第 三 章 焚化基本原理

基本上焚化(Incineration)是屬於化學上所說的高溫氧化(Oxydation)或燃燒(Combustion) 焚化屬於燃燒的一種化學反應，而燃燒則屬於氧化的一種化學反應。

燃燒的三要素即是：氧氣（或空氣），可燃物質與燃點（或著火點） 燃燒或焚化通常須在一個容器內進行，此種進行氧化的反應器(Reactor)即吾人俗稱的燃燒爐(Combustor)與燃燒器(Burner)

如下圓所示焚化爐實際上即是燃燒爐的一種，且經常可見到燃燒器作為焚化爐的點火裝置。

焚化的目的主要為破壞或焚燬廢棄物，其次則為回收可用的熱能 因此焚化系統的設計理念是以廢棄物完全銷燬及避免產生不再污染的煙氣或灰燼為目標

用於廢棄物的處理卻至少能提供以下四點優點： 1.減量 2.去毒 3.資源 4.安全

一、 碳　粒(C) 廢棄物中含有大量的碳元素，其不是以碳氫化合物燃燒便是以碳粒狀態單獨與氧反應，諸如焚化過程中所形成的碳煙(Soot)，與廢棄物中的固定碳成份有關。此等碳元素能在廢棄物堆中或懸浮於煙道氣中與氧發生氣固燃燒反應

二、碳氫化合物(CXHYOZ) 碳氫化合物基本燃燒反應式可寫成：

三、含氮物質 廢棄物中含氮的成份亦不少，尤其是農業廢棄物或都市垃圾中的廚餘。 焚化過程中涉及氮氧化合物的基本反應有：

四、含氯物質 廢棄物中若含有氯元素（如塑膠類）則通常於焚化過程中極易產生有害的氯化氫(HCI)，氯氣(CI2)或光氣(COCI2)，因此含氯物質的燃燒反應控制一直是焚化技術的重要關鍵。

設含氯的廢棄物以CxHyCIz表示，則其與氧反應有二種可能： 1. 當yz時

2.當yz時

五、含硫物質 廢棄物中所含有機或無機硫化物（如硫礦物）在充份的氧氣供應下能產生穩定的硫氧化物(SOx)，包括二氧化硫(SO2)及三氧化硫(SO3)。設含硫物質之化學式為CxHyS，則

3.3.1　熱化學 所謂熱化學(Thermochemistry)是指探討化學反應過程中所涉及熱的變化問題，因此用在焚化處理上，通常會遇到下列兩種狀況

二、煙氣熱焓 一、燃燒反應熱

3.3.2　質量平衡 茲就焚化相關的質量平衡介紹如下： 一、燃燒所需理論空氣量 首先需知廢棄物或燃料各組成份燃燒所需氧量（以重量計）：

換計成標準狀況下(0C，l atm)之空氣量（以體積計），Vair(Nm3/kg) （註：N是指Normal，我國相關法規指定為0C，l atm）

二、實際空氣量 設 表示過剩空氣(Excess Air)比，則實際空氣量：

三、燃燒生成氣體量 一般為了便於系統質量平衡，生成氣體量常以質量計： 1.氮氣

2.氧氣

3.水蒸氣

4.二氯化碳

5.二氧化硫

6.氯化氫

綜合上述結果，列於表3.2，若表示成標準狀態下之生成氣體體積，則為：

表3.2 燃燒每公斤廢棄物（或油料）之生 成氣體量(kg/kg)

四、燃燒生成氣總排放量 將（3.20）式所得之各成份累計為：

此係假設水蒸汽仍為氣體，若降溫至水凝結狀況下，則Vt應不包含 VH2O部份。另出口煙氣之氣體組成（或體積百分比）：

應用上述簡易的質量平衡計算須注意兩點： 1.應視焚化爐為一體之燃燒反應器，若爐子為多段式，則上述計算方法仍相同，唯處理對象係以單段燃燒室為主，逐步每段燃燒室計算即可。

2.若焚化爐須補助燃料時，可依下節（3.3.3節）所述之能量平衡方式求出所需燃料用量。

範例3.2 設有一焚化爐擬處理固體廢棄物與污泥，其處理量與性質如表3.4所示，經估算不需補助燃料，且設使用過剩空氣量100%，試求其(1)理論空氣需求量，(2)實際空氣供應量，(3)煙氣排放率？

表3.4 某工業區待焚化處理之廢棄物化學 組成與熱值 表3.4　某工業區待焚化處理之廢棄物化學 組成與熱值

解 (1)理論空氣量，Vair 廢棄物含有固體廢棄物及污泥，故分別計算： 對固體廢棄物： =2.49(Nm3/kg)

對污泥 =1.21(Nm3/kg)

若以混合廢棄物（固體與污泥）計，且每年焚化運轉時數以7,200時計，則進料速率： 固體： (kg/hr) 污泥： (kg/hr) 因此Vair= =2.14 (Nm3/kg)

即每小時理論空氣量為： 2.492,778+ 1.211,042 =8.18103(Nm3/hr) (2)實際空氣供應量 8.18103(1+1)=1.64104(Nm3/hr) (3)煙氣排放率 先求出燃燒生成氣之各成份mi （包括固體與污泥）

