（CxOy）。该质点或者在氧分子的撞击下分

26、解成CO和CO2，或者为简单的热力学分解。即n mCO2+nCOn CxOymCO2+nCOn生成CO2和CO的多少，即m和n值的大小，与温度有关。2yxOOO1）当温度低于12001300时，反应分两阶段进行，第一步是氧在石墨内迅速溶解，即4C+2O2=4C2(O2)（溶） （1）第二步，溶液在氧分子的撞击下缓慢分解，即4C2(O2)（溶）+O2=2CO+2CO2 （2）则总反应为4C+3O2=2CO+2CO2 （3）两个反应中，第（2）个反应较慢，决定着总反应的速率，对O2来说，属1级反应，因此，反应速率可表示为：22)exp(111OOpRTEApkr低温 （6-23）)(22)(232

27、3吸OCOC2)(22)(23COCOOC吸)exp(22RTEAkr高温2）当温度高于15001600时，同样，反应分两步进行，先是O2在碳晶格上的化学吸附，即 第二步是质点的热力学分解二式相加：3C+2O2=2CO+CO2 （6）热力分解的一步较慢，为控制步骤，该反应为0级反应，故 （6-24）n由以上分析可知：n 在高温条件下，增加O2的浓度，并不能提高反应速率；而低温时，增加O2的浓度可提高C的燃烧反应速率。n 燃烧时生成CO2与CO的比例，在低温时，为1 1，高温时为1 2。4焚烧系统焚烧系统 n4.1 焚烧系统概述n实际上，垃圾焚烧系统应包括整个垃圾焚烧厂，即从垃圾的前处理到烟气处

28、理整个过程。n此处的焚烧系统仅指垃圾进入焚烧炉内燃烧生成产物（气和渣）及排出的过程，即焚烧系统只涉及垃圾的接收、燃烧、出渣、燃烧气体的完全燃烧以及为保证完全燃烧助燃空气的供应等，如图6-4所示。4焚烧系统焚烧系统n4.1 焚烧系统概述n图图6-4 垃圾焚烧炉的燃烧过程垃圾焚烧炉的燃烧过程 输入固体废物燃烧空气燃烧气体燃烧固体垃圾焚烧炉CO2、H2O有害气体飞灰炉渣必要处理输出4焚烧系统焚烧系统n焚烧系统与前处理系统、余热利用系统、助燃空气系统、烟气处理系统、灰渣处理系统、废水处理系统、自控系统等密切相关。n但焚烧炉是焚烧过程的关键和核心，它为垃圾燃烧提供了进行的场所和空间，其结构和型式将直接影

29、响SW的燃烧状况和效果。 4焚烧系统焚烧系统nSW在焚烧炉中燃烧过程包括：n（1）固体表面的水分蒸发；n（2）固体内部的水分蒸发；n（3）固体中挥发性成分的着火燃烧；（4）固体碳的表面燃烧；n（5）完成燃烧（燃烬）。n（1）和（2）为干燥过程；（3）（5）为燃烧过程。 4焚烧系统焚烧系统n4.2 焚烧炉n从不同角度可对焚烧炉进行分类。n按焚烧室的多少可分为：单室焚烧炉和多室焚烧炉；n按炉型分为固定炉排炉、机械炉排炉、流化床炉、回转窑炉和气体熔融炉等。n4.2.4 机械炉排炉 n图6-8所示为机械炉排炉燃烧的概念图。 4焚烧系统焚烧系统n图图6-8 机械炉排炉燃烧的概念图机械炉排炉燃烧的概念图

30、火焰料斗原生垃圾二次助燃空气二次助燃空气完全燃烧辐射热辐射热定量供料器干躁段燃烧段燃烬 段燃烧用空气燃烧用空气燃烧用空气原生垃圾燃烧过程原生垃圾干燥气化燃烧火焰燃烧静态燃烧炉渣水蒸气还原性气体火焰灰炉渣图68 机械炉排炉燃烧的概念图燃烧完了点、剩余氧气4焚烧系统焚烧系统n机械炉排炉可大体分为三段：干燥段、燃烧段、燃烬段。n 干燥段干燥段。垃圾的干燥包括：炉内高温燃烧空气、炉侧壁以及炉顶的放射热的干燥；从炉排下部提供的高温空气的通气干燥；垃圾表面和高温燃烧气体的接触干燥；垃圾中部分的燃烧干燥。n利用炉壁和火焰的辐射热，垃圾从表面开始干燥，部分产生表面燃烧。干燥 垃圾的着火温度一般为200左右。如

