催化焚燒爐

焚燒爐的設計主要與被燒垃圾的性質(zhì)、處理規(guī)模、處理能力、爐排的機械負荷和熱負荷、燃燒室熱負荷、燃燒室出口溫度和煙氣滯留時間、熱灼減率等因素有關。

(1)垃圾性質(zhì)。垃圾焚燒與垃圾的性質(zhì)有密切關系，包括垃圾的三成分(水分、灰分、可燃分)、化學成分、低位熱值、相對密度等。同時由于垃圾的主要性質(zhì)隨人們的生活水平、生活習慣、環(huán)保政策、產(chǎn)業(yè)結(jié)構等因素的變化而變化，所以必須盡量準確地預測在此焚燒廠服務時間內(nèi)的垃圾性質(zhì)的變化情況，從而正確地選擇設備，提高投資效率。為使設備容量得到充分利用，一般采用工廠使用期的中間年的垃圾性質(zhì)和垃圾量作為設計基準，并且可以采用分期建設的情況進行。

(2)處理規(guī)模。焚燒爐處理規(guī)模一般以每天或每小時處理垃圾的重量和煙氣流量來確定，必須同時考慮這兩者因素，即使是同樣重量的垃圾，性質(zhì)不同，也會產(chǎn)生不同的煙氣量，而煙氣量將直接決定焚燒爐后續(xù)處理設備的規(guī)模。一般而言，垃圾的低位熱值越高，單位垃圾產(chǎn)生的煙氣量越多。

(3)處理能力。垃圾焚燒廠的處理能力隨垃圾性質(zhì)、焚燒灰渣、助燃條件等的變化而在一定范圍內(nèi)變化。一般采用垃圾焚燒圖來表示焚燒爐的焚燒能力。

(4)爐排機械負荷和熱負荷。爐排機械負荷是表示單位爐排面積的垃圾燃燒速度的指標，即單位爐排面積、單位時間內(nèi)燃燒的垃圾量kg/(m²·h)。爐排機械負荷是垃圾焚燒爐設計的重要指標，高則表示爐排處理垃圾的能力強。爐排面積熱負荷是在正常運轉(zhuǎn)條件下，單位爐排面積在單位時間內(nèi)所能承受的熱量kJ/(m²·h)，視爐排材料及設計方式等因素而異。

(5)燃燒室熱負荷。燃燒室熱負荷是衡量單位時間內(nèi)、單位容積所承受熱量的指標，包括一次燃燒室和二次燃燒室。燃燒室熱負荷的大小即表示燃燒火焰在燃燒室內(nèi)的充滿程度。

(6)燃燒室出口溫度和煙氣滯留時間。廢氣停留時間與爐溫應根據(jù)廢物特性而定。處理危險廢物或穩(wěn)定性較高的含有機性氯化物的一般廢物時，廢氣停留時間需延長，爐溫應提高；若為易燃性或城市垃圾，則停留時間與爐溫在設計方面可酌量降低。一般而言，若要使CO達到充分破壞的理論值，停留時間應在0.5s以上，爐溫在700℃以上，但任何一座焚燒爐不可能充分擾動擴散，或多或少皆有短流現(xiàn)象，而且未燃的炭顆粒部分仍會反應成CO，故在操作時，爐溫應維持1000℃，而停留時間以1s以上為宜。若爐溫升高，停留時間可以降低；爐溫降低時，停留時間需要加長。

(7)熱灼減率。爐渣的熱灼減率是衡量焚燒爐渣無害化程度的重要指標，也是爐排機械負荷設計的主要指標。焚燒爐渣的熱灼減率是指焚燒爐渣中的未燃盡分的重量，焚燒爐設計時的爐渣熱灼減率一般在5%以下，大型連續(xù)運行的焚燒爐也有要求在3%以下 。

