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固体废物处理与处置 主讲教师：刘伟 电话： 63304972

固体废物处理与处置 主讲教师：刘伟 电话： 63304972. 内容回顾. 第五章重点内容： 厌氧消化原理 厌氧消化的两段理论 厌氧消化的三段理论 微生物浸出机理. 第六章 固体废物热处理. 固体废物处理与处置 Treatment and Disposal of Solid Waste. 【 概念 】 焚烧　 干燥 　　　　热裂解 焙烧 热值 燃烧温度 DRE 热灼减量比 焚烧效率 【 方法原理 】

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固体废物处理与处置 主讲教师：刘伟 电话： 63304972

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  1. 固体废物处理与处置 主讲教师：刘伟 电话：63304972

  2. 内容回顾 第五章重点内容： • 厌氧消化原理 • 厌氧消化的两段理论 • 厌氧消化的三段理论 • 微生物浸出机理

  3. 第六章 固体废物热处理

  4. 固体废物处理与处置Treatment and Disposal of Solid Waste 【概念】焚烧　 干燥 　　　　热裂解 焙烧 热值 燃烧温度 DRE 热灼减量比 焚烧效率 【方法原理】 焚烧原理；热平衡和烟气分析；焚烧工艺系统组成；焚烧炉系统选择；热解原理；典型固体废物的热解；焙烧方法。 本章重点

  5. 焚烧（incineration）: 生活垃圾和危险废物的燃烧（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 ） 干燥脱水 热分解 烧成 1 焚烧处理 2 其它热 处理方法 处理方法 热裂解 4 热解:是将有机物在无氧或缺氧状态下加热，使之成为气态、液态或固态可燃物质的化学分解过 程。 焙烧处理 焙烧: 在低于熔点的温度下热处理废物改变废物的物理化学性质以利于后续资源化利用的处理过程 3

  6. 焚烧 原理 • 燃烧、燃烧机理、燃烧技术、主要影响因素 热平衡及烟气分析 • 固体废物热值、燃烧温度、空气和烟气量计算 焚烧 工艺 • 焚烧工艺系统组成 焚烧炉系统 • 焚烧炉、余热利用系统、焚烧炉选评 第一节 焚烧处理

  7. (一)概述 • 一种高温分解和深度氧化的综合过程。焚烧法可以使可燃性固体废物通过氧化分解，达到减容，消毒，回收能量及副产品的多重目的。 • 作用：能同时实现减量化，无害化和资源化的目的。 • 焚烧法是固废的一条重要的处理、处置途径。

  8. （二）焚烧法的处理对象 • 无机－有机物混合性固体废物(如城市垃圾)； • 某些特定的有机固体废物（如医院的带菌废物，石油化工厂和塑料厂的具有毒性的中间产物等）； • 多氯联苯类高稳定性的有机物。

  9. （三）焚烧法的特点 • 优点： • 减量（80～90％以上）； • 消毒（彻底）； • 资源化（能源和副产品）。 • 缺点 • 二次污染（大气）； • 投资及运行管理费高； • 过程控制严格。

  10. （四） 焚烧－－热量利用 • 供热：蒸汽、热水、热空气 ——适合小规模 • 供电：过热蒸汽——汽轮发电机组 ——最有效转换途径之一 • 热电联供：发电＋区域性供热/供冷；发电＋工农业供热；发电＋区域性供热＋工业供热/冷 ——有效综合利用能量

  11. 19世纪中后期 焚烧带病毒、病菌的垃圾 英、美、法等试验研究，建立焚烧炉 20世纪初 机械化连续垃圾焚烧炉 处理能力、焚烧效果、治污 1960 大型机械化炉排 较高效率的烟气净化系统 1970~1990 自控、移动式机械炉排焚烧炉 多样化、T 除尘 资源化 智能化 多功能 综合化 …… 2、焚烧技术发展过程 我国始于1980

  12. 二、焚烧原理 （一）燃烧与焚烧 • 燃烧：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；通常说的燃烧指的是有焰燃烧； • 焚烧：指生活垃圾和危险废物的燃烧；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和化学变化，及相应的传质和传热的综合过程；

  13. 燃烧的三个基本条件：可燃物质、助燃物质、引燃火源，在着火条件下着火燃烧；燃烧的三个基本条件：可燃物质、助燃物质、引燃火源，在着火条件下着火燃烧； • 燃烧的着火方式：常见的有化学自然燃烧、热燃烧、强迫点燃燃烧；、 • 焚烧属于强迫点燃燃烧； • 热值：指单位重量的固体废物燃烧释放出来的热量，以kJ/kg表示。 • 粗热值(HHV——高位热值)：是指化合物在一定温度下反应到达最终产物的焓的变化。水为液态 • 净热值(NHV、LHV——低位热值)：水为气态。