(a)氮氣

(b)氧氣 故：0.4322,778+0.2071,042=1,410（kg/hr）

(c) 水蒸氣 故0.4072,778+0.3681,042=2,002(kg/hr)

(d) 二氧化碳 故0.9682,778+0.3681,042=3,073(kg/hr)

(e) 二氧化硫： 故：0.012,778+0.0041,042=6.95(kg/hr)

(f)氯化氫 故：0.1312,778+0.0211,042=385(kg/hr)

(g)總燃燒生成氣排放率為 16,384+1,410+2,002+3,073+6.95+385 =21,916(kg/hr) 若假設該生成氣在NTP下之密度為1.20Nm3/kg，則可粗估總燃燒生成氣排放率為： 21,9161.20 = 26,299 (Nm3/hr)

3.3.3　能量平衡 已知焚化時之空氣量與生成廢氣量，則可依能量平衡(Energy Balance)或熱量平衡計算出焚化爐進出熱的關係，其目的不外乎藉此獲知是否需要輔助燃料及用量多少，或爐溫是否可維持原設計要求值。由於焚化爐並非理想絕熱體，設計上可先假設散熱損失率X，則熱量乎衡式為：

其中：總發熱量 = 廢棄物發熱量 + 燃料發熱量 若焚化爐含有隔離之一次與二次燃燒室，則依上述方式分段計算。

3-5　燃燒機構與模式 在探討燃燒模式時，多數文獻皆將其單純化，即假設廢棄物進入爐內便分成揮發物與殘碳（或固定碳）兩大部份。廢棄物燃燒理論最基本者應為燃燒動力(Kinetic)和氣固兩相的輸送現象(Thransfer Phenomena)。如圖3.1所示

廢棄物顆粒在爐內燃燒時，揮發物的生成機構，揮發物的成份分佈，與各成份的燃燒現象都是相當複雜的問題，最主要是廢棄物的成份差異極大，且揮發物的組成隨著床溫與加熱速度而變。詳細描述揮發物之反應並不是件容易的事。

早期研究曾廣泛地作了各種揮發物之動力學研究(CH4，H2，C2H6，CxHy)，發現揮發物要完全燃燒的時間(tv)可以下式子表示：

此式子雖不足以代表揮發物的燃燒現象，但它能預測揮發物在爐內燃燒的時間，若再給予其它方面條件（如氣體速度與爐溫）則可以粗估揮發物之燃燒速率。

考慮氣固兩相反應首先應考慮固體形狀之假想模式，以碳粒為例，則應以球形(Spherical Shape)較適合。目前較常應用於氣固反應模式有兩種：(l)Progressive-Conversion Model(PCM)和(2)Shrinking Core Model (SCM)，如圖3.2和圖3.3所示。

燃燒／焚化效率(Combustion/Incineration Efficiency)常被用來判斷焚化效果良劣的指標，然而為了不同目的，燃燒效率的定義方法稍有不同，茲列舉目前文獻[86,124,129]或法規中可看到的五種定義方式：

1.若燃燒爐著重於燃料粒子的燃燒完全與否，則燃燒效率定義為：

2.若燃燒系統之主要功能在於提供熱量，亦可定義系統效率為類似於鍋爐效率之：

3.對環保要求甚嚴的焚化爐，著重煙道氣未燃碳的排放，則燃燒效率定義為： 此式亦是目前世界各國及台灣地區環保法規所採用的焚化爐之燃燒效率定義方式。

4.若著重於反應程度的燃燒爐，則以煙道氣排放成份作分析，對碳作質量 平衡，以計算燃燒效率，如：

5.此種為歸納燃燒爐之各種操作參數，定義較為複雜之燃燒效率式：

其中

影響焚化效率的操作或設計因素固然很多，然而從學理上探討應可歸納如下三個因素，並藉以提高燃燒效率：

1.增加廢棄物或廢氣滯留時間(Time)，避免未燃燼粒子淘失與煙氣逸失。 2.增加床內的擾動(Turbulence)，使粒子與氧氣分佈均句。 3.提高操作溫度(Temperature)，增加反應速率。

此即著名的焚化“三T原理”，其意指增加任何一個T皆有助於燃燒效率的提升。而焚化有毒成份之廢棄物，或有害廢棄物，則常以「破壞去除率(Detruction and Removal Efficiency, DRE)」來判斷焚化爐功能或對有毒物質的處理效果，

如我國環境法規之「事業廢棄物財存清除處理方法及設施標準」中規定焚化多氯聯萃廢棄物之DRE99.999%，此DRE定義為：

範例3.4 設每天處理量100公頓（24小時運轉）之有害廢棄物焚化處理廠，經環保人員檢測其相關的項目結果如下：

進料廢棄物中含有害成份：10% 灰渣之有害成份：0.01 kg/hr 煙道氣中有害成份：0.002 kg/hr 煙道氣中二氧化碳：10 % 煙道氣中一氧化碳：150ppm 試求此焚化系統之燃燒效率與破壞去除率(DRE)？