催化焚烧炉

焚烧炉的设计主要与被烧垃圾的性质、处理规模、处理能力、炉排的机械负荷和热负荷、燃烧室热负荷、燃烧室出口温度和烟气滞留时间、热灼减率等因素有关。

(1)垃圾性质。垃圾焚烧与垃圾的性质有密切关系，包括垃圾的三成分(水分、灰分、可燃分)、化学成分、低位热值、相对密度等。同时由于垃圾的主要性质随人们的生活水平、生活习惯、环保政策、产业结构等因素的变化而变化，所以必须尽量准确地预测在此焚烧厂服务时间内的垃圾性质的变化情况，从而正确地选择设备，提高投资效率。为使设备容量得到充分利用，一般采用工厂使用期的中间年的垃圾性质和垃圾量作为设计基准，并且可以采用分期建设的情况进行。

(2)处理规模。焚烧炉处理规模一般以每天或每小时处理垃圾的重量和烟气流量来确定，必须同时考虑这两者因素，即使是同样重量的垃圾，性质不同，也会产生不同的烟气量，而烟气量将直接决定焚烧炉后续处理设备的规模。一般而言，垃圾的低位热值越高，单位垃圾产生的烟气量越多。

(3)处理能力。垃圾焚烧厂的处理能力随垃圾性质、焚烧灰渣、助燃条件等的变化而在一定范围内变化。一般采用垃圾焚烧图来表示焚烧炉的焚烧能力。

(4)炉排机械负荷和热负荷。炉排机械负荷是表示单位炉排面积的垃圾燃烧速度的指标，即单位炉排面积、单位时间内燃烧的垃圾量kg/(m²·h)。炉排机械负荷是垃圾焚烧炉设计的重要指标，高则表示炉排处理垃圾的能力强。炉排面积热负荷是在正常运转条件下，单位炉排面积在单位时间内所能承受的热量kJ/(m²·h)，视炉排材料及设计方式等因素而异。

(5)燃烧室热负荷。燃烧室热负荷是衡量单位时间内、单位容积所承受热量的指标，包括一次燃烧室和二次燃烧室。燃烧室热负荷的大小即表示燃烧火焰在燃烧室内的充满程度。

(6)燃烧室出口温度和烟气滞留时间。废气停留时间与炉温应根据废物特性而定。处理危险废物或稳定性较高的含有机性氯化物的一般废物时，废气停留时间需延长，炉温应提高；若为易燃性或城市垃圾，则停留时间与炉温在设计方面可酌量降低。一般而言，若要使CO达到充分破坏的理论值，停留时间应在0.5s以上，炉温在700℃以上，但任何一座焚烧炉不可能充分扰动扩散，或多或少皆有短流现象，而且未燃的炭颗粒部分仍会反应成CO，故在操作时，炉温应维持1000℃，而停留时间以1s以上为宜。若炉温升高，停留时间可以降低；炉温降低时，停留时间需要加长。

(7)热灼减率。炉渣的热灼减率是衡量焚烧炉渣无害化程度的重要指标，也是炉排机械负荷设计的主要指标。焚烧炉渣的热灼减率是指焚烧炉渣中的未燃尽分的重量，焚烧炉设计时的炉渣热灼减率一般在5%以下，大型连续运行的焚烧炉也有要求在3%以下 。

由于使用了催化剂，它可以在较低的温度下运行，从而降低了辅助燃料消耗和运行费用。催化剂床体可以是固定床或流化床。在启动流化床催化剂层时催化剂呈流化状态，使催化剂与VOCS（含有挥发性有机化合物）之间有着最佳的接触状态。但任何床体废气通过时都会有一定的阻力，需消耗一定的能量。高温下催化剂对一些毒性物质敏感，如待处理的VOCS气体中含有铅(Pb)时易使催化剂中毒，也可能会有一些新生成的无机盐类(如钠盐)覆盖在催化剂表面，从而导致催化剂活性下降。对覆盖有无机盐的催化剂可使用反吹技术使其恢复活性，但对中毒很深的催化剂只有更换。贵重金属之类的催化剂具有良好的分散性，在活性点上的浓度很低，在高温条件下贵重金属催化剂在高浓度点上的积累也很少。如使用有载体的氧化型金属催化剂，在高温下其金属氧化晶体结构会受到破坏。所以，在高温条件下，宜选用贵重金属之类的催化剂。催化剂通常可以使用数年，长时间使用后会有一些硅酮、重质烃类及颗粒物覆盖其表面，使其活性下降。故催化剂焚烧炉宜用来处理净化后的VOCS气体。在使用对温度较敏感的催化剂时，必须设计保护装置，以免温度高破坏催化剂活性。当待处理的VOCS气体中有氯化物存在时，宜选用可耐受氯的催化剂。催化焚烧VOCS技术致力寻求开发出耐受性强、活性降低缓慢的新型催化剂。最近，美国开发出氧化铬-氧化铝球型催化剂，可将加利福尼亚某空军基地含三氯乙烯(TCE)浓度达到1%～2%的VOCS气体焚烧掉，TCE的破坏率达97.5% 。