31、果提供200以上的燃烧空气，干燥的垃圾便会着火，燃烧便从这部分开始。垃圾在干燥段上的停留时间约为30min。4焚烧系统焚烧系统n 燃烧段燃烧段。这是燃烧的中心部分。在干燥段垃圾干燥、热分解产生还原性气体，在本段产生旺盛的燃烧火焰，在后燃烧段进行静态燃烧（表面燃烧）。燃烧段和后燃烧段界线称为“燃烧完了点”。即使垃圾特性变化，但也应通过调节炉排速度而使燃烧完了点位置尽量不变。垃圾在燃烧段的停留时间约30min。总体燃烧空气的60%80%在此段供应。为了提高燃烧效果，均匀地供应垃圾，垃圾的搅拌混合和适当的空气分配（干燥段、燃烧段和燃烬段）等极为重要。空气通过炉排进入炉内，所以空气容易从通风阻力小的部

32、分流入炉内。但空气流入过多部分会产生“烧穿”现象，易造成炉排的烧损并产生垃圾熔融结块。因此，设计炉排具有一定且均匀的风阻很重要。4焚烧系统焚烧系统n 燃烬段。将燃烧段送过来的固定碳素及燃烧炉渣中未燃烬部分完全燃烧。垃圾在燃烬段上停留约1h。保证燃烬段上充分的停留时间，可将炉渣的热灼减率降至1%2%。 4焚烧系统焚烧系统n4.2.5 流化床焚烧炉n流化床以前用来焚烧轻质木屑等，但近年来开始用于焚烧污泥、煤和城市生活垃圾。其特点是适用于焚烧高水分的物质类等。流化床焚烧炉的流态化原理对选择流化床的结构和形式至关重要，根据风速和垃圾颗粒的运动而处于不同流区的流态化可分为：固定床、沸腾流化床（鼓泡流化床

33、）、湍动流化床和循环流化床（快床）（见图6-9）。 4焚烧系统焚烧系统n4.2.5 流化床焚烧炉n流化床以前用来焚烧轻质木屑等，但近年来开始用于焚烧污泥、煤和城市生活垃圾。其特点是适用于焚烧高水分的物质类等。流化床焚烧炉的流态化原理对选择流化床的结构和形式至关重要，根据风速和垃圾颗粒的运动而处于不同流区的流态化可分为：固定床、沸腾流化床（鼓泡流化床）、湍动流化床和循环流化床（快床）（见图6-9）。 4焚烧系统焚烧系统n图图6-9 流化床的原理流化床的原理风 速 /(cm/s)砂气 泡气 泡 破 裂临 界 流 化 速 度固 定 床空 气流 动 床分 散 板终 端 速 度空 气固 定 床垃 圾重

34、质 垃 圾沸 腾 流 化 床粒 子 循 环 流输 送 床空 气循 环 砂循 环 流 化 床旋 风 分 离 器4焚烧系统焚烧系统n图6-10所示为流化床的结构，一般将垃圾粉碎到20cm以下再投入到炉内，垃圾和炉内的高温流动砂（650800）接触混合，瞬时间气化并燃烧。未燃烬成分和轻质垃圾一起飞到上部燃烧室继续燃烧。一般认为上部燃烧室的燃烧占40%左右，但容积却为流化床层的45倍，同时上部的温度也比下部流化床层高100200，通常也称其为二燃室。n不可燃物沉到炉底和流动砂一起被排出，然后将流动砂和不可燃物分离，流动砂回炉循环使用。垃圾灰分的70%左右作为飞灰随着燃烧烟气流向烟气处理设备。流动砂可保

35、持大量的热量，有利于炉子再起动。 4焚烧系统焚烧系统n4.3 焚烧炉的比较 表表6-3 6-3 几种生活垃圾焚烧炉的比较几种生活垃圾焚烧炉的比较项 目机械炉排式焚烧炉流化床焚烧炉回转窑式焚烧炉熔融气化焚烧炉焚烧原理将垃圾供应到炉排上，助燃空气从炉排下供给，垃圾在炉内分干燥、燃烧和燃烬带垃圾从炉膛上部供给，助燃空气从下部鼓入，垃圾在炉内与流动的热砂接触进行快速燃烧垃圾从一端进入且在炉内翻动燃烧，燃烬的炉渣从另一端排出先将生活垃圾进行热解产生可燃性气体和固体残渣，然后进行燃烧和熔融，或将气化和熔融燃烧合为一体应 用早期应用最广的生活垃圾焚烧技术20年前日本开始用于焚烧城市生活垃圾高水分的生活垃圾和

