危險廢物焚燒處置的理論和實踐

張 林，張寅璞

(1.上海藍鳥環(huán)境科技發(fā)展有限公司，上海 200333；2.上海申嘉三和環(huán)保科技開發(fā)有限公司，上海 201400)

危險廢物焚燒處置的理論和實踐

張 林1，張寅璞2

(1.上海藍鳥環(huán)境科技發(fā)展有限公司，上海 200333；2.上海申嘉三和環(huán)保科技開發(fā)有限公司，上海 201400)

危險廢物的焚燒處置是按化學當量與氧發(fā)生燃燒反應(yīng)。組合式焚燒爐（回轉(zhuǎn)窯、二燃室和爐排爐）能夠?qū)⒏鞣N危險廢物進行焚燒處置。危險廢物先在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)經(jīng)過缺氧、熱解干餾，生成的可燃氣體和廢渣分別在二燃室內(nèi)和爐排上進行高溫燃燒和持續(xù)燃燒，使焚燒殘渣的熱灼減率、燃燒效率和有機物的焚毀去除率等技術(shù)性能指標達到國家標準的要求。高溫燃燒可以將煙氣中的有毒有害物質(zhì)分解，持續(xù)燃燒可使廢渣燃盡燒透。在對危險廢物進行元素成分分析的基礎(chǔ)上，進行焚燒工藝設(shè)計、技術(shù)參數(shù)計算，并舉例說明。

危險廢物;組合式焚燒爐;工藝設(shè)計;技術(shù)參數(shù)

在危險廢物的處置技術(shù)中，焚燒技術(shù)是實現(xiàn)減量化、無害化的最快捷、亦是最有效的技術(shù)。焚燒處置不僅可以有效地破壞危險廢物中的有毒、有害、有機廢物，還能將焚燒產(chǎn)生的余熱回收，尤其適于處置含氯、氟、磷及汞等毒性較大的危險廢物，以及那些不宜回收利用、具有一定熱值的危險廢物。

1 機理分析

危險廢物的來源復雜、種類繁多、形狀各異，不同地區(qū)、不同行業(yè)產(chǎn)生的危險廢物成分相差很大。但從燃燒的角度分析，各種成分都是按化學當量比反應(yīng)的。其完全燃燒反應(yīng)的方程式，可用下式表示：

當危險廢物中有氟、磷存在，則可能會有氟化氫、五氧化二磷生成。

與液態(tài)和氣態(tài)危險廢物相比，固體危險廢物的焚燒過程相對復雜一些。一般來說，常溫下的固體危險廢物混合物，被加熱后先要將危險廢物中的溶劑和水蒸發(fā)、氣化出來，這部分低燃點的溶劑與少量的空氣接觸后會首先燃燒；繼續(xù)受熱后，廢物中的大部分有機物會被熱解、干餾，生成各種烴類、固定碳及不完全燃燒物；這些可燃氣體，在有充足氧的條件下，進行高溫焚燒，產(chǎn)生高溫煙氣。廢渣繼續(xù)燃燒，以殘渣固體的形式排出。圖1為危險廢物焚燒處置機理分析方框圖。

圖1 危險廢物焚燒機理分析

高溫焚燒可以將煙氣中的有毒有害物質(zhì)（如聚合苯環(huán)類、多環(huán)碳氫化合物等）裂解；廢渣的充分燃燒可使其中的可燃物燃盡燒透。

焚燒過程中產(chǎn)生的高溫煙氣主要成分是二氧化碳、水蒸氣和氮氣，還有少量的二氧化硫、氯化氫，廢渣主要是各種金屬的氧化物、氫氧化物、碳酸鹽、硫酸鹽、磷酸鹽和硅酸鹽等[1]。

2 工藝設(shè)計

根據(jù)《危險廢物焚燒污染控制標準》（GB18484-2001）的要求，僅使用回轉(zhuǎn)窯不能滿足焚燒殘渣的熱灼減率、燃燒效率和有機物的焚毀去除率等焚燒爐技術(shù)性能指標的要求。

