固体废物处理与处置第六章固体废物的热处理

第六章 固体废物的热处理,Chapter 6 Thermal Treatment of Solid Waste,主编 宁平,固体废物的热处理,固体废物热处理就是在高温条件下使固体废物中可回收利用的物质转化为能源的过程，主要包括热解、焚烧等技术，特别适合有机固体废物的资源化。,第一节 焚烧处理,固体废物焚烧处理就是将固体废物进行高温分解和深度氧化的处理过程。 早期的焚烧炉如弗莱斯焚烧炉、安德森焚烧炉设备简陋，没有烟气净化处理设施，间歇操作，采用人工加料和人工排渣，焚烧效率低，残渣量大，污染严重。 现代化的焚烧炉拥有较高效率的烟气净化装置，废物中的有害有毒物质在8501100的高温下深度氧化，燃烧产生的余热用于供热或发电，产生的废渣作建材使用，可同时实现废物的无害化、减量化、资源化。,一、燃烧与焚烧 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称为燃烧。 生活垃圾和危险废物的燃烧，称为焚烧。 根据可燃物质种类和性质的不同，燃烧过程有蒸发燃烧、分解燃烧和表面燃烧三种机理。,蒸发燃烧,蒸发燃烧是指垃圾受热熔化成液体，近而转化成蒸气，与空气扩散混合而燃烧。 如蜡的燃烧。,表面燃烧指固体废物不含挥发组分，燃烧只在固体表面进行，而且在燃烧过程中不发生融化、蒸发和分解等过程。 如木炭、焦炭的燃烧属于此类。,表面燃烧,分解燃烧,可燃物质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就是分解燃烧，如木材和纸的燃烧。 垃圾受热后首先分解，轻的碳氢化合物挥发，留下固定碳及惰性物。挥发分与空气扩散混合而燃烧，固定碳的表面与空气接触进行表面燃烧。 生活垃圾中含有多种有机成分，其燃烧过程是蒸发燃烧、分解燃烧和表面燃烧的综合过程。,一般，可燃废物可用CxHyOzNuSvClw表示，其完全燃烧的氧化反应可表示为： 实际燃烧过程中，通过加入足够的氧气、保持适当温度和反应停留时间，控制燃烧反应使之接近理论燃烧，不致产生有毒气体。,二、焚烧原理,通常可将焚烧过程划分为干燥、热分解和燃烧三个阶段。 干燥是利用焚烧系统热能，使入炉固体废物水分汽化、蒸发的过程。 热分解时固体废物中的有机可燃物质在高温作用下进行化学分解和聚合反应的过程。 燃烧是可燃物质快速分解和高温氧化过程。 焚烧过程实际上是干燥脱水、热化学分解、氧化还原反应的综合作用过程。,三、焚烧技术,1、层状燃烧技术 垃圾在炉排上着火燃烧，热量来自上方的辐射、烟气的对流以及垃圾层内部。 连续的翻动和搅动，明显改善了物料的透气性，促进了垃圾的着火和燃烧。 合理的炉型设计和配风设计，能有效地利用火焰下空气、火焰上空气的机械作用和高温烟气的热辐射，确保炉排上垃圾的预热、干燥、燃烧和燃烬过程。,炉排型焚烧炉,将废物置于炉排上进行焚烧的炉子，有固定炉排和活动炉排两种焚烧炉 固定炉排：只能手工操作、间歇运行，劳动条件差、效率低，拨料不充分时焚烧不彻底。只适用于焚烧少量的易燃性废物。 实际应用较多的是活动式炉排焚烧炉，即机械炉排焚烧炉。,活动式炉排有： （1）并列摇动式 一系列扇形炉排有规律地横排在炉体中。炉排上下运动，使物料向前运动，对固体废物适应性强，可用以含水量较高的垃圾和以表面与分解燃烧形态为主的固体废物燃烧。 （2）逆动式 炉排长度固定、宽度可依炉床所需面积进行调整，可由数个炉床横向组合而成。固定炉条和可动炉条交错配置，可动炉条逆向移动，废物因重力而滑落。大型垃圾焚烧。,（3）台阶式 为倾斜床面，其中固定和可动炉排纵向交错配置，有阶段落差。,（4）履带式 炉排由连续不断地运动着的履带组成。较少使用。,（5）滚筒式 炉排为57个圆筒形滚轮，成倾斜排列，相邻圆桶间旋转方向相反，有独立的一次空气导管，由圆桶底部经滚筒表面的送气孔到达废物层。,利用空气流和烟气流的快速运动，使媒介料和固体废物在燃烧过程中处于流态化状态，并在流态化状态下进行固体废物的干燥、燃烧和燃烬。 焚烧温度多保持在400 980。