固體廢物的焚燒處理技術(shù)

關(guān)于固體廢物的焚燒處理技術(shù)垃圾焚燒及其特點垃圾焚燒技術(shù)原理垃圾焚燒爐系統(tǒng)焚燒煙氣污染控制技術(shù)本講主要內(nèi)容第2頁,共78頁，2024年2月25日，星期天

是將可燃性固體廢物與空氣中的氧在高溫下發(fā)生燃燒反應(yīng)，使其氧化分解，達到減容、解毒除害并回收能源的高溫處理過程。通過焚燒處理，廢物的體積可減少80％～95％，殘余物為化學性質(zhì)比較穩(wěn)定的無機質(zhì)灰渣，燃燒過程中產(chǎn)生的有害氣體和煙塵經(jīng)處理后可達標排放。

固體廢物的焚燒處理第3頁,共78頁，2024年2月25日，星期天

利用燃燒過程對垃圾進行高溫處理，垃圾中病原體破壞十分徹底，無害化、減量化效果好，還可以進行能量回收。因此，“三化”都可以實現(xiàn)（無害化是針對垃圾本身而言的）。大氣污染問題，特別是二噁英、重金屬污染問題；投資運行成本高，管理水平要求高。應(yīng)用領(lǐng)域：生活垃圾處理——WasteToEnergy(WTE)；危險廢物（醫(yī)療廢物）處理。垃圾焚燒技術(shù)的特點第4頁,共78頁，2024年2月25日，星期天燃燒法處置垃圾的優(yōu)點可大幅度減少垃圾體積(燃燒后體積可減少90%以上)垃圾的處理速度快,儲存期短垃圾就地燃燒,不需要長距離運輸可以回收能量用于發(fā)電和供熱通過合理組織燃燒及尾氣凈化可實現(xiàn)清潔燃燒第5頁,共78頁，2024年2月25日，星期天燃用原生垃圾的難點1、垃圾的來源和組成成分十分復雜

(與常規(guī)燃料燃燒顯著不同)

異比重 －多組分多顆粒尺度 －多污染源高水分 －多著火點多熱值 －受熱面存在高溫腐蝕第6頁,共78頁，2024年2月25日，星期天燃用原生垃圾的難點第7頁,共78頁，2024年2月25日，星期天焚毀帶病毒、病菌的垃圾。→英、美、法等試驗研究，建立焚燒爐機械化連續(xù)垃圾焚燒爐。處理能力、焚燒效果、治污↗大型機械化爐排；較高效率的煙氣凈化系統(tǒng)

自控、移動式機械爐排焚燒爐、多樣化、T↗432119世紀中后期

20世紀初

1960’1970~1990

....

除塵資源化智能化多功能綜合性我國始于1980′

5焚燒處理技術(shù)的發(fā)展第8頁,共78頁，2024年2月25日，星期天

國外學者對垃圾焚燒技術(shù)發(fā)展階段的劃分：

Historicalwasteincineration“generations”：

0

Openairincineration1st

1900

oven2nd

1960

dustremovalfromfluegas3rd

1985

chemicalcleaningoffluegas4th

2000

recoveryofenergyandmaterials第9頁,共78頁，2024年2月25日，星期天

層狀燃燒技術(shù)過程穩(wěn)定、技術(shù)成熟、應(yīng)用廣固定爐排焚燒爐、水平機械焚燒爐、傾斜機械焚燒爐等輻射、煙氣對流，翻轉(zhuǎn)及攪動爐型設(shè)計和配風設(shè)計

流化燃燒技術(shù)較成熟，可處理低熱值、高水分廢物，但對入料要求均勻化、細小化流化床焚燒爐空氣流和煙氣流快速移動，物料流態(tài)化狀態(tài)

