城市生活垃圾的焚烧处理

第8章城市生活垃圾的焚烧1概述1.1概念焚烧是指在高温焚烧炉内（800~1000℃），固体废物中的可燃成分与空气中的氧发生剧烈的热化学反应，被转化成高温烟气和性质稳定的固体残渣，并放出热量的过程。1.2目的（1）减容（80%~90%）——减量化；（2）回收能源——资源化；（3）解毒、除害——无害化。1.3焚烧技术概况（1）产生于19世纪80年代，20世纪70年代广泛应用。（2）日本：垃圾焚烧发电厂2000座，生活垃圾焚烧处理占总量75%。（3）美国：最大垃圾焚烧厂，4300t/d.（4）我国：10%生活垃圾焚烧处理，适用于沿海经济发达地区和土地资源紧张地区。2焚烧原理2.1焚烧过程1、干燥阶段：是指从物料送入焚烧炉起，到物料开始析出挥发成分和着火这段时间。2、燃烧阶段：包含3个同时发生的化学反应过程。（1）强氧化反应（2）热解（3）原子基团碰撞（火焰）3燃尽阶段：是指主燃烧阶段结束至燃烧完全停止这段时间。2.2焚烧产物1、从化学成分看有机碳——CO2

H——H2O，有F或Cl存在时可能有HF、HCl有机硫和有机磷——SO2、SO3、P2O5有机氮——N2为主，少量氮氧化物有机氟化物——HF，氢不足会出现CF4有机氯——氯化氢（氢气不足有游离氯气产生）有机溴化物、碘化物——HBr、Br2、I2金属——卤化物、硫酸盐、磷酸盐、碳酸盐、氢氧化物和氧化物2、从形态上看焚烧产物表现为烟气、飞灰、炉渣三部分。（1）烟气：焚烧过程中产生的酸性气体、粉尘、气化的重金属及其反应产物、二噁英及不完全燃烧产物的微小颗粒。（2）飞灰：焚烧尾气污染控制设备收集的微细颗粒，包括：微细灰分、未燃物颗粒、高温蒸发汽化盐类及重金属等在后续冷却过程中凝缩形成或发生化学反应而生成的物质、中和反应物和未反应的碱剂等。（3）炉渣包括：炉床上炉条间细缝落下的细渣、焚烧后由炉床尾端排出的底灰、沉落的锅炉灰等。主要产物是烟气75%，其次是炉渣，飞灰量最少。2.3焚烧效果评价指标1、热灼减率2、燃烧效率3、焚毁去除率3影响焚烧过程的因素废物性质焚烧温度（Temperature）——废物中有害组分在高温下氧化、分解直至破坏所须达到的温度。气体停留时间（Time）——燃烧气体在燃烧室内停留的时间。并不是指废物在焚烧炉内停留的时间。搅拌混合程度（Turbulence）过剩空气率3.1废物性质热值、组分、含水量、尺寸。热值越高，易燃物含量高，含水率低，尺寸小单位比表面积大，燃烧越容易进行完全。3.2焚烧温度(Temperature)废物的焚烧温度是指废物中有害组分在高温下氧化，分解直至被破坏所需达到的温度。它一般比废物的着火温度高得多。一般地，提高焚烧温度有利于废物中的有机毒物的分解和破坏，并可抑制黑烟的产生。但过高的温度不仅增加了燃料的消耗量，而且会增加废物中金属的挥发量及氧化氮的数量，引起二次污染。因此不宜随意确定较高的焚烧温度。经验数据：大多数有机物的焚烧温度在800~1100℃之间，通常在800~900℃左右。废气的脱臭处理，800~950℃含氯化合物的焚烧，温度在800~850℃以上时，氯气可以转化为氯化氢，可以回收利用；低于800℃会生成氯气，难以去除。焚烧可能会产生氧化氮的废物，温度控制在1500℃以下。高温焚烧是防治PCDD与PCDF的最好方法，估计在925℃以上这些毒性有机物即开始被破坏，足够的空气与废气在高温区的停留时间可以再降低破坏温度。