由回轉(zhuǎn)窯、二次燃燒室及爐排爐組合而成的組合式焚燒爐，在保留了回轉(zhuǎn)窯的適應(yīng)能力強、運行穩(wěn)定可靠的基礎(chǔ)上，通過應(yīng)用二燃室對煙氣進行高溫焚燒、爐排爐對廢渣進行持續(xù)焚燒，使危險廢物的燃燒效率、有機物的焚毀去除率和焚燒殘渣的熱灼減率可滿足國標的要求，減少了二英和一氧化碳的排放，達到無害化處置的目的。

組合式焚燒爐的工藝流程是：危險廢物先從回轉(zhuǎn)窯的頭部連續(xù)進入窯頭開始加熱，在缺氧的狀態(tài)下氣化；隨著窯體的轉(zhuǎn)動，危險廢物被移動到溫度較高的中部，開始熱解，低燃點的物質(zhì)開始燃燒；接著移動到窯尾，溫度進一步升高，危險廢物裂解為一氧化碳等可燃氣體和廢渣。在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)，通過對廢料進行反復翻轉(zhuǎn)與持續(xù)推進[2]以及低燃點氣體的燃燒，使危險廢物基本完全分解為可燃氣體和廢渣。在二燃室內(nèi)，可燃氣體與過量空氣完全燃燒，迅速升高溫度，使聚合苯環(huán)類有機物高溫分解為二氧化碳等無機物；在爐排上，廢渣與加入的爐排風，進行持續(xù)燃燒，使廢渣燃盡。圖2為組合式焚燒爐的工藝流程圖。

圖2 組合式焚燒爐工藝流程

回轉(zhuǎn)窯的旋轉(zhuǎn)和少量空氣的加入，可以使有機物分解，并控制溫度，避免窯內(nèi)“結(jié)焦”；二燃室過量空氣的加入，可以提高危險廢物的燃燒效率、有機物的焚毀去除率，滿足國標的要求；爐排風的加入可以使焚燒廢渣燃盡。冷卻風是用于窯尾密封的冷卻。為防止有毒有害氣體的逸出，焚燒爐內(nèi)應(yīng)保持微負壓狀態(tài)運行。

3 主要技術(shù)參數(shù)

3.1 熱力計算

物料平衡與熱平衡的計算是以危險廢物中的碳、氫、硫等可燃元素和空氣中氧的化學反應(yīng)方程式為依據(jù)的，并假定焚燒所需空氣為干空氣、所需空氣和生成的煙氣均為理想氣體，空氣量以1kg的危險廢物為計算基礎(chǔ)。

理論空氣量的計算公式為：

當過量空氣系數(shù)α＞1且完全燃燒時，實際煙氣的成分只比理論煙氣（α=1）多出一項：過剩空氣。

實際煙氣焓為理論煙氣焓、過量空氣焓和飛灰焓之和，理論煙氣焓為CO2、SO2、N2和H2O的焓之和，各成分的理論焓為各成分在θ溫度下的容積比焓與各成分的煙氣量之積。

3.2 選型計算

危險廢物在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的停留時間計算公式[2]為：

式中：t —廢料的停留時間，一般為30～120min；

24和324—分別為經(jīng)驗系數(shù)；

θ — 廢料的自然傾角，一般在25～50度之間；

n — 窯的轉(zhuǎn)速，一般取1～3r/min；

α — 窯體的水平傾角，一般取1.0～3.0度；

L/Di— 回轉(zhuǎn)窯的長徑比，一般取3.0～5.0。

回轉(zhuǎn)窯和二燃室有效容積V容的計算公式[2]為：

式中：B — 危險廢物的處置量，kg/h；

Qfn— 危險廢物的低位發(fā)熱量，kcal/ kg；

q容— 燃燒室的容積熱負荷，kcal/m3?h。

4 應(yīng)用實例

以長三角地區(qū)某危險廢物集中處置中心為例，對焚燒系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)和設(shè)備造型進行計算[3、4]。假設(shè)危險廢物混合物的熱值為3000kcal/kg，處置能力為24t/d，在過量空氣系數(shù)α為1.80的條件下，二燃室排煙中的氧氣含量約為9.3%（干氣）。

