第8章 城市生活垃圾的焚烧处理

1、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（8001000），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

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 HH2O，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

3、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

4、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

5、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8001100之间，通 常在800900左右。 废气的脱臭处理， 800950 含氯化合物的焚烧，温度在800850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

6、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8501000 ，停留时间12s。 一般有机废液，0.61s；含氰废液约3s。 废气，一般在1s以下。 3.4 搅拌混合强

7、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： 之间1.9到1.5常在1.5,m A A 理论论空气 实际供应空气量 m 0 %1001 m过剩空气率 废物焚烧所需空气量，是由废物燃

8、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

9、较高的数值，通常为理论 需氧量的50%90%，过剩空气系数1.51.9，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

10、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

11、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。 31 4、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

12、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

13、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 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

14、适宜处理细微粒 和塑料等低熔点废 物 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 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750850。 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

15、）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 各种热损失 焚烧获得的总热量焚烧后实际可利用热量 固体废物总质量 各组成物质量）（各组成物热值 固体废物总热值 例：某固体废物含可燃物60%，水分20%，惰性物

16、 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%，假设固体 废物的热值为14500kJ/kg。炉渣残渣含碳量5%， 碳的热值为32564kJ/kg。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)。水的气化潜热为2420kJ/kg。 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=

17、114500=14500 kJ 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） kJQ78.342325640105.032564)2 .0 05.01 2 .0 ( 1 kJQ78.39)65650(323. 0 05. 01 2 . 0 2 kJQ kJQ 50.217%5 . 114500 20.1355)04. 092 . 0(2420 4 3 kgkJ QQ i i /74.12544 0 . 1 50.21720.135578.3978.34214500 4 1 废物总重 总热量 可利用热值 6.2 烟气余热回收方式 尾气的冷

18、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

19、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

20、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（P2 O5 )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

21、技术 1、湿式洗气法 图4-4-82 湿式洗气塔的构造 喷淋 填充物 液体 填料吸收 塔 填料支撑 喉部 冷却部 液滴输入 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

22、（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（250400 ，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

23、：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 800900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; 69 c. 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

24、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250450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； 70 4）化学加药化学加药：向烟道中喷入：向烟道中喷入NH3或喷入或喷入CaO等吸收等吸收 HCl，以抑制氯苯或氯苯酚等前驱物质的生成。，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选用新型袋式除尘器，控制除尘器入口处的烟气，

25、控制除尘器入口处的烟气 温度低于温度低于200，并在进入袋式除尘器的烟道上设置，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，进一步吸附二活性碳等反应剂的喷射装置，进一步吸附二噁噁英英; 6）由于二）由于二噁噁英可以在飞灰上被吸附或生成，所以对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埋场进行无害化处理，有条件时可以对飞灰进行低温 （300400）加热脱氯处理，或熔融固化处理后再）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

26、二送安全填埋场处置，以有效地减少飞灰中二噁噁英的排英的排 放。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，其含量在重金属氧化物，其含量在45022500mg/m3之间，之间， 视运转条件、废物种类及焚烧炉型式而异。一般视运转条件、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，液体焚烧炉产生的量多，颗粒大小

27、的分布亦广，液体焚烧炉产生的 粉尘较少。粉尘较少。 73 除尘设备的种类主要包括重力沉降室、旋风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（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 淋塔等无法有效去除淋塔等无法有效去除510微米的粉尘，只能视为除微米的粉尘，只能视为除 尘的前处理设备。尘的前处理设备。静电集尘器、文式洗涤器及布袋静电集尘器、文式洗涤器及布袋 除尘器除尘器等三类为固体废物焚烧系统中最主要的除尘等三类为固体废物焚烧系统中最主要的除尘 设备。设备。 液

28、体焚烧炉尾气中粉尘含量低，设计时不必考液体焚烧炉尾气中粉尘含量低，设计时不必考 虑专门的去除粉尘设备，急冷用的喷淋塔及去除酸虑专门的去除粉尘设备，急冷用的喷淋塔及去除酸 气的填料吸收塔的组合足以将粉尘含量降至许可范气的填料吸收塔的组合足以将粉尘含量降至许可范 围之内。围之内。 74 （1 1）旋风（离心）除尘器旋风（离心）除尘器：是依据离心的原理，含：是依据离心的原理，含 尘气流由除尘器入口处，进入旋风子切向入口处，尘气流由除尘器入口处，进入旋风子切向入口处， 尘粒在旋风子内受离心力的作用被分离出来，经集尘粒在旋风子内受离心力的作用被分离出来，经集 灰门排出，净化的气流经芯管集气箱排出。灰门排出，净化的气流经芯管集气箱排出。 75 （2 2）布袋除尘器：由排列整齐的过滤布袋所组）布袋除尘器：由排列整齐的过滤布袋所组 成，布袋的数目由几十个至数百个不等。废气成，布袋的数目由几十个至数百个不等。废气 通过滤袋时粒状污染物附在滤层上，再定时以通过滤袋时粒状污染物附在滤层上，再定时以 振动、气流逆洗或脉动冲洗等方式清除。其除振动、气流逆洗或脉动冲洗等方式清除。其除 尘效果与废气流量、温度、含尘量、及滤袋材尘效果与废气流量、温度、含尘量、及滤袋材 料有关。料有关。 76 一