  14. （二）焚烧原理 1、干燥 • 利用焚烧系统热能，使入炉固体废物中的水分汽化、蒸发的过程 • 干燥形式：热传导干燥，对流干燥，辐射干燥 • 影响因素：固体废物含水率高低，决定干燥时间的长短，对于高水分固体废物，需加辅助燃料来维持正常运行

  15. 2、热分解 • 固体废物中的有机可燃物，在高温作用下进行化学分解和聚合反应的过程 • 温度越高，有机可燃物热分解越彻底，热分解速率越快

  16. 3、燃烧 • 是可燃物质的快速分解和高温氧化过程 • 根据可燃物种类和性质，燃烧机理可划分为蒸发燃烧、分解燃烧和表面燃烧 • 蒸发燃烧：可燃物质受热融化、形成蒸汽后进行的燃烧反应（蜡质类） • 分解燃烧：可燃物质中的碳氢化合物等，受热分解、挥发为较小分子可燃气体后再进行燃烧（纸、木材） • 表面燃烧：可燃物质在未发生明显的蒸发、分解反应时，与空气接触直接进行燃烧反应（木炭、焦炭）

  17. 焚烧处理后的污染物 ①烟气： • 组成：颗粒污染物（颗粒物、灰分颗粒）和气态污染物； • 气态污染物种类：SOx、COx、NOx、HCl、HF、二噁英类物质； • SOx来源于废纸和厨余垃圾； • NOx一部分来源于空气中的氮，一部分来源于厨余垃圾； • HCl来源于废塑料； • 二噁英类物质来源于废塑料、废药品，或其前驱体物质，或特定条件下在炉外生成。

  18. ②残渣 • 焚烧处理的产渣量及残渣性质与固废种类、焚烧技术、管理水平有关； • 残渣的化学组成：主要是Ga、Si、Fe、Al、Mg的氧化物及重金属氧化物；物理、化学性质较稳定。

  19. 三、焚烧特性 1、固体废物的三组分 • 水分：物料含水率太高，无法点燃，比如国内垃圾厨余含量高，不宜点燃，欧美国家垃圾含水率低，较容易点燃 • 可燃分：含量越高，越易燃烧 • 灰分：灰分含量高时，相应的可燃分含量低，不易燃烧 2、热值 • 固体废物低位热值≤3350kJ/kg时，需添加辅助燃料燃烧

  20. 四、焚烧效果评价 1、目测法 • 肉眼观测 • 观测焚烧烟气，判断焚烧效果，烟气越黑、气量越大，焚烧效果越差 2、热灼减量率法 • 指焚烧残渣经灼烧减少的质量占原焚烧残渣质量的百分数 • 可燃物氧化、焚烧越彻底，焚烧灰渣中残留可燃成分就越少，热灼减量率就越小

  21. 3、二氧化碳法 • 烟道排放气中CO2浓度占CO2和CO浓度之和的百分比 • 二氧化碳相对浓度越高，固废焚烧越完全，焚烧效率越高 4、有害有机物破坏去除率 • 指焚烧过程中有害有机物减少的质量占固体废物所含有害有机物质量的百分数 • 焚烧越彻底，烟气、灰渣中有害有机物含量越少

  22. 五、焚烧技术 1、层状燃烧技术 • 过程稳定、技术成熟、应用广 • 固定炉排焚烧炉、水平机械焚烧炉、倾斜机械焚烧炉等 • 热量来自上方的辐射、烟气的对流，垃圾层内部 • 着火的垃圾 炉排和气流翻转及搅动下 垃圾层松动 不断推动下落 垃圾底部着火 • 炉型设计和配风设计

  23. 2、流化燃烧技术 • 较成熟，可处理低热值、高水分废物，但对入料要求均匀化、细小化 • 流化床焚烧炉 • 空气流和烟气流快速移动，物料流态化状态 3、旋转燃烧技术 • 较成熟，效率高 • 回转窑焚烧炉 • 工作原理：筒体转动对物料进行翻动

  24. 六、焚烧的主要影响因素（3T+1E） 1、固体废物性质 • 可燃分和有毒有害物质的种类及含量、水分含量等 • 热值：低位热值≤3350kJ/kg时，需添加辅助燃料 • 固体废物尺寸：尺寸越小，所需加热和燃烧时间越短，固体物质燃烧时间与物料粒度1~2次方成正比。此外，尺寸越小，比表面积越大，与空气接触越充分，利于提高焚烧效率 • 生活垃圾含水量《=50%，低位热值在3350-8374kj/kg

