成信工固体废物处理与处置教案第6章 固体废物的焚烧处理技术.docx

第6章固体废物的焚烧处理技术一、基本要求了解固体废物热值的计算；固体物质的燃烧产物、焚烧产生气体温度的近似计算；掌握影响固体废物燃烧的因素、燃烧过程中污染物的产生与防治、不同焚烧设备的结构与特点。二、教学重点与难点重点：影响固体废物燃烧的因素、燃烧过程中污染物的产生与防治三、教学内容（一）概述垃圾焚烧法一般是指将垃圾作为固体燃料送入焚烧炉中，在高温条件下（一般为90（TC左右，炉心最高温度可达IlO（Te）,垃圾中的可燃成分与空气中的氧进行剧烈化学反应，放出热量，转化成高温烟气和性质稳定的固体残渣。焚烧处理除获的能源外，可使废物体积减少8095%,质量减少20%80%；高温焚烧消除了垃圾中的病原体和有害物质，得到无害化处理，最终产物转化为化学性质比较稳定的无害化灰渣，可用于制砖等。对于城市生活垃圾，这种处理方法能较彻底地消灭各类病原体，消除腐化源。焚烧技术已成为固体废物无害化、减量化和资源化的重要手段，在许多国家都得到广泛的应用。在瑞士、日本、瑞典、丹麦、法国等工业发达、国土面积又较小的国家，其垃圾处理以焚烧为主；在其他工业发达的欧美国家，有机性危险废物（如PCBs.有机溶剂等）大部分也都采用焚烧法进行处理。但由于目前许多方面的原因，大多数国家对焚烧技术仍采取谨慎的态度，在我国其使用比例远低于土地填埋处置方法。（二）焚烧原理及过程1、焚烧原理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。燃烧可以产生火焰，而火焰又能在合适的可燃介质中进行自行传播。火焰能否自行传播，是区分燃烧与其他化学反应的特征。其他化学反应都只局限在反应开始的那个局部地方进行，而燃烧反应的火焰一旦出现，就会不断向四周传播，直到能够反应的整个系统完全反应完毕为止。燃烧过程，伴随着化学反应、流动、传热和传质等化学和物理过程,这些过程又相互影响、相互制约。因此，燃烧过程是一个极为复杂的综合过程。固体废物中的可燃组分可分为挥发性和不含挥发性两类。焚烧处理过程的燃烧方式可分为表面燃烧、分解燃烧（又称裂解燃烧）和蒸发燃烧三种：表面燃烧是指固体废物不含挥发性组分，燃烧只在固体表面进行，在燃烧过程中不产生熔融产物或分解产物。它的燃烧速度由空气中的氧向固体表面扩散速度及固体表面氧化反应速率所决定。分解燃烧是指废物在炉内着火燃烧前的某一温度下，挥发分发生逸出产生可燃气体，此气体挥发分在炉内作扩散燃烧；当挥发分的逸出速度大于燃烧速度时，则燃烧不完全，会产生黑烟。蒸发燃烧：固体物质受热熔化成液体，继而转化为蒸气，所产生的蒸气再与空气混合而燃烧。如石蜡的燃烧属于这一类。其中蒸发燃烧、分解燃烧又称火焰燃烧。液体燃烧反应主要以蒸发燃烧与分解燃烧为主；而气体燃烧以扩散燃烧为主。固体废物受热后的相变化和焚烧时物碳颗粒形成途径分别见图6-1和62。l6-l固体废物加热后的相变化客至碳驾八聚反应F化合物I,0I4快速反应.碳粒（类似石状）Xx断«1粒较细（0.01、尽W镌/整Y器'虫统血破*粒氮化合物片IK粒较细（0.0110m）图62固体废物碳颗粒形成途径2、焚烧过程及特点焚烧过程包括了三个阶段：物料的干燥加热阶段、燃烧阶段和燃尽阶段。燃烧阶段是焚烧过程的主阶段，燃尽阶段也是生成固体残渣的阶段。3、焚烧过程最终产物可燃的固体废物基本是有机物，由大量的碳、氢、氧元素组成，有些还含有氮、硫和卤素等元素。这些元素在焚烧过程中与空气中的氧起反应发生完全燃烧时，生成各种氧化物或部分元素的氧化物，具体为：有机碳的焚烧产物是二氧化碳气体。