（钢铁冶金专业论文）城市生活垃圾热解和燃烧的综合热分析研究.pdf

鞍山科技大学硕士论文摘要 摘要 通过比较国内外常用的城市生活垃圾处理方法，指出垃圾热解和焚烧技术具 有减量化、无害化、资源化的特点。为了对垃圾焚烧炉的设计和运行提供依据， 需进行垃圾热解和燃烧特性的基础研究，采用综合热分析仪一质谱仪联用技术对7 种典型的城市生活垃圾进行了热解、燃烧及其气体产物特性的实验研究。结果得 出： ( 1 ) 垃圾热解时得到特性参数：开始快速失重温度、失重峰值、慢速失重温 度、不同温度下垃圾热解的失重百分数等。通过f r e m a n - c a r r o l l 法计算了垃圾热解 过程动力学参数，得出了垃圾热解过程h 2 、c i - h 、c s h 8 、h 2 0 、c 2 h 4 、c o 、c 2 h 6 、 c 0 2 、c 4 h 8 等气体的逸出规律。 ( 2 ) 垃圾燃烧过程可以分为两个阶段，即挥发份析出燃烧和固定可燃成分的 燃烧，得出了着火温度、燃尽温度和燃尽时间，计算了垃圾燃烧过程动力学参数。 ( 3 ) 提出一种确定着火温度的方法：利用热分析仪与质谱仪联用，依据温度 曲线上发生小峰形突变与质谱仪检测得到的c 0 2 特征峰曲线上出现对应峰形来判 断着火温度。 关键词：城市生活垃圾，热重分析，热解特性，燃烧特陛，动力学 鞍山科技大学硕士论文 a b s t r a c t i nt h ep a p e r ，b yc o m p a r i n gw i t ht h ed o m e s t i ca n df o r e i g nd i s p o s a lm e t h o d so f m u n i c i p a ls o l i dw a s t e ( m s w ) ，p y r o l y s i sa n dc o m b u s t i o np r o c e s s o so f m s wh a v eb e e n d i s c u s s e dt oh a v et h ec h a r a c t e r i s t i c so fr e d u c t i o n 、h a r t r u e s sa n dr e s o u r c e i no r d e rt o o f f e rp a r a m e t e r st od e s i g na n do p e r a t et h ei n c i n e r a t o r ，i ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h e c h a r a c t e r i s t i c so fp y r o l y s i sa n dc o m b u s t i o no fm s w p y r o l y s i sa n dc o m b u s t i o na n d t h e i rg a s e o u sp r o d u c to fs e v e nk i n d so ft y p i c a lm s wa r ef o u n do u tb yt h ee x p e r i m e n t s o f t h e r m o g r a v i m e t r i ca n a l y z e ra n dm a s ss p e c t r o m e t e r t h er e s u l t ss h o w 嬲f o l l o w s ： ( 1 ) t h ec h a r a c t e r i s t i c a lp a r a m e t e r sa r eg i v e no u td u r i n gm s wp y r o l y z e sa sf o l l o w s ： t h eb e g m i n gt e m p e r a t u r eo fq u i c kw e i g h tl o s s ，p e a kv a l u