流化床焚烧处理城市生活垃圾工艺设计.doc

流化床焚烧处理城市生活垃圾工艺设计
要：随着社会经济的发展，城市垃圾的产量在不断的增长。焚烧法处理城市垃圾是目前国内外一种比较切实可行的方法，焚烧法可以实现垃圾的减量化、无害化、资源化处理目的。根据我国目前城市垃圾热值偏低的实际情况，本设计提出以煤为辅助燃料，采用流化床焚烧炉处理城市垃圾，可大幅度降低运行成本，符合国情。本设计主要介绍了垃圾焚烧利用的主要工艺流程及各系统的工艺设计，从流化床焚烧炉到废热利用系统，再从烟气净化到最终烟气达到大气环境质量排放标准的工艺设计。除尘系统选用适应性强、除尘效率高的袋式除尘器，烟气净化塔选用湿式填料塔，去除效果较好，结构简单，以及废热锅炉和凝汽式汽轮机的设计与选型，还有灰渣的处理利用。通过垃圾焚烧利用整个工艺过程的设计，城市垃圾达到了“三化”的处理目的，并建议采用流化床焚烧炉。
关键词 城市垃圾 垃圾焚烧 流化床焚烧炉 烟气净化 废热锅炉 凝汽式汽轮机

1.绪论
1.1前言
随着经济的发展和城市化的进程，城市生活垃圾的产量、有机组分含量以及热值也日益增加。大量的城市生活垃圾对人们生活环境和城市发展造成了巨大的压力和危害，如何实现城市生活垃圾无害化、减量化和资源化的“三化”处理已成为研究的焦点。城市垃圾通常的处理方法有填埋、堆肥和焚烧等，实践证明，填埋和堆肥两种方法不仅占用大量土地，耗用时间长，而且垃圾的渗滤液对填埋场及堆肥场附近环境会造成严重影响，破坏生态环境。采用焚烧方法处理城市生活垃圾是目前国内外一种比较先进的垃圾处理方法，它能使垃圾处理有效无害化、减量化和资源化，并可将其产生的能量用于发电，因而成为当今处理城市生活垃圾的主流。目前日本、美国、德国、瑞士和加拿大发达国家广泛采用焚烧法处理城市生活垃圾，部分国家和地区的城市生活垃圾焚烧率已经达到90%以上；国内垃圾焚烧产业正在兴起，除深圳垃圾焚烧厂已经运行，珠海、上海、北京、浙江和广东等地正在积极兴建垃圾焚烧厂。
二十世纪以来，固体废弃物的排放急剧增加，造成的大气污染、地下水污染、土壤污芽土地占用、自然景观破坏等问题日趋严重。固体废弃物分为工业垃圾和城市垃圾两种，城市垃圾的产量是惊人的，据统计，中国1990年城市垃圾总产量为6900万吨，北京市每年的城市权产量超过200万吨。 生活垃圾是人们日常生活中产生的废弃物，随着人民生活水平的提高，其数量正在逐年增加。目前城市生活垃圾的处理已成为各国面临的一大难题。美国每年产生生活垃圾约为2亿t，日本每年的生活垃圾总量约为5120万t。目前我国城市生活垃圾年产量约为1.5亿t，并按8%—10%的年增长速度增长。历年堆存量累计超过50亿t，而无害化处理率很低，大量垃圾运到城郊裸露堆放。如何有效地处理这些城市垃圾，使之资源化、减量化和无害化（即"三化"），成为当前世界各国十分关注的课题。

1.2城市垃圾处理的三种基本方法
目前世界各国城市垃圾的处理方式主要有堆肥、填埋和焚烧三种。
堆肥法是将垃圾中的可降解的有机成分经无害化处理转变成肥料。堆肥处理对垃圾要进行分拣、分类、要求垃圾的有机含量要高。垃圾分类筛选，高温发酵，恶臭排放物控制等工艺水平还不够高，所得肥料质量随着城市垃圾纸张、塑料等不腐物成分上升而下降，且处理垃圾量大，劳动强度大，与化肥相比不占优势，市场正变得越来越小。该处理方法很难在大中城市推广应用。
填埋法，也是越来越显露了许多弊端。首先填埋要耗用大片土地资源；第二是环境保护要求填埋技术条件十分严格，处理难度和成本必然增加；第三是填埋后的垃圾经长期发酵，会产生可然、有害气体，引发爆炸事故等，并加剧地球温室效应；第四，垃圾中的重金属和化学毒物渗入地下后污染地下水并造成永久性积聚。同时垃圾中有害成分对大气、土壤及水源造成严重污染。不仅破坏了生态环境，而且也严重危害人体健康。采用卫生填埋方式要重点解决填埋工艺、渗沥液处理和填埋气体输导利用等关键技术。
焚烧法处理，从目前世界各国使用的情况来看，这是一种比较切实可行的方法。尤其是采用流化床焚烧技术有很多优点：1.能做到有效而快速的减量化，是垃圾体积减少90%以上，焚烧后残留的灰渣很少，还可以综合利用；2.可以实现无害化处理。垃圾中的微生物、有害气体与有害液体，经过燃烧后可变成无害，通过组织低污染燃烧工况与焚烧炉的正确设计，可是排放的污染物控制在规定标准之内，做到不污染环境；3.可以实现垃圾资源化利用。垃圾中的有机物、有害气体、液体经燃烧后产生的热能可以将它回收用于发电和供热；4.可以就地焚烧，无需长距离运输，也不需占用土地专建堆场长期贮存，节约土地资源和处理成本。