3.3停留时间（Time）废物中有害组分在焚烧炉内处于焚烧条件下，该组分发生氧化、燃烧，使有害物质变成无害物质所需的时间称之为焚烧时间。停留时间是指燃烧气体在燃烧室内停留的时间。停留时间的长短会直接影响焚烧的效果，尾气组成等，也是决定炉体容积尺寸和燃烧能力的重要依据。停留时间由许多因素决定，如废物的形态（颗粒大小、液体雾化后液滴的大小以及粘度等）对停留时间的影响很大，如粒径小时，与空气接触表面积大，则氧化燃烧条件就好，停留时间可短些。经验数据：垃圾焚烧，温度850~1000℃，停留时间1~2s。一般有机废液，0.6~1s；含氰废液约3s。废气，一般在1s以下。3.4搅拌混合强度（Turbulence）要使废物燃烧完全，减少污染物形成，必须使废物与助燃空气充分接触，燃烧气体与助燃空气充分混合。为增大固体与助燃空气的接触和混合程度，搅动方式是关键所在。焚烧炉所采用的搅动方式有空气流搅动、机械炉排搅动、流态化搅动及旋转搅动等。其中流态化搅动效果最好。3.5过剩空气率在实际的燃烧系统中，氧气与可燃物质无法完全达到理想程度的混合及反应。为使燃烧完全，需要加上比理论空气量更多的助燃空气量。过剩空气系数：过剩空气率：废物焚烧所需空气量，是由废物燃烧所需的理论空气量和为了供氧充分而加入的过剩空气量两部分所组成的。空气量供应是否足够，将直接影响焚烧的完善程度。过剩空气率过低会使燃烧不完全，甚至冒黑烟，有害物质焚烧不彻底；但过高时则会使燃烧温度降低，影响燃烧效率，造成燃烧系统的排气量和热损失增加。因此控制适当的过剩空气量是很必要的。理论空气量可根据废物组分的氧化反应方程式计算求得，过剩空气量则可根据经验或实验选取适当的过剩空气系数后求出。如果废物内所含的有机组分复杂，难以对各组分一一进行理论计算，则须通过试验予以确定。经验数据：焚烧废液、废气时，过剩空气量一般取20%~30%的理论空气量；焚烧固体废物时，需要较高的数值，通常为理论需氧量的50%~90%，过剩空气系数1.5~1.9，有时甚至在2以上。3.6控制参数的关系气体停留时间由燃烧室几何形状、供应助燃空气速率和废气生产率决定；助燃空气供应量直接影响到燃烧室中的温度和流场混合程度，燃烧温度影响垃圾焚化的效率。焚烧温度和停留时间有密切关系。焚烧四要素的互动关系

参数变化搅拌混合强度气体停留时间燃烧室温度燃烧室负荷燃烧温度上升可减少可减少——

会增加过剩空气率增加会增加会减少会降低会增加气体停留时间长可减少——

会降低会降低4焚烧工艺系统4.1焚烧工艺流程4.2系统组成预处理、储存及进料系统——垃圾储坑、抓斗、进料斗、故障排除及监视系统。焚烧系统——燃烧室、炉床废热回收系统——锅炉路管、过热器、节热器、蒸汽导管安全阀、炉管吹灰设备等。发电系统——发电机饲水处理系统——饲水处理站废水处理系统——废水处理站废气处理系统——静电集尘器/滤袋集尘器、湿式洗烟塔/干式或半干式洗烟塔灰渣收集及处理系统——固化底灰和飞灰。1、预处理、贮存及进料系统：本系统由垃圾贮坑、抓斗、破碎机（有时可无）、进料斗及故障排除/监视设备组成。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，可让垃圾在炉床上翻转及燃烧。3、废热回收系统：锅炉炉水循环系统为一封闭系统，炉水不断在锅炉管中循环，经由不同的热力学相变化将能量释出给发电机。