Download
1 / 79
800 likes | 1.13k Views
固体废物的热处理 Thermal Treatment of Solid Waste. 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.
E N D
固体废物的热处理 Thermal Treatment of Solid Waste 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
热处理技术的特点 • 优点：减容效果好；消毒彻底；减轻或消除后续处置过程对环境的影响；回收资源和能量 • 缺点：投资费用高；操作运行复杂；二次污染和公众反应
第八章 可燃固体废物的焚烧 Incineration of Flammable SW
本章重点 【概念】焚烧 热值 燃烧温度 DRE 热灼减量比 焚烧效率 【方法原理】 焚烧原理；焚烧工艺系统组成；焚烧炉系统选择；
第一节 概述 • 第二节 废物焚烧的控制参数 • 第三节 固体废物焚烧设备
第一节 概 述 一、定义 固体废物的焚烧（incineration或combustion）是一种高温热处理技术，是指在高温焚烧炉（800～1000℃），垃圾中的可燃成分与空气中的氧发生剧烈的化学反应，转化为高温燃烧气和性质稳定的固体残渣，并放出热量的过程。
二、特点 （1）无害化程度高，较彻底地降解有毒有机物，杀灭病原体 （2）减容减量化效果好。体积可减少85％-95%，质量减少20％-80%。 （3）热能利用；充分实现垃圾处理的资源化。 （4）周期短、占地面积小、选址灵活。可作全天候操作 是实现废物“减量化、无害化、资源化”的一条有效途径 （1）焚烧法对垃圾的热值有一定要求。不同季节，年份垃圾热值的变化 （2）建设成本和运行成本相对较高，管理水平和设备维修要求较高。 （3）焚烧产生的废气若处理不当，很容易对环境造成二次污染
三、发展及应用现状 • 除尘 • 资源化 • 智能化 • 多功能 • 综合性 .. … 4 1970~1990 3 • 自控、移动式机械炉排焚烧炉、多样化、T ↗ 1960’ 2 • 大型机械化炉排；较高效率的烟气净化系统 20世纪初 1 • 机械化连续垃圾焚烧炉。处理能力、焚烧效果、治污↗ 19世纪中后期 • 焚毁带病毒、病菌的垃圾。→英、美、法等试验研究，建立焚烧炉
三、发展及应用现状 东京垃圾焚烧厂 1896年汉堡垃圾焚烧厂
三、发展及应用现状 大阪垃圾焚烧厂及总控室
三、发展及应用现状 部分发达国家应用焚烧技术处理城市生活垃圾的概况
三、发展及应用现状 我国始于1980′ 济南投资8.9亿元建垃圾焚烧发电项目采用比利时进口焚烧设备和工艺,年可处理生活垃圾66.67万吨,烟气排放指标达到欧盟Ⅱ标准。后年发电量2.7亿度,相当于年节省标准煤8万吨。 争议！？ 大连市甘井子区拉树房村垃圾焚烧发电，投资约7亿元人民币，采用国际先进的处理设备机械炉排炉处理工艺。日处理生活垃圾1500吨，每年可处理生活垃圾54.75万吨，上(东北电网)网电量约1.67亿度， 连云港市首座垃圾焚烧热电厂总投资约2.5亿元人民币、日处理800吨生活垃圾 武汉市建设的第五座垃圾焚烧发电厂-东西湖新沟垃圾发电厂总投资3.94亿元、日处理1000吨生活垃圾即将开建 按照北京市垃圾焚烧厂建设规划，2012年前，将建设阿苏卫焚烧厂、京南垃圾焚烧厂、董村垃圾焚烧厂3个垃圾焚烧处理项目。2015年前，再建六里屯焚烧厂、北天堂焚烧厂、南宫焚烧厂、梁家务焚烧厂。加上现有的顺义区焚烧厂、高安屯焚烧厂，将有9座大型垃圾焚烧厂。
三、发展及应用现状 垃圾焚烧是一个十分敏感的话题，各地许多垃圾焚烧项目的谈判和建设陷入僵局 反对建设垃圾焚烧厂，东莞村民“集体散步”维权 南京江北垃圾焚烧项目争议 拟建垃圾焚烧发电厂引发争议 广州市政府：不通过环评绝不动工 垃圾焚烧争议不断 广州垃圾焚烧凸显大城市“垃圾病 广州花都区拟建垃圾焚烧发电厂引争议 武汉在建垃圾焚烧发电厂引发环保争议 广州番禺拟在人口稠密区建垃圾焚烧厂引争议
你的看法 • （1） • （2） • （3）
