固体废物的焚烧处理技术

固废污染控制工程教师：盛广宏能源与环境学院安徽工业大学能源与环境学院第6章固体废物的热处理焚烧处理技术焚烧工艺与设备焚烧过程的二次污染形成与控制固体废物的热解安徽工业大学能源与环境学院热处理技术固体废物的热处理：在设备中以高温分解和深度氧化为主要手段，通过改变废物的化学、物理或生物特性和组成来处理固体废物的过程。常用的热处理技术：焚烧、热解、熔融、干化、湿式氧化、烧结等安徽工业大学能源与环境学院安徽工业大学能源与环境学院6.1焚烧处理技术固体废物的焚烧特性1焚烧原理2焚烧效果的评价3焚烧过程的影响因素45焚烧主要参数及热平衡分析安徽工业大学能源与环境学院焚烧技术的历史开始最早的垃圾焚烧炉建于1874年英国的Nottingham市。随后相继在美国、德国、法国等国开始建立，并得到了发展发展上世纪60年代以后，各国相继建立了很多垃圾焚烧厂。垃圾焚烧技术也得到了快速发展快速发展进入90年代，伴随着能源危机，垃圾焚烧技术与热能技术相结合，得到了快速发展安徽工业大学能源与环境学院安徽工业大学能源与环境学院我国的垃圾焚烧技术发展最早在30年代在上海租界内建立的焚烧炉真正意义上的垃圾焚烧厂是始建于1988年的四川乐山凌云垃圾焚烧厂和深圳垃圾焚烧厂进入21世纪以后，垃圾焚烧与热能利用技术得到了快速发展。国内相继建立了许多生活垃圾焚烧厂安徽工业大学能源与环境学院安徽工业大学能源与环境学院焚烧的概念焚烧垃圾在高温焚烧炉内(800~1000℃)，垃圾中的可燃成分与空气中的氧气发生剧烈的化学反应，转化为高温的烟气和性质稳定的固体残渣，并放出大量的热量。焚烧的目的使废物减量使废物中的毒性物质被摧毁使废热被释放而再利用安徽工业大学能源与环境学院垃圾焚烧的优缺点优点消毒彻底,卫生条件好减容效果好，处理效率高有利于实现城市垃圾资源化不受气候影响缺点投资和运行费用高，操作运行复杂存在二次污染，包括：飞灰和尾气，而且二次污染的治理费用较高安徽工业大学能源与环境学院垃圾焚烧厂视频安徽工业大学能源与环境学院6.1.1固体废物的焚烧特性能否采用焚烧技术处理固体废物，取决于固体废物的燃烧特性，物质最主要的燃烧特性包括固体废物的组成和热值固体废物的三组分水分与固体废物的性质和来源等有关，焚烧处理时总希望水分越低越好，过高的水分会导致固体废物不能自持燃烧，需要辅助燃料。可燃分固体废物中的可燃分一般包括挥发分和固定碳。挥发分指标准状态下加热废物所失去的质量分数。灰分固体中的灰分变化较大，一般主要是无机组分安徽工业大学能源与环境学院热值热值：物质在完全燃烧时释放的热量，一般可以表示为高位发热值（HHV）和低位发热值（LHV）。低位热值是高位热值减去水分凝结热实验测定氧弹法经验公式计算Dulong公式安徽工业大学能源与环境学院高位热值与低位热值)]195.35(9[2420FClH水–理论上，一般当固体废物的热值高于3350kJ/kg（800kcal/kg）时，可以不加辅助燃料直接燃烧，但在实际的废物焚烧过程中，需要的热值比该值要高。安徽工业大学能源与环境学院6.1.2焚烧原理焚烧与燃烧燃烧：通常把具有强烈放热效应、有基态和电子激发态的自由基出现、并伴有光辐射的化学反应现象称为燃烧。常见燃烧着火方式：化学自燃燃烧、热燃烧、强迫点燃燃烧焚烧：以一定量的过剩空气与被处理的固体废物在焚烧炉内进行氧化燃烧反应，使废物中的有害物质在高温下氧化、热解而被破坏的处理技术。包括蒸发、挥发、分解、烧结、熔融和氧化还原等一系列复杂的物理变化和化学反应，以及相应的传质和传热的综合过程。固体废物的焚烧属于强迫点燃燃烧一般地燃烧主要是为了提供热量，而焚烧的目的主要是减容、减量、解毒和残灰的安全稳定化。