,2、流化燃烧技术,流化床焚烧炉,流化床焚烧炉,优点：颗粒的剧烈运动使得颗粒和气体间传热、传质速度快；采用热载体（石英砂），受热均匀、加速传热和燃烧；结构简单，造价较低。 缺点：需破碎后才能燃烧，动力消耗大。,流化床型焚烧炉是利用炉底分布板吹出热风将废物悬浮呈沸腾状进行燃烧，并用石英砂作载体，加速传热和燃烧。 适用于粉状或泥状废物焚烧处理。,它是一个略微倾斜而内衬耐火砖的钢制空心圆筒，窑体通常很长，通过炉体整体转动达到固体废物均匀混合并沿倾斜角度向出料端移动。,3、旋转燃烧技术旋转窑焚烧炉,温度分布大致为： 干燥区200400， 燃烧区 700900 ， 高温熔融烧结区 11001300 ,旋转窑焚烧炉,炉身为一卧式可旋转圆柱体（外层为金属内层耐火砖砌筑而成）。 转速一般为0.5-3r/min 物料加热是由燃烧过程中产生的气体以及窑壁传输的热量所提供。,进气进料方式,根据燃烧气体和固体废物前进方向是否一致，旋转窑焚烧炉分为顺流和逆流两种。后者常用于处理高水分固废。 目前绝大多数的旋转窑焚烧炉为同向，主要的原因为同向式炉型设计不仅适于固体废物的输入及前置处理，同时可以增加气体的停留时间。 逆向式旋转窑较适用于湿度大、可燃性低的污泥。,旋转窑焚烧炉,优点：采用旋转式，搅拌及燃烧效果佳；操作弹性大，可焚烧不同性质废物；干燥兼焚烧、运转费低；结构简单、自动出灰，可连续操作。 缺点：热效率低，处理低热值固废时需加辅助燃料。,四、焚烧的主要影响因素,1、固体废物的性质 粗(高位)热值（HHV） : 化合物在一定温度下反应到达最终产物的焓的变化。 净(低位)热值（NHV ）: 意义与粗热值相同。不过粗热值产物水为气态。净热值产物水为液态。二者之差就是水的汽化潜热。 当生活垃圾的低位发热值3350kJ/kg时，焚烧过程通常需要添加入住燃料，如掺煤或喷油助燃。 一般城市生活垃圾的含水率50%，低位发热值多在33508374kJ/kg。,2、焚烧温度,一般要求生活垃圾焚烧温度在850950，医疗垃圾、危险固体废物的焚烧温度要达到1150 。,3、停留时间,进行生活垃圾焚烧处理时，通常要求垃圾停留时间能达到1.5 2h 以上，烟气停留时间能达到2s以上。,4、供氧量和物料混合程度,焚烧过程的氧气是由空气提供的。空气不仅能够起到助燃的作用，同时也起到冷却炉排、搅动炉气以及控制焚烧炉气氛的作用。 焚烧废液、废气时，m=1.21.3；焚烧固体废物时，m=1.5 1.9，有时在2以上，才能较完全燃烧。,烟气停留时间、温度、湍流度和空气过剩系数，统称为“3T+1E”。 它既是影响固体废物焚烧效果的主要因素，也是反映焚烧炉工况的重要技术指标。,五、焚烧工艺,现代化焚烧工艺主要由前处理系统、进料系统、焚烧炉系统、空气系统、烟气系统、灰渣系统、余热利用系统及自动化控制系统组成。 前处理系统主要指固体废物的接受、贮存、分选或破碎； 进料系统的主要作用是向焚烧炉定量给料； 焚烧炉系统是整个工艺的核心系统。 其他工艺系统 是指固体废物焚烧系统还包括的灰渣系统、废水处理系统、余热系统、发电系统、自动化系统等。,城市垃圾焚烧厂处理工艺流程图 1-倾卸平台 2-垃圾贮坑 3-抓斗 4-操作室 5-进料口 6-炉排干燥段 7-炉排燃烧段 8-炉排后燃烧段 9-焚烧炉 10-灰渣 11-出灰输送带 12-灰渣贮坑 13-出灰抓斗 14-废气冷却室 15-热交换器 16-空气预热器 17-酸性气体去除设备 18-滤袋集尘器 19-引风机 20-烟囱 21-飞灰输送带 22-抽风机 23-废水处理设备,贮存及进料系统,焚烧系统,废热回收系统,发电系统,饲水处理系统,废气处理系统,废水处理系统,灰渣收集及处理系统,空气系统,助燃空气可分为一次助燃空气和二次助燃空气。 一次助燃空气是指由炉排下送入焚烧炉的助燃空气，即火焰下空气；一次助燃空气约占助燃空气的6080%，主要起助燃、冷却炉排、搅拌炉料的作用。 一次助燃空气分别从干燥段、燃烧段和燃尽段送入炉内，气量大致约为15%、75%和10%。,二次助燃空气主要是为了助燃和空气气量的湍流程度。