垃圾焚烧炉设计的基本原则是使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。这就要求选择适宜的炉床，合理设计炉膛的形状和尺寸，增加垃圾与氧气接触的机会，使垃圾在焚烧过程中水气易于蒸发、加速燃烧，以及控制空气及燃烧气体的流速及流向，使气体得以均匀混合 。

催化焚烧炉炉型

选择炉型时，首先应看所选择炉型的燃烧形态(控气式或过氧燃烧式)是否适合所处理的所有废物的性质。过氧燃烧式是指第一燃烧室供给充足的空气量(即超过理论空气量);控气燃烧式(缺氧燃烧)即第一燃烧室供给的空气量约是理论空气量的70%～80%，处于缺氧状态，使垃圾在此室内裂解成较小分子的碳氢化合物气体、CO与少量微细的炭颗粒，到第二燃烧室再供给充足空气使其氧化成稳定的气体。由于经过阶段性的空气供给，可使燃烧反应较为稳定，相对产生的污染物较少，且在第一燃烧室供给的空气量少，所带出的粒状物质也相对较少，为焚烧炉设计与操作较常使用的模式。

一般来说，过氧燃烧式焚烧炉较适合焚烧不易燃性废物或燃烧性较稳定的废物，如木屑、纸类等;而控气式焚烧炉较适合焚烧易燃性废物，如塑料、橡胶与高分子石化废料等;炉排型焚烧炉适用于生活垃圾;旋转窑焚烧炉适宜处理危险废物。

此外，还必须考虑燃烧室结构及气流模式、送风方式、搅拌性能好坏、是否会产生短流或底灰易被扰动等因素。焚烧炉中气流的走向取决于焚烧炉的类型和废物的特性。多膛式焚烧炉的取向通常是垂直向上燃烧的;回转窑焚烧炉通常是向斜下方向燃烧;而液体喷射式焚烧炉、废气焚烧炉及其他圆柱形的焚烧炉可取任意方向，具体形式取决于待焚烧的废物形态及性质。当燃烧产物中含有盐类时，宜采用垂直向下或下斜向燃烧的设计类型，以便于从系统中清除盐分。

焚烧炉的炉体可为圆柱形、正方形或长方形的容器。旋风式和螺旋燃烧室焚烧炉采用圆柱形的设计方案;液体喷射炉、废气焚烧炉及多燃烧室焚烧炉虽然既可以采用正方形也可以采用长方形的设计，但是圆柱形燃烧室仍是较好的结构形式。将耐火的顶部设计成正方形或长方形往往是非常困难的。大型焚烧炉二次燃烧室多为直立式圆筒或长方体，顶端装有紧急排放烟囱，中、小型焚烧炉二次燃烧室则多为水平圆筒形。

催化焚烧炉送风方式

就单燃烧室焚烧炉而言，助燃空气的送风方式可分为炉床上送风和炉床下送风两种，一般加入超量空气100%～300%，即空气比为2.0～4.0。对于两段式控气焚烧炉，在第一燃烧室内加入70%～80%理论空气量，在第二燃烧室内补足空气量至理论空气量的140%～200%。二次空气多由两侧喷入，以加速室内空气混合及搅拌混合程度。从理论上讲强制通风系统与吸风系统差别很小。吸风系统的优点是可以避免焚烧烟气外漏，但是由于系统中常含有焚烧产生的酸性气体，必须考虑设备的腐蚀问题。