eo fw e i g h tl o s s ， b e g i n n i n gt e m p e r a t u r eo fs l o ww e i g h tl o s sa n dw e i g h tl o s sr a t eo fp y r o l y s i si n d i f f e r e n tt e m p e r a t u r ee t c t h ek i n e t i cp a r a m e t e r so fp y r o l y s i sa l ec a l c u l a t e dw i t h f r e m a n - c a r r o l lm e t h o d a n di tc a n b ec o n c l u d e dt h a tt h ep r o e e s s eo fg a s e s g e n e r a t e ds u c ha sh 2 ，c i - h ，c 5 h 8 ，h 2 0 ，c 2 h 4 ，c o ，c 2 h 6 ，c 0 2a n dc 4 h s ( 2 ) t h ep r o c e s so fc o m b u s t i o nc a nb es e p a r a t e di n t ot w op h a s e s ，n a m e l yt h e c o m b u s t i o no f v o l a t i l ea n df i x e dc h a r c o a l a tt h es a n l et i m e ，t h ef i r i n gt e m p e r a t u r e b u r n to v e rt e m p e r a t u r ea n dt i m ec a l lb eg a i n e da n dt h ek i n e t i cp a r a m e t e r so f c o m b u s t i o na r ec a l c u l a t e dw i t hf r e m a n c a r r o l lm e t h o d ( 3 ) am e t h o d u s e dt od e t e r m i n a t e f i r i n gt e m p e r a t u r e i s d e v e l o p e d ：b yt h e t h e r m o g r a v i m e t r i ca n a l y s i sa n dm a s ss p e c t r o m e t e r ， a c c o r d i n g t ot h ea p p e r e n c eo f p e a ki nt h ec a l v eo f t e m p e r a t u r ea n dt h ea p p e r e n c eo f c h a r a c t e r i s t i cp e a ko f c 0 2 ， t h ef i r i n gt e m p e r a t u r ei sg e t k e yw o r d s ： m u n i c i p a ls o l i dw a s t e ，t h e r m o g r a v i m e t r i ca n a l y s i s ，p y r o l y s i s c h a r a c t e r i s t i c s ，c o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，k i n e r i c i i 独创性声明 本人所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人已发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得清华大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料，与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解鞍山科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论 