二次助燃空气一般约为助燃空气总量的2040%。 焚烧过程中通常要求预热空气的温度为200280 。,焚烧烟气,主要的污染物质 （1）不完全燃烧产物(PIC)，碳氢化合物燃烧不良产生的副产品，包括CO、炭黑、烃、有机酸及聚合物等； （2）粉尘，废物中的惰性金属盐类、金属氧化物或不完全燃烧物质等； （3）酸性气体，包括氯化氢及其他卤化氢、SOx、NOx、H3PO4等； （4）重金属污染物，包括铅、汞、铬等的元素态、氧化态和氯化物等； （5）有机污染物，主要为二噁英（TCDDs和PCDFs等）,焚烧烟气处理技术,氯化物、硫氧化物、氟化氢的去除工艺可分为干法、半干法和湿法工艺三类； （1）干法工艺 是将石灰粉喷入烟气净化反应器，使之与氯化物、硫氧化物、氟化物等酸性气体接触反应生成固态物质； （2）半干法 是将限量的一定浓度的石灰浆喷入烟气净化反应器，使之与酸性气体接触反应而去除； （3）湿法工艺 是将过量的石灰浆喷入烟气净化反应器，净化烟气中的酸性气体。 （4）半干法烟气净化工艺具有对酸性气体去除率高、系统简单、设备成熟、废水零排放等特点，在生活垃圾焚烧处理中得到广泛应用。,二噁英类物质是已知的毒性最大的物质之一。二噁英类物质主要有两类，第一类是氯苯并二噁英（TCDDs）；第二类是二苯并呋喃类物质（PCDFs）。,二噁英的来源可能三种，第一种是生活垃圾中可能含有微量二噁英类物质或其前驱体物质；第二种是在垃圾焚烧过程中，一些二噁英类物质的前驱体物质等可能会反应生成二噁英类物质，在焚烧不完全时进入烟气；第三种可能的途径是炉外生成二噁英类物质；,通过控制二噁英类物质可采用以下三个措施：一是严格控制焚烧炉燃烧室温度和固体温度、烟气的停留时间，确保固体废物及烟气中的有机气体，包括二噁英类物质的前驱体的有效焚毁率；二是减少烟气在200500温度段的停留时间；三是对烟气进行有效的净化处理。,焚烧灰渣,一般，灰渣的主要成分是金属或非金属的氧化物，俗称矿物质，其组成约为SiO2 3540% 、Al2O31020%、Fe2O3510%、CaO1020%、MgO、Na2O、K2O各15%及少量的Zn、Cu、Pb、Cr等金属及盐类。 减量化效果用减量比指标来衡量，并用MRC(热灼减量比）表示： 残渣中不可燃物质量= 残渣烧失量焚烧残渣质量,残渣（600 25） 3h灼烧后减少的质量占原焚烧残渣质量的百分数。,六、热平衡和烟气分析,（一）固体废物热值 固体废物的热值是指单位质量的固体废物完全燃烧所释放出来的热量，一般以kJ/kg计。下表列出了我国几种废物的热值。 根据经验，城市垃圾的热值大于3350kJ/kg时，燃烧过程无需加辅助燃料，易于实现自燃烧。,通过氧弹测热仪测量计算 将高位热值转变成低位热值可以通过下式计算： 式中: HHV为高位热值（粗热值），是指化合物在一定温度下反应到达最终产物的焓的变化，水为气态，kJ/kg； LHV为低位热值（净热值），水为液态，kJ/kg； H2O为焚烧产物中水的质量分数，； H、Cl、F分别为废物中氢、氯、氟含量的质量分数，。,通过元素组成作近似计算 若废物的元素组成已知，则可利用Dulong方程式近似计算出热值： 式中wC、wH、wS、wO分别为可燃物质中元素碳、氢、硫、氧的质量分数； xC、xO、xH、xCl、xS分别代表可燃物质中碳、氧、氢、氯和硫的摩尔分数。,通过比例求和法计算。如果混合固体废物总重已知，废物中各组成物的重量和热值已测定，则混合固体废物的热值可用下式计算： 固体废物总热值,例1 表1是我国武汉市城市垃圾的组分，假设各组分的热值与城市垃圾的典型组分的热值相同，可据此计算出武汉市垃圾的热值：,已知各组分热值分别为厨房废渣、果皮4650kJ/kg；木屑杂草6510kJ/kg；纸张16750kJ/kg；皮革、塑料、橡胶32570kJ/kg。,表1 武汉市居民生活垃圾组分（重量百分率）,解：以100kg为基准，分别计算各组分的重量 m厨房废渣及果皮100kg29.5329.53kg m木屑杂草 2kg， m纸张 1.35kg， m塑料皮革等 1.39kg。