催化焚烧炉炉膛尺寸的确定

垃圾焚烧炉炉膛尺寸主要是由燃烧室允许的容积热强度和垃圾焚烧时在高温炉膛内所需的停留时间两个因素决定的。通常的做法是按炉膛允许热强度来决定炉膛尺寸，然后按垃圾焚烧所必需的停留时间加以校核。

考虑到垃圾焚烧时既要保证燃烧完全，还要保证垃圾中有害组分在炉内一定的停留时间，因此在选取容积热强度值时要比一般燃料燃烧室低一些。

催化焚烧炉除在燃烧室内装有催化剂之外，其他均与对流换热焚烧炉相同。对流换热式焚烧炉系国内的行业称谓，国外称同流换热式焚烧炉，其废热回收系统设计使得其在操作下限(LEL)范围内使用较经济。设计较蓄热式焚烧炉简单，装置较小和轻便，可装在滑轮上制成轻便移动式。该焚烧炉热回收系统的典型设计是将管式或板式换热器安装在燃烧室的废气排气一端，当废气中含颗粒物较少时，通常采用板式换热器，其热回收效率可达70%；而管式换热器的热回收效率通常只有40%～50%。热回收效率为实际回收热能与可回收最大热能之比，热回收效率=(T_预热温度-T_进口温度)/(T_燃烧温度-T_进口温度) 。

催化焚烧炉特别适于处理VOCS浓度较高，废气中VOCS（含有挥发性有机化合物）浓度波动不大的废气。当废气中VOCS浓度不高，VOCS浓度波动大时，只能靠投加辅助燃料维持燃烧过程。而投加辅助燃料使焚烧炉内高温区温度会达到或超过1537.8℃，导致NO_x生成量增加。由于换热器和火焰直接接触，在换热区可能会有VOCS自燃现象发生，故换热器多采用金属材质。如果焚烧炉在低于760℃以下运行，要求VOCS在炉内有较好的湍动设计和有较长的停留时间。当废气中含有氯化物时，会存在Cl₂生成HCl导致腐蚀发生，设计时务必选用耐腐蚀材料，虽投资费用增加，但很有必要 。

焚烧炉是用于焚烧的设备。从不同的角度有很多种分类方法。按焚烧室分类可分为：单室焚烧炉多室焚烧炉。而 根据燃烧烟气和垃圾移动的方向的关系可将炉体分为顺流式逆流式交流式和二次流式。按炉型分类可分为 固定炉排炉、机械炉排炉、流化床焚烧炉(主要用来处理工业垃圾)、回转窑炉等。为增强生活垃圾焚烧的效果，经常在焚烧中应用热分解和气化(熔融)技术。

炉排焚烧炉原理为：将垃圾供应到 耐热铸铁(钢)的炉排上，从炉排下部通风，使垃圾燃烧。流化床焚烧炉的焚烧原理为：在塔型炉底部多孔管中通风， 使其上砂层流动形成流动层，粉碎后的垃圾被投入后，在炉内与流动砂(650～ 800℃)接触，从而瞬间燃烧，燃烧后的灰分被燃烧气体带到烟气处理系统。气化熔融炉的焚烧原理为：先将垃圾在 450～600℃的还原性气氛中热分解为可燃性气体以及以炭为主的固体残渣， 然后再进行燃烧并熔融。焚烧炉的设计时要综合考虑工厂的处理规模、待处理垃圾的性质、炉排机械负荷和热负荷、燃烧室热负荷、燃烧室出口温度和烟气滞留时间以及热灼减率等来进行设计。

垃圾焚烧技术在国外的应用和发展已有几十年的历史，比较成熟的炉型有脉冲抛式炉排焚烧炉、机械炉排焚烧炉、流化床焚烧炉、回转式焚烧炉和CAO焚烧炉，下面对这几种炉型作简单的介绍。

机械炉排焚烧炉

工作原理：垃圾通过进料斗进入倾斜向下的炉排（炉排分为干燥区、燃烧区、燃尽区），由于炉排之间的交错运动，将垃圾向下方推动，使垃圾依次通过炉排上的各个区域（垃圾由一个区进入到另一区时，起到一个大翻身的作用），直至燃尽排出炉膛。燃烧空气从炉排下部进入并与垃圾混合；高温烟气通过锅炉的受热面产生热蒸汽，同时烟气也得到冷却，最后烟气经烟气处理装置处理后排出。

