第七章 可燃固体废物的焚烧

第七章可燃固体废物的焚烧本章重点有关热值的计算固体废物的燃烧过程及其动力学影响固体物质燃烧的因素燃烧过程污染物的产生与防治焚烧法焚烧法是一种高温热处理技术，即以一定的过剩空气量与被处理的有机废物在焚烧炉内进行氧化燃烧反应，废物中的有害有毒物质在高温下氧化、热解而被破坏，是一种可同时实现废物无害化、减量化、资源化的处理技术。焚烧的目的主要目的是尽可能焚毁废物，使被焚烧的物质变为无害和最大限度地减容，并尽量减少新的污染物质产生，避免造成二次污染。可焚烧处理的废物类型焚烧法不但可以处理固体废物，还可以处理液体废物和气体废物；不但可以处理城市垃圾和一般工业废物，而且可以用于处理危险废物。危险废物中的有机固态、液态和气态废物，常用焚烧来处理。在焚烧处理城市生活垃圾是，也常常将垃圾焚烧处理前的暂时贮存过程中产生的渗滤液和臭气引入焚烧炉焚烧处理。固体废物燃烧过程燃烧机理有蒸发燃烧、分解燃烧（裂解燃烧）、其中分解燃烧（裂解燃烧）、扩散燃烧又称火焰燃烧。液体燃烧主要以蒸发燃烧与分解燃烧为主；气体燃烧以扩散燃烧为主；固体燃烧包括分解燃烧、蒸发燃烧、扩散燃烧与表面燃烧。气体燃烧燃烧方式主要有三种：预混式燃烧外混式燃烧半预混式燃烧液体燃烧液体必须先蒸发成蒸汽，再与氧化物或空气混合，才会着火燃烧。蒸发、混合等物理程序是限制液体燃烧的主要步骤。液体燃料的燃烧速度随燃料与空气的混合率而变，并与液滴粒径的二次方成反比，液体雾化的越细，燃烧速度越快，燃烧越完全。根据液体与空气的比例，液体燃烧形态分为三类：当燃烧产物中不残留氧气与燃料时，称之为完全燃烧或中性焰燃烧；当空气不足，燃料过剩时，燃烧产物中残留有燃料而产生黑烟，称之为还原焰燃烧；当空气过剩时，称之为氧化焰燃烧。固体燃烧火焰燃烧是氧化反应现象，焚烧时，都是从固体状态转化为气体的碳氢化合物，然后才能与氧进行燃烧。但是固体废物不能像液体一样直接挥发到气相，需要先经过热裂解，产生成分复杂的碳氢化合物，这些化合物从废物表面挥发，随之与氧气接触，快速燃烧。因此，裂解是一种非常重要的过程，也是计划控制燃烧反应的关键，因此才有有控式焚烧炉的出现。废物焚烧的控制参数焚烧温度（Temperature）、搅拌混合程度（Turbulence）、气体停留时间（Time）（一般称为3T）及过剩空气率合称为焚烧四大控制参数。焚烧温度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。一般所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。焚烧温度大多数哟机务的焚烧温度在800~1100℃之间，通常在800~900℃左右。废气的脱臭处理，800~950℃废物粒子在0.01~0.51微米之间，温度在900~1000℃可避免产生黑烟。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。含有碱土金属的废物焚烧时，一般控制在750~800℃以下。因为碱土金属及其盐类一般为低熔点化合物，容易腐蚀设备。焚烧氰化物，850~900℃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CCDF的最好方法，估计在925℃以上。停留时间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。停留时间的长短直接影响焚烧的完善程度，也是决定炉体容积尺寸的重要依据。停留时由许多因素决定，如废物的形态对停留时间的影响很大。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。如油脂精制过程产生的臭气，在650℃温度下只需要0.3s。混合强度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扰动、机械炉排扰动、流态化扰动及旋转扰动等。过剩空气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（m）m=A/A0过剩空气率过剩空气滤=（m-1）×100%废气中含氧量是间接反应过剩空气多少的指标。工程可以根据过剩氧气量估算燃烧系统中的过剩空气系数。废气中含氧通常以体积百分比表示，假设空气中氧含量为21%，则过剩空气比可粗略表示为：过剩空气比=21/（21-过剩氧百分比）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。控制参数的关系过剩空气率由进料速率即助燃空气供应速率即可决定；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。