1.3城市垃圾焚烧技术

1.3.1概述
焚烧法是一种高温热解处理技术，即以一定量的过量空气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800~1200℃的高温下氧化、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。
焚烧的目的是尽可能焚毁废物，是被焚烧的物质变为无害和最大限度地减容，并尽可能减少新的污染物质产生，避免造成二次污染。对于大、中型的废物焚烧厂，能同时实现使废物减量、彻底焚毁废物中的毒性物质，以及回收利用焚烧产生的废热这三个目的。目前在工业发达国家焚烧法已被作为城市垃圾处理的主要方法之一，得到广泛应用，我国也在加快开发研究的速度，以推进城市垃圾的综合利用。（来源：不详）
焚烧法不但可以处理固体废物，还可以处理液体废物；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
。在焚烧处理城市生活垃圾时，也常常将垃圾焚烧处理前暂时储存过程中产生的渗滤液和臭气引入焚烧炉焚烧处理。焚烧法适宜处理有机成分多、热值高的废物；当处理可燃有机物组分很少的废物时，需要补加大量的燃料这会使运行费用增高。但如果有条件辅以适当的废热回收装置，则可弥补上述缺点，降低废物焚烧成本，从而使焚烧法获得较好的经济效率。
焚烧技术在处理城市垃圾方面得到广泛的应用，是因为它有许多独特的优点：
①垃圾经焚烧处理后，垃圾中的病原体被彻底消灭，燃烧过程中产生的有害气体和烟尘经处理后达到排放要求，无害化程度高；
②经过焚烧，垃圾中的可然成分被高温分解后，一般可减重80%和减容90%以上，减量效果好，可节约大量填埋场占地，焚烧筛上物效果更好；
③垃圾焚烧所产生的高温烟气，其热能被废热锅炉吸收转变为蒸汽，用来供热和发电，垃圾被作为能源来利用，还可以回收铁磁性金属等资源，可以充分实现垃圾处理的资源化；
④垃圾焚烧厂占地面积小，尾气经净化处理后污染较小，可以靠近市区见长。即节约用地又缩短了垃圾的运输距离，对有经济发达的城市，尤为重要；
⑤焚烧处理可全天候操作，不易受天气影响。
⑥随着对城市垃圾填埋的环境措施要求的提高，焚烧法的操作费用可望低于填埋。
当然，焚烧方法也并非完美。首先。焚烧法投资大，占用资金周期长；其次，焚烧对垃圾的热值有一定要求，一般不能低于3360kJ/kg（800kcal/kg），限制了它的应用范围；最后，焚烧过程中也可能产生较为严重的“二恶英”问题，必须要对烟气投入很大的资金进行处理。
国内外垃圾焚烧技术[1]主要有三大类：旋转燃烧技术（也称回转窑式）、炉排炉层状燃烧技术和循环流化床燃烧技术。
①旋转燃烧技术：
旋转焚烧炉燃烧设备主要是一个缓慢旋转的回转窑，其内壁可采用耐火砖砌筑，也可采用管式水冷壁，用以保护滚筒。它是通过倾斜筒体连续、缓慢地转动，利用内壁耐高温抄板将垃圾由筒体下部在筒体滚动时带到筒体上部，然后靠垃圾自重落下，由于垃圾在筒内翻滚并与空气充分接触，完成着火、燃烧和燃烬三个阶段。回转窑过去主要用于处理有毒有害的医院垃圾和化工废料。
②炉排炉层状燃烧技术：
层状燃烧技术发展较为成熟，这种焚烧炉因为具有对垃圾的预处理要求不高，对垃圾热值适应范围广，运行及维护简便等优点，许多国家采用这种燃烧技术。为使垃圾燃烧过程稳定，层状燃烧关键是炉排。垃圾在炉排上通过三个区段：预热干燥段、燃烧段和燃尽段。垃圾在炉排上着火，热量不仅来自上方的辐射和烟气的对流，还来自垃圾层内部。在炉排上已着火的垃圾在炉排的特殊作用下，使垃圾层强烈地翻动和搅动，引起垃圾底部也开始着火，连续地翻动和搅动，使垃圾层松动，透气性加强，有助于垃圾的着火和燃烧。炉拱形状设计要考虑气流有利于热烟气对新入垃圾的热辐射预热干燥和燃尽区垃圾的燃尽。配风设计要确保空气在炉排上垃圾层分布均匀并合理使用一、二次风。层燃炉要获得良好的炉内燃烧工况，必须具备三个条件：即烟气湍流度、滞留时间和足够高的温度。由于垃圾成份复杂，炉温太高时会产生过多的氧化氮；炉温太低，烟气滞留时间过短，将易产生不完全燃烧产物，尤其是对人体有严重危害的二恶英难以完全分解，故大多数厂商把炉膛出口温度定位不低于 850 ℃ ，烟气滞留时间不低于 2 秒。层燃炉型式很多，有固定炉排（主要是小型焚烧炉）、链条炉排、滚动炉排、倾斜顺推往复炉排、倾斜逆推往复炉排等。
