危险废物焚烧处置的理论和实践

张 林，张寅璞

(1.上海蓝鸟环境科技发展有限公司，上海 200333；2.上海申嘉三和环保科技开发有限公司，上海 201400)

危险废物焚烧处置的理论和实践

张 林1，张寅璞2

(1.上海蓝鸟环境科技发展有限公司，上海 200333；2.上海申嘉三和环保科技开发有限公司，上海 201400)

危险废物的焚烧处置是按化学当量与氧发生燃烧反应。组合式焚烧炉（回转窑、二燃室和炉排炉）能够将各种危险废物进行焚烧处置。危险废物先在回转窑内经过缺氧、热解干馏，生成的可燃气体和废渣分别在二燃室内和炉排上进行高温燃烧和持续燃烧，使焚烧残渣的热灼减率、燃烧效率和有机物的焚毁去除率等技术性能指标达到国家标准的要求。高温燃烧可以将烟气中的有毒有害物质分解，持续燃烧可使废渣燃尽烧透。在对危险废物进行元素成分分析的基础上，进行焚烧工艺设计、技术参数计算，并举例说明。

危险废物;组合式焚烧炉;工艺设计;技术参数

在危险废物的处置技术中，焚烧技术是实现减量化、无害化的最快捷、亦是最有效的技术。焚烧处置不仅可以有效地破坏危险废物中的有毒、有害、有机废物，还能将焚烧产生的余热回收，尤其适于处置含氯、氟、磷及汞等毒性较大的危险废物，以及那些不宜回收利用、具有一定热值的危险废物。

1 机理分析

危险废物的来源复杂、种类繁多、形状各异，不同地区、不同行业产生的危险废物成分相差很大。但从燃烧的角度分析，各种成分都是按化学当量比反应的。其完全燃烧反应的方程式，可用下式表示：

当危险废物中有氟、磷存在，则可能会有氟化氢、五氧化二磷生成。

与液态和气态危险废物相比，固体危险废物的焚烧过程相对复杂一些。一般来说，常温下的固体危险废物混合物，被加热后先要将危险废物中的溶剂和水蒸发、气化出来，这部分低燃点的溶剂与少量的空气接触后会首先燃烧；继续受热后，废物中的大部分有机物会被热解、干馏，生成各种烃类、固定碳及不完全燃烧物；这些可燃气体，在有充足氧的条件下，进行高温焚烧，产生高温烟气。废渣继续燃烧，以残渣固体的形式排出。图1为危险废物焚烧处置机理分析方框图。

图1 危险废物焚烧机理分析

高温焚烧可以将烟气中的有毒有害物质（如聚合苯环类、多环碳氢化合物等）裂解；废渣的充分燃烧可使其中的可燃物燃尽烧透。

焚烧过程中产生的高温烟气主要成分是二氧化碳、水蒸气和氮气，还有少量的二氧化硫、氯化氢，废渣主要是各种金属的氧化物、氢氧化物、碳酸盐、硫酸盐、磷酸盐和硅酸盐等[1]。

2 工艺设计

根据《危险废物焚烧污染控制标准》（GB18484-2001）的要求，仅使用回转窑不能满足焚烧残渣的热灼减率、燃烧效率和有机物的焚毁去除率等焚烧炉技术性能指标的要求。

由回转窑、二次燃烧室及炉排炉组合而成的组合式焚烧炉，在保留了回转窑的适应能力强、运行稳定可靠的基础上，通过应用二燃室对烟气进行高温焚烧、炉排炉对废渣进行持续焚烧，使危险废物的燃烧效率、有机物的焚毁去除率和焚烧残渣的热灼减率可满足国标的要求，减少了二英和一氧化碳的排放，达到无害化处置的目的。

组合式焚烧炉的工艺流程是：危险废物先从回转窑的头部连续进入窑头开始加热，在缺氧的状态下气化；随着窑体的转动，危险废物被移动到温度较高的中部，开始热解，低燃点的物质开始燃烧；接着移动到窑尾，温度进一步升高，危险废物裂解为一氧化碳等可燃气体和废渣。在回转窑内，通过对废料进行反复翻转与持续推进[2]以及低燃点气体的燃烧，使危险废物基本完全分解为可燃气体和废渣。在二燃室内，可燃气体与过量空气完全燃烧，迅速升高温度，使聚合苯环类有机物高温分解为二氧化碳等无机物；在炉排上，废渣与加入的炉排风，进行持续燃烧，使废渣燃尽。图2为组合式焚烧炉的工艺流程图。

图2 组合式焚烧炉工艺流程

回转窑的旋转和少量空气的加入，可以使有机物分解，并控制温度，避免窑内“结焦”；二燃室过量空气的加入，可以提高危险废物的燃烧效率、有机物的焚毁去除率，满足国标的要求；炉排风的加入可以使焚烧废渣燃尽。冷却风是用于窑尾密封的冷却。为防止有毒有害气体的逸出，焚烧炉内应保持微负压状态运行。

