固體廢物的焚燒處理技術PPT演示課件(PPT 72頁)

1、固廢污染控制工程教師：盛廣宏能源與環(huán)境學院1第1頁，共72頁。第6章固體廢物的熱處理焚燒處理技術焚燒工藝與設備焚燒過程的二次污染形成與控制固體廢物的熱解第2頁，共72頁。熱處理技術固體廢物的熱處理：在設備中以高溫分解和深度氧化為主要手段，通過改變廢物的化學、物理或生物特性和組成來處理固體廢物的過程。常用的熱處理技術：焚燒、熱解、熔融、干化、濕式氧化、燒結等第3頁，共72頁。第4頁，共72頁。6.1 焚燒處理技術固體廢物的焚燒特性1焚燒原理2焚燒效果的評價3焚燒過程的影響因素45焚燒主要參數及熱平衡分析第5頁，共72頁。焚燒技術的歷史開始最早的垃圾焚燒爐建于1874年英國的Nottingham市

2、。隨后相繼在美國、德國、法國等國開始建立，并得到了發(fā)展發(fā)展上世紀60年代以后，各國相繼建立了很多垃圾焚燒廠。垃圾焚燒技術也得到了快速發(fā)展快速發(fā)展進入90年代，伴隨著能源危機，垃圾焚燒技術與熱能技術相結合，得到了快速發(fā)展安徽工業(yè)大學能源與環(huán)境學院第6頁，共72頁。我國的垃圾焚燒技術發(fā)展最早在30年代在上海租界內建立的焚燒爐真正意義上的垃圾焚燒廠是始建于1988年的四川樂山凌云垃圾焚燒廠和深圳垃圾焚燒廠進入21世紀以后，垃圾焚燒與熱能利用技術得到了快速發(fā)展。國內相繼建立了許多生活垃圾焚燒廠第7頁，共72頁。第8頁，共72頁。焚燒的概念焚燒垃圾在高溫焚燒爐內(8001000)，垃圾中的可燃成分與空氣

3、中的氧氣發(fā)生劇烈的化學反應，轉化為高溫的煙氣和性質穩(wěn)定的固體殘渣，并放出大量的熱量。焚燒的目的使廢物減量使廢物中的毒性物質被摧毀使廢熱被釋放而再利用 第9頁，共72頁。垃圾焚燒的優(yōu)缺點優(yōu)點消毒徹底,衛(wèi)生條件好減容效果好，處理效率高有利于實現城市垃圾資源化不受氣候影響缺點投資和運行費用高，操作運行復雜存在二次污染，包括：飛灰和尾氣，而且二次污染的治理費用較高第10頁，共72頁。垃圾焚燒廠視頻第11頁，共72頁。6.1.1 固體廢物的焚燒特性 能否采用焚燒技術處理固體廢物，取決于固體廢物的燃燒特性，物質最主要的燃燒特性包括固體廢物的組成和熱值固體廢物的三組分水分與固體廢物的性質和來源等有關，焚燒處

4、理時總希望水分越低越好，過高的水分會導致固體廢物不能自持燃燒，需要輔助燃料?？扇挤止腆w廢物中的可燃分一般包括揮發(fā)分和固定碳。揮發(fā)分指標準狀態(tài)下加熱廢物所失去的質量分數?；曳止腆w中的灰分變化較大，一般主要是無機組分 第12頁，共72頁。熱值熱值：物質在完全燃燒時釋放的熱量，一般可以表示為高位發(fā)熱值（HHV）和低位發(fā)熱值（LHV）。低位熱值是高位熱值減去水分凝結熱實驗測定氧彈法經驗公式計算 Dulong公式 第13頁，共72頁。高位熱值與低位熱值理論上，一般當固體廢物的熱值高于3350kJ/kg（800kcal/kg）時，可以不加輔助燃料直接燃燒，但在實際的廢物焚燒過程中，需要的熱值比該值要高。