,计算各组分产生的能量 E厨房废渣4650kJ/kg29.35kg137314kJ E木屑杂草6510kJ/kg2kg13020kJ E纸张16750kJ/kg1.35kg22613kJ E塑料皮革等32570kJ/kg1.39kg45272kJ,E总 E厨房废渣 E木屑杂草 E纸张 E塑料皮革等 218219kJ（100kg） 则1kg垃圾的热值为 E总/ 100kg 2182.19kJ/kg 因为武汉市垃圾的热值仅为2182.19kJ/kg 3350kJ/kg， 所以不能维持燃烧。,实际上，焚烧过程是在焚烧装置中进行的。由于空气的对流辐射，可燃部分的未完全燃烧，残渣中的显热，以及烟气的显热等原因都会造成热能的损失。因此，焚烧后可以利用的热值可以从焚烧反应产生的总热量中减去各种热损失。 计算公式为： 焚烧后实际可利用的热量焚烧获得的总热量各种热损失,例2 某固体废物含可燃物60、水分20、惰性物20。固体废物的元素组成为碳28、氢4、氧23、氮4、硫1、水分20、灰分20。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，离开炉栅残渣的温度为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为计算基准。 1.残渣中未燃烧的碳含热量 未燃烧碳的量 惰性物的重量1kg200.2kg 根据物料平衡： 总残渣量0.2kg/（10.05）0.2105kg 未燃烧碳的量0.2105-0.20.0105kg 未燃烧碳的热损失 Q132564kJ/kg0.0105kg340kJ,2.计算水的汽化潜热 计算生成水的总重量 总水量固体废物原含水量+组分中氢与氧结合生成水的量 固体废物原含水量1kg20%0.2kg 组分中氢与氧结合生成水的量1kg4%9 0.36kg 总水量(0.2+0.36)kg0.56kg 水的汽化潜热Q22420kJ/kg0.56kg1360 kJ,3.辐射热损失为进入焚烧炉总能量的0.5 辐射热损失Q311630 kJ0.00558kJ 4.残渣带出的显热Q40.2105kg0.323kJ/(kg) (650-65) 39.8kJ 5.可利用的热值固体废物总含有的能量各种热损失之和总热量（Q1Q2Q3Q4） 11630（34013605839.8） 9882.2kJ,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称为理论燃烧温度或绝热燃烧温度。,实际燃烧温度,近似 计算,EA = m过空/m理空,（二）燃烧温度,焚烧炉火焰温度,:完成燃烧反应的最少空气量,实际空气量,烟气量,（三）空气和烟气量计算,热解 原理,热解定义及特点、热解过程及产物、有机固体废物热解机理,热解 工艺,热解工艺分类,典型固体废物的热解,城市生活垃圾的热解、废塑料的热解、污泥的热解、废橡胶的高温热解、农林废弃物的热解,2,固体废物热解处理,热 解 与 焚烧 比较,需氧 放热 二氧化碳、水 就地利用 二次污染大,无氧或缺氧 吸热 气、油、炭黑 贮存或远距离运输 二次污染较小,热裂解,焚烧,氧需求,能量,产物,利用,污染,生物质、塑料类、橡胶等,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。,热 解 的 特 点,热解过程及产物,有机固体废物 气体（H2 、CH4 、CO、CO2 ） + 有机液体（有机酸、芳烃、焦油）+ 固体(炭黑、灰),3(C6H10O5) 8H2O+C6H8O（可燃油）+2CO+2CO2+CH4+H2+7C,大分子键断裂、异构化和小分子聚合 废物组成、裂解温度、催化剂等,Eg. 纤维素分子裂解,玉米秆在不同升温速率下的TG，DTG曲线,热解的基本过程,热 解 动 力 学,不同可燃固体废物热解动力学参数,热 解 工 艺 分类,热 解 设备,内热式设备,外热式设备,密闭的容器中，在绝氧的条件下，热量由反应器的外面通过器壁进行传递，垃圾被间接加热而分解的过程就是外热式分解。