文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：臣亟 日期： 鞍山科技大学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 在中华人民共和国固体废物污染环境防治法【lj 中城市生活垃圾( m u n i c i p a l s o l i dw a s t e - - m s w ) 定义为：在日常生活中或者为日常生活提供服务的活动中产生 的固体废物以及法律、行政法规规定视为生活垃圾的固体废物。在城市生活垃 圾管理办法( 建设部令第2 7 号) 1 2 中规定，m s w 指的是城市中的单位和居民在 日常生活及为生活服务中产生的废弃物，以及建筑施工活动中产生的垃圾。这两 个定义的核心内容是一致的，即城市生活垃圾来源于城市日常生活及其相关服务。 m s w 成分复杂，性质多变，并且受到垃圾产生地的地理位置、气候条件、能源结 构、社会经济水平、居民消费水平、生活习惯等方面因素的影响。城市文明程度 的提高在带给人们日益丰富的物质享受的同时，也带给人们一个问题，即每天源 源不断产生大量的城市生活垃圾。产生的大量城市生活垃圾，已成为一个污染环 境、影响生活的社会问题。 1 1 中国m s w 的危害3 6 1 生活垃圾露天存放或者处置不当，垃圾中的有害成分和化学物质可通过环境 介质一大气、土壤、地表或地下水体等直接或间接传入人体，威胁人体健康，传 染疾病，给人类造成潜在的近期的和长期的危害。 1 1 1m s w 对人体健康的影响 m s w 在堆放腐败过程中产生大量酸性和碱性有机污染物，并溶解出垃圾中的 重金属，形成有机物、重金属和病微生物三位一体的污染源。2 0 世纪3 0 7 0 年代， 国内外因垃圾处置不当，毒性物质在环境中扩散而引起公害事件时有发生，如： 美国纽约州拉夫运河河谷土壤污染事件，我国2 0 世纪5 0 年代发生的锦州镉露天 堆积污染井水事件等，这些事件已给人们带来灾难性的后果。尽管近l o 年来，严 重的垃圾污染事件发生较少，但因其污染环境而影响人类健康的危害不可低估。 1 1 2m s w 对环境的影响 m s w 倾倒于河流、湖泊或海洋，甚至以后者当成处理垃圾的固定场所，尽管 这种做法违反国际公约，但仍经常发生。垃圾倾倒于水体，将使水质受到污染， 严重危害水生生物的生存条件和水资源的利用。堆积的垃圾经雨水的浸渍及垃圾 本身的分解，随天然降水和地表径流进入江河湖海，或随风飘流落入水体，或随 鞍山科技大学硕士论文 第一章绪论 渗沥水进入附近土壤渗入地下水，造成地区和区域性地表水与地下水的污染，危 害人体健康和社会经济发展。例如，美国l o v ec a n a l 事件是典型的垃圾污染水体 事件。据统计，江湖中排入垃圾废物，致使我国1 9 8 0 年水面比1 9 5 0 年水面减少 约2 0 0 0 多万亩。目前，我国在不同地区仍有成千上万吨的垃圾倾倒江湖之中，其 危害与严重后果是不言而喻的。 垃圾堆放或没有适当的防渗措施的垃圾填埋，其中有害成分很容易经过风化 雨淋和地表径流的侵蚀渗入土壤之中。土壤是许多细菌、真菌等微生物聚居的场 所。这些微生物形成了一个生态系统，在大自然的物质循环中，担负着碳循环和 氧循环的一部分重要任务。有害成分进入土壤，能杀灭土壤中的微生物，使土壤 丧失腐解能力，导致草木不生。例如，2 0 世纪8 0 年代，我国内蒙古包头市的某尾 矿堆积如山，造成坝下游的大片土地被污染，使一个乡的居民被追搬迁。 垃圾一般通过如下途径污染大气：一些有机垃圾在适宜的温度和湿度下被微 生物分解释放出有毒气体。以细粒状存在的垃圾，在大风吹动下会随风飘逸，扩 散到很远的地方，造成大气的粉尘污染，垃圾在运输过程中，产生有害气体和粉 尘。 