炉水每日需冲放以泄出管内污垢，损失的水则由饲水处理厂补充。314、发电系统：由锅炉产生的高温高压蒸汽，被导入发电机后，在急速冷凝的过程中推动了发电机的涡轮叶片，产生电力，并将未凝结的蒸汽导入冷却水塔，冷却后贮存在凝结水贮槽，经由饲水泵再打入锅炉炉管中，进行下一循环的发电工作。5、饲水系统：饲水子系统的主要工作为处理外界送入的自来水或地下水，将其处理到纯水或超纯水的品质，再送入锅炉水循环系统，其处理方法为高级用水处理程序：一般包括活性炭吸附、离子交换及逆渗透等单元。6、废气处理系统：从炉体产生的废气在排放前必须先行处理到符合排放标准。7、废水处理系统：由锅炉泄放的废水、员工生活废水、实验室废水或洗车废水所收集来的废水，可以在废水处理厂一起综合处理，达到排放标准后再排放或回收再利用。废水处理系统一般由多种物理、化学或/和生物处理单元所组成。8、灰渣收集及处理系统：由焚烧炉体产生的底灰及废气处理单元所产生的飞灰，有些厂采用合并收集方式，有些则采用分开收集方式，国外一些焚烧厂将飞灰进一步固化或熔融后，再合并底灰送到灰渣填埋场处置，以防止吸附在飞灰上的重金属或有机性毒物产生二次污染。5焚烧设备焚烧炉的结构形式与废物的种类、性质和燃烧形态等因素有关。主要有炉排型焚烧炉、炉床型焚烧炉和流化床焚烧炉。1、炉排型焚烧（1）固定炉排焚烧炉（2）活动炉排焚烧炉2、炉床焚烧炉：（1）固定炉床焚烧炉（2）活动炉床焚烧炉

3、流化床焚烧炉1、炉排型焚烧炉将废物置于炉排上进行焚烧的炉子，有固定炉排和活动炉排两种焚烧炉（1）固定炉排：只能手工操作、间歇运行，劳动条件差、效率低，拨料不充分时焚烧不彻底。只适用于焚烧少量的易燃性废物。实际应用较多的是活动式炉排焚烧炉，即机械炉排焚烧炉。39不适宜焚烧含有大量粒状废物及废塑料等废物①链条式炉排由连续不断地运动着的履带组成。易出现局部燃烧不完全现象，较少使用。（2）活动炉排焚烧炉40不适宜处理细微粒和塑料等低熔点废物②阶梯往复式为倾斜床面，其中固定和可动炉排纵向交错配置，有阶段落差。2炉床焚烧炉（1）固定炉床焚烧炉——螺旋式42（2）活动炉床－炉床是可动的，可使废物在炉床上松散和移动，以改善焚烧条件，进行自动加料和出灰操作。活动炉床：转盘式、隧道式、回转式。旋转窑焚烧炉：应用最多的活动炉床焚烧炉。它是一个略微倾斜而内衬耐火砖的钢制空心圆筒，窑体通常很长，通过炉体整体转动达到固体废物均匀混合并沿倾斜角度向出料端移动。根据燃烧气体和固体废物前进方向是否一致，旋转窑焚烧炉分为顺流和逆流两种。前者常用于处理高挥发性固废；后者常用于处理高水分固废。温度分布大致为：干燥区200~400℃，燃烧区700~900℃，高温熔融烧结区1100~1300℃43旋转窑焚烧炉的优缺点3、流化床焚烧炉利用炉底分布板吹出的热风将废物悬浮气呈沸腾状进行燃烧。一般常采用中间媒体即载体(砂子)进行流化，再将废物加入到流化床中与高温的沙子接触、传热进行燃烧。目前工业应用的流化床有气泡床和循环床两种类型。前者多用于处理城市垃圾和污泥；后者多用于处理有害工业废物。焚烧温度多保持在750~850℃。6焚烧热能的回收利用现代焚烧厂通常都设有：焚烧尾气冷却和废热回收系统，功能如下：（1）调节焚烧尾气温度，一般使之冷却至220～300℃之间，以便进入尾气净化系统。