5、第14頁，共72頁。6.1.2 焚燒原理 焚燒與燃燒燃燒：通常把具有強烈放熱效應、有基態(tài)和電子激發(fā)態(tài)的自由基出現、并伴有光輻射的化學反應現象稱為燃燒。常見燃燒著火方式：化學自燃燃燒、熱燃燒、強迫點燃燃燒 焚燒：以一定量的過?？諝馀c被處理的固體廢物在焚燒爐內進行氧化燃燒反應，使廢物中的有害物質在高溫下氧化、熱解而被破壞的處理技術。包括蒸發(fā)、揮發(fā)、分解、燒結、熔融和氧化還原等一系列復雜的物理變化和化學反應，以及相應的傳質和傳熱的綜合過程。固體廢物的焚燒屬于強迫點燃燃燒 一般地燃燒主要是為了提供熱量，而焚燒的目的主要是減容、減量、解毒和殘灰的安全穩(wěn)定化。 第15頁，共72頁。焚燒原理 干燥 含水率較

6、低的固體廢物可以在焚燒爐內利用燃燒時產生的高溫煙氣進行干燥含水率非常高的固體廢物，如污泥，則必須在進入焚燒爐之前采用適當的措施降低其含水率，以滿足焚燒的要求，或采用添加輔助燃燒的方法進行焚燒。熱分解熱分解是固體廢物中的有機可燃物質，在高溫作用下進行化學分解和聚合反應的過程 第16頁，共72頁。燃燒可燃物的快速分解和高溫氧化蒸發(fā)燃燒指可燃物質受熱后先融化為液體，進一步受熱產生燃料蒸氣，再與空氣混合燃燒，如蠟。這類燃燒的速率受物料的蒸發(fā)速度和空氣中的氧與燃料蒸氣之間的擴散速度控制。分解燃燒指可燃物質受熱后分解為揮發(fā)性小分子可燃氣體后再進行燃燒。其燃燒速率受物料的傳熱速度影響。如木材、紙張等的燃燒。

7、表面燃燒指受熱后不經過融化、蒸發(fā)、分解等過程，而直接燃燒。其燃燒速度受燃料表面的擴散速度和化學反應速度控制。如木炭、焦炭等的燃燒。實際的固體廢物的焚燒過程非常復雜，可能同時包含了幾種燃燒方式。 第17頁，共72頁。完全燃燒或理論燃燒反應垃圾焚燒主要污染物：焚燒灰渣、焚燒煙氣第18頁，共72頁。6.1.3 焚燒效果的評價 熱灼減量指焚燒殘渣在(60025)經3h灼熱后減少的質量占原焚燒殘渣質量的百分數 垃圾焚燒后要求：QR5% 第19頁，共72頁。燃燒效率在焚燒處理城市垃圾及一般工業(yè)廢物時，多以燃燒效率(CE)作為評估是否可以達到預期處理要求的指標，它是指煙道排出氣體中二氧化碳含量與一氧化碳和二

8、氧化碳含量之和的比值 對于危險廢物的焚燒要求CE99.9%。而生活垃圾的焚燒則僅規(guī)定了CO的濃度不超過120mg/m3。 第20頁，共72頁。破壞去除效率對危險廢物，驗證焚燒是否可以達到預期的處理要求的指標還有特殊化學物質有機有害主成分(POHCS)的破壞去除效率(DRE)，定義為：危險廢物焚燒污染控制標準（GB 18484-2001）規(guī)定：危險廢物和醫(yī)療廢物的DRE99.99%，而多氯聯苯的DRE99.9999% 第21頁，共72頁。6.1.4 焚燒過程的影響因素 焚燒溫度 廢物中有害組分在高溫下氧化、分解直至破壞所需達到的溫度。高于著火溫度。規(guī)范要求生活垃圾焚燒溫度在850950，一般控制

9、煙氣出口溫度不低于850，而危險廢物的焚燒則要求焚燒爐溫度高于1100，甚至高于1200（多氯聯苯的焚燒） 廢氣的脫臭處理，采用800950 廢物粒子在0.010.51um之間，并且供氧濃度與停留時間適當時，焚燒溫度在9001000即可避免產生黑煙 含有堿土金屬的廢物焚燒，一般控制在750800 含氰化物的廢物，850900 第22頁，共72頁。停留時間 廢物中有害組分在焚燒爐內處于焚燒條件下，該組分發(fā)生氧化、燃燒，使有害物質變成無害物質所需的時間稱之為焚燒停留時間。包括廢物在焚燒爐內的停留時間和煙氣在焚燒爐內的停留時間 取決于燃燒反應的速率、有害物質破壞速率停留時間的長短直接影響焚燒的完全程