旋轉(zhuǎn)燃燒技術(shù)較成熟、效率高回轉(zhuǎn)窯焚燒爐滾筒、抄板

焚燒技術(shù)第10頁,共78頁，2024年2月25日，星期天A控制燃燒溫度和停留時間；B減少煙氣200~500℃停留時間；C有效凈化煙塵

重金屬

汞、鎘、鉛酸性氣體:HF、SOX、NOX、HCl

PCDDs:

TCDDs

PCDFs催化氧化化學吸收氧化還原濕式洗滌物理吸附靜電除塵袋式過濾離心分離重力沉降…反應(yīng)器

洗滌塔

吸附塔

靜電除塵器

布袋除塵器

旋風除塵器沉降室

…煙氣系統(tǒng)第11頁,共78頁，2024年2月25日，星期天

灰渣系統(tǒng)

廢水處理系統(tǒng)

余熱系統(tǒng)

發(fā)電系統(tǒng)

自動控制系統(tǒng)其它系統(tǒng)第12頁,共78頁，2024年2月25日，星期天第13頁,共78頁，2024年2月25日，星期天現(xiàn)代垃圾焚燒廠第14頁,共78頁，2024年2月25日，星期天Pu-XiWTEPlant,Shanghai,China第15頁,共78頁，2024年2月25日，星期天Pu-dongWTEPlant,Shanghai,China第16頁,共78頁，2024年2月25日，星期天回轉(zhuǎn)式垃圾焚燒爐第17頁,共78頁，2024年2月25日，星期天流化床式垃圾焚燒爐第18頁,共78頁，2024年2月25日，星期天

固體廢物的熱值：是指單位質(zhì)量的固體廢物完全燃燒時所釋放出的熱量，以kJ/kg表示。熱值常用高位熱值（Highheatvalue

HHV）和低位熱值（Netheatvalue

NHV）兩種方法表示。高位熱值：是指化合物（物料）在一定溫度下反應(yīng)到達最終產(chǎn)物的焓的變化。低位熱值：與高位熱值的意義相同，只是產(chǎn)物水的狀態(tài)不同，前者水是液態(tài)，后者水是氣態(tài)，二者之差，就是水的汽化潛熱。廢物的發(fā)熱量或熱值可以通過標準實驗測定，即用氧彈量熱計實驗測出廢物的高位熱值，然后用下式計算低位熱值。垃圾焚燒技術(shù)原理第19頁,共78頁，2024年2月25日，星期天

NHV=HHV-2420(H2O+9(H-Cl/35.5-F/19)

式中，NHV－凈熱值，kJ/kg；

HHV－粗熱值，kJ/kg；

H2O－焚燒產(chǎn)物中水的質(zhì)量分數(shù)，％；

H、Cl、F－分別為廢物中氫、氯、氟含量的質(zhì)量分數(shù)，％。若廢物的元素組成已知，則可利用Dulong方程式近似計算出低位熱值：

NHV=2.32[14000mc+45000(mH-1/3mo)-760mCl+4500ms]

式中：mc、mo、mH、mCl、ms分別代表廢物中碳、氧、氫、氯和硫的質(zhì)量分數(shù)。如果混合固體廢物總重量已知，廢物中各組成物的重量和熱值已測定，則混合固體廢物的熱值可用下式計算：

垃圾熱值的計算第20頁,共78頁，2024年2月25日，星期天幾種典型廢物的熱值（kJ/kg）廢物煤矸石廣州垃圾1996杭州垃圾1997常州垃圾1997蕪湖垃圾1997上海污水廠污泥熱值800～8000441244527300286314600第21頁,共78頁，2024年2月25日，星期天某市垃圾成分的濕基含量及垃圾低位濕基熱值第22頁,共78頁，2024年2月25日，星期天

溫度著火條件

可燃物質(zhì)助燃物質(zhì)引燃火源

蒸發(fā)

揮發(fā)