四、固体废物燃烧过程及动力学 固体废物的燃烧包括一系列热分解、熔融、蒸发、化学反应等传热和传质过程，可分为三种不同的燃烧方式： （1）蒸发燃烧 固体 液体 蒸气 +空气，扩散燃烧 （2）分解燃烧 固体 加热分解 轻组分+空气，混合燃烧， 重组分与空气接触燃烧； （3）表面燃烧 没有分解、挥发过程，只有在固体表面的不均相燃烧。
五、热值（HV, heat value） • 单位重量的固体废物燃烧释放出来的热量, kJ/kg • 在废物焚烧处理时，最关注的是热值的高低。若是废物燃烧放出的热量能够满足加热废物到达燃烧温度所需的热量和发生燃烧反应所需的活化能，则废物自身可维持燃烧。但事实上，大多数废物的燃烧要借助消耗一定量的辅助燃料。对生活垃圾热值低于3350 kJ/kg时, 焚烧需添加辅助燃料; 对有害废物，一般燃烧的HV>10000 kJ/kg时，可维持燃烧。
废物 煤矸石 广州垃圾1996 杭州垃圾1997 常州垃圾1997 芜湖垃圾1997 上海污水厂污泥 热值 800～8000 4412 4452 7300 2863 14600 几种典型废物的热值（kJ/kg）
我国的城市垃圾中，可燃成分少，热值相对较低。 如武汉市城市垃圾的热值仅为2181 kJ/kg。其中，可燃成分仅占34.27%，而不可燃成分却占65.73%。
美国的城市垃圾级成： 美国的城市垃圾中，可燃成分占79.00%，不可燃成分占21.00%，其热值为14731 kJ/kg，接近能维持燃烧的18600 kJ/kg，可燃性较好。 • 由此可见，我国城市垃圾的构成与发达国家相比，有较大差异。若要进行焚烧处理，则需消耗大量的辅助燃料，处理成本必然很高。
2、测定和计算 粗热值（HHV）和净热值（NHV） 粗热值（HHV,高位热值）--是指用氧弹量热计测定得到的热值，其 中生成的水是液态； 净热值（NHV,低位热值）--是指生成的水是气态时的焓变H。 二者的换算关系为： ，kJ/kg 式中， w水--焚烧产物中水的质量分数，W%； wH，wCl，wF指原废物中氢、氯、氟含量的质量分数，W%；
当已知废物中各元素组成时，可用下式（Dulong方程）近似计算净热值：当已知废物中各元素组成时，可用下式（Dulong方程）近似计算净热值： ,kJ/kg 式中， ， ， ， ， ---分别为C、O、H、Cl和S的质量分数。 这里计算出的净热值，仍是一种理论值，实际焚烧过程中，还应考虑到燃烧效率和过程热损失（包括烟气和残渣的显热损失、装置的热辐射损失等）。
六、废物燃烧热的利用 一般可用于供热和发电。如用蒸气带动透平机(terbin), 用于发电或作其它动力源。但废物燃烧时，一般产生的蒸气热值较低，用于发电并不经济，若用于供热（蒸气取暖或热水）是可行的。
七、焚烧产物 废物中元素 最终产物 有机碳CO2 HH2O SSO2, SO3 PP2O5 NN2, NOX F, ClHF, HCl (H不足时，生成 CF4，COF2，Cl亦会产生少量游 离Cl2，2HCl+1/2O2 Cl2+H2O) Br, IHBr, HI / Br2, I2 Metal 金属氧化物，硫酸盐，磷酸 盐， 碳酸盐等。
第二节 废物焚烧的控制参数 焚烧温度（Temperature） 、搅拌混合程度（Turbulence ）、气体停留时间（Time）（一般称为3T）及过剩空气率（EA）合称为焚烧四大控制参数
一、焚烧参数－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，分解直至被破坏所需达到的温度。它一般比废物的着火温度高得多。 一般所提高焚烧温度有利于废物中的有机毒物的分解和破坏，并可抑制黑烟的产生。但过高的温度不仅增加了燃料的消耗量，而且会增加废物中金属的挥发量及氧化氮的数量，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实验确定。大多数有机物的焚烧温度在800~1100℃之间，通常在800~900℃左右
