[科普中国]-催化焚烧炉

焚烧炉设计原则

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2。

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，为目前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。

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。

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。

焚烧炉设计参数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，目前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2。

催化焚烧炉装置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)2。

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NOx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2。

催化剂种类由于使用了催化剂，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%2。