一種小型低污染垃圾焚燒爐方案研究

饒國燃

摘要：在我國，垃圾焚燒前景很好，目前國內垃圾焚燒研究主要集中于大型化垃圾焚燒發電技術，但對用于小城鎮及農村的小型垃圾焚燒爐研究依然有所欠缺，本文主要針對一種小型低污染垃圾焚燒處理方案進行研究，主要確定了垃圾焚燒流程，對垃圾焚燒爐選用了固定爐排爐，對爐膛進行了結構設計，對煙氣中的有害成分及顆粒物通過煙氣處理系統進行了處理，基本能控制垃圾焚燒減量化處理及實現煙氣無害化處理。

Abstract： The development of waste incineration has good prospects in China. At present， domestic waste incineration research is mainly focused on large waste incineration power generation technology. However， research on small incinerators for small towns and villages is still lacking. In this paper， a small and low pollution waste incinerator treatment project is mainly studied. It mainly determines the waste incineration process， and a fixed grate furnace is selected for the incinerator. The structure of the furnace is designed， and the harmful components and particulates in the flue gas are treated by the flue gas treatment system. It can basically control waste incineration and reduce treatment and realize harmless treatment of flue gas.

關鍵詞：垃圾焚燒；煙氣處理；低污染

Key words： refuse incineration；flue gas treatment；low pollution

中圖分類號：X705；TK175 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）28-0186-03

0 引言

垃圾處理問題是目前城市和農村都必須面臨的重大問題之一，垃圾處理的方式目前分為簡易填埋、農業堆肥和垃圾焚燒三種方式。簡易填埋處理流程比較簡單，但缺點是需要大量的土地，同時會對環境造成二次污染。農業堆肥處理流程比簡易填埋復雜，但缺點是依然無法分解垃圾中的無機物[1]。相比之下，垃圾焚燒就更勝一籌。首先，焚燒發電占地面積小，占地面積只需垃圾填埋的二十分之一至十分之一。其次，垃圾焚燒的處理速度比較快，其燃燒溫度高于850攝氏度，能在較短時間內完成垃圾處理。再者，垃圾焚燒的減容效果好，焚燒后體積比原來的縮小70-80%。垃圾焚燒會產生爐渣、飛灰等固態污染物，飛灰經固化處理后，可進行無害化填埋，爐渣可制成建筑材料。產生的污水、垃圾滲透液等液態污染物可在處理達標后直接排放。產生的二噁英、超細顆粒物、重金屬等氣態及特殊污染物則在經過無害化處理后排入大氣。綜上所述，在垃圾處理方式中使用垃圾焚燒是比較好的選擇，但目前垃圾焚燒處理大多是大型垃圾焚燒發電處理，存在投資成本及運行費用高缺點[2]。

在我國，政府很重視垃圾焚燒處理并有相關的政策與投資支持，垃圾焚燒前景較好[3]，但針對于城鎮及農村等垃圾量較小的地區，小型化垃圾焚燒處理設備依然存在不少問題。因此，對小型高效低污染垃圾焚燒爐進行研究有很大的現實意義，本文針對小型高效低污染垃圾焚燒爐結構方案與實現方式進行研究。

1 垃圾焚燒系統方案

垃圾焚燒指的是對垃圾的燃燒處理，核心過程是燃燒的過程。垃圾燃燒過程是一個復雜化學物理變化過程，主要涉及熱分解、熱質傳遞、化學反應和流體流動問題[4]。對于城鎮及農村垃圾，最明顯的特點是含水量明顯高于其它燃料。對于垃圾焚燒，焚燒過程主要分為干燥過程、熱分解過程、燃燒過程三個階段。干燥過程是主要的吸熱過程，需要消耗較多的熱能，這個過程最主要需要考慮垃圾含水率的影響，如果垃圾含水率過高，在干燥過程中則需要吸收更多的熱量，從而會降低爐溫而影響著火，需要提高爐溫改善垃圾著火條件。熱分解過程是在高溫下垃圾中有機可燃物進行分解或聚合反應的過程[5]。熱分解反應，可能是吸熱的，也可能是放熱的。熱、質傳遞的速率，對熱分解影響明顯，而熱量傳遞速率的影響較大。燃燒是指在空氣中垃圾中有機物的氧化反應，這一過程中需要關注的問題主要是燃燒溫度、燃燒停留時間、過量空氣系數、混合強度和煙氣生成問題。