主要焚烧参数计算燃烧需要空气量1.理论燃烧空气量理论燃烧空气量之废物完全燃烧时，所需要的最低空气量，一般以A0表示。其中（H-O/8）称为有效氢，因为燃料中的氧是以结合水的状态存在，在燃烧中无法利用这些与氧结合成水的氢，故需要将其从全氢中减去。实际需要燃烧空气量实际空气量A与理论空气量的关系：A=mA0焚烧烟气量及组成烟气产生量假定废物以理论空气量完全燃烧时的燃烧烟气量称为理论烟气产生量。发热量计算某种材料完全燃烧时放出的热量，不仅与该材料的质量、燃烧产物的状态有关，而且还与燃烧时在恒容下还是恒压下进行有关。本标准确认的热值为在氧弹中测得的恒容燃烧热。a.总燃烧热值（以下简称总热值）单位质量的材料完全燃烧，并当其燃烧产物中的水蒸汽（包括材料中所含水分生成的水蒸汽和材料组成中所含的氢燃烧时生成的水蒸汽）均凝结为液态时放出的热量，被定义为该材料的总燃烧热值。b.燃烧热值（以下简称热值）单位质量的材料完全燃烧，其燃烧产物中的水蒸汽（包括材料中所含水分生成的水蒸汽和材料组成中所含的氢燃烧时生成的水蒸气）仍以气态形式存在时所放出的热量，被定义为该材料的燃烧热值。它在数值上等于总热值减去材料燃烧后所生成的水蒸气在氧弹内凝结为水时所释放出的汽化潜热的差值。热值计算公式焚烧温度如果燃烧过程中化学反应所释放出的热完全用于提升生成物本身的温度，则该燃烧温度称为绝热火焰温度。从理论上讲，对单一燃料的燃烧，可以根据化学反应式及各物种的定压比热，借助精细的化学反应平衡方程组推求各生成物在平衡时的温度及浓度。但是焚烧处理的废物成分复杂，计算过程十分复杂，故在工程上多采用简便的经验法或半经验法推求燃烧温度。工程简算法不考虑热平衡条件Hl=Vgcpg(tg-to)Cpg为废气在tg与to之间的平均定压热容，kg/(m3*℃)Vg为燃烧场中废气的体积（标准状态）半经验法Tillman等人根据美国焚烧厂的数据，推导出大型垃圾焚烧厂燃烧温度的回归方程如下：废气停留时间废气停留时间指燃烧所产生的废气在燃烧室内与空气接触时间，通常可以表示如下：燃烧室容积负荷在正常运转时，燃烧室单位容积在单位时间内由垃圾及辅助燃料所产生的低位发热量，称之为燃烧室容积热负荷（Qv），使燃烧室单位时间，单位容积所承受的热量负荷。废物焚烧炉的燃烧方式按照燃烧气体的流动方向，可以分为：反向流、同向流和漩涡流；按照助燃空气加入阶段数可分为：单段燃烧和多段燃烧；按照助燃空气供应量可分为：过氧燃烧、缺氧燃烧（控气式）和热解燃烧。焚烧废气污染形成机制1.粒状污染物焚烧过程中所产生的粒状污染物大致可分为以下三种：废物中的不可燃物，在焚烧过程中较大的残留物成为底灰排出，部分粒状随废气排出而成为飞灰。飞灰粒径一般大于10微米。部分无机盐在高温下氧化而排出，在炉外凝结成粒状物，或二氧化硫在低温下遇水滴而形成硫酸盐雾状微粒。未燃烧完全而产生的碳颗粒与煤烟，粒径在0.1~10微米之间。由于颗粒微细，难以去除，最好的控制方法是在高温下使其氧化分解。2.一氧化碳由于一氧化碳燃烧所需的活化能很高，它是燃烧不完全过程中的主要代表性产物。氧气含量越高，越有利于CO转化成CO2。不过事实上，焚烧过程中会夹杂碳颗粒，只要燃烧反应仍能继续进行，就有可能产生CO。焚烧炉二次燃烧室理想的设计为炉温在1000℃，废气停留时间1s。焚烧氯化物时，由于有急性氯化物的化学性质大多数较为稳定，常以CO的含量来判断燃烧反应完全与否。3.酸性气体焚烧所产生的酸性气体，主要包括SO2、HCl和HF等。一般城市垃圾中硫的含量为0.12%，其中30~60%会转化为二氧化硫，其余残留于底灰或被飞灰所吸收。4.氮氧化物主要来源有：高温下N2与O2反应形成热氮氧化物。废物中的氮组分转化形成的NOx，称之为燃料氮转化氮氧化物。5.重金属废物中的重金属，高温焚烧后除部分残留于灰渣中外，部分会在高温下气化挥发进入烟气。部分金属物在炉中参与反应生成氧化物或氯化物比原金属元素更易于气化挥发，还可能进一步发生过复杂的化学反应，最终产物包括元素态重金属、重金属氧化物及重金属氯化物。高温挥发进入烟气的重金属物质，随温度降低，部分饱和温度较高的元素态重金属（如汞和镉）会凝结成均匀的小粒状物或凝结于烟尘上。饱和温度较低的无法充分凝结，但飞灰表面的催化作用会使其形成容易凝结的氧化物或氯化物，或因吸附作用附着在烟尘表面。因此，从焚烧烟气中收集下来的飞灰通常被视为危险废物。6.毒性有机氯化物主要为二恶英类，包括多氯代二苯-对-二恶英（PCDDs）(Polychlorinateddibenzo-p-dioxins)；和多氯代二苯并呋喃（PCDFs）（Polychlorinateddibenzofurans)。