宁波垃圾焚烧厂（ 3 台 350 t/d ），浦东垃圾焚烧厂（ 3 台 365 t/d ），珠海垃圾焚烧厂（ 3 台 200 t/d ）分别采用德国诺尔—克尔茨公司、法国阿尔斯通公司、美国底特律阶梯式往复炉排。据一些资料介绍，已运行的炉排炉和调试运行情况看，现阶段的城市生活垃圾要使炉膛空间的燃烧温度大于 850 ℃ 还需要采用一定的喷油助燃措施。国外目前比较成熟的垃圾焚烧设备多为马丁炉排炉，对于热值较高的城市垃圾而言，这种选择无疑具有其科学性，但在处理热值较低且变化范围较大的我国城市垃圾，必然带来一定程度上的困难，甚至影响整个垃圾焚烧厂的运行。某厂引进的焚烧炉就遇到了这一情况，从投资的角度来看，引进国外一套（ 2 台 ）日处理 600 吨垃圾（发电功率 2×3 MW）的焚烧发电处理厂需要投资约 4.5 亿人民币，对于处于发展时期的我国来说是难以接受的。若能开发研制符合中国国情的国产化焚烧炉将具有广阔的应用前景。
③循环流化床燃烧技术：
循环流化床锅炉是 20 世纪 80 年代发展起来的一种清洁燃烧技术。对于垃圾采用循环流化床燃烧方式，我国科研工作者做了大量的工作，流化床燃烧技术目前已趋于发展成熟。
流化床垃圾焚烧炉是在炉内铺设一定厚度、一定粒度范围的石英砂或炉渣，通过底部布风板进入一定压力的空气，将砂粒吹起、翻腾、浮动。流化床内气 — 固混合强烈，传热传质速率高，单位面积处理能力大，具有极好的着火条件。垃圾入炉后即和灼热的石英砂迅速处于完全混合状态，垃圾受到加热、干燥，有利于完全燃烧。床内燃烧温度控制在 850 ℃ ～ 950 ℃ 的范围内，其燃烧过程特性与普通流化床锅炉相似。
采用循环流化床燃烧技术，可实现稳定、高效燃烧，对于热值及成分多变的垃圾，具有独特的优势，这已为国内外学者所公认。尤其是在污染控制方面，流化床燃烧技术同时解决了燃烧与脱污染物过程。因此循环流化床垃圾焚烧处理是一种综合性能优越的燃烧方式，尤其适合我国垃圾成分复杂，热值偏低的国情。 某热电厂一台由35t/h链条锅炉改造成的垃圾流化床焚烧炉，燃烧杭州市部分地区的城市生活垃 圾，单台日处理垃圾量达150 ～ 250吨，若补充一定比例的辅助燃料 — 原煤，即可保证正常供热和发电。
绍兴垃圾焚烧厂采用由中联环保技术工程有限公司、绍兴市新民热电有限公司和无锡锅炉厂共同开发研制的循环流化床垃圾焚烧锅炉，单台额定垃圾处理量为400 t/d ，额定蒸发量为 75 t/h ，采用垃圾和煤混烧，焚烧厂主要处理绍兴城区垃圾。该炉于2001年8月27日点火运行，经过一个半月调试，从 10 月 15 日开始，绍兴市市区的350 ～ 400 t/d生活垃圾全部送到了焚烧厂处理，焚烧炉最大处理量可达到500 t/d 。能源回收采用热电联产，发电机容量15 MW。该炉炉膛上下温度分布均匀，均保持在850 ℃ ～ 950 ℃ 的范围内，高温烟气在炉内停留时间超过 3 秒，抑制了二恶英等有毒气体的生成。经检测各项排放指标均达到国家标准，二恶英等主要指标达到欧盟污染控制标准，垃圾炉渣热灼减率为0.79 % ，锅炉热效率达到 82.74 % 。同时解决了渗沥液的处理问题，渗沥液可直接喷入炉内燃烧。
从20世纪70年代到90年代中期的20多年间，是垃圾焚烧发展最快的时期，几乎所有的工业发达国家、中等发达国家都建有不同规模、不同数量的垃圾焚烧设施，而且在部分发展中国家也已经建成或正在积极筹备建设垃圾焚烧厂。在中国沿海一些经济比较发达的地区，随着城市垃圾产生量逐年迅猛增加和土地资源的日益紧张，与传统的填埋法处理垃圾的矛盾日益尖锐，所以转向焚烧法处理城市垃圾的需求也开始变得紧迫起来。目前国外运用较多，比较成熟、完善的垃圾焚烧处理技术主要有马丁炉排炉、滚筒炉和旋转窑炉焚烧技术等。它们对于国外热值较高、含水率较低的垃圾而言，焚烧处理效果较好，但照搬过来处理没有经过预先分捡、成分复杂、热值较低、含水率较高且变化范围较大的中国城市垃圾时，效果却不理想，垃圾焚烧厂也很难正常运行，深圳垃圾焚烧厂引进的日本焚烧炉就遇到了这样的问题。同时，从经济投资的角度来看，深圳引进一套（两台）日处理量600t垃圾（2×3MW）的焚烧发电处理技术和设备，初期投资就已达4.5亿元人民币，这种情况对于目前尚处于社会主义发展初级阶段、经济实力还不够充分强大的中国来说是难以接受的。因此，鉴于我国的实际情况，大规模引进国外垃圾焚烧处理设备在技术和经济上均存在一定问题。推进我国城市垃圾焚烧技术的主要途径应该是在学习、借鉴国外先进经验和技术的基础上，根据我国城市垃圾的特点、现有的经济实力，开发符合我国国情的、有中国特色的科学、经济、实用、有效的城市垃圾焚烧处理技术和装置。只有这样，才能适应我国当前城市生活垃圾处理的需要，满足各类不同城市的需要，这也是我国发展和应用垃圾焚烧技术的根本。