  25. 2、焚烧温度(temperature) • 焚烧温度越高，所需停留时间越短，焚烧速率越快，焚烧效率越高 • 温度过高（高于1300℃），会影响内衬耐火材料、会发生炉排结焦 • 温度太低（低于700℃），会发生不完全燃烧，产生有毒副产物(当焚烧温度为700℃时会产生二恶英和六价铬) • 最低温度要高于物料燃点温度 • 一般要求生活垃圾的焚烧温度在850-950度，医院垃圾和危险废物达到1150度

  26. 3、停留时间(time) • 固体废物在焚烧炉内停留时间和烟气在焚烧炉内停留时间 • 停留时间越长，焚烧越彻底，焚烧效果越好 • 停留时间过长，会使焚烧炉处理量减少，经济上不合理 • 停留时间过短，会造成不完全燃烧 • 要求垃圾停留时间达到1.5~2h以上，烟气停留时间达到2s

  27. 4、湍流度(turbulence) • 促进空气与废物充分混合，以达到完全燃烧 • 有机械搅拌（炉床搅拌）、气流动力搅动（流化床） 5、过剩空气(excess air) • 焚烧所需氧气由空气提供，通过提供足够空气保证完全反应 • 供给过多过剩空气会导致焚烧温度降低、烟气量增大 • 过剩空气是理论空气量的1.7~2.5倍

  28. 3T+1E • 3T：停留时间（Time），温度（Temperature） ，湍流度（Turbulance） • 1E：空气过剩系数（Excess Air）

  29. 七、焚烧主要参数及热平衡计算

  30. （一）固体废物热值 ——指单位质量固体废物在完全燃烧时释放出来的热量。若热值包含烟气中水的潜热，称为高位热值；若热值不包含烟气中水的潜热，称为低位热值，二者之间关系式如下： • Qs为烟气中水的潜热；w水、wcl、 wF分别为可燃物中水、氯元素、氟的质量分数；

  31. 热平衡计算——输入热量总和=输出热量总和 1、热量输入组成 （1）固体废物的热量，Qw，kJ； （2）辅助燃料的热量，Qf，kJ； （3）助燃空气的热量，Qa，kJ；

  32. 2、热量输出组成 （1）有用热量，Q1，kJ； （2）不完全燃烧热损失，Q2，kJ； （3）机械热损失，Q3，kJ； （4）水的汽化热，Q4，kJ； （5）灰渣显热，Q5，kJ； • Qw+Qf+Qa= Q1+Q2+Q3+Q4+Q5

  33. 例 某固体废物含可燃物60%、水分20%、惰性物（即灰分）20%，固体废物的可燃元素组成为碳28%、氢4%、氧23%、氮4%、硫1%。假设：固体废物的热值为11630kJ/kg；炉栅残渣含碳量5%；空气进入炉膛的温度为65℃，炉栅残渣离开时的温度为650 ℃；残渣的比热为0.323 kJ/(kg·℃)；水的汽化潜热2420 kJ/kg；辐射损失为总炉膛输入热量的0.5%；碳的热值为32564 kJ/kg。试计算这种废物燃烧后可利用的热值。 解：以固体废物1kg为基准 （1）固体废物的热量 Qw=11630x1=11630kJ

  34. （2）不完全燃烧热损失 惰性物的质量：1kgx0.20=0.2kg 总残渣量：0.2/(1-0.05)=0.2105kg 残渣中未燃烧碳的质量：0.2105-0.2=0.0105kg 未燃烧碳的热损失：Q2=32564x0.0105=341.9kJ （3）机械热损失（辐射热损失） 为进入焚烧炉总能量的0.5%，即 Q3=11630x0.005=58.2kJ

  35. （4）水的汽化热 生成水的总质量=固体废物原含水量+组分中氢和氧生成水量 固体废物原含水量=1x0.2=0.2kg 组分中氢和氧生成水量=1x0.04x18/2=0.36kg 生成水的总质量：0.2+0.36=0.56kg 水的汽化热：Q4=2420x0.56=1355.2kJ （5）残渣带出的显热 Q5=0.2105x0.323x(650-65)=39.8kJ （6）可利用的热值 可利用的热值：Q1= Qw-(Q2+ Q3+ Q4+ Q5) =11630-(341.9+58.2+1355.2+39.8) =9834.9kJ

  36. （二）燃烧温度 ——燃料与空气混合燃烧，所有热量全用于提高系统温度和物料含热，没有热量损失，这时烟气达到的最高温度 近似计算公式： LHV——燃料低热值； m烟——烟气质量，kg； wi——烟气中第I种成分的质量分数； Cpi——烟气各成分质量定压热容，kJ/(kg·K)； T2——焚烧炉火焰温度，K； T1——室温，K