36、热值低的垃圾常常采用近年开始应用于美国、德国、日本等发达国家最大能力/td-11200150200200前处理一般不需要因为是瞬时燃烧，入炉前需破碎到20cm以下一般不要 因炉型而异，有时需干燥和破碎烟气处理烟气含飞灰较高、除二恶英外，其余易处理烟气中含有大量灰尘，烟气处理较难，烟气量变动较大，所以对自动控制要求较高烟气除二恶英外其余易处理烟气含二恶英少，易处理二恶英控制燃烧温度较低，易产生二恶英较易产生二恶英较易产生二恶英不易产生二恶英炉渣处理设备简单复杂简单简单燃烧管理缓慢燃烧，管理较容易瞬时燃烧，管理较难比较容易气化和燃烧熔融为两个过程，燃烧管理达到前后热平衡等较难运行费比较便宜比较高较

37、低比较高维修方便较难较难较难焚烧炉渣需经无害化处理后才能被利用需经无害化处理后才能被利用需经无害化处理后才能被利用炉渣已经高温消毒，可利用减量比10:1(100t10t)10:1(100t10t)10:1(100t10t)12:1(100t8.3t)减容比37:1（333m38.9m3）33:1(333m310m3)40:1(400m310m3)70:1(333m34.8m3)5垃圾焚烧技术工艺垃圾焚烧技术工艺 n5.1 概述n生活垃圾焚烧厂的系统构成在不同的国家、研究机构有不同的划分方法，或由于垃圾焚烧厂的规模不同而具有不同的系统构成。但现代化生活垃圾焚烧厂的基本内容大体相同，其一般的工艺流

38、程框图可参见图6-12。 5垃圾焚烧技术工艺垃圾焚烧技术工艺 n图图6-12 垃圾焚烧厂的一般工艺流程框图垃圾焚烧厂的一般工艺流程框图 助燃空气系统锅炉给水系统自动控制系统前处理系统垃圾焚烧系统余热利用系统烟气处理系统灰渣处理系统废水处理系统5垃圾焚烧技术工艺垃圾焚烧技术工艺 n5.2 垃圾焚烧厂一般工艺流程n图6-13为某一垃圾焚烧厂主厂的工艺布置纵剖视图。 5垃圾焚烧技术工艺垃圾焚烧技术工艺n图图6-13 垃圾焚烧厂主厂房的工艺布置纵剖视图垃圾焚烧厂主厂房的工艺布置纵剖视图 5垃圾焚烧技术工艺垃圾焚烧技术工艺n5.2.1 前处理系统n垃圾焚烧厂前处理系统也可称为垃圾接收贮存系统，其一般的工

39、艺流程如下。n生活垃圾由垃圾运输车运入垃圾焚烧厂，经过地衡称重后进入垃圾卸料平台（也可称为倾卸平台），按控制系统指定的卸料门将垃圾倒入垃圾贮坑。 垃圾进厂地衡垃圾卸料垃圾贮坑5垃圾焚烧技术工艺垃圾焚烧技术工艺n5.2.2 垃圾焚烧系统n垃圾焚烧系统的一般工艺流程如下。垃圾贮坑吊车抓斗进料漏斗炉 排燃烧炉本体炉排驱动机构饲料器5垃圾焚烧技术工艺垃圾焚烧技术工艺n5.2.3 余热利用系统n设置余热锅炉的余热利用系统，其回收能量的方式有多种：（1）利用余热锅炉所产生的蒸汽驱动汽轮发电机发电，以产生高品位的电能，这种方式在现代化垃圾焚烧厂应用最广；（2）提供给蒸汽需求单位及本厂所需的一定压力和温度的蒸