1.3.2垃圾焚烧处理指标
在实际燃烧过程中，由于操作条件不能达到理想效果，致使垃圾燃烧不完全。不完全燃烧的程度反映焚烧效果的好坏，评价焚烧效果的方法有多种，比较直接的是用肉眼观察垃圾焚烧产生的烟气的“黑度”来判断焚烧效果，烟气越黑，焚烧效果越差。另外，也可用这几项技术指标来衡量焚烧处理效果：
①减量比用于衡量焚烧处理废物减量化效果的指标是减量比，即为：

式中 MRC——减量比，%；
ma——焚烧残渣的质量，kg；
mb——投加的废物质量，kg；
mc——残渣中不可燃物质量，kg。
②热灼减量指在焚烧残渣在（600±25）℃经3h灼热后减少的质量占原焚烧产量的百分数，其计算方法如下：

式中 QR——热灼减量，%；
ma——焚烧残渣在室温时的质量，kg；
md——焚烧残渣在（600±25）℃经3h灼热后冷却至室温的质量，kg。
③燃烧效率及破坏去除效率，在焚烧处理城市垃圾及一般工业废物时，多以燃烧效率（CE）作为评估是否可以达到预期处理要求的指标：

式中 [CO2]和[CO]——分别为烟道气中该种气体的浓度值。
对危险废物，验证焚烧是否可以达到预期的处理要求的指标还有特殊化学物质[有机性有害主成分（POHCS）]的破坏去除效率（DRE），定义为：

式中，Win为进入焚烧炉的POHCS的质量流率；Wout为从焚烧炉流出的该种物质的质量流率。
④烟气排放浓度限制指标废物在焚烧过程中会产生一系列新污染物，有可能造成二次污染。对焚烧设施排放的大气污染物控制项目大致包括四个方面：a.烟尘，常将颗粒物、黑度、总碳量作为控制指标；b.有害气体，包括SO2、HCl、HF、CO和NOx；c.重金属元素单质或其化合物，如Hg、Cd、Pb、Ni、Cr、As等；（
d.有机污染物，如二恶英，包括多氯代二苯并-对-二恶英（PCDDs）和多氯代二苯并呋喃（PCDFs）。