有机物中氢的焚烧产物是水；若有氨或氯存在，也可能有它们的氢化物生成。固体废物中的有机硫和有机磷，在焚烧过程中生成二氧化硫或三氧化硫以及五氧化二磷。有机氮化物的焚烧产物主要是气态的氮，也有少量的氮氧化物生成。有机氟化物的焚烧产物是氟化氢。有机氯化物的焚烧产物是氯化氢。有机漠化物和碘化物焚烧后生成溪化氢及少量漠气以及元素碘。根据焚烧元素的种类和焚烧温度，金属在焚烧以后可生成卤化物、硫酸盐、碳酸盐、氢氧化物和氧化物等。4、废物焚烧过程影响因素废物本身的性质；停留时间；温度的影响；过量空气系数；其他因素在固体废物的焚烧过程中，各种影响因素之间是相互依赖、相互制约的，应从综合效应来考虑整个燃烧过程的因素控制，在可能的条件下合理控制各种影响因素，使其综合效应向着有利于废物完全燃烧的方向发展。同时，在焚烧炉的操作运行过程中，温度、停留时间和过剩空气量是三个最重要的影响因素，通常称为“3TL原则。”（三）焚烧热值计算1、热值的表示与计算热值有两种表示法，高位热值和低位热值，kJkgo高位热值是指废物在一定温度下反应到达最终产物的焰的变化，又称粗热值。低位热值乂称净热值，与高位热值的意义相同,只是废物的状态不同，前者水是液态，后者水是气态。所以，二者之差就是水的汽化潜热。用氧弹测热仪测量的是高位热值。（1）通过元素组成作近似计算将高位热值转变成低位热值可以通过下式计算:XHV=HHV-2420Vhio÷9若废物的元素组成已知，则可利用DUIOng方程式近似计算出低位热值：NHV=2.32IdoooMC-45000（MHJMo）-76OMi.÷45OOMr（2）通过比例求和法计算如果已知混合固体废物总重和废物中各组成物的重量和热值，则混合固体废物的总热值（焚烧获得的总热量）可用下式计算：固体废物总热值=Z（各组成物热值X各组成物重量）/固体废物总重焚烧后实际可利用的热量=焚烧获得的总热量一Z各种热损失【例】某固体废物含可燃物60%,水分20%、惰性物20%o固体废物的元素组成为碳28%、氧4%,氧23%、氮4%、硫1%、水分20%、灰分20%。假设：固体废物的热值为11630kJkg;炉栅残渣含碳量5%；空气进入炉膛的温度为65,离开炉栅残渣的温度为650C;®残渣的比热容为0.323kJ/（kgC）；水的汽化潜热2420kJ/kg；辐射损失为总炉膛输入热量的0.5%；碳的热值为32564kJ/kg,试计算这种废物燃烧后可利用的热值。解：以固体废物Ikg为计算基准，计算废物燃烧后可利用的热值。残渣中未燃烧的碳含热量Qi：根据物料平衡，可得：总残渣量=(lx20%)(l0.05)=0.2105kg因此，Qi=(0.2105-0.2)kg×32564kj/kg=340kJ水的汽化潜热Q2总水量=废物原料含水量十原料中H、O结合生成水量=l×20%+l×4%×9=0.56kg因此，Q2=0.56kg×2420kJ/kg=I360kJ空气辐射损失Q3Q3=ll630kJ/kg×1kg×0.5%=58kJ残渣带出的显热QtQ4=0.2105kg×0323kJ/(kg°C)×(650-65)oC=39.8kJ则废物燃烧后可利用热值=总热量一Qi-Q2-Q3-Q4=lkg×11630kJ/kg340kJ-1360kJ一58kJ一39.8kJ=9882.2kJ(四)焚烧设备焚烧设备，即焚烧炉的采用与废物的种类、性质和燃烧形态等因素有关，不同的焚烧方式需采用相应的焚烧炉与之相匹配。