40、汽；（3）提供热水需求单位所需热水。5垃圾焚烧技术工艺垃圾焚烧技术工艺n对于采用余热锅炉的垃圾焚烧厂，余热利用系统的工艺流程如下：焚烧炉预热锅炉汽轮发电机烟气处理设施供汽、供热水供电5垃圾焚烧技术工艺垃圾焚烧技术工艺n对于没有设置余热锅炉，采用喷水冷却方式的垃圾焚烧厂，其烟气冷却的工艺流程为： n有些垃圾焚烧厂，采用余热锅炉和喷水冷却相结合的方式，其工艺流程为： 焚烧炉喷水冷却设施烟气处理设施焚烧炉锅炉、喷水冷却设施烟气处理设施5垃圾焚烧技术工艺垃圾焚烧技术工艺n5.2.4 烟气处理系统n烟气处理系统主要是去除烟气中的固体颗粒、烟尘、硫氧化物、氮氧化物、氯化氢等有害物质，以达到烟气排放标准，减

41、少环境污染。n烟气处理系统一般有下列几种设备组合：5垃圾焚烧技术工艺垃圾焚烧技术工艺n前二种设备组合为目前各国垃圾焚烧厂通常采用的烟气处理系统，后一种设备组合可供烟气排放标准较低的地区，在建设小型垃圾焚烧厂时选用参考。 半干式反应塔袋式除尘器催化脱硝设备袋式除尘器催化脱硝设备湿式反应塔半干式反应塔水幕除尘器5垃圾焚烧技术工艺垃圾焚烧技术工艺n5.2.5 灰渣处理系统n灰渣处理系统一般有以下几种工艺流程： 炉渣湿式法炉渣贮坑炉渣半湿式法炉渣贮坑飞灰贮灰斗固化装置5垃圾焚烧技术工艺垃圾焚烧技术工艺n5.2.6 助燃空气系统n助燃空气系统是垃圾焚烧厂中的一个非常重要的组成部分，它为垃圾的正常燃烧提供

42、了必需的氧气，它所供应的送风温度和风量直接影响到垃圾的燃烧是否充分、炉膛温度是否合理、烟气中的有害物质是否能够减少。n助燃空气系统的一般工艺流程为： 余热利用系统送风机空气预热器焚烧炉5垃圾焚烧技术工艺垃圾焚烧技术工艺n5.2.7 废水处理系统n垃圾焚烧厂中废水的主要来源有：垃圾渗滤水、洗车废水、垃圾卸料平台地面清洗水、灰渣处理设备废水、锅炉排污水、洗烟废水等。不同废水中有害成分的种类和含量各不相同，因此也应采取不同的处理方法，但这种做法过于复杂，也不现实。通常按照废水中所含有害物的种类将废水分为有机废水和无机废水，针对这两种废水采用不同的处理方法和处理流程。 5垃圾焚烧技术工艺垃圾焚烧技术工

43、艺n废水的处理方法很多，不同的垃圾焚烧厂可采用不同的废水处理工艺。下面是一种常用的废水处理工艺流程。 有机废水过滤生物处理过滤(活性碳)灭菌排放无机废水过滤混凝沉淀混凝过滤过滤脱水再利用水槽补水再利用5垃圾焚烧技术工艺垃圾焚烧技术工艺n对于灰渣冷却水和洗烟用水等重金属含量较高的废水，其废水处理流程应具有去除重金属的环节。对于这类废水，常采用的废水处理工艺为：灰渣冷却水洗烟废水(水银挥散)重金属处理过滤活性碳塔排放5垃圾焚烧技术工艺垃圾焚烧技术工艺n5.2.8 自动控制系统n设施运行管理必须的数据处理自动化；n垃圾运输车及灰渣运输车的车辆管理自动化；n设备机器运行操作的自动化。 6固废焚烧过程中

44、烟气的产生及其控制固废焚烧过程中烟气的产生及其控制 n6.1 焚烧尾气中的污染物及其控制方法n6.1.1 6.1.1 烟气中的污染物烟气中的污染物n焚烧尾气中所含污染物的产生及含量，与废物的成份、燃烧速率、燃烧炉结构型式、燃烧条件、废物的进料方式等密切相关。垃圾焚烧产生的主要污染物有： 6固废焚烧过程中烟气的产生及其控制固废焚烧过程中烟气的产生及其控制n（1）不完全烧烧产物）不完全烧烧产物：CmHn化合物燃烧后主要产物为无害的水蒸气及CO2，它们均可以直接排入大气之中。不完全烧烧产物（PIC）主要有：CO，炭黑、烃、烯、酮、醇、有机酸及聚合物等；n（2）粉尘）粉尘：废物中的惰性金属盐类，金属氧