1.3.3影响垃圾焚烧的主要因素
焚烧是通过燃烧处理废物的一种热力技术。燃烧是一种剧烈的氧化反应，常伴有光与热的现象，即辐射热，也常伴有火焰现象，会导致周围温度的升高。燃烧系统中有三种主要成分：燃料或可然物质、氧化物及惰性物质。燃料是含有碳碳、碳氢及氢氢等高能量化学键的有机物质，这些化学键经氧化后，会放出热能。氧化物是燃烧反应中不可缺少的物质，最普通的氧化物为含有21%氧气的空气，空气量的多寡及与燃料的混合程度直接影响燃烧的效率。惰性物质不直接参与燃烧过程。固体可燃性物质的燃烧过程比较复杂，通常由热分解、熔融、蒸发和化学反应等传热、传质过程所组成。一般根据不同可然物质的种类，有三种不同的燃烧方式:①蒸发燃烧，垃圾受热融化成液体，继而化成蒸气，与空气扩散混合而燃烧，蜡的燃烧属这一类；②分解燃烧，垃圾受热后首先分解，轻的碳氢化合物挥发，留下固定碳及惰性物，挥发分与空气扩散混合而燃烧，固定碳的表面与空气接触进行表面燃烧，木材和纸的燃烧属于这一类；③表面燃烧，如木炭、焦炭等固体受热后不发生融化、蒸发和分解等过程，而是在固体表面与空气反应进行燃烧。
生活垃圾中含有多种有机成分，其燃烧过程是蒸发燃烧、分解燃烧和表面燃烧的综合过程，同时，生活垃圾的含水率高于其他固体燃料。生活垃圾的焚烧过程一次分为干燥、热分解和燃烧三个过程，在垃圾的实际焚烧过程中，这三个阶段没有明显的界限，只不过在总体上有时间上的先后差异。并且焚烧要有一定的条件，焚烧温度、搅拌混合程度、气体停留时间（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、分解直至破坏所必需达到的温度。它比废物的着火温度高得多。一般说提高焚烧温度有利于废物中有机毒物的分解和破坏，并可以执黑烟的产生。但过高的焚烧温度不仅增加了燃料消耗量，而且会增加废物中金属的挥发量及氧化氮数量，引起二次污染。因此不宜随意确定较高的焚烧温度。合适的焚烧温度是在一定的停留时间下由试验确定的。大多数有机物的焚烧温度在800～1000℃之间，通常在800～900℃左右。通过生产实践，提供以下经验数可供参考。
①对于废弃的脱臭处理，采用800～950℃的焚烧温度可取得良好效果。
②当废物粒子在0.01～0.51µｍ之间，并且供氧浓度与停留时间适当时，焚烧温度在900～1100℃即可避免产生黑烟。
③含氯化物的废物焚烧，温度在800～850℃以上时，氯气转化为氯化氢，可回收利用或以水洗涤除去；低于800℃会形成氯气，难以除去。
④含有碱土金属的废物焚烧，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，当废物中灰分较少 不能形成高熔点炉渣时，这些熔融物容易与焚烧炉的耐火材料和金属零件发生烧结而损坏炉衬和设备。
⑤焚烧含氰化物的废物时，若温度达850～900℃，氰化物几乎全部分解。
⑥焚烧可能产生氧化氮（NOx）的废物时，温度控制在1500℃以下，过高的温度会使NOx急剧产生。
⑦高温焚烧是防治PCDD和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。
停留时间，废物中有害组分在焚烧炉内于焚烧条件下发生氧化、燃烧，使有害物质变成无害物质所需的时间称之为焚烧停留时间。停留时间的长短直接影响焚烧的完善程度，停留时间也是决定炉体容积尺寸的重要依据。
废物在炉体内焚烧所需停留时间是由许多因素决定的，如废物进入炉内的形态（固体废弃物颗粒大小、液体雾化后液滴的大小以及粘度等）对焚烧所需时间影响甚大。当废物的颗粒粒径较小时，与空气接触表面积大，则氧化、燃烧条件就好，停留时间就可短些。因此，尽可能做生产性模拟实验来获得数据。对缺少实验手段或难以确定废物焚烧所需时间的情况，可参阅以下几个经验数据。
①对于垃圾焚烧，如温度维持在850～1000℃之间，有良好搅拌与混合，使垃圾的水汽易于蒸发，燃烧气体在燃烧室的停留时间约为1～2s。
②对于一般有机废液，在较好的雾化条件下及正常的焚烧温度下，焚烧所需的停留时间在0.3～2s左右，而较多的实际操作表明停留时间大约为0.6～1s；含氰化合物的废液较难焚烧，一般较长时间，约为3s左右。
③对于废气，为了除去恶臭的焚烧温度并不高，其所需的停留时间不需太长，一般在1s以下。例如在油脂精炼过程中产生的恶臭气体，在650℃焚烧温度下只需0.3s的停留时间，即可达到除臭效果。
混合程度，要使废物燃烧完全。减少污染物形成，必须要使废物于助燃空气充分接触、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，扰动方式是关键所在。焚烧炉所采用的扰动方式有空气流扰动、机械炉排扰动、流态化扰动及旋转扰动等，其中已流态化扰动方式效果最好。中小型焚烧炉多数属固定床式，扰动多有空气流动产生，包括以下两种类型。（

①炉床下送风。助燃空气自炉床下送风，由废物层空隙中窜出。这种扰动方式易将不可燃的底灰或未燃碳粒随气流带出，形成颗粒物污染。废物与空气接触机会大，废物燃烧较完全，焚烧残渣热灼减量较小。
②炉床上送风。助燃空气由炉床上方送风，废物进入炉内是从表面开始燃烧。优点是形成的粒状物较少，缺点是焚烧残渣热灼减量较高。
二次燃烧室内氧气与可然性有机蒸汽的混合程度取决于二次助燃空气与燃烧气体的相互流动方式和气体的湍流程度。湍流程度可由气体的雷诺数决定，雷诺数低于10000时，湍流与层流同时存在，混合程度仅靠气体的扩散达成，效果不佳。雷诺数越高，湍流程度越高，混合越理想。一般来说，二次燃烧室气体速度在3～7m/s即可满足要求。如果气体流速过大，混合度虽大，但气体在二次燃烧室的停留时间会降低，反应反而不易完全。
过剩空气，在实际的燃烧系统中，氧气与可然物质无法完全达到理想程度的混合及反应。为使燃烧完全，仅供给理论空气量很难使其完全混合燃烧，需要加上比理论空气量更多助燃空气量，以使废物与空气能完全混合燃烧。以相关参数可定义如下。
①过剩空气系数。过剩空气系数（m）用于表示实际空气与理论空气的比值，定义为：