對于垃圾焚燒爐的設計，主要考慮的影響因素垃圾在爐膛的焚燒溫度和燃燒及煙氣的停留時間，以達到完全燃燒及二噁英的及時分解要求。在這前提下，需要在設計時選擇合適的爐型，需要對爐膛的形狀和尺寸進行合理設計，以實現增加垃圾與氧氣接觸的機會目的，讓垃圾在焚燒過程中，能控制助燃空氣及燃燒氣體的流速及流向，可以有利于水份蒸發控制與燃燒控制，實現更高效的燃燒與更低的有害物質排放[6]。

對于小型垃圾焚燒爐，通常系統主要包括：人工投料；焚燒爐；助燃處理；污染處理；智能控制。垃圾焚燒處理的工藝流程是：人工將廢棄物投入進料空間進行干燥，干燥后的垃圾送入爐膛進行燃燒，在爐膛中主要控制燃料在高溫下同氧氣充分接觸，此時主要控制爐溫在需要范圍內，同量保證生成煙氣在爐內的滯留時間并根據爐膛的出口煙氣的含氧量進行調整風量。煙氣處理系統包括加熱煙道、水洗冷卻處理、電子除塵和煙囪。焚燒爐出來后的煙氣先進入加熱煙道，在爐膛無法完全分解二噁英時啟動加熱保證煙氣中二噁英能得到有效控制。加熱煙道出來后的煙氣進行水洗冷卻處理設備進行冷卻與初步煙氣顆粒物及有害化學成分收集。水洗冷卻處理設備出來后的煙氣再經電子除塵設備進行進一步對顆粒物進行處理，然后經由煙囪排向大氣。小型垃圾焚燒爐系統組成與工藝處理流程如圖1所示。

2 焚燒系統

焚燒系統，是垃圾焚燒流程中的重要部分。焚燒爐是垃圾焚燒的主要場所，其形狀和結構直接影響焚燒的效率。小型焚燒爐焚燒系統的工藝流程是：進料口→爐排→焚燒爐本體。

垃圾焚燒方式和形態，是決定焚燒工藝流程和焚燒爐型號的重要依據。焚燒垃圾爐按原理與結構不同可以分為固定爐排焚燒爐、流化床焚燒爐、回轉窯焚燒爐和熱解氣化焚燒爐[7]。固定爐排焚燒爐優點是結構簡單造價低廉，缺點是只能人工操作、需要間歇運行，而且爐膛溫度不易控制，其焚燒效率較低，假如撥火不充分就會引起焚燒不完全。此類焚燒爐，適合小量垃圾的焚燒，因此本文采用的是固定爐排爐。

本文的設計的小型垃圾焚燒爐爐膛的日焚燒量是G=8t/d，確定爐膛主要尺寸主要是確定爐底尺寸和爐膛高度兩個參數，對于爐底尺寸，主要的考慮因素是選擇合適的爐底熱強度指標進行計算[8]：

3 煙氣處理系統

垃圾焚燒后產生的煙氣的主要成分N2、O2、CO2、H2O四種無害物質，占煙氣容積的99%。但因垃圾成分和燃燒過程的多變性，垃圾焚燒煙氣中還含有1%左右的有害污染物，主要包括顆粒物、酸性污染物、重金屬、殘余有機物等。煙氣處理系統的作用就是除去煙氣中的煙塵、酸性污染物、氮氧化物和二噁英等有害物質，使得煙氣排放達到國家安全標準，從而改善生態自然環境。

3.1 二噁英的處理

二噁英在標準狀態下是固態的，在705℃以下的二噁英是非常穩定的，當高于705℃時就會開始分解。二噁英的主要形成方式有兩種：一是在燃燒的過程中由于部分空間供氧不足十分容易產生二噁英。二是焚燒后在有金屬催化劑和300-500℃條件下煙氣中會再次形成二噁英。所以可以針對二噁英的形成原理，進行控制二噁英的產生，避免污染到外界。這需要垃圾焚燒爐遵從“三T”原則。“三T”原則指的是時間、溫度、湍流度三個原則。也就是說，焚燒過程中，當垃圾進入焚燒爐內后，燃燒過程中，會產生一個氣體上升的空間，然而只要保證在該空間的溫度達到850攝氏度以上，并且使煙氣的停留時間超過兩秒，二噁英就可以很好地分解。