由于使用了催化劑，它可以在較低的溫度下運行，從而降低了輔助燃料消耗和運行費用。催化劑床體可以是固定床或流化床。在啟動流化床催化劑層時催化劑呈流化狀態(tài)，使催化劑與VOCS（含有揮發(fā)性有機化合物）之間有著最佳的接觸狀態(tài)。但任何床體廢氣通過時都會有一定的阻力，需消耗一定的能量。高溫下催化劑對一些毒性物質(zhì)敏感，如待處理的VOCS氣體中含有鉛(Pb)時易使催化劑中毒，也可能會有一些新生成的無機鹽類(如鈉鹽)覆蓋在催化劑表面，從而導致催化劑活性下降。對覆蓋有無機鹽的催化劑可使用反吹技術使其恢復活性，但對中毒很深的催化劑只有更換。貴重金屬之類的催化劑具有良好的分散性，在活性點上的濃度很低，在高溫條件下貴重金屬催化劑在高濃度點上的積累也很少。如使用有載體的氧化型金屬催化劑，在高溫下其金屬氧化晶體結(jié)構會受到破壞。所以，在高溫條件下，宜選用貴重金屬之類的催化劑。催化劑通?？梢允褂脭?shù)年，長時間使用后會有一些硅酮、重質(zhì)烴類及顆粒物覆蓋其表面，使其活性下降。故催化劑焚燒爐宜用來處理凈化后的VOCS氣體。在使用對溫度較敏感的催化劑時，必須設計保護裝置，以免溫度高破壞催化劑活性。當待處理的VOCS氣體中有氯化物存在時，宜選用可耐受氯的催化劑。催化焚燒VOCS技術致力尋求開發(fā)出耐受性強、活性降低緩慢的新型催化劑。最近，美國開發(fā)出氧化鉻-氧化鋁球型催化劑，可將加利福尼亞某空軍基地含三氯乙烯(TCE)濃度達到1%～2%的VOCS氣體焚燒掉，TCE的破壞率達97.5% 。

垃圾焚燒爐設計的基本原則是使廢物在爐膛內(nèi)按規(guī)定的焚燒溫度和足夠的停留時間，達到完全燃燒。這就要求選擇適宜的爐床，合理設計爐膛的形狀和尺寸，增加垃圾與氧氣接觸的機會，使垃圾在焚燒過程中水氣易于蒸發(fā)、加速燃燒，以及控制空氣及燃燒氣體的流速及流向，使氣體得以均勻混合 。

催化焚燒爐爐型

選擇爐型時，首先應看所選擇爐型的燃燒形態(tài)(控氣式或過氧燃燒式)是否適合所處理的所有廢物的性質(zhì)。過氧燃燒式是指第一燃燒室供給充足的空氣量(即超過理論空氣量);控氣燃燒式(缺氧燃燒)即第一燃燒室供給的空氣量約是理論空氣量的70%～80%，處于缺氧狀態(tài)，使垃圾在此室內(nèi)裂解成較小分子的碳氫化合物氣體、CO與少量微細的炭顆粒，到第二燃燒室再供給充足空氣使其氧化成穩(wěn)定的氣體。由于經(jīng)過階段性的空氣供給，可使燃燒反應較為穩(wěn)定，相對產(chǎn)生的污染物較少，且在第一燃燒室供給的空氣量少，所帶出的粒狀物質(zhì)也相對較少，為焚燒爐設計與操作較常使用的模式。

一般來說，過氧燃燒式焚燒爐較適合焚燒不易燃性廢物或燃燒性較穩(wěn)定的廢物，如木屑、紙類等;而控氣式焚燒爐較適合焚燒易燃性廢物，如塑料、橡膠與高分子石化廢料等;爐排型焚燒爐適用于生活垃圾;旋轉(zhuǎn)窯焚燒爐適宜處理危險廢物。

此外，還必須考慮燃燒室結(jié)構及氣流模式、送風方式、攪拌性能好壞、是否會產(chǎn)生短流或底灰易被擾動等因素。焚燒爐中氣流的走向取決于焚燒爐的類型和廢物的特性。多膛式焚燒爐的取向通常是垂直向上燃燒的;回轉(zhuǎn)窯焚燒爐通常是向斜下方向燃燒;而液體噴射式焚燒爐、廢氣焚燒爐及其他圓柱形的焚燒爐可取任意方向，具體形式取決于待焚燒的廢物形態(tài)及性質(zhì)。當燃燒產(chǎn)物中含有鹽類時，宜采用垂直向下或下斜向燃燒的設計類型，以便于從系統(tǒng)中清除鹽分。