10、度，也是決定爐體容積尺寸的重要依據影響因素：廢物入爐的形態(tài)(固體廢物顆粒大小，液體霧化后液滴的大小以及粘度等)對焚燒所需停留時間影響甚大。一般要求固體廢物的停留時間能達到1.52h以上，可以用殘渣熱灼減量控制。而煙氣停留時間一般要求大于2s。 第23頁，共72頁。攪拌混合強度要使廢物燃燒完全，減少污染物形成，必須要使廢物與助燃空氣充分接觸、燃燒氣體與助燃空氣充分混合擾動方式是關鍵所在，常用的擾動方式：空氣流擾動爐床下送風 爐床上送風 機械爐排擾動流態(tài)化擾動旋轉擾動 第24頁，共72頁。過?？諝饬靠諝膺^剩系數 實際空氣供給量與理論空氣需要量之比，一般在1.52.0之間固體廢物的性質主要是生活垃圾

11、的熱值和尺寸熱值越高，越有利垃圾的焚燒和熱能的利用垃圾尺寸越小，越有利于垃圾焚燒完全和提高焚燒速率第25頁，共72頁。四個控制參數之間的關系參數變化攪拌混合程度氣體停留時間燃燒室溫度燃燒室熱負荷燃燒溫度上升可減少可減少會增加過?？諝饴试黾訒黾訒p少會降低會增加氣體停留時間增加可減少會降低會降低第26頁，共72頁。6.1.5 焚燒主要參數及熱平衡分析 焚燒溫度 理論燃燒溫度（或稱絕熱燃燒溫度）按下列經驗公式近似計算LHVmCpg(T-T0)在燃燒溫度范圍內，可以取Cpg=1.254kJ/(kgC) ；T為最終煙氣溫度，oC若系統(tǒng)損失為H，則實際燃燒溫度為：第27頁，共72頁。若以烴類化合物替代

12、固體廢物，并設25C時烴類化合物燃燒時每產生4.18kJ低位熱值約需1.510-3kg理論空氣 助燃空氣的過剩率EAm過空/m理空，并設助燃空氣的初始溫度為25C ，則第28頁，共72頁。例題：某含萘、甲苯和氯苯的混合物在空氣中完全燃燒，試利用近似計算法計算：1）空氣初始溫度為25C時，空氣過剩率分別為0、0.5和1時的絕熱火焰溫度；2）空氣過剩率為0.5時，空氣初始溫度分別為25C、150C和350C時的絕熱火焰溫度。解：以1kg廢物為計算基準，產生的LHV=9835kJ第29頁，共72頁。第30頁，共72頁。焚燒空氣量理論燃燒空氣量理論燃燒空氣量是指廢物(或燃料)完全燃燒時，所需要的最低空

13、氣量，其計算方法是將固體廢物分成可燃組分和不可燃組分兩部分，其中可燃組分的成分由碳、氫、氮、氧、硫以及水分構成，通過這些組成與氧氣發(fā)生完全反應所需的氧氣量來計算理論燃燒需要量完全燃燒反應式 第31頁，共72頁。碳燃燒 C+O2 CO2 C/1222.4=1.866m3 氫燃燒 H+O2H2O H/222.4/2=5.56m3 硫燃燒 S+O2SO2 S/3222.4=0.7m3 燃料中的氧 O1/2O2 O/1622.4/2=0.7m3 第32頁，共72頁。體積基準 理論空氣需要量質量基準理論空氣需要量實際空氣需要量m- 過剩空氣系數第33頁，共72頁。焚燒煙氣量 廢物以理論空氣量完全燃燒時的