由于垃圾种类繁多，数量巨大，直接占用大量土地、空间，其污染途径可通 过水、大气、土壤等影响人类赖以生存的生物圈等。因此，对于城市生活垃圾的 污染控制，关键在于解决好它的处理、处置和综合利用问题。经过多年的实践和 努力，国内外都采用可持续发展战略，走减量化、资源化和无害化道路。 1 2m s w 的产生量及其影响因素7 8 】 1 2 1m s w 的产生量、排放量与清运量 垃圾泛滥首先在发达国家出现并引起重视，美国1 9 7 1 年城市垃圾量约为 1 8 1 0 8 t ，全国共有1 2 0 0 0 个垃圾堆积场，不少大城市( 如纽约) 的周围都有大量垃 圾堆。1 9 7 2 年，德国的城市垃圾量约为1 9 3 4 万t ，堆积场地日感不足。2 0 世纪7 0 年代，日本每年的城市垃圾量约为3 0 0 0 万t ，以至东京市长美浓部在1 9 7 1 年市议 会上说“不是让垃圾把我们淹没，就是我们把垃圾消灭掉，这是一场严重的垃圾战 争，必须采取紧急对策，晚一天都会带来不可挽回的后果”。英国每年的城市垃圾 量约为1 4 0 0 万t ，全国垃圾堆积场已占地1 2 0 0 0 公亩；法国的也约为1 4 0 0 万t ， 垃圾堆积场几乎随处可见，可见垃圾问题的严重性。但到了9 0 年代，由于发达国 家狠抓了城市固体废弃物的管理，以及人们环境意识的提高，城市垃圾的产量有 所下降，不过总量仍然很大。 鞍山科技大学硕士论文第一章绪论 在我国随着经济的高速发展、城市规模的扩大、城市进程的加快、人口高密 度集中、国民消费水平的提高，我国m s w 的产生量和堆积量均在逐年增加。近几 年，我国每年产生近1 1 5 亿t 城市垃圾，而且还以每年平均8 r 1 0 左右的速度增 长，人均生活垃圾产量已超过1 o k g ( 人d ) ，超过了日本2 0 世纪8 0 年代末9 0 年 代初的水平。它们中的8 0 - - 9 0 来自大、中城市，垃圾的历年堆存量达6 0 亿t ， 侵占土地多达5 亿m 2 ，而我国城市垃圾处理率仅为5 0 左右，无害化处理率不到 2 9 1 。 1 2 2m s w 产生量的影响因素跚 m s w 产生量是指人们在对产品和服务的消费中或消费后形成的废弃物的数 量。废弃物产生后，其中的一部分可以通过回收再次使用( 如啤酒瓶等) ，或作为 资源回收再加工利用( 如废报纸等) 从垃圾流中分离出去，余下废弃物的数量才 作为真正的垃圾而被排放，形成垃圾的排放量。可见，垃圾的排放量等于垃圾的 产生量减去被回收或再利用的垃圾数量。垃圾的清运量则是指环卫部门收集和运 输的垃圾数量。 m s w 产生量主要与人口、经济发展水平、居民收入、居民消费水平、民用燃 料结构等诸多因素有关，而导致m s w 产量变化的因素可以归结为城市人口和人均 生活垃圾产量两个变量，常用下述公式计算1o 】： g = g x m( 1 - 1 ) m + m 1 + m s ( 1 2 ) m s = m ( 1 + s ) + m j( 1 3 ) 式中g 城市生活垃圾日产量，t d ； g 。城市生活垃圾人均日产量，k g ( 人d ) ； m 城市人口数，千人； m 。城市常住人1 3 数，千人； m ，城市流动人口数，千人： m s d 前一年常住人口数，千人； s 、口自然增长率； m e 争迁入人1 3 数，千人。 鞍山科技大学硕士论文第一章绪论 1 2 2 1 城市人口数量的影响 我国m s w 总量的大幅度增加主要由于城市化规模的扩大及城市数量和城市 人口的增加所造成的。改革开放的2 0 多年来，城市化进程逐年加快，城市数量大 幅度增加，城市规模不断扩大，城市非农业人口迅速增长。据国家建设部城市发 展司的预测，未来的1 5 年内我国城市数量将超过8 0 0 个，城市人口数量将达到“7 亿，占我国总人口数量的5 0 左右。我国城市生活垃圾的产量与城市人口的增长 几乎成正比例关系增长，而且这一趋势随着我国城市化进程步伐的加快在今后相 当长的一段时间内仍将持续下去。可以说，城市人口数量是影响我国m s w 总量的 最主要因素。 