另外，本文煙氣處理系統在焚燒爐后設置一個加熱煙氣通道。加熱煙氣通道長度根據煙氣的流速和流量進行計算，煙氣的流速流量可以由引風機進行控制，需要保證煙氣可以在煙氣通道里面可以停留2s以上，這樣從焚燒爐出來的煙氣，就算殘留有二噁英，也可以在煙氣通道中完全分解。引風機可以設置在煙氣處理系統前面。引風機不僅可以控制煙氣的流速，還可以保持一定的負壓，使操作員不會聞到難聞的氣味。加熱煙氣通道結構如圖3所示。

3.2 煙氣水洗冷卻及除塵

從煙氣通道出來的煙氣溫度過高，不能直接進入煙氣處理系統。所以需要進行冷卻設計。因為本設計沒有設置余熱鍋爐，可在煙氣通道后設置一個噴水冷卻裝置。本次設計使用水洗箱。水洗箱不僅可以降低煙氣的溫度，還可以去除煙氣中的大顆粒和油煙。而且水洗箱的結構比較簡單，適用于小型焚燒爐。冷卻水洗箱如圖4所示。

煙氣從水洗箱出來后，仍有顆粒的灰塵，可以在水洗箱后面設置一個除塵器。因為與其他除塵設備相比，靜電除塵器有耗能少、除塵效率高的優點，適用于除去煙氣中0.01至50μm的粉塵，表電除塵器可用于煙氣溫度高、壓力大的場合，所以本文方案除塵器選用靜電除塵器。

3.3 煙囪高度要求

煙囪高度的選擇主要與焚燒量有關，如果垃圾焚燒爐焚燒量小于100t/d，煙囪最低允許高度可以選擇為25m；垃圾焚燒爐焚燒量為100～300t/d時，選擇的最低高度是40m；垃圾焚燒爐焚燒量大于300t/d時，選擇的最低高度是60m。本設計的垃圾焚燒爐焚燒量是8t/d，小于100t/d，所以煙囪選用25m。

4 結論

本文主要針對小型低污染垃圾焚燒爐結構與實現進行研究，主要措施如下：

①垃圾焚燒流程確定為：人工投爐→焚燒爐→煙氣通道→煙氣處理系統→爐渣、飛灰的處理。

②垃圾焚燒爐選用了固定爐排爐，對爐膛進行了結構設計。

③在二噁英問題上，根據“三T”原則，把焚燒溫度控制在850℃以上，并在焚燒爐后設置一個煙氣通道控制停留時間在2s以上。

④利用煙氣水洗冷卻處理設備及靜電降塵箱對煙氣有害成分及顆粒進行進一步處理。

通過以上處理，基本能控制垃圾焚燒減量化處理及實現煙氣無害化處理，能為小型低污染垃圾焚燒爐設計及實現提供一定的參考意義。

參考文獻：

[1]崔小愛.生活垃圾焚燒發電項目環境影響及保護對策研究[D].南京農業大學，2013.

[2]蔡芹.中日兩國小型垃圾焚燒爐技術及運行管理[J].環境技術，2003，03.

[3]秦虹.垃圾焚燒排放新標即將落地[J].中國電力報，2014.

[4]薛敘明.環境工程技術[M].化學工業出版社，2011.

[5]韓國軍.城市生活垃圾焚燒的環境保護可行性研究[D].東北師范大學，2006.

[6]申威峰.間接法聚乳酸循環系統工藝過程的研究與開發[D].重慶大學，2009.

[7]鄒包產，韓秋喜，王文凱，高建東，李鵬.爐排爐垃圾焚燒控制策略[J].環境工程，2013.

[8]王秉銓.生活垃圾焚燒爐的選型與設計[J].工業加熱，2001.