14、燃燒煙氣量稱為理論煙氣產生量。如果廢物組成已知，以C、H、N、O、S、Cl、W表示單位廢物中碳、氫、氮、氧、硫、氯和水分的質量比，根據完全燃燒時發(fā)生的反應，并假設可燃組分可以用CxHyOzNuSvClw表示 完全燃燒反應式 第34頁，共72頁。理論燃燒濕基煙氣量：G0(m3/kg)=0.79V0+1.867C+0.7S+0.631Cl+0.8N+11.2H+1.244WG0(kg/kg)=0.77M0+3.67C+2S+1.03Cl+N+9H+W 式中 H=H-Cl/35.5 理論燃燒干基煙氣量:G0(m3/kg)=0.79V0+1.867C+0.7S+0.631Cl+0.8N G0(kg/k

15、g)=0.77M0+3.67C+2S+1.03Cl+N 實際燃燒煙氣量:G=G0+(m-1)V0 或 G=G0+(m-1)V0 第35頁，共72頁。焚燒系統(tǒng)熱平衡計算系統(tǒng)平衡時熱量輸入熱量輸出第36頁，共72頁。6.2 焚燒工藝與設備 焚燒技術 主要焚燒工藝 焚燒設備 第37頁，共72頁。6.2.1 焚燒技術 生活垃圾焚燒系統(tǒng)中主要采用的焚燒技術層狀燃燒技術應用層狀燃燒技術的系統(tǒng)包括固定爐排焚燒爐、水平機械焚燒爐、傾斜機械焚燒爐等。垃圾在爐排上已著火的垃圾在爐排和氣流的翻動或攪動作用下，使垃圾層松動，不斷地推動下落，引起垃圾底部也開始著火。流化燃燒技術它是利用空氣流和煙氣流的快速運動，使媒介料

16、和固體廢物在焚燒過程中處于流態(tài)化狀態(tài)，并在流態(tài)化狀態(tài)中進行固體廢物的干燥、燃燒和燃燼。主要的設備是流化床焚燒爐。旋轉燃燒技術 在一可旋轉的傾斜鋼制圓筒內進行焚燒。主要設備是回轉窯焚燒爐 第38頁，共72頁。6.2.2 主要焚燒工藝 焚燒工藝系統(tǒng)前處理系統(tǒng)垃圾焚燒系統(tǒng)余熱利用系統(tǒng)助燃空氣系統(tǒng)煙氣處理系統(tǒng)灰渣處理系統(tǒng)鍋爐給水系統(tǒng)廢水處理系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)第39頁，共72頁。第40頁，共72頁。前處理系統(tǒng)主要指對固體廢物的接受、貯存、分選或破碎、計量等進料系統(tǒng)主要作用是向焚燒爐定量給料，同時要將垃圾池中的垃圾與焚燒爐的高溫火焰和高溫煙氣隔開、密閉。垃圾焚燒系統(tǒng)核心裝置是焚燒爐，常見的爐型有：固定爐排式

17、焚燒爐、水平鏈條爐排焚燒爐、傾斜機械爐排焚燒爐、回轉式焚燒爐、流化床焚燒爐等。第41頁，共72頁。助燃空氣系統(tǒng)主要為燃燒提供充足的空氣，同時對爐排進行冷卻。一般分為一次助燃空氣和二次助燃空氣。煙氣處理系統(tǒng)主要是對煙氣中的氣態(tài)和顆粒狀污染物進行控制和去除第42頁，共72頁。6.2.3 焚燒設備 焚燒設備（焚燒爐）分類按燃燒室的多少單室焚燒爐和多室焚燒爐按爐型爐排爐、流化床爐、回轉窯爐等固定爐排爐目前較少應用，機械爐排爐應用最多，流化床爐有部分應用，回轉窯爐主要用于焚燒有毒有害物質和工業(yè)垃圾。 第43頁，共72頁。爐排爐爐排爐分為固定爐排爐和機械爐排爐機械爐排爐：水平鏈條機械爐排焚燒爐和傾斜機械爐