式中 A0——理论空气量；
A——实际供应空气量。
②过程空气率 过剩空气率定义为：

废气中含氧量是间接反应过剩空气多少的指标。由于过剩氧气可由烟囱排气测出，工程上可以根据过剩氧气量估计燃烧系统中 的过剩空气系数。废气中含氧量通常以氧气在干燥排气中的体积百分比表示，假设空气中氧含量为21%，则过剩空气比可粗略表示为：

焚烧或焚烧排气的污染物排放标准是以50%过剩空气为基准，由于过剩空气无法直接测量，因此以7%过剩氧气为基准，再根据实际过剩氧气量加以调整。废物焚烧所需的空气量是由废物燃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。
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，则需通过实验予以确定。工业锅炉和窑炉与焚烧炉所需要的过剩空气系数有较大不同，过剩空气系数尽量维持在1.5以下；焚烧的首要目的则是完全摧毁废物中的可然物质，过剩空气系数一般大于1.5。但焚烧炉的形式不一样，空气过剩系数一般不同，流化床焚烧炉的空气过量系数相对较小，一般为1.2～1.4。
在焚烧系统中，焚烧温度、搅拌混合程度、气体停留时间和过剩空气率是四个重要的设计及操作参数。过剩空气率由进料速率及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、供应助燃空气速率及废气产率决定。而助燃空气供应量亦将直接影响到燃烧室中的温度和流场混合（紊流）程度，燃烧温度则影响垃圾焚烧的效率。这四个焚烧控制参数相互影响，其互动关系见表1[2]
表1 焚烧四个控制参数的互动关系
参数变化 垃圾搅拌混合程度 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
气体停留时间增加 可减少 —— 会降低 会降低
焚烧温度和废物在炉内的停留时间有密切关系。若停留时间短，则要求较高的焚烧温度；停留时间长，则可采用略低的焚烧温度。设计时不宜采用提高焚烧温度的办法来缩短停留时间，而应从技术经济角度确定焚烧温度，并通过实验确定所需的停留时间。同样，也不宜片面地以延长停留时间而达到降低焚烧温度的目的。因为这不仅使炉体结构设计的庞大，增加炉子占地面积和建造费用，甚至会使炉温不够，使废物焚烧不完全。

2. 垃圾焚烧工艺设计说明
2.1引言
一个固体废物焚烧厂包括诸多系统（设备），主要有废物贮存及进料系统、焚烧系统、废热回收系统、灰渣收集与处理系统、烟气处理系统、烟气处理系统等。这些系统各自独立，又相互关联成为统一主体。城市垃圾焚烧处理的一般流程见图(1)。其操作作为每日24h连续燃烧，仅于每年一次的大修期间（约1个月）或故障时停炉。垃圾以垃圾车载入厂区，经地磅称量，进入倾斜平台，将垃圾倾入垃圾贮坑，由吊车操作员操纵抓斗，将垃圾抓入进料斗，垃圾由滑槽进入炉内，从进料器推入炉内。垃圾首先被炉壁的辐射热干燥及气化，再被高温引燃，最后烧成灰烬，落入冷却设备，通过输送带经磁选回收废铁后，送入灰烬贮坑，再回收利用。燃烧所用的空气分为一次及二次空气，一次空气以蒸汽预热，自炉床下贯穿垃圾层助燃；二次空气由炉体颈部送入，以充分氧化废气，并控制炉温不致过高，以避免炉体损坏及氮氧化物的产生。炉内温度一般控制在850℃以上，以防未燃尽的气状有机物自烟囱逸出而造成臭味，因此垃圾低位发热量低时，需喷油助燃。高温废气经锅炉冷却，进入布袋集尘器除尘，用引风机抽入酸性气体去除设备去除酸性气体，再经加热后，自烟囱排入大气扩散。锅炉产生的蒸汽经汽轮发电机发电后，进入凝结器