通常根据所处理废物对象、对环境和人体健康的危害大小，以及所要求的处理程度，将焚烧炉分为城市垃圾焚烧炉、一般工业废物焚烧炉和危险废物焚烧炉三种类型；按照处理废物的形态分，可将其分为液体废物焚烧炉、气体废物焚烧炉和固体废物焚烧炉三种类型。按照废物焚烧炉类型分，主要有炉排型焚烧炉、炉床型焚烧炉(包括回转窑)、沸腾流化床焚烧炉和气化熔融焚烧炉四种类型。但每一种焚烧炉又视其具体的结构不同又有不同的型式。炉床式焚烧炉采用炉床盛料，燃烧在炉床上物料表面进行，适宜于处理颗粒小或粉状固体废物以及泥浆状废物，分为固定炉床和活动炉床两大类，固定炉床焚烧炉又可分为水平固定式炉床、倾斜式固定炉床和活动床焚烧炉。水平固定炉床焚烧炉是最简单的炉床式焚烧炉，其炉床与燃烧室构成一整体，炉床为水平或略呈倾斜，燃烧室与炉床成为一体。废物的加料、搅拌及出灰均为手工操作，劳动条件差，且为间歇式操作，故不适用于大量废物的处理。倾斜式固定炉床焚烧炉，与水平炉床相同，该型焚烧炉的燃烧室与炉床成为一体，但炉床做成倾斜式，便于投料、出灰，并使在倾斜床上的物料一边下滑一边燃烧，改善了焚烧条件。这种焚烧炉的投料、出料操作基本上是间歇式的。但如果固废焚烧后灰分很少，并设有较大的贮灰坑，或有连续出灰机和连续加料装置，亦可使焚烧作业成为连续操作。活动床焚烧炉的炉床是可动的，可使废物能在炉床上松散和移动，以改善焚烧条件，进行自动加料和出灰操作。这种类型的焚烧炉有转盘式炉床、隧道回转式炉床和回转式炉床（即旋转窑）三种。应用最多的是旋转窑焚烧炉。流化床焚烧炉这是近年发展起来的一种高效焚烧炉。利用炉底分布板吹出的热风将废物悬浮起呈沸腾状，垃圾与沸腾层内高温颗粒状中间媒体即载体（如砂子、灰渣、石灰石等）接触传热进行焚烧。流化床焚烧炉的优点是在焚烧区无活动部分，运行安全可靠；强烈的混合反应能使有机物发生充分燃烧，能减少有毒的氧化物和氟化物产生；焚烧温度较低、能抑制氮氧化物的产生；通过加入适合的添加剂如石灰等，能将S、Cl和F在燃烧过程中氧化成化合物，从而降低了废气的净化难度，同时能减少加热面层的腐蚀作用。但流化床法能耗较大，焚烧过程较缓慢，其扬尘较多，需加强除尘措施。对于垃圾焚烧厂，目前所采用的焚烧炉主要有机械炉排、回转窑、流化床三种型式，这三种焚烧炉的优缺点如表5-4所示。表5-4三种典型焚烧炉的优缺点比较类型机械炉排焚烧炉回转窑式焚烧炉流化床焚烧炉优点适用大容量燃烧可靠、易运行管理余热利用高公害易处理垃圾搅拌及干燥性佳可适用中大容量可高温安全燃烧残灰颗粒小适用中容量燃烧温度较低热传导和燃烧效率较佳公害低缺点造价高操作及维修费高应连续运转操作运转技术高连接传送装置复杂炉内之耐火材料易损坏操作运转技术高需添加流动媒介进料颗粒较小单位处理量所需动力高炉床材料冲蚀损坏大（五）焚烧过程污染物及污染控制1、烟气组成及除尘除臭烟气中的主要成分为CO2、H20、02、N2,约占烟气容积的99%,属无害成分。烟气中的污染物可分为固态（包括气溶胶）、液态和气态污染物；主要有以下几类：不完全燃烧产物，包括一氧化碳、碳黑、烧、烯、酮、醇、有机酸及聚合物等。粉尘，包括堕性金属盐、金属氧化物和不完全燃烧颗粒物等。酸性气体，包括氯化氢、氯气、硫氧化物（SOx）氮氧化物（NoX）等。重金属，包括铅、汞、镉、铭、碑等的元素态、氧化物及氯化物等。二氧（杂）在（二嗯英，dioxins）和吠喃（furane）。烟气净化和污染控制主要为除尘、除臭、除酸和控制.嗯英的产生。(I)除臭焚烧产生的特殊气味是垃圾的厌氧发酵和有机物不完全燃烧产生的。解决或减轻气味最有效的方法是改进燃烧工艺，调整燃烧参数(如送风比例、方式、炉温高低等)。