废气的脱臭处理， 800~950℃ 废物粒子在0.01~0.51微米之间，温度在900~1000℃可避免产生黑烟 含氯化合物的焚烧，温度在800~850℃以上时，氯气可以转化为氯化氢，可以回收利用。 含有碱土金属的废物焚烧时，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，易腐蚀设备 焚烧氰化物，850~900 ℃ 焚烧可能会产生氧化氮的废物，温度控制在1500 ℃以下。 高温焚烧是防治PCDD与CCDF的最好方法，一般在925 ℃以上。 通过生产实践，提供以下经验数可供参考
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时间 停留时间的长短直接影响废物的焚烧效果、尾气组成等，也是决定炉体容积尺寸燃烧能力的重要依据 一般情况下，应尽可能通过生产模拟试验来获得设计数据。对缺少试验手段或难以确定废物焚烧所需时间的情况，可参阅经验数据 一、焚烧参数－停留时间 经验数据 垃圾焚烧，温度850~1000 ℃，停留时间1~2s 一般有机废液，0.6~1s；含氰废液约3s 废气，一般在1s以下。如油脂精制过程产生的臭气，在650 ℃温度下只需要0.3s
一、焚烧参数－混合强度 • 要使废物燃烧完全，减少污染物形成，必须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，其中以流态化扰动方式效果最好。中小型焚烧炉多数属固定炉床式，扰动多由空气流动产生， 包括炉床下送风和炉床上送风两种方式。 • 二次燃烧室内氧气与可燃性有机蒸气的混合程度取决于二次助燃空气与燃烧气体的相互流动方式和气体的湍流程度。一般来说，二次燃烧室气体速度在3-7m/s即可满足要求；如果气体流速过大，混合度虽大，但气体在二次燃烧室的停留时间会降低，反应反而不易完全。
在实际的燃烧系统中，氧气与可燃物质无法完全达到理想程度的混合即反应。为使燃烧完全，需要加上比理论空气量更多的助燃空气量在实际的燃烧系统中，氧气与可燃物质无法完全达到理想程度的混合即反应。为使燃烧完全，需要加上比理论空气量更多的助燃空气量 过剩空气系数用于表示实际供应空气量与理论空气量的比值，m=A/A0 A0为理论空气量；A为实际供应空气量 一、焚烧参数－过剩空气（Excess Air） • 空气过剩率 • 过剩空气率EA= （A-A0）/A0 =（m-1）×100% • 根据经验，过剩空气系数一般需大于1.5，常在1.5～1.9之间；但在某些特殊情况下，过剩空气系数可能在2以上，才能达到较完全的焚烧效果
二、焚烧气体温度的近似计算 理论燃烧温度 在焚烧系统处于衡压、绝热状态，系统所有能量都用于提高系统温度和物料的含热时，焚烧系统的最终温度 用以下经验式计算： 式中，T1为室温；T2为焚烧温度，K；wi为烟气中第i中成分的质量分数； cpi 为烟气中各成分质量定压热容，kJ/（kg ·K） 以烃类化合物代替固体废物，设25 ℃烃类化合物燃烧时每产生4.18kJ低热位值时约需1.5×10－3理论空气 ： m理空 ＝ 1.5×10－3 ×NHV/4.18=3.59× 10－3 NHV
二、焚烧气体温度的近似计算 如果烃类化合物与辅助燃料完全燃烧，总量以1Kg计，则烟气中各组分在燃烧温度范围内的质量定压容均为1.29 kJ/（kg ·K），而且假设各组分低热位值等于有用热量：则低热位值与焚烧火焰温度之间的关系简化为： 式中，mp—烟气质量分数； me--废气中过量空气的质量分数； Cp--近似热容，1.254 kJ/kg•K； T---燃烧气体的温度；
二、焚烧气体温度的近似计算 再考虑过量空气率： ， 则得到NHV，EA和T三者之间的关系式： 同样，上式可变换成：
焚烧气体温度计算例题 例：在一废物焚烧炉中焚烧C6H5Cl，空气过量100%，试计算其最高操作温度。 解： 根据Dulong方程，以1 kg C6H5Cl为基准，近似计算其燃烧的净热值。 = 24870 kJ/kg
已知EA=100%，则 =1348 K =1075 oC 计算结果可知，最高操作温度为1075 oC。