，凝结水经除气及加入补充水后，返送锅炉；蒸汽产生量如有过剩，则直接经过减压器再送入凝结器。

一座大型的垃圾焚烧厂通常包括下述八个系统：
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。垃圾贮坑提供了垃圾贮存、混合及去除大型垃圾的场所，一座大型焚烧厂设有一座贮坑，负责替3~4座焚烧炉进行供料的任务。每一座焚烧炉均有一进料斗，贮坑上方通常有1~2座吊车及抓斗负责供料，操作人员由屏幕监视或目视垃圾由进料斗滑入炉体内的速度决定进料频率。若有大型物卡住进料口，进料斗内的故障排除装置亦可将大型物顶出，落入贮坑；操作人员亦可指挥抓斗抓取大型物品，吊送到贮坑上方的破碎机，以利进料。
焚烧系统，即焚烧炉本体内的设备，主要包括炉床及燃烧室。每个炉体仅一个燃烧室。燃烧室一般在炉床正上方，可提供燃烧废气数秒钟的停留时间，由炉床下方往上喷入的一次空气
可与炉床上的垃圾层充分混合，由炉床正上方喷入的二次空气可以提高废气的搅拌时间。
废热回收系统，包括布置在燃烧室四周的锅炉路管（即蒸发器）、过热器、节热器、炉管吹灰设备、蒸汽导管、安全阀等装置。锅炉炉水循环系统为一封闭系统，炉水不断在锅炉管中循环，经不同的热力学相变化将能量释出给发电机。炉水每日需冲放一泄出管内污垢，损失的水则由饲水处理厂补充。
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。在发电机中的蒸汽亦可中途抽出一小部分作次级用途，例如助燃空气预热等工作。饲水处理厂送来的补充水可注入饲水泵前的除氧器中
，除氧器以特殊的机械构造将溶于水中的氧除去，防止路管腐蚀。
饲水处理系统，其主要工作为处理外界送来的自来水或地下水，将其处理到纯水或超纯水的品质，再送入锅炉再循环系统。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。
废气处理系统，从炉体产生的废气在排放前必须先行处理到排放标准。早期常使用静电除尘器去除悬浮颗粒，再用湿式洗烟塔去除酸性气体（如HCl、Sox、HF等）。近年来则多采用干式或半干式洗烟塔去除酸性气体，配合滤袋集尘器去除悬浮微粒及其他重金属等物质。
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，可以综合在废水处理厂一起处理，达到排放标准后在放流或回收再利用。废水处理系统一般由数种物力、化学及生物处理单元所组成。
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。国外一些焚烧厂
将飞灰进一步固化或熔融后，再合并底货送到灰渣掩埋场处置，以防止沾在飞灰上的重金属或有机性毒物产生二次污染。

2.2垃圾焚烧处理的工艺设计说明

2.2.1垃圾贮坑及进料系统
垃圾贮坑是暂时贮存运入的垃圾，调整连续式焚烧系统持续运转能力。垃圾贮坑的容量依垃圾清运计划、焚烧设施的运转计划、清运量的变化率及垃圾的外观密度等因素而定。确定贮坑容量时，以垃圾单位容量重0.3t/m3及容纳3~5d的最大日处理量为计算依据，而贮坑的有效容量即为投入门水平线以下的容量。垃圾贮坑应为不致发生恶臭逸散的密闭构筑物，其上部配置吊车进行进料作业。
贮坑的宽度主要依据投入门的数目来决定，长度及深度则应考虑垃圾吊车的操作性能与地下施工的难易度后加以决定。贮坑的底部通常使用据水密性的钢筋混凝土构造，并最好在贮坑内比增大混凝土厚度及钢筋被覆盖度，以防止垃圾渗滤液的渗透及吊车抓斗冲撞所造成的损害。坑底要保持充分的排水坡度，使贮坑内渗滤液经拦污栅而排入垃圾贮坑污水槽内。贮坑底部要有适当的照度，贮坑内壁应有可表示贮坑内垃圾层高度的标志，以便吊车操作员能掌握贮坑状况。大型焚烧设施中常在贮坑内附设可燃性粗大垃圾破碎机，以将形状不适合焚烧的大型破碎后再与其他垃圾混合送入炉内燃烧，故破碎机室多半设于平台的下层，处于容易将破碎后的垃圾排至贮坑内的位置。
本设计采用3天日处理量的垃圾量为计算依据，所计算的垃圾贮坑容量为：V=1530m3，深度为：H=5.0米，长度为：a=20米，宽度为：b=15.3米。
焚烧炉垃圾进料系统包括垃圾进料漏斗和填料装置。垃圾进料漏斗暂时贮存垃圾吊车投入的垃圾，并将其连续送入炉内燃烧。具有连接滑道的喇叭状漏斗与滑道相连，并附有单向开关盖，在停机及漏斗围盛满垃圾时可遮断外部侵入的空气，避免炉内火焰的窜出。为防止阻塞现象，还可附设消除阻塞装置。