1 2 2 2 国民经济发展水平的影响 我国m s w 产生量与国内生产总值( g d p ) 有关。即随着g d p 的增长，城市 生活垃圾产量也随着增长，但当g d p 达到一定值时，垃圾产量的增幅减慢，并逐 渐趋于稳定，这与工业发达国家经济高度增长时期的情况非常相似。 1 2 2 3 居民生活水平的影响 m s w 的产生量与城市居民生活水平有一定关系。对于不同收入的家庭而言， 人均月收入低于4 0 0 元的低收入家庭，生活垃圾产量较大；随着收入的增加，生 活垃圾产量呈下降趋势，而人均收入突破1 0 0 0 元以后，人均生活垃圾的产量又逐 渐增加。主要在于经济发达，居民生活水平的提高，生活方式也随着发生变化， 家具、生活用品等的更新将加快，因而生活垃圾的产量也随着增大。经济发达、 居民生活水平高的国家，其人均生活垃圾的产量一般比经济欠发达、居民生活水 平相对较低的国家要高的多。 1 2 2 4 燃料结构的影响 城市居民的民用燃料结构主要影响着m s w 中的无机灰分的比重。对于我国而 言，一般燃煤的北方城市生活垃圾比燃气的南方城市要高的多。由于我国民用燃 煤的煤灰往往不能再生利用而被视为垃圾处理，无疑燃煤地区的生活垃圾产量比 燃气地区要高的多。例如杭州与沈阳同是人口相近的省会大城市，杭州的g d p 高 于沈阳，但是杭州的人均垃圾产生量却低于沈阳，这是因为北方的沈阳取暖期长， 燃料消费主要以煤为主，所以垃圾产生量要远高于位于南方的杭卅i 。 鞍山科技大学硕士论文 第一章绪论 1 3m s w 的组成与性质嘲 1 3 1m s w 的组成 m s w 主要由城镇居民生活垃圾、市镇保洁垃圾和基团垃圾三大类组成。在我 国，一般将城市生活垃圾分为有机物、无机物、纸、塑料、橡胶、布、木竹、玻 璃、金属等9 种，其中后7 类属可回收废物，但回收也是相对的，只有那些能够 分拣的东西才能回收。 1 3 2m s w 的元素分析 m s w 作为多种物质的混合物，其化学性质与其化学组成有密切的关系。按堆 肥处理的元素构成分析，垃圾的主要构成元素可分为三大类：营养元素，包括碳、 氢、氧、氮、磷、钾、钠、镁、钙等；微量元素，包括硅、锰、铁、钴、镍、铜、 锌、铝等；有毒元素，包括铅、汞、镉、砷等。另外垃圾中的硫有时会产生硫化 氢等气体污染物，因此，也常将硫和氯列为垃圾中的有毒有害成分。对于热解、 气化、焚烧而言，垃圾的主要元素成分是碳、氢、氧、氮、硫、氯，这些成分是 影响垃圾处理的主要成分。 1 4m s w 的处理方法【9 川 近几十年来，我国m s w 的产生量大幅度增加，m s w 的处理和处置已成为我 国突出的环境问题之一。为了有效的处理和处置m s w ，力求达到资源化，减量化， 无害化的要求，国内外开发了许多处理和处置m s w 的方法，如填埋法，热处理法 和生物处理法等。我国城市垃圾的特点是无机物含量高于有机物含量，不可燃成 分高于可燃成分。但不同类别城市之间差别较大，中小城市垃圾的有机质含量多 为2 0 左右，一些大城市如北京市的垃圾有机质含量可高达4 0 以上【l “。垃圾组 成成分不同，决定了我国垃圾处理应走自己的路，而且不同城市也应采取不同的 处理方法，不能简单地仿效国外。下面介绍几种垃圾处理技术 2 , 1 3 1 6 j ： 1 4 1 填埋法 填埋作为城市垃圾的最终处置手段，是应用最广泛的一项技术，它是从传统 的废物堆填发展起来的。垃圾埋入地下可防止散发恶臭，蚊蝇滋生，并使垃圾得 到逐渐的降解。早在公元前3 0 0 0 1 0 0 0 年古希腊米诺文明时期，康诺索斯就曾把 垃圾填入低凹的大坑中，并进行分层覆土，这是垃圾填埋技术的最早雏形。近代， 鞍山科技大学硕士论文第一章绪论 第一个城市垃圾填埋场是于1 9 0 4 年在美国的伊利诺伊州建成的。由于传统的填埋 方式会产生渗滤液和产生填埋气体，造成对水体、土壤、大气的污染，因此现代 的填埋技术大多包括防渗系统、集排水系统、导气系统和覆盖系统，称之为卫生 填埋。值得注意的是，垃圾填埋所产生填埋气体，含有约4 0 - - 6 0 的甲烷， 4 0 - - 5 0 的二氧化碳和少量氧气。