分解

燒結(jié)、熔融

氧化還原CxHyOzNuSvClw+(x+v+y/4–w/4–z/2)O2→xCO2+wHCl+0.5uN2+vSO2+(y-w)/2H2O

焚燒

焚燒機理第23頁,共78頁，2024年2月25日，星期天

從工程技術(shù)的觀點看，需焚燒的物料從送入焚燒爐起，到形成煙氣和固態(tài)殘渣的整個過程，可總稱為焚燒過程。根據(jù)可燃物質(zhì)的性質(zhì)，固體的燃燒過程可以有蒸發(fā)燃燒、分解燃燒和表面燃燒等三種形式。焚燒過程包括三個階段：（1）干燥階段物料的干燥加熱階段，從物料送入焚燒爐起到物料開始析出揮發(fā)分著火這一段，都認為是干燥階段。（2）焚燒階段焚燒過程的主階段，即真正的燃燒過程。（3）燃盡階段生成固體殘渣的階段。三個階段并非界限分明，尤其是對混合垃圾之類的焚燒過程更是如此。固體廢物的焚燒過程第24頁,共78頁，2024年2月25日，星期天第25頁,共78頁，2024年2月25日，星期天

假設(shè)焚燒反應(yīng)為一級反應(yīng)，按照化學動力學理論，則反應(yīng)動力學的方程可用下式表示：dC/dt=－kt

在時間從0→t，濃度從CAO→CA變化范圍內(nèi)積分則上式變?yōu)椋簂n(CA/CAO)＝－kt

式中：CAO、CA――分別表示A組分的初始濃度和經(jīng)時間t后的濃度，g·mol；

t――反應(yīng)時間，s；

k――反應(yīng)速度常數(shù)，是溫度的函數(shù)。它們的關(guān)系可用

Arrhenius方程式表示：k＝Ae-E/RTA――Arrhenius常數(shù)；

E――活化能，kcal/(g·mol)R――通用氣體常數(shù)；

T――絕對溫度，K；反應(yīng)動力學的方程第26頁,共78頁，2024年2月25日，星期天

（1）固體粒度的影響；（2）溫度的影響；（3）壓力的影響；（4）相對速度的影響；（5）氧濃度的影響。在實際焚燒操作中控制四方面的因素：（1）溫度(Temperature)；（2）停留時間(Time)；（3）湍流程度（攪拌）(Turbulence)；（4）過量空氣率（Excessiveair）。簡稱三T一E。這些因素主要由實驗及試焚燒決定的。影響固體廢物燃燒的因素第27頁,共78頁，2024年2月25日，星期天

焚燒過程是能量轉(zhuǎn)化與物質(zhì)相變的過程，因而遵循能量守恒和質(zhì)量守恒規(guī)律。

輸入總質(zhì)量＝輸出總質(zhì)量輸入總熱量＝輸出總熱量

在一個封閉的焚燒系統(tǒng)內(nèi)，能量的輸入等于能量的輸出。輸入項即為固體物料和輔助燃料焚燒時產(chǎn)生的熱量，而輸出項則包括水的蒸發(fā)熱、輻射熱損失、殘渣熱損失、可燃組分的未完全燃燒、煙氣熱損失等。當焚燒用來生產(chǎn)蒸氣作為產(chǎn)品時，輸入項還應(yīng)包括鍋爐進水帶入的熱量，而輸出項還應(yīng)包括蒸氣的熱量。