45、化物或不完全烧燃物质等；n（3）酸性气体）酸性气体：卤化氢（氟、氯、溴、碘），SOx(主要为SO2和SO3)，NOx，PO5，H3PO3（磷酸）等；n（4）重金属污染物）重金属污染物：包括铅、汞、铬、镉、砷等的元素态、氧化物及氯化物形态存在的污染物；n（5）二恶英）二恶英（Dioxin）：PCDDs/PCDFs6固废焚烧过程中烟气的产生及其控制固废焚烧过程中烟气的产生及其控制n6.1.2 6.1.2 控制方法控制方法n 不完全燃烧产物不完全燃烧产物：设计良好，操作正常的焚烧炉不完全燃烧物质的产生量极低，因此通常设计尾气处理系统时，不考虑对其进行处理；n 粉尘粉尘：洗涤器，布袋和静电除尘等；n

46、NOx:很难用一般方法去除，但因其含量低（约100mgL-1），通常是通过控制焚烧温度来降低NOx产生量；n SOx：城市垃圾和危险废物的含硫量很低（0.1%以下），尾气中少量SOx可经湿式洗涤设备吸收； 6固废焚烧过程中烟气的产生及其控制固废焚烧过程中烟气的产生及其控制n Br2、I2、HI等：目前尚无有效的去除方法，实际上因其含量甚低，一般情况，尾气处理系统并不考虑它们的去除；n HCl: 氯化氢是尾气中的主要酸性物质，其含量有几百mgL-1至几个百分比，必须将其降至1%以下。通常可通过洗涤器、填料塔吸收去除；n 重金属污染物：A.挥发性重金属污染物，部分在温度降低时可自行凝结成颗粒，于飞

47、灰表面凝结或被吸附，从而被除尘设备收集去除；B部分无法凝结及被吸附的重金属氯化物，可利用溶于水的特性，经湿式洗涤塔的洗涤液自废气中吸收下来。n Dioxin的去除，后面专门讲述。 6固废焚烧过程中烟气的产生及其控制固废焚烧过程中烟气的产生及其控制n6.1.3 6.1.3 典型空气污染控制设备简介典型空气污染控制设备简介n可分为干式、半干式和湿式三类：n（1）湿式处理流程：典型处理流程包括文式洗气器或静电除尘器与湿式洗气塔的组合。通常以文式洗气器或湿式电离洗涤器去除粉尘，填料吸收塔去除酸气。n（2）干式处理流程：典型处理流程由干式洗气塔与静电除尘器或布袋除尘器相互组合而成，以干式洗气塔去除酸气，

48、布袋除尘器或静由除尘器去除粉尘。n（3）半干式处理流程：典型处理过程由半干式洗气塔与静电除尘器或布袋除尘器相互组合而成，以半干式洗气塔去除酸气，布袋除尘器或静电集尘器去除粉尘。 6固废焚烧过程中烟气的产生及其控制固废焚烧过程中烟气的产生及其控制n6.2硫氧化物（SOx）的生成及控制n6.2.1 SOx的生成机理的生成机理n（1）SO2的生成n物料中的S在燃烧过程中与O2反应，主要产物有SO2和SO3，但SO3的浓度很低，约占SO2生成量的百分之几。n通常，当n1时，S将全部生成SO2。约有0.5%2.0%的SO2进一步氧化生成SO3。 6固废焚烧过程中烟气的产生及其控制固废焚烧过程中烟气的产生

49、及其控制n燃料中的可燃硫，在完全燃烧时，为：n SO2的生成量可按下式计算:n （6-119）n式中，VSO2为燃烧装置单位时间排出的SO2体积数，m3.h-1；S为物料的含硫量，重量%；t为燃烧温度（排烟温度），；B为单位时间消耗的燃料量，kgh-1。122SOS O7 0 .8 6 .k Jm o l2SO2730.7100273S BtV6固废焚烧过程中烟气的产生及其控制固废焚烧过程中烟气的产生及其控制n （6-120）nGSO2为燃烧装置单位时间排出的SO2质量。n （2）SO3的生成的生成n当n1时，SO2会氧化生成SO3。SO2氧化生成SO3是通过与离解的氧原子结合而生成的，即：