安徽工业大学能源与环境学院焚烧原理干燥含水率较低的固体废物可以在焚烧炉内利用燃烧时产生的高温烟气进行干燥含水率非常高的固体废物，如污泥，则必须在进入焚烧炉之前采用适当的措施降低其含水率，以满足焚烧的要求，或采用添加辅助燃烧的方法进行焚烧。热分解热分解是固体废物中的有机可燃物质，在高温作用下进行化学分解和聚合反应的过程安徽工业大学能源与环境学院燃烧可燃物的快速分解和高温氧化蒸发燃烧指可燃物质受热后先融化为液体，进一步受热产生燃料蒸气，再与空气混合燃烧，如蜡。这类燃烧的速率受物料的蒸发速度和空气中的氧与燃料蒸气之间的扩散速度控制。分解燃烧指可燃物质受热后分解为挥发性小分子可燃气体后再进行燃烧。其燃烧速率受物料的传热速度影响。如木材、纸张等的燃烧。表面燃烧指受热后不经过融化、蒸发、分解等过程，而直接燃烧。其燃烧速度受燃料表面的扩散速度和化学反应速度控制。如木炭、焦炭等的燃烧。实际的固体废物的焚烧过程非常复杂，可能同时包含了几种燃烧方式。安徽工业大学能源与环境学院完全燃烧或理论燃烧反应OHwyvSOuNwHClxCOOzwyvxClSNOHCwvuzyx222222)(21)244(§垃圾焚烧主要污染物：焚烧灰渣、焚烧烟气安徽工业大学能源与环境学院6.1.3焚烧效果的评价v热灼减量§指焚烧残渣在(600±25)℃经3h灼热后减少的质量占原焚烧残渣质量的百分数%100adaRmmmQ垃圾焚烧后要求：QR＜5%安徽工业大学能源与环境学院燃烧效率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，它是指烟道排出气体中二氧化碳含量与一氧化碳和二氧化碳含量之和的比值%100][CO[CO]][CO22CEü对于危险废物的焚烧要求CE＞99.9%。而生活垃圾的焚烧则仅规定了CO的浓度不超过120mg/m3。安徽工业大学能源与环境学院破坏去除效率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[有机有害主成分(POHCS)]的破坏去除效率(DRE)，定义为：%100ioiü《危险废物焚烧污染控制标准》（GB18484-2001）规定：危险废物和医疗废物的DRE＞99.99%，而多氯联苯的DRE＞99.9999%安徽工业大学能源与环境学院6.1.4焚烧过程的影响因素焚烧温度废物中有害组分在高温下氧化、分解直至破坏所需达到的温度。高于着火温度。规范要求生活垃圾焚烧温度在850~950℃，一般控制烟气出口温度不低于850℃，而危险废物的焚烧则要求焚烧炉温度高于1100℃，甚至高于1200℃（多氯联苯的焚烧）废气的脱臭处理，采用800~950℃废物粒子在0.01~0.51um之间，并且供氧浓度与停留时间适当时，焚烧温度在900～1000℃即可避免产生黑烟含有碱土金属的废物焚烧，一般控制在750～800℃含氰化物的废物，850～900℃安徽工业大学能源与环境学院停留时间废物中有害组分在焚烧炉内处于焚烧条件下，该组分发生氧化、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。包括废物在焚烧炉内的停留时间和烟气在焚烧炉内的停留时间取决于燃烧反应的速率、有害物质破坏速率停留时间的长短直接影响焚烧的完全程度，也是决定炉体容积尺寸的重要依据影响因素：废物入炉的形态(固体废物颗粒大小，液体雾化后液滴的大小以及粘度等)对焚烧所需停留时间影响甚大。一般要求固体废物的停留时间能达到1.5~2h以上，可以用残渣热灼减量控制。而烟气停留时间一般要求大于2s。