其中甲烷是一种利用价值较高的清洁能源，但 同时也潜在爆炸的危险，在填埋过程中对其加以控制和利用，已成为垃圾卫生填 埋技术的重要组成部分和发展趋势。 现场考察鞍山市羊耳峪垃圾填埋处理厂工艺如下：羊耳峪垃圾处理厂位于鞍 山千山大孤山镇谢家房，是联合国全球环境基金( g e f 项目) 在中国确定的发展中国 家垃圾处理示范项目，共投资7 3 0 0 万，于1 9 9 8 年7 月7 日正式投入使用。该场 占地4 5 万m 2 ，填埋区容量为9 0 0 万t ，按每日处理垃圾1 2 0 0 t 的设计规模( 实际是 每日处理垃圾7 5 0 8 0 0 t ) ，可使用2 0 年，垃圾的处理费用为3 5 4 0 元k g ，发电利 用年限可达3 0 年。工程分两期：一期包括垃圾坝，截污坝调节池，洗车台，进场 道路，变电所，地磅站，污水处理站及办公楼等服务设施；二期为沼气开发利用 工程。 该场主要采用国外常用的单元分层填埋法。垃圾倾倒后，推平、压实、覆盖， 达到一定高度铺设水平收集管，作业现场可通过远程监视系统对现场操作及时做 出规范指导，达到卫生处理要求，其简要工艺流程为： 进场垃圾一推平压实一管道铺设一覆盖封场一植被恢复 上i 渗滤液处理沼气回收利用 垃圾渗滤液在场内污水处理站处理，日处理能力为3 0 0 t ，采用具有国内外领 先水平的序批式( s b r ) 生物脱氧，混凝沉淀法，出水c o d 等指标均可达到排放标 准。 场内洗车台主要对进入填埋区的车辆在出场时进行冲洗，作到净车出场，防 止垃圾蚊蝇等有害物质带入车内。 沼气利用工程主要利用沼气发电和净化压缩后作为机动车燃料，用于城市公 交车和垃圾运输车等。垃圾沼气作为汽车燃料在清洁能源的开发利用上迈出了新 的一步，即可产生明显的社会效益、环境效益，又可取得可观的经济效益。垃圾 填埋达到设计标准时进行封顶和最终的植被绿化。表1 一l 为鞍山市城市生活垃圾 组成成分。 鞍山科技大学硕士论文第一章绪论 1 4 2 堆肥法 表l 一1 鞍山市城市生活垃圾组成成分 堆肥法是生物处理法的一种，指人们利用自然界广泛存在的微生物，有控制 的促进可降解有机物向稳定的腐殖质转化的生物化学过程。m s w 是堆肥微生物赖 以生存、繁殖的物质条件，根据处理过程中起作用的微生物对氧气要求的不同， 有机废物处理分为好氧堆肥法( 高温堆肥法) 和厌氧堆肥法两种。前者是在通气 条件下借好氧性微生物活动使有机物得到降解，由于好氧堆肥温度高，一般在 5 0 - 6 0 ，所以也称高温堆肥：后者是利用厌氧微生物发酵造肥。 堆肥技术具有悠久的历史，早在几千年前，人类就开始在农业生产中使用。 人们将秸秆、落叶、杂草、人畜粪便混合堆积，经过一段时间的发酵后作为肥料 使用，至今这种技术仍在许多地区使用。进入2 0 世纪后，堆肥技术开始应用于城 市生活垃圾的处理。1 9 2 0 年英国人首先在印度提出了当时的堆肥技术，后来人们 经过不断的实践和改进，到3 0 年代末期，连续性机械化堆肥工艺设备开始得到广 泛应用，堆肥法处理垃圾的技术逐步形成了现代化的生产方式与规模。7 0 - - 8 0 年代 堆肥技术发展缓慢，主要原因是垃圾成分变得复杂，大量新出现的化学物质的加 入降低了堆肥产品的质量，肥效不高，玻璃、金属、塑料等废物残留，严重影响 堆肥产品的销路。9 0 年代后，随着垃圾分类产品的开展、分选技术的提高，限定 鞍山科技大学硕士论文第一章绪论 了堆肥垃圾的有机物来源，极大的改善了产品质量，使得堆肥技术又重新开始发 挥其应有的作用。 1 4 3 热处理法 热处理法包括焚烧、热解、气化以及几种工艺的组合。 1 4 3 1 焚烧法 焚烧是对m s w 进行高温热化学处理的技术。将m s w 作为固体燃料进行燃烧， 在8 0 0 - - 1 0 0 0 的高温条件下，m s w 中的可燃组分与空气中的氧进行剧烈的化学 反应，释放出热量并转化为高温的燃烧气体和少量的性质稳定的固体残渣。当生 活垃圾有足够的热值时，生活垃圾能靠自身的能量维持自燃，不需要提供辅助燃 料，称之为“自热焚烧”。