设备有外热式回转窑、竖井炉、二塔流化床,也称部分燃烧热分解方式。反应器中的可燃性垃圾或热分解中分解生成的碳的部分燃烧，利用此燃烧热式垃圾发生分解。设备有单塔流化炉、竖井炉、气流热分解炉及回转窑等。,热解影 响因素,热分解温度,固体废物的含水率,热分解速度,空气量,城市生活垃圾的热解,新日铁方式垃圾热解熔融处理工艺流程,热解和熔融为一体的复合处理工艺，垃圾在同一炉内完成干燥 （300oC）、热解（300-1000oC） 、燃烧和熔融（1800oC）。重 金属固化在玻璃体内。热解气热值8000kJ/m3。,Purox系统工艺流程示意图,纯氧高温热分解法，由Union Carbide开发，用于城市垃圾的热解。 热解气含75%的CO和H2，热值12000kJ/m3，由底部排出的熔 融渣经水冷后形成坚硬的颗粒物。系统能耗主要为破碎和氧气制 造。系统总体热效率为58%。,1收料库 2破碎机 3储料仓 4回转窑 5冷却装置 6磁体 7循环水 8气体净化装置 9热交换器 10气体洗涤器 11风机 12排气管 Landgard热分解系统原理图,Monsanto公司开发，破碎的废物用回转窑进行热解，窑内气体与 固体的运动方向相反。每公斤垃圾产可燃气1.5m3，热值5000 kJ/m3。,Occidental系统工艺流程示意图,由美国的Occidental Research Corporation开发，分为预处理和热解 两大处理系统，热解设备为不锈钢筒式反应器，废料由空气输送 至炉内，与760oC的炭黑混合燃烧提供热源。主要产物为热解油， 热值24000kJ/kg。,1垃圾 2贮槽 3热分解塔 4、10旋风分离器 5燃烧塔 6废气洗涤 7鼓风机 8生成气 9换热器 11电除尘器 12冷却塔 13气柜 14烟囱 15烧嘴 16废水处理机组 17油装置 18脱水装置 19加料器 20砂仓 21蒸汽发生器 月岛机械双塔循环式热解装置工艺流程图,日本工业技术院研制，石英砂和热解气、助燃空气形成流化加热， 500oC热解。,1前破碎机 2气力分选 3干燥器 4筛选 5细破碎 6热分解反应器 7无机物处理系统,Garret 热分解系统工艺流程图,由美国Garret研究和开发公司开发，经破碎、风选、干燥脱水、 筛分磁选、浮选可回收70%的玻璃和金属，轻组分破碎后由气流 送入管式热解炉，由外加热至500oC热解，产物油热值31000kJ/L， 气热值18000kJ/m3。,3）城市垃圾热解方式的经济技术评价 美国哥伦比亚大学技术中心，对从城市垃圾回收能量的不同方法进行了比较和评价，主要从对环境的影响、运转的可靠性和经济可行性几个方面进行了比较。从经济比较的结果来看，以Purox法处理费用最低，而Garret法处理费用最高。尽管从产生的液态燃料易于贮存和运输这点来看，Garret法有其优点，但由于此法生产的焦油粘性大、辐射性强，在贮藏时易聚合，不能混掺于油中，而且回收的气体热值低，使用受到限制。比较而言，在这些方法中，以Purox方法最好，对环境影响小、运转简单、产品适应面广、净处理费用也不高，与纽约市填埋处理垃圾的费用大致相当。,城市垃圾回收能量方法的评价比较 （1000t/d）,废塑料的热解,产物是燃料油或化工原料,在500oC可以得到较高产率的液态烃和苯乙烯单体，低于该 温度会发生热解不完全或过度热解而导致产率降低。为了 得到更多的目的产物，一般需要加催化剂，如硅铝类化合物 和各种分子筛。,废塑料的热解设备,槽式(聚合浴、分解槽) 管式（管式蒸馏、螺旋式） 流化床,在槽内的分解过程中进行混合搅拌，物料混合均匀，采用外部加热，靠温度来控制成油形状。该法物料的停留时间较长，加热管表面析出炭后会造成传热不良，须定期清理排出。,管式蒸馏先用重油溶解或分解废塑料，然后再进入分解炉；螺旋式反应器则采用螺旋搅拌，传热均匀，分解速度快，但对分解速度较慢的聚合物不能完全实现轻质化。,采用部分塑料燃烧的内部加热方式，具有原料不须熔融、热效率高、分解速度快等优点。