2.2.2焚烧系统
主要包括：焚烧炉的设计、空气量的计算、烟气量的计算等步骤。
焚烧炉的设计：
焚烧炉的使用寿命一般为20年左右，为了使设备容量得到充分的利用，不使设备在工厂建厂初期设备容量太大，而在工厂使用后期设备容量太小，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，因此采用第10年的垃圾量作为基准，其垃圾产量为： Q=350t/d 。（
由于我国垃圾热值偏低，水份含量高，垃圾的质量随季节、地区而变化。因此，要求燃烧设备具有较强的适应性，以使成分和热值经常变化的垃圾获得稳定的燃烧。实际运行表明，流化床燃烧技术对垃圾的适应能力很强。因此，对于热值相对较低的垃圾来说，要实现其高效稳定的燃烧，流化床焚烧技术无疑是最佳的选择之一。
流化床燃烧是20世纪60年代发展起来的新型燃烧技术，20多年来发展很快，应用范围从工业流化床锅炉发展到电站锅炉，最大容量已达125MWe以上。流化床燃烧技术自身也由第一代所谓鼓泡床发展到第二代的循环流化床，并很快在全国得到推广。流化床焚烧炉是在炉内铺设一定厚度，一定粒度范围的石英砂或炉渣，通过底部布风板鼓入一定压力的空气，将沙粒吹起、翻腾、浮动。流化床内气-固混合强烈，传热传质速率高，单位面积处理能力大，具有极好的着火条件。垃圾入炉后即和炽热的石英砂迅速处于完全混合状态，垃圾受到充分加热、干燥，有利于完全燃烧。流化床焚烧炉采用石英砂作为热载体，蓄热量大，燃烧稳定性较好，燃烧反应温度均匀，很少局部过热。流化床焚烧炉能处理生活垃圾、有机污泥和有毒有害废液等较广泛的废物种类，有害物质分解率高。流化床燃烧温度在800~900℃，过量空气系数小，氮氧化物生成量少，有害气体生成易于在炉内得到控制，为新一代“清洁”焚烧炉，极具发展前途。此外，流化床焚烧炉无运动部件，结构简单，故障少，投资及维修费低。
循环流化床焚烧炉的优点[3]：①处理废弃物种类适应性强：流化床燃烧稳定，炉内温度场均匀。由于流化床密相区拥有大量的高温物料，床层的热容量大，能提供低热值，高水份的垃圾干燥，热解和燃烧所需的大量热量，所以适合焚烧各种发热值的废弃物，以煤为辅助燃料，可大幅度降低运行成本，符合国情。②焚烧效率高：由于炉内气体和固体，固体和固体之间的强烈混合，是废物与灼热的床料直接接触，增大了废弃物的热解率。同时，由于相互之间的不断碰撞，使未燃烧的部分不断暴露出来，进一步增加了废物的燃烧程度。③烟气排放性能好：由于流化床采用低温（850—950℃）、分级燃烧，限制了热力型氮氧化物的形成，在流化床中加入合适的吸附剂（如石灰石），可以大大降低SO2和HCl的排放。在稀相区喷尿素或氨水可进行炉内脱氮，保证NOx、SO2和 排放浓度符合环保要求。

本设计选用流化床焚烧炉，其型号为：LYM-5000，选用4台，3台工作，1台备用。其技术参数见表2[4]。
LYM-5000型流化床焚烧炉主要技术参数
处 理 量 5000 密相区温度 ℃ 900
密相区截面积 稀相区温度 ℃ 850
稀相区截面积 排烟温度 ℃ 180
炉顶标高 16 炉本体占地面积
鼓风机耗电量 90 辅助燃料耗量 2.30
引风机风量 50700 引风机耗电量 75
辅助燃料选用烟煤——大同烟煤。
LYM-5000型流化床焚烧炉的特点为：
①设备容量大，整体尺寸小，性能安全可靠，垃圾焚烧后排出的烟气符合环保标准，残渣无毒，无菌。
②设备操作简单，设有可靠完善的安全保护装置。
③焚烧时采用烟煤及含碳量不少于35%的煤渣，燃烧效率不低于90%，运行成本低，经济效益和社会效益显著。
④流化床热烟气点火启动，保证焚烧炉启动迅速，成功率高。
⑤流化床稀相焚烧区的底部炉墙采用加旋二次风技术。
⑥采用喷水方法控制管壁温度，能精确控制烟气出口温度。
⑦采用连续排渣装置，与间歇排渣相比有稳定炉膛火焰的优点，并能有效地解决含无机盐残渣的问题。
空气量的计算：
垃圾实际燃烧所需的空气量等于理论空气量与助燃空气之和，流化床焚烧炉的过剩空气系数为：m=1.2~1.4，本设计选用m=1.2。
理论空气量根据物料衡算得出A0，则实际空气量A=mA0。
每组焚烧炉所需的实际空气量为：A总=39000m3/h
采用二次送风：
一次空气送风 20000 m3/h
二次空气送风 19000 m3/h
烟气量的计算：
在废物焚烧时即发生了物料分子的转化的化学过程，也发生了以各种传递为主的物理过程。大部分废物及辅助燃料的成分非常复杂，分析所有的化合物成分不仅困难而且没有必要，一般仅要求提供主要元素分析的结果，也就是碳、氢、氧、氮、硫、氯等元素和水分及灰分的含量。它们的化学方程式虽然比较复杂，但是从燃烧的观点而论，它们可用CxHyOzNuSvClw表示，一个完全燃烧的氧化反应可表示为：

①有机碳的焚烧产物是二氧化碳气体。
②有机物中的氢的焚烧产物是水。若有氟或氧的存在，也可能有它们的氢化物生成。
③生活垃圾中的有机硫和有机磷，在焚烧过程中生成二氧化硫获三氧化硫以及五氧化二磷。
④有机氮化物的焚烧产物主要是气态的氮，也有少量的氮氧化物生成。由于高温时空气中氧和氮也可结合生成一氧化氮，相对空气中氮来说，生活垃圾中的氮元素含量很少，一般可以忽略不计。
⑤有机氟化物的焚烧产物是氟化氢。若体系中氢的含量不足以与所有的氟结合生成氟化氢，可能出现四氟化碳或二氟化碳（COF2），除非有其它元素存在，例如金属元素，它可与氟结合成生成金属氟化物。添加辅助燃料（CH4、油品）增加氢元素，可以防止四氟