焚燒爐的爐體可為圓柱形、正方形或長方形的容器。旋風式和螺旋燃燒室焚燒爐采用圓柱形的設計方案;液體噴射爐、廢氣焚燒爐及多燃燒室焚燒爐雖然既可以采用正方形也可以采用長方形的設計，但是圓柱形燃燒室仍是較好的結(jié)構形式。將耐火的頂部設計成正方形或長方形往往是非常困難的。大型焚燒爐二次燃燒室多為直立式圓筒或長方體，頂端裝有緊急排放煙囪，中、小型焚燒爐二次燃燒室則多為水平圓筒形。

催化焚燒爐送風方式

就單燃燒室焚燒爐而言，助燃空氣的送風方式可分為爐床上送風和爐床下送風兩種，一般加入超量空氣100%～300%，即空氣比為2.0～4.0。對于兩段式控氣焚燒爐，在第一燃燒室內(nèi)加入70%～80%理論空氣量，在第二燃燒室內(nèi)補足空氣量至理論空氣量的140%～200%。二次空氣多由兩側(cè)噴入，以加速室內(nèi)空氣混合及攪拌混合程度。從理論上講強制通風系統(tǒng)與吸風系統(tǒng)差別很小。吸風系統(tǒng)的優(yōu)點是可以避免焚燒煙氣外漏，但是由于系統(tǒng)中常含有焚燒產(chǎn)生的酸性氣體，必須考慮設備的腐蝕問題。

催化焚燒爐爐膛尺寸的確定

垃圾焚燒爐爐膛尺寸主要是由燃燒室允許的容積熱強度和垃圾焚燒時在高溫爐膛內(nèi)所需的停留時間兩個因素決定的。通常的做法是按爐膛允許熱強度來決定爐膛尺寸，然后按垃圾焚燒所必需的停留時間加以校核。

考慮到垃圾焚燒時既要保證燃燒完全，還要保證垃圾中有害組分在爐內(nèi)一定的停留時間，因此在選取容積熱強度值時要比一般燃料燃燒室低一些。

催化焚燒爐除在燃燒室內(nèi)裝有催化劑之外，其他均與對流換熱焚燒爐相同。對流換熱式焚燒爐系國內(nèi)的行業(yè)稱謂，國外稱同流換熱式焚燒爐，其廢熱回收系統(tǒng)設計使得其在操作下限(LEL)范圍內(nèi)使用較經(jīng)濟。設計較蓄熱式焚燒爐簡單，裝置較小和輕便，可裝在滑輪上制成輕便移動式。該焚燒爐熱回收系統(tǒng)的典型設計是將管式或板式換熱器安裝在燃燒室的廢氣排氣一端，當廢氣中含顆粒物較少時，通常采用板式換熱器，其熱回收效率可達70%；而管式換熱器的熱回收效率通常只有40%～50%。熱回收效率為實際回收熱能與可回收最大熱能之比，熱回收效率=(T_預熱溫度-T_進口溫度)/(T_燃燒溫度-T_進口溫度) 。

催化焚燒爐特別適于處理VOCS濃度較高，廢氣中VOCS（含有揮發(fā)性有機化合物）濃度波動不大的廢氣。當廢氣中VOCS濃度不高，VOCS濃度波動大時，只能靠投加輔助燃料維持燃燒過程。而投加輔助燃料使焚燒爐內(nèi)高溫區(qū)溫度會達到或超過1537.8℃，導致NO_x生成量增加。由于換熱器和火焰直接接觸，在換熱區(qū)可能會有VOCS自燃現(xiàn)象發(fā)生，故換熱器多采用金屬材質(zhì)。如果焚燒爐在低于760℃以下運行，要求VOCS在爐內(nèi)有較好的湍動設計和有較長的停留時間。當廢氣中含有氯化物時，會存在Cl₂生成HCl導致腐蝕發(fā)生，設計時務必選用耐腐蝕材料，雖投資費用增加，但很有必要 。

焚燒爐是用于焚燒的設備。從不同的角度有很多種分類方法。按焚燒室分類可分為：單室焚燒爐多室焚燒爐。而 根據(jù)燃燒煙氣和垃圾移動的方向的關系可將爐體分為順流式逆流式交流式和二次流式。按爐型分類可分為 固定爐排爐、機械爐排爐、流化床焚燒爐(主要用來處理工業(yè)垃圾)、回轉(zhuǎn)窯爐等。為增強生活垃圾焚燒的效果，經(jīng)常在焚燒中應用熱分解和氣化(熔融)技術。