通常情况下,尾气净化处理设备仅适于在小于300℃的温度范围内操作，故焚烧炉所排放的高温尾气调节或操作不当，会降低尾气处理设备的效率及寿命，造成焚烧炉处理量的减少，甚至还会导致焚烧炉被迫停炉。同时避免高温尾气热污染（2）回收废热，通过各种方式利用废热，降低焚烧处理费用。目前所有中大型垃圾焚烧厂几乎均设置了汽电共生系统。6.1垃圾焚烧可利用热值例：某固体废物含可燃物60%，水分20%，惰性物20%，固体废物的元素组成为碳28%，氢4%，氧23%，氮4%，水分20%，灰分20%，假设①固体废物的热值为14500kJ/kg。②炉渣残渣含碳量5%，碳的热值为32564kJ/kg。③废物进入炉膛的温度为65℃，离开炉栅的残渣温度为650℃，残渣的比热为0.323kJ/(kg℃)。④水的气化潜热为2420kJ/kg。⑤废物燃烧造成的热辐射损失为热值的1.5%，试计算此废物燃烧的可利用热值。1kg固废：碳28%，氢4%，氧23%，氮4%，水分20%，灰分20%。燃烧残渣中的灰分：1*20%=0.2kg。燃烧残渣中5%的炭解：设固体废物为1kg，则：燃烧产生的总热量Q=1×14500=14500kJ废物燃烧的可利用热量=Q－（未燃尽碳损失Q1+残渣带走的热量Q2+水汽化潜热损失Q3+热辐射损失Q4）6.2烟气余热回收方式尾气的冷却可分为直接式及间接式两种类型。1、直接式冷却是利用惰性介质直接与尾气接触以吸收热量，达到冷却及温度调节的目的。水具有较高的蒸发热(约2500kJ/kg)，可以有效降低尾气温度，产生的水蒸气不会造成污染，因此水是最常使用的介质。空气的冷却效果很差，必须引入大量空气，会造成尾气处理系统容量增加(二倍至四倍多，视进气温度而异)，很少单独使用。2、间接冷却方式是利用传热介质(空气、水等)经由废热锅炉、换热器、空气预热器等热交换设备，以降低尾气温度，同时回收废热，产生水蒸气或加热燃烧所需的空气。直接喷水冷却与间接冷却是调节及冷却焚烧尾气的最常用的两种方式，其优缺点、适用条件和范围如下表所示。注：（1）中小型焚烧厂，大多采用喷水冷却方式来降低焚烧炉废气温度。（2）如果焚烧炉每炉的垃圾处理量达150t/d，且垃圾热值达7500kJ/kg以上时，燃烧废气的冷却方式宜采用废热锅炉进行冷却。（3）大型垃圾焚烧厂具有规模经济的效果，宜采用废热锅炉冷却燃烧废气，产生水蒸气，用于发电。危险废物焚烧厂也多采用间接冷却方式。（4）一般来说，采用间接冷却方式可提高热量回收效率，产生水蒸汽并用于发电，但投资及维护费用也较高，系统的稳定性较低；直接喷水冷可降低初期投资及增加系统稳定性，但不仅造成水量的消耗，而且浪费能源。6.3烟气余热利用方式1、蒸汽发电2、提供蒸汽3、提供热水7焚烧烟气控制技术7.1烟气污染物组成1、不完全燃烧产物（PIC):燃烧不良时产生的副产品，包括CO、炭黑、烃、烯、醛、醇、酮、有机酸和聚合物。2、粉尘：指废物中的惰性金属盐类、金属氧化物或不完全燃烧物质。3、酸性气体：包括HCl、卤化氢、硫氧化物（SO2及SO3）氮氧化物（NOx）以及五氧化二磷（P2O5)和磷酸。4、重金属污染：包括铅、汞、铬、镉、砷等的元素态、氧化物和氯化物等。5、二噁英PCDDs/PCDFs焚烧烟气需净化处理，达到《生活垃圾焚烧污染控制标准》（GB18485-2001）的要求。