焚燒過程的熱量衡算與物料衡算

第28頁,共78頁，2024年2月25日，星期天

廢物熱量+輔助燃料熱量+助燃空氣熱量有用熱量+化學不完全燃燒熱損+機械熱損+煙氣顯熱+灰渣顯熱

能量守恒第29頁,共78頁，2024年2月25日，星期天質(zhì)量守恒第30頁,共78頁，2024年2月25日，星期天

黑度，煙氣量……1234目測法熱灼減量法

二氧化碳法DRE

焚燒效果評價指標第31頁,共78頁，2024年2月25日，星期天

（1）有機碳的焚燒產(chǎn)物是二氧化碳氣體。（2）有機物中氫的焚燒產(chǎn)物是水；若有氟或氯存在，也可能有它們的氫化物生成。（3）固體廢物中的有機硫和有機磷，在焚燒過程中生成二氧化硫或三氧化硫以及五氧化二磷。（4）有機氮化物的焚燒產(chǎn)物主要是氣態(tài)的氮，也有少量的氮氧化物生成。（5）有機氟化物的焚燒產(chǎn)物是氟化氫。（6）有機氯化物的焚燒產(chǎn)物是氯化氫。（7）有機溴化物和碘化物焚燒后生成溴化氫及少量溴氣以及元素碘。（8）根據(jù)焚燒元素的種類和焚燒溫度，金屬在焚燒以后可生成鹵化物、硫酸鹽、磷酸鹽、碳酸鹽、氫氧化物和氧化物等。固體廢物焚燒產(chǎn)物第32頁,共78頁，2024年2月25日，星期天第33頁,共78頁，2024年2月25日，星期天二噁英二噁英實際上是一個簡稱，它指的并不是一種單一物質(zhì)，而是結(jié)構(gòu)和性質(zhì)都很相似的包含眾多同類物或異構(gòu)體的兩大類有機化合物，全稱分別叫多氯二苯并-對-二噁英（簡稱PCDDs）和多氯二苯并呋喃（簡稱PCDFs），我國的環(huán)境標準中把它們統(tǒng)稱為二噁英類。多氯二苯并-對-二噁英（PCDDs）由2個氧原子聯(lián)結(jié)2個被氯原子取代的苯環(huán)；為多氯二苯并呋喃（PCDFs）由1個氧原子聯(lián)結(jié)2個被氯原子取代的苯環(huán)。每個苯環(huán)上都可以取代1~4個氯原子，從而形成眾多的異構(gòu)體，其中PCDDs有75種異構(gòu)體，PCDFs有135種異構(gòu)體。所以，二噁英包括210種化合物。二噁英化學性質(zhì)非常穩(wěn)定，熔點較高，極難溶于水，可以溶于大部分有機溶劑，是無色無味的脂溶性物質(zhì)，所以非常容易在生物體內(nèi)積累。自然界的微生物和水解作用對二噁英的分子結(jié)構(gòu)影響較小，因此，環(huán)境中的二惡英很難自然降解消除。二噁英在705℃以下時是相當穩(wěn)定的，高于此溫度即開始分解。

第34頁,共78頁，2024年2月25日，星期天第35頁,共78頁，2024年2月25日，星期天溫度（oC）溫度（oF）剩余量燃燒產(chǎn)物——有機物快速分解動力學第36頁,共78頁，2024年2月25日，星期天