爐排焚燒爐原理為：將垃圾供應到 耐熱鑄鐵(鋼)的爐排上，從爐排下部通風，使垃圾燃燒。流化床焚燒爐的焚燒原理為：在塔型爐底部多孔管中通風， 使其上砂層流動形成流動層，粉碎后的垃圾被投入后，在爐內(nèi)與流動砂(650～ 800℃)接觸，從而瞬間燃燒，燃燒后的灰分被燃燒氣體帶到煙氣處理系統(tǒng)。氣化熔融爐的焚燒原理為：先將垃圾在 450～600℃的還原性氣氛中熱分解為可燃性氣體以及以炭為主的固體殘渣， 然后再進行燃燒并熔融。焚燒爐的設計時要綜合考慮工廠的處理規(guī)模、待處理垃圾的性質(zhì)、爐排機械負荷和熱負荷、燃燒室熱負荷、燃燒室出口溫度和煙氣滯留時間以及熱灼減率等來進行設計。

垃圾焚燒技術在國外的應用和發(fā)展已有幾十年的歷史，比較成熟的爐型有脈沖拋式爐排焚燒爐、機械爐排焚燒爐、流化床焚燒爐、回轉(zhuǎn)式焚燒爐和CAO焚燒爐，下面對這幾種爐型作簡單的介紹。

機械爐排焚燒爐

工作原理：垃圾通過進料斗進入傾斜向下的爐排（爐排分為干燥區(qū)、燃燒區(qū)、燃盡區(qū)），由于爐排之間的交錯運動，將垃圾向下方推動，使垃圾依次通過爐排上的各個區(qū)域（垃圾由一個區(qū)進入到另一區(qū)時，起到一個大翻身的作用），直至燃盡排出爐膛。燃燒空氣從爐排下部進入并與垃圾混合；高溫煙氣通過鍋爐的受熱面產(chǎn)生熱蒸汽，同時煙氣也得到冷卻，最后煙氣經(jīng)煙氣處理裝置處理后排出。

特點：爐排的材質(zhì)要求和加工精度要求高，要求爐排與爐排之間的接觸面相當光滑、排與排之間的間隙相當小。另外機械結(jié)構復雜，損壞率高，維護量大。爐排爐造價及維護費用高，使其在中國的推廣應用困難重重。

流化床焚燒爐

工作原理：爐體是由多孔分布板組成，在爐膛內(nèi)加入大量的石英砂，將石英砂加熱到600℃以上，并在爐底鼓入200℃以上的熱風，使熱砂沸騰起來，再投入垃圾。垃圾同熱砂一起沸騰，垃圾很快被干燥、著火、燃燒。未燃盡的垃圾比重較輕，繼續(xù)沸騰燃燒，燃盡的垃圾比重較大，落到爐底，經(jīng)過水冷后，用分選設備將粗渣、細渣送到廠外，少量的中等爐渣和石英砂通過提升設備送回到爐中繼續(xù)使用。

特點：流化床燃燒充分，爐內(nèi)燃燒控制較好，但煙氣中灰塵量大，操作復雜，運行費用較高，對燃料粒度均勻性要求較高，需大功率的破碎裝置，石英砂對設備磨損嚴重，設備維護量大。

回轉(zhuǎn)式焚燒爐

工作原理：回轉(zhuǎn)式焚燒爐是用冷卻水管或耐火材料沿爐體排列，爐體水平放置并略為傾斜。通過爐身的不停運轉(zhuǎn)，使爐體內(nèi)的垃圾充分燃燒，同時向爐體傾斜的方向移動，直至燃盡并排出爐體。