危險廢物混合物的元素成分詳見表1所示；表2為二燃室出口的煙氣濃度分析；表3為組合式焚燒爐的熱力參數(shù)。

表1 危險廢物混合物元素分析表

表2 煙氣濃度分析

（2）二燃室

若二燃室的容積熱負荷為1×105kcal/m3?h，高徑比為4，則二燃室的有效容積約為30m3，二燃室的有效內(nèi)徑約為2.2m，高約為8.5m，煙氣的流速和停留時間分別約為2.5m/s、3.4s。

（3）爐排

設(shè)爐排的長和寬度分別為1.8m和1.4m，推桿行程為100mm，往復周期為10min，則傾斜式往復爐排的有效面積約為2.5m2，廢渣的移動速度和停留時間分別10mm/min、3.0h。

5 結(jié)語

在運行控制過程中，應(yīng)注意控制回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的溫度低于1000℃，以免窯內(nèi)結(jié)焦。因為有些危險廢物的灰熔點在1100℃左右，當窯內(nèi)溫度超過1000℃，會發(fā)生熔融現(xiàn)象。

在正常生產(chǎn)工況下，如危險廢物混合物的熱值能穩(wěn)定在3000kcal/kg左右，則不用輔助燃料；若熱值低于2200kcal/kg，則需啟動燃燒器。窯頭燃燒器的主要作用是烘爐與啟動，窯尾燃燒器的主要作用是提高二燃室的溫度。

根據(jù)現(xiàn)有項目的檢測結(jié)果，焚燒殘渣的熱灼減率＜3%，燃燒效率＞99.95%，焚毀去除率＞99.99%，煙氣中一氧化碳、二英類的排放濃度分別＜60mg/m3、＜0.1TEQng/m3。

表3 組合式焚燒爐的熱力參數(shù)

焚燒系統(tǒng)主要設(shè)備是以回轉(zhuǎn)窯、二燃室和爐排為主的組合型焚燒爐，此外，還有緊急排放煙囪和各種風機等配套設(shè)備，下面就分別以這三種主要設(shè)備為例進行選型計算。

（1）回轉(zhuǎn)窯

若回轉(zhuǎn)窯的容積熱負荷為1×105kcal/m3?h，轉(zhuǎn)速為0.4r/min[5]，物料的自然堆角為40度[6]，窯體的傾斜角為2度，長徑比為4[5]，則回轉(zhuǎn)窯的有效容積約為30m3，廢料的停留時間約為57min，長約為8.5m，廢料的移動速度約為0.15m/min，回轉(zhuǎn)窯的有效內(nèi)徑約為2.2m，煙氣的流速和停留時間分別約為0.5m/s、18.8s。

[1]趙由才,宋立杰,張華.固體廢物污染控制與資源化（實用環(huán)境工程手冊）[K].北京：化學工業(yè)出版社,2002,5.

[2]朱德宗,孔繁臣,黃卓武.化工回轉(zhuǎn)窯設(shè)計規(guī)定[S].化工部,1994,11.

[3]陳學俊,陳聽寬.鍋爐原理（上冊）[M].北京：機械工業(yè)出版社，1991.

[4]馮德凱,沈幼庭,楊瑞昌.鍋爐原理及計算[M].北京：科學出版社，2003，7.

[5]陳敬軍.危險廢物回轉(zhuǎn)窯焚燒爐的工藝設(shè)計[J].有色冶金設(shè)計與研究,2007,3.

[6]《回轉(zhuǎn)窯》編寫組.回轉(zhuǎn)窯（設(shè)計使用與維修）[M].北京：冶金工業(yè)出版社,1977,1.

Theory and Practice on Incineration and Disposal of Hazardous Wastes

ZHANG Lin, ZHANG Yin-pu

X705

A

1006-5377（2010）11-0036-03