50、)(100212hkgBSGSO6固废焚烧过程中烟气的产生及其控制固废焚烧过程中烟气的产生及其控制n由此可见：SO3的生成量与氧原子的浓度O成正比。 OOO232SOOSOkk323SOkOSOkdtSOd6固废焚烧过程中烟气的产生及其控制固废焚烧过程中烟气的产生及其控制nGianbitz研究氧气浓度的影响时发现，在炉中火焰结束后的下游区域内，即使再增加氧气的浓度，SO3的浓度并不会增加。因此，SO3的生成量主要决定于火焰中生成的氧原子浓度O，即火焰中原子氧的浓度就越大，SO3的生成量也增加。nSO3的生成量与火焰末端温度有怎样的关系呢？n研究表明，火焰末端的温度越低，烟气中SO3的浓度越高。

51、火焰末端温度低使SO3生成量增加，实质上是由于火焰拖长使烟气停留时间增大的缘故。即停留时间越长，SO3的生成量就越多。因此，希望缩短火焰长度，减少停留时间，降低SO3，结论是为防止SO3生成量过大，火焰的中心温度不能太高，火焰不能拖得很长。 6固废焚烧过程中烟气的产生及其控制固废焚烧过程中烟气的产生及其控制n综上所述，影响SO3生成量的主要因素有：n 空气过量系数n越大，SO3的生成量就越多；n 火焰中心温度越高，生成的SO3也越多；n 烟气停留时间越长，SO3越多；n 燃料中的含硫量越多，SO2和SO3越多。 6固废焚烧过程中烟气的产生及其控制固废焚烧过程中烟气的产生及其控制n6.2.2 6

52、.2.2 SOSOx x的控制的控制n（1）流化床燃烧脱硫）流化床燃烧脱硫n流化床燃烧总体上讲是一种低温燃烧过程，炉内存在局部还原气氛，SOx基本上不生成。n流化床燃烧脱硫，使用的脱硫剂通常为石灰石。将石灰石粉碎成粒径约为2mm左右的颗粒，与固体废物同时加入炉内，在8501050下燃烧，石灰石受热分解析出CO2，形成多孔的CaO进而与SO2作用，生成硫酸盐，达到固硫的目的，反应式如下： 6固废焚烧过程中烟气的产生及其控制固废焚烧过程中烟气的产生及其控制n脱硫剂用量及流化速度对脱硫率的影响n脱硫剂的用量用钙与硫的摩尔比表示，即24223COCaSOO21SOCaCO2241C aOSOOC aS

53、O2OHCaSSHCaO222223COOHCaSSOCaCO32/S40/Ca的含量燃料消耗量的含量脱硫剂消耗量6固废焚烧过程中烟气的产生及其控制固废焚烧过程中烟气的产生及其控制n（2）低氧燃烧）低氧燃烧n如前所述，SO3的生成量主要与烟气中氧的浓度有关。降低剩余氧的浓度，可便SO3下降。因此，低氧燃烧可有效地控制因硫燃烧造成的危害。n注意：低氧燃烧时，将会使烟气中粉尘浓度增大，不完全燃烧增大，炉内火焰变暗，烟囱冒黑烟冒黑烟。因此，进行低氧燃烧时，应采取一定的技术措施，使燃烧设备更加完善，尽量使之在接近理论空气量的条件下完全燃烧。 6固废焚烧过程中烟气的产生及其控制固废焚烧过程中烟气的产生及

54、其控制n6.3 氮氧化物（NOx）的生成和控制方法n6.3.1 6.3.1 NONOx x的形成、分类及危害的形成、分类及危害n（1）形成和分类）形成和分类nNOX包括：NO，NO2、N2O，N2O3，N2O4、N2O5等，但燃烧过程中，生成的NOX，几乎全是NO和NO2。通常所指的NOX就是NO和NO2。n燃烧过程生成的NOX，按其形成过程可分为三类。6固废焚烧过程中烟气的产生及其控制固废焚烧过程中烟气的产生及其控制n温度型NOX（或称热力型NOX）指空气中的N2，在高温下氧化而形成的NOX；n燃料型NOX燃料中所含氮的化合物在燃烧时氧化而形的NOX；n快速温度型NOX（亦称瞬时NOX）当燃