垃圾焚烧产生的高温燃烧气体可作为热能回收利用，垃圾 燃烧后余热的回收利用符合垃圾处理技术的资源化原则，性质稳定的灰渣可直接 填埋处理。m s w 经过焚烧处理，分解、破坏了垃圾中的有害有毒废弃物，垃圾中 的病原体被彻底消灭，燃烧过程中产生的有害气体和烟尘基本上以二氧化碳、水 蒸气、氮气的形式排放，达到排放要求，无害化程度高；经过焚烧，垃圾中的可 燃成分被高温分解后，一般可减重7 0 7 5 和减量9 0 ，减量效果好，可节约大量 填埋场占地；垃圾焚烧所产生的高温烟气，其热能被锅炉吸收转变为蒸汽，用来 供热和发电：垃圾被作为能源来利用，可充分实现垃圾处理的资源化；垃圾焚烧 厂占地面积小，焚烧后的烟气经净化处理后污染小，可以靠近市区建设焚烧厂， 即节约用地又节省了运输费用；焚烧处理可以全天操作，不易受天气影响，而填 埋法冬天有时就不易进行；随着对城市生活垃圾处理后环境条件要求的提高，焚 烧法的操作费用可望降低。 1 4 3 2 热解法【8 】 热解是在完全无氧或缺氧的条件下，将有机废物高温加热，使组成垃圾的有 机化合键断裂产生小分子物质，产物则包括气态燃气，液态焦油和固态半焦三种。 可燃性产物包括氢气、一氧化碳、甲烷等低分子碳氢化合物；在常温下为液态的 产物的包括乙酸、丙酮、甲醛等燃烧油类；纯碳与玻璃、金属、土砂等混合形成 的碳黑则为固态产物。 热解过程废物中有机物转化成可利用的能量形式，产生燃气，或半焦便于贮 藏及远距离输送，可以根据不同需要加以利用；热解可以简化污染控制，垃圾在 鞍山科技大学硬士论文第一章绪论 无氧条件下热解时n o x 、s o x 、h c l 等污染物排放少，而且热解烟气中灰量小：二 恶英的生成量很少，节省尾部净化的建设和运行费用的同时，二次污染的排放低； 垃圾中的硫、重金属等有害成分大部分被固定在碳黑中，可从中回收金属，进一 步的减少环境污染。 1 4 3 3 气化法 气化是在氧气不足的情况下，垃圾进行不完全氧化的过程。即在一定温度、 常压或加压条件下，采用气化剂( 如空气、0 2 、水蒸气、h 2 等) 和垃圾不断接触， 进行热化学反应，使垃圾中的有机质转化为含有c o 、h 2 、c h 4 等成分的可燃气体。 m s w 的气化技术就是一种类似于已使用多年的煤炭、生物质转化的固体燃料气化 方法。与直接焚烧法相比，气化工艺具有以下优点：在气化过程中废弃物的有机 物成分能转化成可利用能量形式，其经济性比较好；气化产生的燃气视其热值的 高低可直接燃烧或和其他高热值燃料混合燃烧，反应过程产生的焦油视其性质可 制成燃料或提取化工原料。热解及气化法在处理单组分废弃物方面取得了较为成 功的经验。 1 4 3 4 各种处理方法的比较 s j 6 上述几种城市生活垃圾主要处理方法各有优缺点，比较见表1 2 。从表中可 知，焚烧法虽然投资及运行成本较高，这会暂时阻碍垃圾焚烧技术在大部分发展 中国家的推广，但焚烧在资源化、无害化、减量化等方面具有堆肥和填埋不可比 拟的优点，也会使其在相当时期内作为城市生活垃圾的主要技术之一而存在，特 别在发展中国家，垃圾焚烧技术仍具有相当大的发展空间。而且，随着城市填埋 法选址的逐渐困难以及运输成本的增加，焚烧法的优势将逐渐显现。 鞍山科技大学硕士论文第一章绪论 - 1 0 鞍山科技大学硕士论文第二章热解和焚烧技术 2 1 热解和焚烧技术 2 1 1 热解 第二章热解和焚烧技术 研究和开发适宜的城市生活垃圾处理技术以解决垃圾的环境污染问题，这在 我国乃至世界能源及资源短缺的今天显得尤为重要。从可持续发展战略角度来讲， 垃圾处理应该实现无害化、减量化和资源化目标i l3 1 。随着公众环境环保意识的提 高和世界能源的捉襟见肘，以及环保领域的科技进步，洁净高效的热解法逐渐得 到广大科技工作者的青睐。热解应用于工业生产已有很长的历史，如木材和煤的 干馏、重油的裂解等。近几十年来，将热解的原理用于处理垃圾已日益为人们所 注重，被认为是一种很有前途的垃圾处理方法，特别适用于废塑料、废橡胶、城 市生活垃圾、农用垃圾等含有机物较多的垃圾处理。