18、排焚燒爐傾斜機械爐排類型：并列搖動式、臺階式、往復移動式、傾斜履帶式、滾筒式等第44頁，共72頁。機械爐排類型第45頁，共72頁。機械爐排爐機械爐排爐可大體分為三段：干燥段、燃燒段、燃燼段。各段的供應空氣量和運行速度可以調節(jié)。干燥段： 垃圾的干燥包括：爐內高溫燃燒空氣、爐側壁以及爐頂的輻射干燥；從爐排下部提供的高溫空氣的通氣干燥；垃圾表面和高溫燃燒氣體的接觸干燥；垃圾中部分垃圾的燃燒干燥。垃圾在干燥帶的滯留時間約為30min。燃燒段：垃圾在燃燒帶的滯留時間約為30min，在此段，垃圾的攪拌非常重要。燃燼段：將燃燒段送過來的固定碳素及燃燒爐渣中未燃燼部分完全燃燒。垃圾在燃燼段上滯留約1h，保證在

19、燃燼段上有充分的滯留時間，可將爐渣的熱灼減率降至12%。第46頁，共72頁。機械爐排爐的概念圖第47頁，共72頁。流化床焚燒爐流化床焚燒爐是基于流態(tài)化原理進行垃圾焚燒，其基本特征是在于爐膛內裝有布風板、導流板、載熱媒介惰性顆粒和在焚燒運行時物料呈沸騰狀態(tài)。特點傳質和傳熱效率高，焚燒效率高適合燃燒熱值低的固體廢物磨損嚴重流化床以前用來焚燒輕質木屑等，但近年來開始用于焚燒污泥、煤和城市生活垃圾。其特點是適用于焚燒高水分的污泥類等。入爐物料粒度要求較小第48頁，共72頁。流化床焚燒爐第49頁，共72頁。第50頁，共72頁?；剞D窯焚燒爐回轉窯爐是一個帶耐火材料的傾斜圓筒，繞著其水平軸旋轉。垃圾從一端進

20、入，到達另一端時被燒燼。圓筒轉速0.752.50rpm?？梢詥为毷褂?，或作為機械爐排爐的干燥段?？梢苑贌鞣N垃圾，常用于處理工業(yè)垃圾或危險固廢第51頁，共72頁。6.3 焚燒過程的二次污染形成與控制生活垃圾焚燒過程中產生的二次污染四類主要污染物：顆粒物（粉塵）；無機有害氣體(酸性氣體)；有機污染物(二噁英等) ；重金屬。顆粒物（粉塵）主要是廢物焚燒過程中由于物理原因和熱化學反應產生的微小顆粒物質。產生機理：生活垃圾中的不可燃物：垃圾燃燒后產生的灰分，其產生量與垃圾的灰分含量有關不完全燃燒產物：垃圾中可燃成分不完全燃燒時產生的煤煙、炭黑等。最好的控制方法是在高溫下使其氧化分解。部分無機鹽類在高溫

21、下氧化而排出，在爐外遇冷而凝結成粒狀物，或二氧化硫在低溫下遇水而形成硫酸鹽霧狀微粒粉塵的產生量與垃圾性質和燃燒方法有關第52頁，共72頁。重金屬廢物中所含重金屬物質，高溫焚燒后除部分殘留于灰渣中之外，部分則會在高溫下氣化揮發(fā)進入煙氣。部分金屬物在爐中參與反應生成的氧化物或氯化物，比原金屬元素更易氣化揮發(fā)。重金屬本身凝結而成的小粒狀物粒徑都在1um以下，而重金屬凝結或吸附在煙塵表面也多發(fā)生在比表面積大的小粒狀物上，因此小粒狀物上的金屬濃度比大顆粒要高，從焚燒煙氣中收集下來的飛灰通常被視為危險廢物。安徽工業(yè)學建筑工程學院第53頁，共72頁。無機有害氣體(酸性氣體)包括二氧化硫、氯化氫、氟化氫和氮氧