安徽工业大学能源与环境学院搅拌混合强度要使废物燃烧完全，减少污染物形成，必须要使废物与助燃空气充分接触、燃烧气体与助燃空气充分混合——扰动方式是关键所在，常用的扰动方式：空气流扰动炉床下送风炉床上送风机械炉排扰动流态化扰动旋转扰动安徽工业大学能源与环境学院过剩空气量空气过剩系数实际空气供给量与理论空气需要量之比，一般在1.5~2.0之间固体废物的性质主要是生活垃圾的热值和尺寸热值越高，越有利垃圾的焚烧和热能的利用垃圾尺寸越小，越有利于垃圾焚烧完全和提高焚烧速率安徽工业大学能源与环境学院四个控制参数之间的关系参数变化搅拌混合程度气体停留时间燃烧室温度燃烧室热负荷燃烧温度上升可减少可减少－会增加过剩空气率增加会增加会减少会降低会增加气体停留时间增加可减少－会降低会降低安徽工业大学能源与环境学院6.1.5焚烧主要参数及热平衡分析焚烧温度理论燃烧温度（或称绝热燃烧温度）按下列经验公式近似计算LHV＝mCpg(T-T0)在燃烧温度范围内，可以取Cpg=1.254kJ/(kg·°C)；T为最终烟气温度，oC0TmCLHVTpg若系统损失为ΔH，则实际燃烧温度为：0TmCHLHVTpg安徽工业大学能源与环境学院若以烃类化合物替代固体废物，并设25°C时烃类化合物燃烧时每产生4.18kJ低位热值约需1.5×10-3kg理论空气LHVLHVm431059.318.4105.1理空助燃空气的过剩率EA＝m过空/m理空，并设助燃空气的初始温度为25°C，则25)]1(1059.31[254.14EALHVLHVT25)]1(1059.31[254.14EALHVHLHVT安徽工业大学能源与环境学院例题：某含萘、甲苯和氯苯的混合物在空气中完全燃烧，试利用近似计算法计算：1）空气初始温度为25°C时，空气过剩率分别为0、0.5和1时的绝热火焰温度；2）空气过剩率为0.5时，空气初始温度分别为25°C、150°C和350°C时的绝热火焰温度。解：以1kg废物为计算基准，产生的LHV=9835kJ安徽工业大学能源与环境学院CTCToo1395150)]5.01(98351059.31[254.1983515040CTCToo127025)]5.01(98351059.31[254.198352540CTCToo1595350)]5.01(98351059.31[254.1983535040安徽工业大学能源与环境学院焚烧空气量理论燃烧空气量理论燃烧空气量是指废物(或燃料)完全燃烧时，所需要的最低空气量，其计算方法是将固体废物分成可燃组分和不可燃组分两部分，其中可燃组分的成分由碳、氢、氮、氧、硫以及水分构成，通过这些组成与氧气发生完全反应所需的氧气量来计算理论燃烧需要量完全燃烧反应式OHwyvSOuNwHClxCOOzwyvxClSNOHCwvuzyx222222)(21)244(安徽工业大学能源与环境学院碳燃烧C+O2→CO2C/12×22.4=1.866m3氢燃烧H+O2→H2OH/2×22.4/2=5.56m3硫燃烧S+O2→SO2S/32×22.4=0.7m3燃料中的氧O→1/2O2O/16×22.4/2=0.7m3安徽工业大学能源与环境学院体积基准－理论空气需要量0.7O7.065.5786.1SHCV理氧3.33O3.3326.58.890.21VSHCV理氧理空v质量基准－理论空气需要量]867.2[231.01MSOHC理空v实际空气需要量理空空mVV理空空mMMm-过剩空气系数安徽工业大学能源与环境学院焚烧烟气量废物以理论空气量完全燃烧时的燃烧烟气量称为理论烟气产生量。如果废物组成已知，以C、H、N、O、S、Cl、W表示单位废物中碳、氢、氮、氧、硫、氯和水分的质量比，根据完全燃烧时发生的反应，并假设可燃组分可以用CxHyOzNuSvClw表示完全燃烧反应式OHwyvSOuNwHClxCOOzwyvxClSNOHCwvuzyx222222)(21)244(安徽工业大学能源与环境学院理论燃烧湿基烟气量：G0(m3/kg)=0.79V0+1.867C+0.7S+0.631Cl+0.8N+11.2H'+1.244WG0(kg/kg)=0.7