,废塑料的热解,管式蒸馏法热分解技术,螺旋式热分解系统,流化床热分解系统,比较简单地把废PS制成液状单体，而且用于回收单体的分解设备、反应温度和停留时间均可随意控制。,由于抽料泵会造成减压，物料在分解管内停留时间不稳定； 高温分解时气化率高； 分解速度慢的聚合物不能完全实现轻质化； 由于是外部加热，所以耗能比较大。,热解原料的分散不够均匀，颗粒与气体的热交换效率低，管线容易结焦等。,1溶解槽 2管式分解炉 3分离槽 4油品回收系统 5补燃器 图 管式蒸馏法热分解工艺流程图,1 传送机 2破碎机 3筒仓 4气流干燥机 5料斗 6袋滤机 7熔融炉 8热风炉 9微波电源 10贮液槽 11螺旋式反应器 12残渣排出机 13蒸馏塔 14煤气洗涤器 15燃烧炉 16重油贮槽 17轻重油贮槽 18盐酸回收塔 19盐酸槽 20中和槽 21碱槽 22中和废液贮槽 图 螺旋式热分解系统工艺流程图,（a） 流化床热分解炉 （b） 系统工艺流程 1砂加料口 2 ,9螺旋加料器 3摆线减速器 4起重机 5给料槽 6平板送料器 7传送带 8传送带称 10密封罐 11流化床热分解炉 12垫片 13蒸馏塔 14冷却塔 15烟雾分离器 16排气筒 17脱膜筒 18水洗槽 19油水分离槽 20送风机 21尾气燃烧炉 22焦炭滚筒 23盐酸回收塔 24贮罐 25排风机 26清洗塔 27中和槽 28油罐 29压缩机 图 流化床热分解系统工艺流程图,污泥的热解 特点：与焚烧相比，优点有操作系统封闭，减容率高，无污染气体排放，几乎所有的重金属颗粒都残留在固体剩余物中，能实现能量的自给和资源的回收。 产物：可燃性气体，液态燃料油焦油，炭黑残渣。,污泥的热解,污泥脱水 干燥 热解 炭灰分离 油气冷凝 热量回收 二次污染防治 二次燃烧,1 定量进料器 2蒸汽干燥器 31号水洗塔 4热解炉 5热风炉 6燃烧室 7余热锅炉 82号水洗塔 9吸水塔 10湿式电除尘器 11碱循环槽 12灰槽 13烟囱 图 污泥干燥-热解系统示意图,污泥热解主要工序：脱水、干燥、热解、炭灰分离、油气冷凝、 热量回收、二次污染防治等。,图 污泥低温热解工艺流程,在小于500oC、常压和缺氧条件下，用污泥中所含硅酸铝和重金属 做催化剂，将污泥中的脂类和蛋白质转变为燃料油、气和炭。,废橡胶的热解,轮胎破碎 分（磁）选 干燥预热 橡胶热解 油气冷凝 热量回收 废气净化,废橡胶的热解产物 废橡胶（如废轮胎）的热解产物非常复杂，根据德国汉堡大学的研究，轮胎热解得到的产物中，（按质量计）气体占22%、液体占27%、炭灰占39%、钢丝占12%。 气体组成中主要为甲烷（15.13%）、乙烷（2.95%）、乙烯（3.99%）、丙烯（2.5%）、一氧化碳（3.8%），水、CO2、氢气和丁二烯也占一定比例。液体组成中主要是苯（4.75%）、甲苯（3.62%）和其他芳香族化合物（8.5%）。在气体和液体中还有微量的硫化氢和噻吩，但硫含量都低于标准。,废橡胶的热解,图 橡胶热解产品组成与温度关系,农林废弃物的热解,农林废弃物生产草煤气 在烟气供应不足的情况下，在较低温度下燃烧农林废弃物，可生成以一氧化碳和氢气为主要成分的可燃气体，俗称草煤气。 当空气从炉栅进入炉内后，首先与有机废物燃烧生成CO2，CO2随气流进入还原层被还原成CO，所含的水分也被还原成H2和CO。在干馏层，有机废物被热气体干馏，分解为CH4，C2H4等挥发性气体，与H2和CO一道进入干燥层，最终形成由CO、H2、CH4、 C2H4 与水蒸气、氮气组成的混合气体，其热值一般为62817118kJ/m3。,农林废弃物的热解,图 草煤气发生炉工作原理示意图,农林废弃物的热解,气化炉主要有固定床（上吸式、下吸式、层式下吸式等）气化炉及循环流化床气化炉等。,（a） （b） （c） （a）上吸式气化炉（b）下吸式气化炉（c）层式下吸式气化炉,农林废弃物的热解,图 循环流化床系统 1、8L阀 2下料直管 3原料缓冲罐 4旋风分离器 5炭受槽 6循环管 7气化炉 P测压点 T测温点,农林废弃物热解生产化工原料 在隔绝空气的条件下，经农林废物加热至270-400，可分解形成固体的草炭、液态的糠醛、乙酸、焦油、气态的草煤气等多种燃料与化工原料。 