二噁英的危害

二惡英的最大危害是具有不可逆的“三致”毒性，即致畸、致癌、致突變。根據(jù)病例報告和動物實驗的最新報告結(jié)果，一生持續(xù)攝入1pg/kg的2,3,7,8-TCDD，其致癌概率可達1/1000~1/100。二惡英類物質(zhì)是目前已經(jīng)認識的環(huán)境激素或內(nèi)分泌干擾物質(zhì)中毒性最大的一種。二惡英又是一類持久性有機污染物(POPs)，在環(huán)境中持久存在并不斷富集。一旦攝入生物體就很難分解或排出，會隨食物鏈不斷傳遞和積累放大。人類處于食物鏈的頂端，是此類污染的最后集結(jié)地。二惡英對人的影響可謂“一棰定音”。一般的污染物質(zhì)要達到一定的劑量才會產(chǎn)生明顯的有害作用(即作用閾值)，而至今還沒有研究出二惡英的作用閾值，只要“超微量”的劑量，就可能產(chǎn)生危害，對于嬰幼兒的損害更明顯和無可挽回。二惡英危害的另一個特點是它的長期性和隱匿性，在表現(xiàn)出明顯的癥狀之前有一個漫長的潛伏過程，它影響的可能是人類的子孫后代。因此，有科學家甚至擔心，人類的進化是否將會被這類物質(zhì)終止。第37頁,共78頁，2024年2月25日，星期天垃圾焚燒產(chǎn)生的二噁英污染據(jù)估算，我國因垃圾焚燒而排入空氣的二惡英類約為72gTEQ/a，遠遠低于美日kg級的排放水平。當然，垃圾焚燒處理在我國方興未艾，發(fā)展勢頭迅猛，應(yīng)該引起足夠的重視，將可能帶來的二次污染控制在克接受的水平。2001年國家環(huán)保總局組織開展了全國47個重點城市的生活垃圾處理處置設(shè)施污染物排放狀況的抽樣調(diào)查，所抽取的垃圾焚燒廠煙氣二惡英超標率為57.1％，有的落后垃圾焚燒設(shè)施二惡英超標99倍以上。超標的垃圾焚燒爐大都為爐型比較落后的小型焚燒爐。目前我國的垃圾焚燒率非常低，所以由于垃圾焚燒造成的二惡英污染總量在現(xiàn)階段不是很嚴重。第38頁,共78頁，2024年2月25日，星期天第39頁,共78頁，2024年2月25日，星期天日本控制水平的變化第40頁,共78頁，2024年2月25日，星期天垃圾焚燒過程中二噁英的生成途徑

垃圾在焚燒過程中，二噁英的生成機理相當復雜，至今為止國內(nèi)外的研究成果還不足以完全說明問題，已知的生成途徑可能有以下幾方面：①生活垃圾中本身含有微量的二噁英，由于二噁英具有熱穩(wěn)定性，盡管大部分在高溫燃燒時得以分解，但仍會有一部分在燃燒以后釋放出來；②在燃燒過程中由含氯前體物生成二噁英，前體物包括聚氯乙烯、氯代苯、五氯苯酚等，在燃燒中前體物分子通過重排、自由基縮合、脫氯或其他分子反應(yīng)等過程會生成二噁英，這部分二噁英在高溫燃燒條件下大部分也會被分解；③當因燃燒不充分時煙氣中產(chǎn)生過多的未燃燼物質(zhì)，并遇適量的觸媒物質(zhì)(主要為重金屬，特別是銅等)及300—500℃的溫度環(huán)境；那么在高高溫燃燒中已經(jīng)分解的二噁英將會重新生成。研究表明，產(chǎn)生二噁英的污染源多種多樣，只要有“氯”元素和有機物存在，燃燒過程中就會產(chǎn)生此類物質(zhì)。城市生活垃圾中含有氯源、有機質(zhì)及重金屬是很普通的，因此在垃圾焚燒爐排氣中常含PCDD及PCDF（不僅僅是排氣）。第41頁,共78頁，2024年2月25日，星期天WasteOrganicsChlorine,chlorides,non-combustiblesOrganicprecursorsHCl,chloridesMetals,non-combustiblesPyrolysisOxidationOxidationInertsSurface-catalysedreactionsonflyashbetweenorganicprecursorsandchlorine/chlorideAdsorbeddioxins/furans850–1200oC200–400oC

200oC垃圾焚燒過程二噁英形成過程示意第42頁,共78頁，2024年2月25日，星期天第43頁,共78頁，2024年2月25日，星期天第44頁,共78頁，2024年2月25日，星期天第45頁,共78頁，2024年2月25日，星期天第46頁,共78頁，2024年2月25日，星期天第47頁,共78頁，2024年2月25日，星期天第48頁,共78頁，2024年2月25日，星期天第49頁,共78頁，2024年2月25日，星期天燃燒狀況不佳：混合，溫度，熄火，中間產(chǎn)物結(jié)碳條件高ＣＯ和總碳氫化合物燃燒過程高顆粒濃度與燃燒不佳（高含碳）除塵在危險溫度下運行（１５０－４５０℃）存在有利于二惡英催化形成的含金屬顆粒垃圾與燃料中含有復雜的有機污染物存在有足夠的氯對二噁英形成有利的因素第50頁,共78頁，2024年2月25日，星期天二噁英控制的技術(shù)途徑第51頁,共78頁，2024年2月25日，星期天垃圾焚燒爐垃圾焚燒技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了將近130年的發(fā)展過程，垃圾焚燒技術(shù)和設(shè)備已經(jīng)日臻完善，并得到了廣泛的應(yīng)用。目前通用的垃圾焚燒系統(tǒng)主要有以下幾類：