特点：炉排的材质要求和加工精度要求高，要求炉排与炉排之间的接触面相当光滑、排与排之间的间隙相当小。另外机械结构复杂，损坏率高，维护量大。炉排炉造价及维护费用高，使其在中国的推广应用困难重重。

流化床焚烧炉

工作原理：炉体是由多孔分布板组成，在炉膛内加入大量的石英砂，将石英砂加热到600℃以上，并在炉底鼓入200℃以上的热风，使热砂沸腾起来，再投入垃圾。垃圾同热砂一起沸腾，垃圾很快被干燥、着火、燃烧。未燃尽的垃圾比重较轻，继续沸腾燃烧，燃尽的垃圾比重较大，落到炉底，经过水冷后，用分选设备将粗渣、细渣送到厂外，少量的中等炉渣和石英砂通过提升设备送回到炉中继续使用。

特点：流化床燃烧充分，炉内燃烧控制较好，但烟气中灰尘量大，操作复杂，运行费用较高，对燃料粒度均匀性要求较高，需大功率的破碎装置，石英砂对设备磨损严重，设备维护量大。

回转式焚烧炉

工作原理：回转式焚烧炉是用冷却水管或耐火材料沿炉体排列，炉体水平放置并略为倾斜。通过炉身的不停运转，使炉体内的垃圾充分燃烧，同时向炉体倾斜的方向移动，直至燃尽并排出炉体。

特点：设备利用率高，灰渣中含碳量低，过剩空气量低，有害气体排放量低。但燃烧不易控制，垃圾热值低时燃烧困难。

CAO焚烧炉

工作原理：垃圾运至储存坑，进入生化处理罐，在微生物作用下脱水，使天然有机物（厨余、叶、草等）分解成粉状物，其他固体包括塑料橡胶一类的合成有机物和垃圾中的无机物则不能分解粉化。经筛选，未能粉化的废弃物进入焚烧炉的先进入第一燃烧室（温度为600℃），产生的可燃气体再进入第二燃烧室，不可燃和不可热解的组份呈灰渣状在第一燃烧室中排出。第二室温度控制在860℃进行燃烧，高温烟气加热锅炉产生蒸汽。烟气经处理后由烟囱排至大气，金属玻璃在第一燃烧室内不会氧化或融化，可在灰渣中分选回收。

特点：可回收垃圾中的有用物质；但单台焚烧炉的处理量小，处理时间长，单台炉的日处理量最大达到150吨，由于烟气在850℃以上停留时间难于超过1秒钟短，烟气中二恶英的含量高，环保难以达标。

脉冲抛式炉排焚烧炉

工作原理：垃圾经自动给料单元送入焚烧炉的干燥床干燥，然后送入第一级炉排，在炉排上经高温挥发、裂解，炉排在脉冲空气动力装置的推动下抛动，将垃圾逐级抛入下一级炉排，此时高分子物质进行裂解、其它物质进行燃烧。如此下去，直至最后燃尽后进入灰渣坑，由自动除渣装置排出。助燃空气由炉排上的气孔喷入并与垃圾混合燃烧，同时使垃圾悬浮在空中。挥发和裂解出来的物质进入第二级燃烧室，进行进一步的裂解和燃烧，未燃尽的烟气进入第三级燃烧室进行完全燃烧；高温烟气通过锅炉受热面加热蒸汽，同时烟气经冷却后排出。

其优点是：

（1）处理垃圾范围广泛 能够处理工业垃圾、生活垃圾、医院垃圾废弃物、废弃橡胶轮胎等。

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

（3）运行维护费用低 由于采用了许多特殊的设计以及较高的自动化控制水平，因此运行人员少（包括除灰渣人员在内一台炉仅需两人），维护工作量也较少。

（4）可靠性高 经过近20年运行表明，此焚烧炉故障率非常低，年运行8000小时以上，一般利用率可达95%以上。

（5）排放物控制水平高 由于采用二级烟气再燃烧和先进的烟气处理设备，使烟气得到了充分的处理。经长期测试，烟气排放物中CO含量1—10 PPM，HC含量2—3 PPM，NOx含量35 PPM，完全符合欧美排放标准。烟气在二、三级燃烧室燃烧时温度达1000℃，并且停留时间达2秒以上，可使二恶英基本分解，烟气中二恶英的含量为 0.04 ng/m3，远低于欧美标准0.1 ng/m3。