三、停留时间的计算 设焚烧反应为一级反应，则根据一级反应动力学方程： C--为反应物浓度 将t: 0~t, C: CA0~CA积分（CA为A组分浓度） 上式中：t--为反应时间，s k--反应速度常数， s-1
停留时间的计算 阿伦尼乌斯方程，化学反应速率常数随温度变化关系的经验公式 k--反应速度常数，可由Arrhenius方程求得： 式中：A--Arrhenius常数(频率因子)，可在表中查出； E--活化能，J/mol，亦在相关附表中查出； R--通用气体常数，8.314 J/mol • K。 当反应温度T一定时，可查得不同化合物的A和E，求得k后，可计算得到停留时间t或DRE。
焚烧炉停留时间的计算例题 例：在一废物焚烧炉中焚烧C6H5Cl，空气过量100%。 （1）试计算其最高操作温度； （2）在900 oC燃烧温度下，计算当氯苯DRE＝99.99%时，氯苯在炉内的停留时间 解： （1）根据Dulong方程，以1 kg C6H5Cl为基准，近视计算其燃烧的净热值。
= 24870 kJ/kg 已知EA＝100%，则 =1348 K =1075 oC 计算结果可知，最高操作温度为1075 oC。
（2）设氯苯在焚烧炉内氧化遵循一级反应速度规律， 由 则 当DRE＝99.99%时，上式中CA＝0.0001，CA0＝1，只需求出反应速度常数k; 由Arrhenius 方程，由p179表7-3查得，Arrhenius常数A＝1.34×1017，活化能E＝320200 J/mol),实际操作温度T＝900+273＝1173 K, R＝8.314 J/mol.K，代入上式得： = 870.13 s-1
因此， = 9.21/870.13 = 0.0106 (s) 由此可见，在900 oC燃烧温度下，当氯苯DRE＝99.99%，其在焚烧炉内的停留时间只需0.0106 s。比较而言，同样是氯苯DRE＝99.99%，而在800 oC下焚烧时，可计算出其停留时间需0.2 s，是900 oC时的20倍。因此，高温有利于有机物的快速分解和氧化。
四、有害有机废物焚烧后要求达到的三个标准 （1）DRE of POHC > 99.99%，即主要有害有机成分的破坏去除率要大于99.99%。 DRE--Destruction and removal efficiency； POHC--Principle organic hazardous constituents. （2）从焚烧炉烟道排往洗涤设备的HCl排放量 < 1.8 kg/h, 或洗涤设备的HCl去除率 > 99.00%； （3）烟囱排放的颗粒物浓度 < 183 mg/m3(按空气过量率50%计)。 如果空气过量率EA(excess of air)大于或小于50%时，则应折算成EA50%时的排放量。
目测法 1 2 3 4 黑度，烟气量 热灼减量法 二氧化碳法 DRE … … 五、焚烧效果
六、燃烧过程污染物的产生与防治Generation & Prevention of Pollutants from Incineration
二恶英的产生与防治 • 在焚烧过程中产生二恶英是公认的事实，是毒性很强的一类多氯代三环芳烃类化合物的统称，由两个或一个氧原子连接2个被氯取代的苯环构成。世界卫生组织在1997年把二恶英列为人类一级致癌物。在人体中的半衰期至少为7年，人体吸收的二恶英很难排除体外。 • 二恶英在常温下呈固态,熔点为303～305℃；容易生成的温度是180～400℃；一般在705℃以下非常稳定，705℃以上开始分解，不易燃烧；
PCDD--Polychlorinated dibenzodioxin PCDF--Polychlorinated dibenzofuran PCB--Polychlorinated biphenyl PCN--Polychlorinated naphthalene
二恶英产生原因分析 （1）直接来源：焚烧含PCDD废物； （2）间接来源：在一定温度和氧存在下，二种或多种有机氯化物的聚合，如氯酚的二聚作用； （3）多氯二酚、多氯联苯等这类化合物的不完全燃烧； （4）氯及氯化物的存在，使碳氢化合物结构改变生成PCDD、PCDF。 垃圾焚烧中PCDD、PCDF的排放量见表7-4。