PCDDs是一族75个相关化合物的通称；PCDFs是一族135个相关化合物的通称。在这210种化合物中有17种被认为对人类将康有巨大的危害。其中TCDD（2，3，7，8-四氯代二苯并-对-二恶英）为目前已知毒性最强的化合物且具有强致癌性。PCDDs/PCDFs产生途径废物成分炉内形成：但燃烧状况不良时，碳氢化合物可能与氯化物结合形成。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，被金属氯化物催化反应生成PCDDs/PCDFs。废气中氧含量与水分含量过高对促进PCDDs/PCDFs的再合成起到了重要作用。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。焚烧炉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、炉床型焚烧炉和沸腾流化床焚烧炉。焚烧炉设计的一般原则与要点基本原则：是废物在炉膛内按规定的焚烧温度和足够的停留时间，达到完全燃烧。炉型选择炉型时，首先看所选择的炉型的燃烧方式是否适合废物性质。过洋燃烧式适合焚烧不易燃性废物或燃烧性较稳定的废物；控气式适合焚烧易燃性废物；机械炉排焚烧炉适合用于城市垃圾的处理；旋转窑焚烧炉适合处理危险废物。焚烧炉技术性能指标

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项目烟气出口温度烟气停留时间焚烧炉渣热灼减率出口烟气中氧含量

%

%

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≥850≥2

指标≤5

6-12

≥1000≥1

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生活垃圾焚烧炉烟囱高度要求处理量t/d烟囱最低允许高度m10025100-3004030060鼓式旋转型污泥焚化专用炉流化床焚烧炉焚烧发电流程焚烧尾气控制技术焚烧尾气中的污染物质不完全燃烧产物(PIC):一氧化碳、碳黑、烃、酮、醇等；粉尘：惰性金属盐类、金属氧化物或不完全燃烧物质；酸性气体：氯化氢、卤化氢、硫氧化物、氮氧化物、五氧化磷、磷酸等。重金属污染物：铅、汞、铬、镉、砷等的元素态、氧化物及氯化物等。二恶英PCDDs/PCDFs危险废物焚烧炉大气污染物排放限值焚烧尾气控制方法一个设计良好而且操作正常的焚烧炉内，不完全燃烧物质的产生量极低，通常并不至于造成空气污染，因此设计尾气处理系统时，不将其考虑在内。氮氧化物（NOx）很难以一般方法去除，但是由于含量低（在100mg/L上下），通常是控制焚烧温度以降低其产生量。硫氧化物虽难以去除，但一般危险废物和城市垃圾中含硫量很低（0.1%以下），尾气中少量硫氧化物可经湿式洗涤设备吸收。溴气（Br2）、碘（I2）及碘化氢尚无有效去除方法，由于其含量甚低，一般尾处理系统的设计并不特别考虑去除。如果废物中含有高成份的溴或碘化合物，焚烧前则以混合或稀释等方式，降低其含量。卤素氢的化合物（氯化、溴化氢等）可由洗涤设备中的碱性溶液中和。氯化氢是尾气中主要的酸性物质，其含量由几百mg/L至几个百分比，必须将其含量降至１％以下99％去除率）才可以排放。废气中挥发状态的重金属污染物，部分在温度降低时可自行凝结成颗粒、于飞灰表面凝结或被吸附，从而被除尘设备收集去除；部分无法凝结及被吸附的重金属的氯化物，可利用其溶于水的特性，经湿式洗气塔液自废气中吸收下来。处理流程焚烧厂典型的空气污染控制设备和处理流程可分为干式、半干式或湿式三类：

（1）湿法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，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；