（6）炉排在压缩空气的吹扫下，有自清洁功能。

焚烧炉原理是利用煤、燃油、燃气等燃料的燃烧，将要处理的物体进行高温的焚毁碳化，以达到消毒的目的。

焚烧炉在患病害的动物尸体无害化处理以及医疗废弃物、有毒有害固体废弃物处理方面有较大的应用价值。

以动物的焚烧为例，说明利用焚烧炉进行无害化处理的操作步骤：

1、注入燃料，接通电源，启动助燃开关，炉内温度达到自燃温度，将病害畜禽肉尸及其产品投入炉内，关闭助燃开关，启动自燃开关，病害肉体保持自燃状态不能剖割的病害畜禽尸体整体投入焚烧炉中，启动自燃开关，尸体自燃至完全碳化为止。

2、整尸焚毁：不能剖割的病害畜禽尸体整体投入焚烧炉中，启动自燃开关，尸体自燃至完全碳化为止。

3、肉尸分割焚毁：允许分割的病害肉品分割后投入焚烧炉中，启动自燃开关，肉块自燃至完全碳化为止。

4、脏器焚毁：病害畜禽脏器整体投入焚烧炉中，启动助燃开关，使脏器在助燃状态下燃烧至完全碳化为止。

5、焚烧后的碳化物需要选择地点（远离水源地和居民区）进行掩埋，彻底杜绝病菌的传播。

焚烧炉在普光气田高含硫气井试气中的应用

高含硫气井试气通常采用燃烧筒燃烧,燃烧效率低、H2S燃烧不完全、SO2排放超标、试气时间短,难以准确评价气井产能。为此,介绍了引进加拿大专业公司设计生产的Q3000型焚烧炉的工作原理、扩散模型计算方法及主要技术指标,指出该焚烧炉通过喷头排列方式设计、逻辑控制程序研究能使高含硫天然气产生高速涡流,炉腔温度范围从1090℃到1630℃,保证了高含硫天然气的完全燃烧,具备燃烧完全、SO2扩散良好,可长时间、高效率、满负荷燃烧的性能,满足了试气安全要求。同时,根据高含硫气井的试气要求,设计6台焚烧炉并联试气,设计处理量60×104m3/d,累积试气燃烧时间240h,经环境监测可知各项监测指标满足环保要求,实现了高含硫天然气井的系统测试,为进一步落实气藏的产能提供了科学依据。

医疗垃圾焚烧炉

湖州市医疗垃圾焚烧处理系统是浙江大学热能工程研究所研制的回转窑 循环流化床多段医疗垃圾热解焚烧技术的实际应用示范项目，为了保障该示范项目的正常运行，需要为其配备一套安全、稳定的计算机监控系统。根据医疗垃圾焚烧处理系统的实际情况，借鉴国内外一些先进技术和经验，对小型热工监控系统的应用进行了深入的研究。本文的研究工作正是围绕着湖州医疗垃圾焚烧炉计算机热工监控系统的研制而展开的，重点是监控系统软件、硬件设计和自动控制功能的实现。 本项研究中采用可编程控制器(PLC)作为下位机、工业控制计算机(PC)作为上位机与各种热工参数传感器、变送器、操作控制器等组成一个集散控制系统(DCS)，自动监测医疗垃圾焚烧炉的各项运行参数，并对医疗垃圾焚烧炉实行自动控制与调节。监控系统包括自动检测与远程自动控制两大部分，PLC负责完成数据采集及远程自动控制调节，建立上位机PC机与下位机PLC的通讯，操作人员通过PC机监视医疗垃圾焚烧系统各运行参数监视和控制，实现人机对话，保证焚烧系统“安全、经济、稳定”的运行。 本文的研究工作还包括上位机(PC)和下位机(PLC)的软件开发。上位机软件在通用组态软件“组态王”的开发平台上研制开发，具有强大的监测和控制功能和友好的用户界面，实现了运行参数的列表显示、流程图模拟显示与趋势显示、报警提示、历史查询、工作报表等功能。下位机软件由西门子STEP—7软件包开发，完成监控系统的数据采集、控制回路和控制算法等功能，采用了带死区的三段式智能PID控制原理设计焚烧处理系统各控制回路的自动控制。 通过本课题的研究工作，希望能为开发性能良好的小型实时热工监控系统提供一条有效的参考途径。