一、绪论
1.1前言
随着经济的发展和城市化的进程，污泥的产量、有机组分含量以及热值也日益增加。大量的污泥对人们生活环境和城市发展造成了巨大的压力和危害，如何实现污泥无害化、减量化和资源化的“三化”处理已成为研究的焦点。污泥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。采用焚烧方法处理污泥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，并且污泥自身含的有机物具有很高的热值，可以实现依靠自身热量达到处理的流程。 1.2污泥处理的方法
1.2.1堆肥法是将污泥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，所得肥料质量不高，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。该处理方法很难推广应用。
1.2.2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。
1.2.3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。焚烧技术在处理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。
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。
从目前世界各国使用的情况来看，焚烧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：
%100×−−=c
b a b m m m m MRC 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： %100×−=a
d a R m m m Q 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： %10022×+=CO
CO CO CE 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： %100×−=in
out in W W W DRE 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 ）。
1.4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。
污泥含有多种有机成分，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，污泥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。
1.4.1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，转化为氯化氢，可回收利用或以水洗涤除去；
低于800℃会形成，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焚烧含的废物时，若温度达850～900℃，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。
1.4.2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。
1.4.3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。
1.4.4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：
0A A
=m
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：
()%1001×−=m 过剩空气率
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：
过剩氧百分比
过剩空气比−=2121 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。
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