（1）垃圾層燃焚燒爐（機械爐排爐）系統(tǒng)，如采用滾動爐排、水平往復推飼爐排和傾斜往復爐排(包括順推和逆推傾斜往復爐排)等。層燃焚燒方式的主要特點是垃圾無需嚴格的預處理。滾動爐排和往復爐排的撥火作用強，比較適用于低熱值、高灰分的城市垃圾的焚燒；

（2）流化床式焚燒爐系統(tǒng)，其特點是垃圾的懸浮燃燒，空氣與垃圾充分接觸，燃燒效果好。但是流化床燃燒需要顆粒大小較均勻的燃料，對垃圾的預處理要求嚴格，由此限制了其在工業(yè)廢棄物和城市垃圾焚燒領(lǐng)域的發(fā)展；

（3）回轉(zhuǎn)窯式焚燒爐系統(tǒng)，其特點是將垃圾投入連續(xù)、緩慢轉(zhuǎn)動的筒體內(nèi)焚燒直到燃燼，故能夠?qū)崿F(xiàn)垃圾與空氣的良好接觸和均勻充分的燃燒。西方國家多將該類焚燒爐用于有毒、有害工業(yè)垃圾的處理。第52頁,共78頁，2024年2月25日，星期天垃圾焚燒爐系統(tǒng)垃圾焚燒爐是垃圾焚燒發(fā)電的主要設(shè)備。垃圾焚燒爐主要有爐排爐、循環(huán)流化床爐、旋轉(zhuǎn)窯爐、模組式固定床焚燒爐等。垃圾焚燒爐的技術(shù)性能指標見下表。垃圾焚燒爐的技術(shù)性能指標第53頁,共78頁，2024年2月25日，星期天各式焚燒爐的優(yōu)缺點第54頁,共78頁，2024年2月25日，星期天機械爐排爐系統(tǒng)第55頁,共78頁，2024年2月25日，星期天第56頁,共78頁，2024年2月25日，星期天第57頁,共78頁，2024年2月25日，星期天第58頁,共78頁，2024年2月25日，星期天MovablegraterowFixedgraterowHydrauliccylinderRollerMovablegrategirderFeederDryinggrateCombustiongrateBurn-outgrateDesignofthegratefurnace第59頁,共78頁，2024年2月25日，星期天第60頁,共78頁，2024年2月25日，星期天不同燃燒室爐型的特點第61頁,共78頁，2024年2月25日，星期天不同爐排形式第62頁,共78頁，2024年2月25日，星期天回旋流式流化床垃圾焚燒系統(tǒng)

第63頁,共78頁，2024年2月25日，星期天流化床焚燒爐燃燒室第64頁,共78頁，2024年2月25日，星期天RotaryKiln1,100～1,300℃1,200℃SecondCombustion1,000℃SecondCombustionChamberSolidWasteSlushWasteLiquidSlagSludge回轉(zhuǎn)式（RotaryKiln）垃圾焚燒爐原理圖第65頁,共78頁，2024年2月25日，星期天回轉(zhuǎn)式垃圾焚燒爐第66頁,共78頁，2024年2月25日，星期天模組式焚燒爐的基本結(jié)構(gòu)第67頁,共78頁，2024年2月25日，星期天焚燒煙氣污染控制技術(shù)