将含臭味的气体通过高温炉体进行燃烧，这是减少和消除臭味的最好办法。将焚烧炉储料仓的臭空气引入焚烧炉作燃烧的空气也就是这个道理。(2)除酸焚烧垃圾的烟气中，含有还原性性气体，这主要是因为垃圾中含有许多含氯的塑料和废旧轮胎、橡胶类。国外的除酸办法，主要是洗涤法。除尘时，这些酸性气体亦可有效地溶于水而被去除，而无需单独处理。我国城市生活垃圾中植物性物质所占比例很大，焚烧时还可能出现大量的NH3,这种可溶性气体易与水结合，使排烟常呈碱性(PH=89),对于酸性气体有中和作用。(3)除尘除尘是烟气净化的一项重要内容。利用除尘装置如湿式除尘设备等，不仅能除掉固态颗粒物，同时也可综合去除和减轻臭气和酸性气体。常见的方法有重力和惯性除尘(包括旋风除尘)、湿式洗涤、布袋除尘和静电除尘等方法。2、灰渣处理与利用焚烧过程产生的灰渣(炉渣和飞灰)产量大约是垃圾量的1/10左右，其物理化学特性随炉型有所改变，但它们主要是无机物，一般为金属的氧化物、氢氧化物和碳酸盐、硫酸盐、磷酸盐以及硅酸盐。对灰渣的处理，只有当灰渣中重金属含量不高并符合环境保护等要求时才能进行资源化利用。当灰渣中重金属含量高且不符合环境保护等要求时，对环境会造成很大的危害，不能进行资源化利用，需将灰渣进行稳定化处理(如固化和熔融处理)后送入安全填埋场进行最终处置，避免重金属的渗出，减少对环境的污染。如在日本，将从焚烧炉出来的炉灰再熔炼一次，一方面消除重金属，一方面再次减容到1/621/90,然后才填埋或制砖或铺路。目前，主要是对焚烧炉渣进行开发利用。炉渣的性质因焚烧温度不同而有差异，因此利用的方式也不同。100Oc以下焚烧炉或热分解炉产生的炉渣是我们通常说的焚烧炉渣。1500C高温焚烧炉排出的熔融状态的炉渣叫烧结炉渣。(1)焚烧炉渣的利用(2)烧结炉渣的利用3、焚烧厂二嗯英的产生与污染控制(I)二嘿英及化学特性二嗯英(dioxi吟简称DXN)是指含有二个氧键连结二个苯环的有机氯化合物，也是多氯代三环芳燃类化合物的统称。二嗯英是一组持久性有机污染物，由三种结构相近且具相似化学特性的化学物质组成，他们是氯代二弟并二嗯英(CDDs)、氯代二苯并吠喃(CDFS)和某些类二嗯英多氯联苯(PCBS),但通常是指二嗯英和吠喃。其中氯代二苯并二嗯英（CDDS）共有75种同系物，氯代二苯并吠喃（CDFS）共有135种同系物，多氯联苯（PCBS）共有209种同类物。氯代二苯并二嗯英（CDDS）和氯代二苯并吠喃（CDFS）分子结构见图5-44o但目前研究表明，在这419种化合物中只有30种属于二嗯英类化合物，其中多氯二苯二嗯英（PCDDS）有7种，多氯二苯吠喃（PCDFS）有10种,多氯联苯（PCBS）有13种。polychlcnnatcddbcnzo-p-oxnspOlychlonnatcddsbenzohnins多低代二本弁一为一二邪荚，PCDDs£机代二年弁次，PCDFs图5-44CDDs和CDFs分子结构图二嗯英在常温下呈固态，熔点为303305°C;容易生成的温度是180400°C,一般在705C以下非常稳定，705C以上开始分解，但不易燃烧，在酸碱环境中性质稳定。二嗯英难溶于水，易溶于二氯苯,常温下水中溶解度仅为7.2xl0-6mgL,在二氯苯中溶解度高达1400mgL,故二嗯英易溶于脂肪，会在身体内积累，二嗯英常温下并难以排除。附着于土壤的能力非常强，不易渗出，污染地下水的可能性很小；在土壤中的半衰期至少在1年以上。二嗯英类是没有安全限的，即使是PPt的浓度也能够引起对人和动物组织的大破坏，在人体中的半衰期至少为7年，人体吸收的二嗯英很难排除体外，已被国际癌症研究机构（IARC）归为已知的人类致癌物质。