7.2酸性气体控制技术1、湿式洗气法2干式洗气法3半干式洗气法半干式洗气塔实际上是一个喷雾干燥系统，利用高效雾化器将消石灰泥浆从塔底向上或从塔顶向下喷入干燥吸收塔中。尾气与喷入的泥浆要成同时向流或逆向流的方式充分接触并产生中和作用。由于雾化效果佳，气、液接触面大，不仅可以有效降低气体的温度，中和气体中的酸气，并且喷入的消石灰泥浆中水分可在喷雾干燥塔内完全蒸发，不产生废水。7.3重金属控制技术1、除尘器除去（干式/半干式洗气+袋式除尘器）2、活性炭吸附（吸附除汞）3、化学药剂法（Na2S除汞）4、湿式洗气塔（CuCl2+螯合剂除汞）7.4二噁英控制技术1、二噁英性质2、

二噁英生成（1）废物成分（2）炉内形成：燃烧状况不良时，碳氢化合物可能与氯化物结合形成。（3）炉外低温再合成：燃烧不完全时产生的分解温度较高的氯苯及氯酚等物质，可能被飞灰中的碳元素吸收，并在特定的温度范围内（250~400℃，300℃时最显著），在飞灰颗粒的活性接触面上（CuCl2及FeCl2），被金属氯化物催化反应生成PCDDs/PCDFs。（4）废物中含有的PCB（多氯联苯）等的分解或组合，也是形成PCDDs/PCDFs的一个重要机制。3二噁英控制方法1）控制来源：通过分类收集或预分拣控制生活垃圾中氯和PCDDs/PCDFs含量高的物质进入垃圾焚烧厂;2）控制“3T”：a.控制燃烧温度：二噁英的最佳生成温度为300℃，但是在400℃以上时，仍然有二噁英生成的可能。当温度达到800—900℃时，二噁英将无法生成。因此，维持燃烧温度高于800℃是防止二噁英生成的首要条件；b.气体停留时间：在炉膛及二次燃烧室内的停留时间不小于2s;69c.湍流：优化炉型和助燃空气的喷入方法，使烟气充分搅拌以提高燃烧效率：因为二噁英的生成与燃烧效率有直接的关系，CO中的碳可能参与二噁英的生成反应。因此，供氧充足，减少CO的生成，可以间接地减少二噁英的生成；烟气中比较理想的CO浓度指标是低于60mg/m3。3）加强烟道气温度控制：一般新建的大型垃圾焚烧厂都有废热回收系统，烟道气自燃烧室进入该系统后，温度将逐渐降低至250—450℃左右，而此温度范围又恰巧是：二噁英生成反应（DeNovo合成反应）的最佳区域，因此，必须将焚烧炉出来的烟气在短时间内骤降至150℃以下，以确保有效遏止二噁英的再生成；704）化学加药：向烟道中喷入NH3或喷入CaO等吸收HCl，以抑制氯苯或氯苯酚等前驱物质的生成。5）选用新型袋式除尘器，控制除尘器入口处的烟气温度低于200℃，并在进入袋式除尘器的烟道上设置活性碳等反应剂的喷射装置，进一步吸附二噁英;6）由于二噁英可以在飞灰上被吸附或生成，所以对飞灰应用专门容器收集后作为有毒有害物质送安全填埋场进行无害化处理，有条件时可以对飞灰进行低温（300～400℃）加热脱氯处理，或熔融固化处理后再送安全填埋场处置，以有效地减少飞灰中二噁英的排放。7.5飞灰的控制与处理1、飞灰的捕集72焚烧尾气中粉尘的主要成分为惰性无机物，如灰分。无机盐类、可凝结的气体污染物质及有害的重金属氧化物，其含量在450～22500mg/m3之间，视运转条件、废物种类及焚烧炉型式而异。一般来说，固体废物中灰分含量高时，所产生的粉尘量多，颗粒大小的分布亦广，液体焚烧炉产生的粉尘较少。73除尘设备的种类主要包括重力沉降室、旋风（离心）除尘器、喷淋塔、文式洗涤器、静电除尘器及布袋除尘器等。重力沉降室、旋风除尘器和喷淋塔等无法有效去