特點：設備利用率高，灰渣中含碳量低，過剩空氣量低，有害氣體排放量低。但燃燒不易控制，垃圾熱值低時燃燒困難。

CAO焚燒爐

工作原理：垃圾運至儲存坑，進入生化處理罐，在微生物作用下脫水，使天然有機物（廚余、葉、草等）分解成粉狀物，其他固體包括塑料橡膠一類的合成有機物和垃圾中的無機物則不能分解粉化。經(jīng)篩選，未能粉化的廢棄物進入焚燒爐的先進入第一燃燒室（溫度為600℃），產(chǎn)生的可燃氣體再進入第二燃燒室，不可燃和不可熱解的組份呈灰渣狀在第一燃燒室中排出。第二室溫度控制在860℃進行燃燒，高溫煙氣加熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽。煙氣經(jīng)處理后由煙囪排至大氣，金屬玻璃在第一燃燒室內(nèi)不會氧化或融化，可在灰渣中分選回收。

特點：可回收垃圾中的有用物質(zhì)；但單臺焚燒爐的處理量小，處理時間長，單臺爐的日處理量最大達到150噸，由于煙氣在850℃以上停留時間難于超過1秒鐘短，煙氣中二惡英的含量高，環(huán)保難以達標。

脈沖拋式爐排焚燒爐

工作原理：垃圾經(jīng)自動給料單元送入焚燒爐的干燥床干燥，然后送入第一級爐排，在爐排上經(jīng)高溫揮發(fā)、裂解，爐排在脈沖空氣動力裝置的推動下拋動，將垃圾逐級拋入下一級爐排，此時高分子物質(zhì)進行裂解、其它物質(zhì)進行燃燒。如此下去，直至最后燃盡后進入灰渣坑，由自動除渣裝置排出。助燃空氣由爐排上的氣孔噴入并與垃圾混合燃燒，同時使垃圾懸浮在空中。揮發(fā)和裂解出來的物質(zhì)進入第二級燃燒室，進行進一步的裂解和燃燒，未燃盡的煙氣進入第三級燃燒室進行完全燃燒；高溫煙氣通過鍋爐受熱面加熱蒸汽，同時煙氣經(jīng)冷卻后排出。

其優(yōu)點是：

（1）處理垃圾范圍廣泛 能夠處理工業(yè)垃圾、生活垃圾、醫(yī)院垃圾廢棄物、廢棄橡膠輪胎等。

（2）燃燒熱效率高 正常燃燒熱效率80%以上，即使水份很大的生活垃圾，燃燒熱效率也在70%以上。

（3）運行維護費用低 由于采用了許多特殊的設計以及較高的自動化控制水平，因此運行人員少（包括除灰渣人員在內(nèi)一臺爐僅需兩人），維護工作量也較少。

（4）可靠性高 經(jīng)過近20年運行表明，此焚燒爐故障率非常低，年運行8000小時以上，一般利用率可達95%以上。

（5）排放物控制水平高 由于采用二級煙氣再燃燒和先進的煙氣處理設備，使煙氣得到了充分的處理。經(jīng)長期測試，煙氣排放物中CO含量1—10 PPM，HC含量2—3 PPM，NOx含量35 PPM，完全符合歐美排放標準。煙氣在二、三級燃燒室燃燒時溫度達1000℃，并且停留時間達2秒以上，可使二惡英基本分解，煙氣中二惡英的含量為 0.04 ng/m3，遠低于歐美標準0.1 ng/m3。

（6）爐排在壓縮空氣的吹掃下，有自清潔功能。

焚燒爐原理是利用煤、燃油、燃氣等燃料的燃燒，將要處理的物體進行高溫的焚毀碳化，以達到消毒的目的。

焚燒爐在患病害的動物尸體無害化處理以及醫(yī)療廢棄物、有毒有害固體廢棄物處理方面有較大的應用價值。

以動物的焚燒為例，說明利用焚燒爐進行無害化處理的操作步驟：

1、注入燃料，接通電源，啟動助燃開關，爐內(nèi)溫度達到自燃溫度，將病害畜禽肉尸及其產(chǎn)品投入爐內(nèi)，關閉助燃開關，啟動自燃開關，病害肉體保持自燃狀態(tài)不能剖割的病害畜禽尸體整體投入焚燒爐中，啟動自燃開關，尸體自燃至完全碳化為止。