3 主要技术参数

3.1 热力计算

物料平衡与热平衡的计算是以危险废物中的碳、氢、硫等可燃元素和空气中氧的化学反应方程式为依据的，并假定焚烧所需空气为干空气、所需空气和生成的烟气均为理想气体，空气量以1kg的危险废物为计算基础。

理论空气量的计算公式为：

当过量空气系数α＞1且完全燃烧时，实际烟气的成分只比理论烟气（α=1）多出一项：过剩空气。

实际烟气焓为理论烟气焓、过量空气焓和飞灰焓之和，理论烟气焓为CO2、SO2、N2和H2O的焓之和，各成分的理论焓为各成分在θ温度下的容积比焓与各成分的烟气量之积。

3.2 选型计算

危险废物在回转窑内的停留时间计算公式[2]为：

式中：t —废料的停留时间，一般为30～120min；

24和324—分别为经验系数；

θ — 废料的自然倾角，一般在25～50度之间；

n — 窑的转速，一般取1～3r/min；

α — 窑体的水平倾角，一般取1.0～3.0度；

L/Di— 回转窑的长径比，一般取3.0～5.0。

回转窑和二燃室有效容积V容的计算公式[2]为：

式中：B — 危险废物的处置量，kg/h；

Qfn— 危险废物的低位发热量，kcal/ kg；

q容— 燃烧室的容积热负荷，kcal/m3•h。

4 应用实例

以长三角地区某危险废物集中处置中心为例，对焚烧系统的相关参数和设备造型进行计算[3、4]。假设危险废物混合物的热值为3000kcal/kg，处置能力为24t/d，在过量空气系数α为1.80的条件下，二燃室排烟中的氧气含量约为9.3%（干气）。

危险废物混合物的元素成分详见表1所示；表2为二燃室出口的烟气浓度分析；表3为组合式焚烧炉的热力参数。

表1 危险废物混合物元素分析表

表2 烟气浓度分析

（2）二燃室

若二燃室的容积热负荷为1×105kcal/m3•h，高径比为4，则二燃室的有效容积约为30m3，二燃室的有效内径约为2.2m，高约为8.5m，烟气的流速和停留时间分别约为2.5m/s、3.4s。

（3）炉排

设炉排的长和宽度分别为1.8m和1.4m，推杆行程为100mm，往复周期为10min，则倾斜式往复炉排的有效面积约为2.5m2，废渣的移动速度和停留时间分别10mm/min、3.0h。

5 结语

在运行控制过程中，应注意控制回转窑内的温度低于1000℃，以免窑内结焦。因为有些危险废物的灰熔点在1100℃左右，当窑内温度超过1000℃，会发生熔融现象。

在正常生产工况下，如危险废物混合物的热值能稳定在3000kcal/kg左右，则不用辅助燃料；若热值低于2200kcal/kg，则需启动燃烧器。窑头燃烧器的主要作用是烘炉与启动，窑尾燃烧器的主要作用是提高二燃室的温度。

根据现有项目的检测结果，焚烧残渣的热灼减率＜3%，燃烧效率＞99.95%，焚毁去除率＞99.99%，烟气中一氧化碳、二英类的排放浓度分别＜60mg/m3、＜0.1TEQng/m3。

表3 组合式焚烧炉的热力参数

焚烧系统主要设备是以回转窑、二燃室和炉排为主的组合型焚烧炉，此外，还有紧急排放烟囱和各种风机等配套设备，下面就分别以这三种主要设备为例进行选型计算。

（1）回转窑

若回转窑的容积热负荷为1×105kcal/m3•h，转速为0.4r/min[5]，物料的自然堆角为40度[6]，窑体的倾斜角为2度，长径比为4[5]，则回转窑的有效容积约为30m3，废料的停留时间约为57min，长约为8.5m，废料的移动速度约为0.15m/min，回转窑的有效内径约为2.2m，烟气的流速和停留时间分别约为0.5m/s、18.8s。

[1]赵由才,宋立杰,张华.固体废物污染控制与资源化（实用环境工程手册）[K].北京：化学工业出版社,2002,5.

[2]朱德宗,孔繁臣,黄卓武.化工回转窑设计规定[S].化工部,1994,11.

[3]陈学俊,陈听宽.锅炉原理（上册）[M].北京：机械工业出版社，1991.

[4]冯德凯,沈幼庭,杨瑞昌.锅炉原理及计算[M].北京：科学出版社，2003，7.

[5]陈敬军.危险废物回转窑焚烧炉的工艺设计[J].有色冶金设计与研究,2007,3.

[6]《回转窑》编写组.回转窑（设计使用与维修）[M].北京：冶金工业出版社,1977,1.

Theory and Practice on Incineration and Disposal of Hazardous Wastes

ZHANG Lin, ZHANG Yin-pu

X705

A

1006-5377（2010）11-0036-03