55、料过浓时燃烧产生的NOX。 6固废焚烧过程中烟气的产生及其控制固废焚烧过程中烟气的产生及其控制nNO是一种无色无臭的气体，分子量30.01，其熔点为-161，沸点-152，NO略溶于水，它在空气中易氧化为NO2。nNO2是一种棕红色有害恶臭气体。其含量为0.1ppm时即可嗅到；14ppm时，有恶臭，达到25ppm时，则恶臭难闻。它的分子量为46.01，密度为空气的1.5倍。nNOX在空气中的含量始终处于变动之中，在一天之中也有变化，即有日变化，也有季节变化。对于日变化来说，在一天当中，早上最高，傍晚次高，午后最低。在一年当中，冬季高，夏季低。 6固废焚烧过程中烟气的产生及其控制固废焚烧过程中烟

56、气的产生及其控制n（2）危害）危害n NOX对人的危害n当空气中NO2含量3.5ppm持续1hr时，开始对人有影响；含量为2050ppm时，对人眼睛有刺激作用；含量达到150ppm时，对人的呼吸器官有强烈的刺激作用。n另外，NO2参与光化学烟雾的形成，其毒性更强。n 对森林和作物生长的危害n酸雨是由硫酸、硝酸以及少量的碳酸和有机酸的稀释液组成。它们对作物生长和林木有危害和破坏作用。n NOX对全球气候变化的影响n破坏臭氧层，造成温室效应（CO2起一半作用），其它还有氯氟化碳、氧化亚氮、甲烷等。 6固废焚烧过程中烟气的产生及其控制固废焚烧过程中烟气的产生及其控制n6.3.2 温度型温度型NOX的

57、生成机理及控制的生成机理及控制n策尔多维奇研究了策尔多维奇研究了NO的生成机理，他指出，在燃料稀的生成机理，他指出，在燃料稀薄的火焰中，薄的火焰中，NO的生成是在火焰带的后端进行的，的生成是在火焰带的后端进行的，NO的生成过程可用如下链反应表示：的生成过程可用如下链反应表示： 1-12N + ONO+ Nkk 112N+ ONO+ Okk 6固废焚烧过程中烟气的产生及其控制固废焚烧过程中烟气的产生及其控制n则NO的生成速率和N的生成速率为：n （6-122）n根据“拟稳态”原理，假定在很短的时间内，N的生成速率=N的消失速率，即N不随时间变化。 ONOONNNOONNO222121kkkkdt

58、dNOONONONONN222121kkkkdtd N 0dd t6固废焚烧过程中烟气的产生及其控制固废焚烧过程中烟气的产生及其控制n将式（6-125）代入式（6-122），整理得到： 122122N ONOONNOO kkkk2122212122N O ONO ONO2NO + k O k kkkddtk因为 ，且k2、k-1基本是一个数量级，所以 ，故式（6-126）可简化为： 2O NO122NOO kk221ONkdtNOd（6-127） 6固废焚烧过程中烟气的产生及其控制固废焚烧过程中烟气的产生及其控制n又，氧气的离解反应处于平衡状态，即2OO+ O21/ 21/ 21/ 22022

59、OOO O O KKK（6-128） 代入式（6-127）得 1 / 20122N O 2NOdK kdt（6-129） 令RTekKK54200014101032（6-130） K称为策尔多维奇常数。 6固废焚烧过程中烟气的产生及其控制固废焚烧过程中烟气的产生及其控制n故 （6-131）n式（6-131）称为策尔多维奇NO生成速率表达式。n将式（6-131）改写成n燃烧过程中，N2基本不变，因此，影响NO生成量的主要因素为温度T，O2，反应时间或停留时间。根据策尔多维奇公式，控制NO生成量的方法如下：n 降低燃烧温度水平； 降低氧气浓度； 缩短在高温区内的停留时间。 141/ 254200/

60、22NO3 10 N O RTdedt141/ 2542000 /22NO310N O RTdedt（6-132）6固废焚烧过程中烟气的产生及其控制固废焚烧过程中烟气的产生及其控制n6.3.3 降低降低NOX生成的燃烧技术生成的燃烧技术n（1）低氧燃烧法）低氧燃烧法n低氧燃烧法就是采用低空气消耗（过剩）系数n运行的燃烧方法来降低氧气浓度，从而降低NOX的生成量。低氧燃烧也能降低SOX的生成量。n通常炉中的n=1.101.40，也就是说燃烧是在理论空气量的1.101.40倍的条件下进行的。n低空气消耗系数运行就是要尽可能降低空气供给量，使空气中的氧气完全与燃料化合，使空气中的N或燃料N不被氧化，