热解系统主要设备由热解炉、冷却器和分离器三部分组成。,农林废弃物的热解,a热解釜 b热解炉 c吊钩 d冷凝器 e分离器 f净化器 g分液罐 h污泥罐 I油槽 图 竖置式热解炉,3,其它热处理,固体废物的焙烧 方法,各种焙烧的适用对象？,各种焙烧方法的原理 ？,焙烧是在低于熔点的温度下进行热处理固体废物的过程，其目的 是改变废物的化学物理性质，以便于后续的资源化利用。焙烧后 的产品称为焙砂。,固体废物的焙烧,烧结焙烧：将粉末或粒状物料在高温下烧成块状或球团状物料，目的为提高致密度和机械强度，以便于下步作业的进行。 烧结成块是主要的目的，有时需要添加石灰石等其他辅助原料。 分解焙烧：物料在高温下发生分解反应的过程，也叫煅烧。通常是为了脱除CO2及结合水，使物料某些成分发生分解。例如，碳酸钙煅烧： CaCO3 CaO + CO2,氧化焙烧主要用于脱硫适用于对硫化物的氧化。例如，硫铁矿的氧化焙烧：7FeS2 + 6O2 Fe7S8 + 6SO2 延长焙烧时间，磁黄铁矿可变为磁铁矿： 3Fe7S8 + 38O2 Fe3O4 +24SO2,固体废物的焙烧,固体废物的焙烧,还原焙烧：在还原气氛中将固体废物中的金属氧化物转变成为低价金属氧化物或金属的过程。 凡是对氧的化学亲和力比对被还原的金属对氧的化学亲和力大的物质均可作为该金属氧化物的还原剂使用。常用的还原剂有固定碳 、气体一氧化碳和氢气。例如Fe3O4的还原焙烧： 3Fe2O3 + C 2Fe3O4 + CO 4Fe3O4 + O2 350C 6-Fe2O3,固体废物的焙烧,氯化焙烧：废物原料与氯化剂混合 ，在一定的温度或气氛下进行焙烧，使废物中的有价金属与氯化物发生化学反应，生成可溶性金属氯化物或挥发性气态金属氯化物的过程。（高中低） 如硫酸渣、高钛渣等废物的预处理。例如用氯化钠处理高钛渣： 首先2NaCl + SiO2 + H2O Na2SiO3 + 2HCl 然后TiO2 + 4HCl TiCl4 + 2H2O,离析焙烧：是氯化焙烧的发展，它是在有还原剂存在时，在高于氯化焙烧温度下进行的，生成的挥发性氯化物再被还原为金属，沉积到还原剂表面的金属再用浮选的方法回收。例如铜的回收： 首先2NaCl + SiO2 + H2O Na2SiO3 + 2HCl 然后2CuO + 2HCl 2/3Cu3Cl3 + 2H2O C + H2O CO + H2 Cu3Cl3 + 3/2H2 + C Cu(C) +3HCl,固体废物的焙烧,硫酸化焙烧 利用空气中的氧气与废物中的硫作用，按温度和气氛的不同生成氧化物和硫酸盐的过程。主要用于处理含硫化矿的尾矿和其他废物，回收其中的有价金属铜、钴、镍等。例如CuS矿的焙烧： CuS + 2O2 CuSO4 加盐焙烧(钠化焙烧) 在废物原料中加入硫酸钠、氯化钠、碳酸钠等添加剂进行焙烧，使有价金属与添加剂反应生成可溶性钠盐，再用水浸出焙砂，使有价金属转入溶液而于其他组分分离的过程。如钒渣的加盐焙烧提钒、含钨尾矿加盐焙烧提钨等。,固体废物的焙烧,加盐焙烧 例如回收V2O5: 尾矿加盐焙烧V2O5 + Na2CO3 Na2OV2O5 + CO2 之后用水浸出：2Na3VO4 + H2O Na4V2O7 + NaOH 焦钒酸钠再用NH4Cl沉淀析出无色结晶的偏钒酸铵： Na4V2O7 + NH4Cl NH4VO3 + 2NH3 + H2O + 4NaCl 偏钒酸铵再焙烧回收V2O5: 2NH4VO3 2NH3 + V2O5 + H2O,固体废物的热分解,固体废物的热分解： 指晶体状的固体废物在较高温度下脱除其中吸附水及结合水或同时脱除其他易挥发物质的过程。是无机固体废弃物资源化的重要途径。 热分解脱水： 在热状态下使废物分子内部的结合水分解排出的过程，排除结合水后的废物资源化利用档次可得到提高。如含高岭石的废物，废石膏的脱水等。,固体废物的热分解,氧化分解： 在高温煅烧时易发生分解，脱除其中某一挥发组分的过程。