2、整尸焚毀：不能剖割的病害畜禽尸體整體投入焚燒爐中，啟動自燃開關，尸體自燃至完全碳化為止。

3、肉尸分割焚毀：允許分割的病害肉品分割后投入焚燒爐中，啟動自燃開關，肉塊自燃至完全碳化為止。

4、臟器焚毀：病害畜禽臟器整體投入焚燒爐中，啟動助燃開關，使臟器在助燃狀態(tài)下燃燒至完全碳化為止。

5、焚燒后的碳化物需要選擇地點（遠離水源地和居民區(qū)）進行掩埋，徹底杜絕病菌的傳播。

焚燒爐在普光氣田高含硫氣井試氣中的應用

高含硫氣井試氣通常采用燃燒筒燃燒,燃燒效率低、H2S燃燒不完全、SO2排放超標、試氣時間短,難以準確評價氣井產(chǎn)能。為此,介紹了引進加拿大專業(yè)公司設計生產(chǎn)的Q3000型焚燒爐的工作原理、擴散模型計算方法及主要技術指標,指出該焚燒爐通過噴頭排列方式設計、邏輯控制程序研究能使高含硫天然氣產(chǎn)生高速渦流,爐腔溫度范圍從1090℃到1630℃,保證了高含硫天然氣的完全燃燒,具備燃燒完全、SO2擴散良好,可長時間、高效率、滿負荷燃燒的性能,滿足了試氣安全要求。同時,根據(jù)高含硫氣井的試氣要求,設計6臺焚燒爐并聯(lián)試氣,設計處理量60×104m3/d,累積試氣燃燒時間240h,經(jīng)環(huán)境監(jiān)測可知各項監(jiān)測指標滿足環(huán)保要求,實現(xiàn)了高含硫天然氣井的系統(tǒng)測試,為進一步落實氣藏的產(chǎn)能提供了科學依據(jù)。

醫(yī)療垃圾焚燒爐

湖州市醫(yī)療垃圾焚燒處理系統(tǒng)是浙江大學熱能工程研究所研制的回轉(zhuǎn)窯 循環(huán)流化床多段醫(yī)療垃圾熱解焚燒技術的實際應用示范項目，為了保障該示范項目的正常運行，需要為其配備一套安全、穩(wěn)定的計算機監(jiān)控系統(tǒng)。根據(jù)醫(yī)療垃圾焚燒處理系統(tǒng)的實際情況，借鑒國內(nèi)外一些先進技術和經(jīng)驗，對小型熱工監(jiān)控系統(tǒng)的應用進行了深入的研究。本文的研究工作正是圍繞著湖州醫(yī)療垃圾焚燒爐計算機熱工監(jiān)控系統(tǒng)的研制而展開的，重點是監(jiān)控系統(tǒng)軟件、硬件設計和自動控制功能的實現(xiàn)。 本項研究中采用可編程控制器(PLC)作為下位機、工業(yè)控制計算機(PC)作為上位機與各種熱工參數(shù)傳感器、變送器、操作控制器等組成一個集散控制系統(tǒng)(DCS)，自動監(jiān)測醫(yī)療垃圾焚燒爐的各項運行參數(shù)，并對醫(yī)療垃圾焚燒爐實行自動控制與調(diào)節(jié)。監(jiān)控系統(tǒng)包括自動檢測與遠程自動控制兩大部分，PLC負責完成數(shù)據(jù)采集及遠程自動控制調(diào)節(jié)，建立上位機PC機與下位機PLC的通訊，操作人員通過PC機監(jiān)視醫(yī)療垃圾焚燒系統(tǒng)各運行參數(shù)監(jiān)視和控制，實現(xiàn)人機對話，保證焚燒系統(tǒng)“安全、經(jīng)濟、穩(wěn)定”的運行。 本文的研究工作還包括上位機(PC)和下位機(PLC)的軟件開發(fā)。上位機軟件在通用組態(tài)軟件“組態(tài)王”的開發(fā)平臺上研制開發(fā)，具有強大的監(jiān)測和控制功能和友好的用戶界面，實現(xiàn)了運行參數(shù)的列表顯示、流程圖模擬顯示與趨勢顯示、報警提示、歷史查詢、工作報表等功能。下位機軟件由西門子STEP—7軟件包開發(fā)，完成監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、控制回路和控制算法等功能，采用了帶死區(qū)的三段式智能PID控制原理設計焚燒處理系統(tǒng)各控制回路的自動控制。 通過本課題的研究工作，希望能為開發(fā)性能良好的小型實時熱工監(jiān)控系統(tǒng)提供一條有效的參考途徑。