22、化物等這些污染物都是直接由廢物中的硫、氯、氟等元素經過焚燒反應而形成。諸如含氯的PVC塑料、廚余中的NaCl等會形成氯化氫，含F的塑料會形成HF，而含硫的煤焦油會產生二氧化硫。一般城市垃圾中硫含量約為0.12，其中約3060轉化為二氧化硫，其余則殘留于底灰或被飛灰所吸收。第54頁，共72頁。有機污染物 二噁英類物質（多氯代二苯對二惡英PCDDs和多氯代二苯對呋喃PCDFs)二噁英：氯代三環(huán)芳烴類化合物，是由200多種異構體、同系物等組成的混合體。包括了當今世界上兩類最危險的環(huán)境污染物-多氯代二苯并二惡英(PCDDs)和多氯代二苯并呋喃(PCDFs)。毒性最強，非常穩(wěn)定又難以分解的一級致癌物質。

23、二噁英的來源廢物本身 爐內生成：含氯化合物等二噁英的前驅體在Cu等催化作用下形成尾部再度合成：二噁英分解后形成的前驅體在250350 下再度合成第55頁，共72頁。第56頁，共72頁。6.4固體廢物的熱解熱解原理熱解的主要影響因素熱解工藝與設備第57頁，共72頁。6.4.1 熱解原理熱解定義：工業(yè)上也稱為干餾。它是利用有機物的熱不穩(wěn)定性，在無氧或缺氧條件下對之進行加熱蒸餾，使有機物產生熱裂解，由大分子量的有機物轉化成小分子量的氣體、液體和固體的過程。固體廢物熱解過程包含大分子的鍵斷裂，異構化和小分子的聚合等反應，最后生成各種較小的分子。熱解過程通式有機固體廢物熱量氣體（H2、CH4、CO、CO

24、2) 有機液體(有機酸、芳烴、焦油) 固體（炭黑、灰渣）第58頁，共72頁。固體廢物的熱解優(yōu)點（與焚燒相比）：可將固體廢物中的有機物轉化為以燃料氣、燃料油和炭黑為主的儲存性能源；由于是無氧或缺氧分解，排氣量少，因此，采用熱解工藝有利于減輕對大氣環(huán)境的二次污染；廢物中的硫、重金屬等有害成分大部分被固定在炭黑中；由于保持還原條件，Cr3+不會轉化為Cr6+。NOx的產生量少；第59頁，共72頁。熱解的特點（與焚燒比較）焚燒的產物主要是CO2、水和殘渣，而熱解的產物主要是可燃的低分子化合物，氣態(tài)的有H2 、 CH4 、CO，液態(tài)的有甲醇、丙酮、醋酸、乙醛等有機物及焦油、溶劑油等，固態(tài)產物主要是焦炭或

25、炭黑。焚燒是放熱過程，熱解需要吸收大量熱量焚燒產生的熱能量大的可用于發(fā)電，量小的只可供加熱水或產生蒸汽，就近利用，而熱解產物是燃料油及燃料氣，便于貯藏及遠距離輸送第60頁，共72頁。熱解產物取決于熱解原料和熱解工藝參數工藝停留時間加熱速率溫度(C)主要產物炭化幾小時幾天極低300500焦炭加壓炭化15min2h中速450焦炭常規(guī)熱解幾小時530min低速中速400600700900焦炭、液體、氣體焦炭、氣體真空熱解230s中速350450液體快速熱解0.12s小于1s小于1s高速高速極高40065065090010003000液體液體、氣體氣體第61頁，共72頁。固體廢物熱解氣體產物分析結果第62頁，共72頁。6.4.2 熱解的主要影響因素主要因素：熱解溫度、加熱速率、保溫時間、物料性質、反應器類型、氧氣供給量熱解溫度熱解產物的產量和成分可通過控制反應器的溫度來改變，氣體產量與熱解溫度成正比，而各種液體物質和固體殘渣均隨分解溫度的增加而減少。此外熱解溫度還影響氣體質量加熱速率直接影響物料的熱解歷程，從而對熱解產物產生影響。低溫-低速易形成固態(tài)物質，高溫-高速易形成氣體產物第63頁，共72頁。保溫時間 指反應物料完成反應在爐內停留的時間，保溫時間決定了物料的分解轉化率。它與物料尺寸、物料分子結構特性、反應器內的溫度水平、熱解方式等因素有