1）碳酸盐的热分解：如菱镁矿、白云石、石灰石的煅烧 2）硫酸盐的热分解 3）碳素、硫化物及有机物的氧化 4）氧化铁的热分解（氧化气氛和还原气氛）等。 熔融： 将固体废物在熔点条件下转变为液相高温流体的工艺过程。有单一成分的熔融和复合组分的熔融等。 分解熔融： 在高温下转变成新的结晶矿物，同时产生具有补充组分的液相的过程。如 锆英石转变为斜锆石；莫来石转变为刚玉；堇青石转变为莫来石；高龄石转变为硅尖晶石等。,固体废物的烧成,烧成： 在远高于废物热分解温度下进行的高温煅烧，也称重烧。可稳定废物中氧化物或硅酸盐矿物的物理状态，变为稳定的固相材料。 再结晶： 氢氧化物和碳酸盐矿物在较低温度下产生热分解生成的各种氧化物，一般结晶度较差，但活性大。如果将这些氧化物作为活性材料，如催化剂、催化剂载体、吸附材料以及活性填料、涂料等使用，必须充分利用它的活性状态，制止它的进一步结晶。如果将这些氧化物作为耐火材料原料、精细陶瓷材料以及多性填料、涂料等使用，则须在更高温度下进行烧成，使之充分再结晶，提高强度。如氧化镁的转变等。,固体废物的烧成,变体的稳定化： 不少氧化物和硅酸盐化合物存在有两种以上的结晶变体，天然矿物一般是以低温型产出，经过加热后可转变为高温型。如石英的转变。 胚体烧成中的玻化成瓷作用： 针对很多分散状、颗粒状或块状废物，得到活性或惰性材料粉体。 高密度矿物的稳定化： 高压生成的矿物，在常压下加热到一定温度呈现有激烈的异常膨胀，密度下降，同时发生热分解，变为常压下稳定的其他晶相。如蓝晶石转变为莫来石。,习题与思考 1.影响固体废物焚烧处理的主要因素有哪些？这些因素对固体废物焚烧处理有何重要影响？为什么？ 2.在进行生活垃圾焚烧处理过程中，对空气进行预热有何实际意义？预热空气的温度对焚烧处理过程的技术-经济性有什么影响? 3.在垃圾焚烧处理过程中，如何控制二噁英类物质（PCDDs）对大气环境的污染？ 4. 试分析生活垃圾中的硫、氮、氯、废塑料、水分等成分，在垃圾焚烧处理过程中可能发生的物理化学变化，它们对垃圾焚烧效果及烟气治理的有何影响？ 5.目前，固体废物焚烧炉有哪些主要炉型？它们各有何特点？ 6. 有100kg混合垃圾，其物理组成是食品垃圾25kg、废纸40kg、废塑料13kg、破布5kg、废木2kg，其余为土、灰、砖等。求混合垃圾的热值。（食品垃圾热值：4650kJ/kg; 废纸热值：16750kJ/kg; 废塑料热值：32570kJ/kg; 破布热值：17450kJ/kg; 废木材热值：18610kJ/kg; 土、灰、砖热值：6980kJ/kg） 7. 某固体废物含可燃物60%、水分20%、惰性物20%，固体废物的元素组成为碳28%、氢4%、氧23%、氮4%、硫1%、水分20%、灰分20%。假设 （1） 固体废物的热值为11630kJ/kg; (2) 炉栅残渣含碳量5%； （3） 空气进入炉膛的温度为65，离开炉栅残渣的温度为650；（4） 残渣的比热为0.323kJ/(kg); (5) 水的汽化潜热2420kJ/kg; (6) 辐射损失为总炉膛输入热量的0.6%；（7） 碳的热值为32564kJ/kg; 试计算这种废物燃烧后可利用的热值;,固体废物处理与处置 Treatment and Disposal of Solid Waste,1、张益，赵由才主编.生活垃圾焚烧技术.化学工业出版社. 2000年8月 2、汉才主编.燃烧与污染.华中理工大学出版社.1992年7月 3、曹本善编著.垃圾焚化厂兴建与操作务实.中国建筑工业出 版社. 2002年4月 4、George Tchobanoglous, Hilary Theisen, Samuel Vigil Integrated Solid Waste ManagementM . McGraw-Hill ：New York. 2000.03 5、姚向君等.生物质能资源清洁转化利用技术M.北京：化工出版社.2005年 6、陈勇等.固体废弃物能源利用M.广州：华南理工大学出版社.2002年 7、刘均科等.塑料废弃物的回收与利用技术M.北京：石化出