（2）二噂英的生成途径及机理直接释放机理：燃烧含有微量二嗯英的固体废物，在未充分完全燃烧的条件下，其排出的烟气中必然含有残留的二嗯英。重新合成机理：反应载体为大分子的碳结构，包括活性炭、碳、煤灰、焦炭、残留碳、飞灰等，这些反应载体在催化剂（主要是铜族化合物）的作用下会反应生成二嗯英。具体为：（a）在大分子碳结构的边缘，以并列方式进行氯化反应产生邻位氯代基的碳结构；（b）氧化破坏碳结构进行重组生成二嗯英；（C）在活性碳表面进行氧化降解（氧化铜为主要催化剂）产生芳香族氯化物（二嗯英的中间产物）。前驱物的异相催化反应机理：发生在飞灰表面的异相催化反应，反应物质为有机小分子，包括脂肪族（如丙烯）、单环无官能团芳香族（如苯）、单环官能团芳香族（如苯甲酸、甲苯、苯酚等）、氯芳香族（如氯酚、氯苯等）。具体为：（a）主要碳结构的降解作用形成小分子物质，然后反应产生二嗯英；（b）凝结两个前驱物形成中间产物，再进行分子间的环化作用形成二嗯英。（3）垃圾焚烧中二嘿英的生成途径及机理一般来说，垃圾焚烧中二嗯英的形成有下列途径:垃圾中本身含有的二嗯英类物质，大部分在高温燃烧时得以分解，但由于二嗯英具有热稳定性，仍会有一部分在燃烧以后排放出来； 垃圾在燃烧过程中形成的含氯前驱体，如氯苯、氯酚、聚氯酚类物质(PCBs)通过重排、脱氯或其它分子反应等过程生成二嗯英，虽然这部分二嗯英在高温燃烧条件下大部分也会被分解，但仍有一部分在燃烧以后被排放出来； 小分子碳氢化合物通过聚合和环化反应形成多环燃化合物(PAH),这些化合物和氯反应形成二嗯英；在较低温度下(30050(C),二嘿英前驱体在飞灰的催化作用下，遇适量的触媒物质(主要为重金属，特别是铜等)，则在高温燃烧中已经分解的二嗯英将会重新生成； 焚烧炉尾部净化温度在200300°C下，HCl和单质氯在飞灰催化作用下与碳氢化合物反应生成二嗯英。(4)焚烧过程防治二嗯英的措施控制燃烧温度二嗯英的最佳生成温度为300C,但在400800时，仍有生成二嗯英的可能。当温度达到900IOo(TC时,二嘿英将无法生成。因此,维持燃烧温度高于1000C是防止二嗯英生成的首要条件，也可采用二段燃烧的方法，维持第二段燃烧温度高于IOOOoCo提高燃烧效率和充足供氧二嗯英的生成与燃烧效率直接有关，同时Co中的碳可参与二嗯英的生成反应。因此，充足供氧减少CO的生成，可以间接地减少二嗯英的生成。烟气中比较理想的浓度指标是CO低于60mgmCh浓度不少于6%,在炉膛及二次燃烧室内的燃烧停留时间不小于2s。源头控制通过分类收集或预分拣控制生活垃圾中氯和重金属含量高的物质，以及易产生二嗯英的物质进入垃圾焚烧厂。加强烟道气温度控制在废热回收系统中烟道气自燃烧室进入该系统后，温度将逐渐降低至250350左右，而此温度范围又恰是二嗯英生成反应的最佳区域。因此，必须在短时间内将焚烧炉出来的烟气骤降至150C以下，以确保有效遏止二嗯英的再生成。化学加药：向烟道中喷入NH3或喷入Cao等吸收HCL以抑制前驱物质的生成。活性碳吸附选用新型袋式除尘器，控制除尘器入口处的烟气温度低于200,并在进入袋式除尘器的烟道上设置活性碳等吸附装置吸附二嗯英。飞灰污染控制由于二嗯英可以在飞灰上被吸附或生成，所以对飞灰应用专门容器收集后作为有毒有害物质送安全填埋场进行无害化处理；有条件时可以对飞灰进行低温(300400C)加热脱氯处理或熔融固化处理后再送安全填埋场处置，以有效地减少飞灰中二嗯英的排放。四、作业及解答