（2）干法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，布袋除尘器或静电集尘器去除粉尘；

（3）半干法处理流程典型处理流程由半干式洗气塔与静电除尘器或布袋相互组合而成，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。粒状污染物控制技术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。选择除尘设备时，先应考虑粉尘负荷、粉径大小、处理量及容许排放浓度等因素，若有必要则再进一步深入了解粉尘的特性如粒径尺寸分布、平均与最大浓度、真密度、粘度、湿度、电阻系数、磨蚀性、磨损性、易碎性、易燃性、毒性、可溶性及爆炸限制等）及废气的特性（如压力损失、温度、湿度及其他成分等），以便作一合适的选择。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除5～10微米的粉尘，只能视为除尘的前处理设备。静电集尘器、文式洗涤器及布袋除尘器等三类为固体废物焚烧系统中最主要的除尘设备。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。酸性气体控制技术用于控制焚烧厂尾气中酸性气体的技术有湿式、半干式及干式洗气等三种方法。

（一）湿式洗气法焚烧尾气处理系统中最常用的湿式洗气塔是对流操作的填料吸收塔，经静电除尘器或布袋除尘器去除颗粒物的尾气降到饱和温度，再与向下流动的碱性溶液不断地在填料空隙及表面接触及反应，使尾气中的污染气体有效地被吸收。

填料对吸收效率影响很大，要尽量选用耐久性与防腐性好、比表面积大、对空气流动阻力小以及单位体积质量轻和价格便宜的填料。近年来最常使用的填料是由高密度聚乙烯、聚丙烯或其他热塑胶材料制成的不同形状的特殊填料，如拉西环、贝尔鞍及螺旋环等。常用的碱性药剂有NaOH溶液（15%～20%,质量分数）或Ca(OH)2溶液10%～30%,质量分数）。石灰液价格较低，但是石灰在水中的溶解度不高，含有许多悬浮氧化钙粒子，容易导致液体分配器、填料及管线的堵塞及结垢。虽然苛性钠较石灰为贵，，但苛性钠和酸气反应速率较石灰快速，吸收效率高，其去除效果较好且用量较少，不会因PH值调节不当而产生管线结垢等问题，故一般均采用NaOH溶液为碱性中和剂。二）干式洗气法

干式洗气法是用压缩空气法将碱性固体粉末（水石灰或碳酸氢钠）直接喷入烟管或烟管上某段反应器内，使碱性消石灰粉与酸性废气充分接触和的反应，从而达到中和废气中的酸性气体并加以去除的目的。为了加强反应速度，实际碱性固体的用量约为反应需求量的３～4倍，固体停留时间至少需1s以上。

近年来，为提高干式洗气法对难以去除的一些污染物质的去除效率，有用硫化钠（Na2S）及活性炭粉末混合石灰粉末一起喷入，可以有效地吸收气态汞及二恶英。

干式洗气塔与布袋除尘器组合工艺是焚烧厂中尾气污染控制的常用方法。（三）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低向上或从塔顶向下喷入干燥吸塔中。尾气与喷入的泥浆要成同时向流或逆向流的方式充他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。二恶英控制技术1.控制来源通过废物分类收集，加强资源回收，避免含PCDDs/PCDFs物质及含氯成分高的物质（如PVC塑料等）进入垃圾中。

2.减少炉内形成焚烧炉燃烧室保持足够的燃烧温度及气体停留时间，确保废气中具有适当的氧含量（最好在6%～12%之间），达到分解破坏垃圾内含有PCDDs/PCDFs,避免产生氯苯及氯酚等物质的目标。

控制燃烧温度抑制PCDDs/PCDFs，促使NOx浓度升高，但若降低燃烧温度来避免NOx的产生时，废气中的CO会随之升高。此外，由于炉内蓄热增加提高了锅炉出口废气温度，因此可能促使PCDDs/PCDFs在后续除尘设备内再合成。故欲同时控制PCDDs/PCDFs及NOx时，应先以燃烧控制法降低由炉内形成的PCDDs/PCDFs及其先驱物质，再于炉内喷入NH3

或尿素的无触媒脱氯系统（SNCR）,或于空气污染防制设备末端加装触媒脱硝系统（SCR）以降低可能增加的NOx浓度。

3.避免炉外低温再合成PCDDs/PCDFs炉外再合成现象，有些研究指出，主要的生成机制为铜或铁的化合物在悬浮粒的表面催化了二恶英的先驱物质；因此在近年来，工程上普通采用半干式洗气塔与布袋除尘器搭配的方式，同时控制粒状污染物控制设备入口的废气温度不低于232℃。重金属控制技术尾气中所含重金属量的多少，与废物组成、性质、重金属存在形式、焚烧炉的操作及空气污染控制方式有密切关系。去除尾气中重金属污染物质的机理有四：

重金属降温达到饱和，凝结成粒状物质后被除尘设备收集去除；

饱和温度较低的重金属元素无法充分凝结，但飞灰表面的催化作用会形成饱和温度较高且较易凝结的氧化物或氯化物，而易被除尘设备收集去除；仍以气态存在的重金属物质，因吸附于飞灰上或喷入的活性炭粉末