  37. 理论空气质量与低位热值的关系 以烃类化合物替代固体废物，设25℃烃类化合物燃烧时每产生4.18kJ低位热值需1.5x10-3 kg理论空气，则有 如果烃类化合物和辅助燃料完全燃烧，总量1kg,烟气各成分在燃烧温度范围内质量定压热容均为1.254kJ/(kg•K),则有 EA=m过空/m理空

  38. 将m理空表达式代入，得 m过空——过剩空气质量，kg； EA——空气过剩率，m过空/m理空； Cp——烟气各成分质量定压热容，1.254kJ/(kg·K)； T1——室温，298K

  39. 例 某含萘、甲苯和氯苯的混合物，在空气过量系数为0.50的条件下，于1120℃焚烧。最终主要有害有机物的去除率合格。试利用近似计算法计算当空气过量系数为0、0.50、1时的绝热火焰温度。（已知该混合物低位热值为9835kJ） 解：以1kg废物为基准

  40. （三）空气和烟气量计算

  41. 设1kg燃料中含碳、氢、氧、硫、氮、水分分别为C、H、O、S、N、W kg，列出燃烧反应式： 需氧量(kmol) 碳燃烧：C+O2——CO2 C/12 氢燃烧：H2+1/2O2——H2O H/4 硫燃烧：S+O2——SO2 S/32 燃料中的氧：O——1/2O2 -O/32 1、理论需氧量 V理氧=22.4*（C/12+ H/4+ S/32-O/32）（m3/kg）（以体积表示） V理氧=32*（C/12+ H/4+ S/32-O/32）（kg/kg）（以质量表示）

  42. 空气氧含量以体积计21% 2、理论需空气量 空气氧含量以质量计23% V理空=22.4*（C/12+ H/4+ S/32-O/32）/0.21 =106.7*（C/12+ H/4+ S/32-O/32）（以体积表示） V理空=32*（C/12+ H/4+ S/32-O/32）/0.23 =139.1*（C/12+ H/4+ S/32-O/32）（以质量表示） 3、实际空气量 实际需空气量通常是理论需空气量的λ倍， λ称为过剩空气系数 V空= λ V理空 （ λ = 1.7~2.5）

  43. 4、烟气量——根据前述反应公式计算 VCO2=22.4*( C/12) VH2O=22.4*( H/2+W/18) VSO2=22.4*( S/32) VO2=(λ-1)* V理空 *0.21 VN2= λV理空 *0.79+22.4*(N/28) (假设废物中的N以N2形式排放) 所以，总烟气量是： V= VCO2+ VH2O + VSO2+ VO2+ VN2 =(λ -0.21)* V理空+22.4*( C/12+ H/2+ W/18+ S/32+ N/28)

  44. 例：已知某垃圾样品三成分分析及元素分析

  45. 解：1、仅考虑可燃分B，根据上述公式得理论空气量：解：1、仅考虑可燃分B，根据上述公式得理论空气量： V理空=106.7*（C/12+ H/4+ S/32-O/32） =106.7*（0.539/12+ 0.074/4+ 0.001/32-0.365/32） =5.55(m3/kg) 2、转化为单位垃圾样品的理论空气量： 5.55*B，若B=37.5%，则理论空气量为2.08 m3/kg。 3、根据上述公式得烟气量： λ=1， V理空=2.08,C=0.2033,H=0.028,W=0.491,S=0.0002,N=0.0045 V=(λ-0.21)* V理空+22.4*( C/12+ H/2+ W/18+ S/32+ N/28) =(1-0.21)*2.08+22.4*( 0.2033/12+ 0.028/2+ 0.491/18+ 0.0002/32+ 0.0045/28) =2.95(m3/kg)

  46. 燃烧过程的平均停留时间 • 假设燃烧为一级反应，则： 根据 （Arrhenius ) 阿伦尼乌斯 定律 式中：CA0，CA－A组分的初始浓度和经过燃烧时间t后的浓度 k－反应速度常数 A－Ar-rhenius（阿伦尼斯常数，查表或由试验确定） E－活化能，cal/g，（查表，或由试验确定） R－通用气体常数 R＝1.987 T－绝对温度

  47. 【例】试计算在800℃的焚烧炉中焚烧氯苯，当DRE（破坏去除率）分别为99%、99.9%、99.99%时的停留时间。已知：A=1.34×1017s-1；E=76600cal·g-1；R=1.987kcal/(g.mol.k)。【例】试计算在800℃的焚烧炉中焚烧氯苯，当DRE（破坏去除率）分别为99%、99.9%、99.99%时的停留时间。已知：A=1.34×1017s-1；E=76600cal·g-1；R=1.987kcal/(g.mol.k)。 • 注：T(K)=t(c)+273.15

  48. 解：（1）求800℃时的速率常数 • 代入已知数据，得到 • （2）求不同转化率的停留时间

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