目前，城市垃圾热解技术在 用于回收燃料技术方面还有待进一步的发展，但在利用热解产物达到改善垃圾燃 烧特性、减少尾气对大气环境造成二次污染方面，已经取得了很多成功的经验1 14 1 。 因此，热解和焚烧技术、设备近年来发展十分迅速，欧、美、日等都采用不同的 技术途径建立了应用垃圾热解和焚烧技术的运行工程，垃圾热解和焚烧技术已进 入了实用化、工程化和商业化推广阶段。 2 1 1 1 热解的基本原理 热解的产物除了可燃的低分子物质，如h 2 、c i - 1 4 、c o ，还有液态的甲醇、丙 酮、乙酸、乙醛等有机物及焦油、溶剂油等液态产物，以及焦炭或炭黑等固态残 渣。但是在实际的m s w 热解过程中，还同时发生c o 、c 0 2 等其他产物的生成反 应。有机物的成分不同，整体热解过程开始的温度也不同。例如，纤维素开始解 析的温度大致在1 8 0 之o o ，而煤的热解开始温度也随煤质的不同在2 0 0 , - - 4 0 0 不 等。从热解开始到结束，有机物都处在一个复杂热解过程中，不同的温度区间所 进行的反应过程不同，产物的组成也不同，总之，热解的实质是有机物大分子裂 解成小分子析出的过程。热解需要吸收大量的热量，产物是燃料油及燃料气，便 于贮存和远距离输送。 热解反应所需的能量取决于各种产物的生成比，而生成比又与加热的速度， 温度及原料的粒度有关。低温低速加热条件下，有机分子有足够时间在其最薄弱 的接点处分解，重新结合为热稳定性固体，而难以进一步分解，固体产率增加； 鞍山科技大学硕士论文 第二章热解和焚烧技术 高温一高速加热条件下，有机物分子结构发生全面裂解，生成大范围的低分子有机 物，产物中气体组成增加。对于粒度较大的原料，热解时要达到均匀的温度分布 需要较长的传热时间，其中心附近的加热速度低于表面的加热速度，热解产生的 气体和液体也要通过较长的传质过程，这期间将会发生许多二次反应。图2 1 为 垃圾热解过程示意图1 15 1 。 2 1 1 2 垃圾的热解反应 图2 - 1 垃圾热解处理示意图 垃圾的热解是一个极其复杂的化学反应过程，这一过程可用下式来表示： 有机垃圾- 气体( h 2 、c 。h y 、c o 、c 0 2 、n h 3 、h 2 s 、h c n 、h 2 0 、s 0 2 等) + 有机液体( 焦油、芳烃、煤油、有机酸、醇、醛类等) + 炭黑、灰渣 例如，纤维素热解的化学反应式可以写成 3 c 6 h 1 0 0 5 8 h 2 0 + c 6 h 8 0 + 3 c 0 2 + c h 4 + h 2 + 8 c 热解的产物虽较复杂，但由于化学反应是向形成更稳定状态物质的方向进行， 因此可以用物质的单键离解能来判断反应的最终产物，离解能越大，物质越稳定， 离解能越小，越有利于分解 1 3 , 1 5 。 2 , 1 1 3 影响热解过程的主要因素 ( 1 ) 温度 热分解的温度不同，热分解后所得的产物和产量也不同，并且物性也不一样。 鞍山科技大学硕士论文第二章热解和焚烧技术 分解的温度高，挥发分的产量增加，油、碳化合物相应减少。另外，分解温度不 同，挥发分成分也发生变化，温度越高，燃气中低分子碳化物c h 4 、h 2 等也增加。 对于大多数的固体废弃物来说，在热解温度为8 0 0 一9 0 0 。c 时，废弃物的热解产物 主要是气态的小分子挥发分。并且由于垃圾中可燃物的可燃基中挥发分高达 7 0 , - - 8 0 ，垃圾的燃烧主要取决于挥发分的燃烧。在较高的温度下热解可使挥发 分大量、快速地析出，而且析出的是有利于燃烧的小分子碳氢气体。另外，高温 下热解，也可使燃烧后的固态残余物大大减少，降低对它的处理困难。因此，垃 圾炉炉膛温度应该在8 0 0 c 以上，热解才比较合理。所以，无论是对垃圾完全热解 还是对无害化、减容化来说，高温炉膛的效果应该是明显的。 ( 2 ) 物料尺寸 垃圾的形状、尺寸和均匀性，关系到物料的升温速度和温度的传递，以及气 流流动和热解是否完全。尺寸越大，物料间间隙越大，气流流动阻力小，有利于 对流传热，辐射换热空间大，也有利于辐射换热，减小了物料与环境的热传递阻 力；但此时物料本身的内热阻增大，内部温度均匀慢。尺寸越大，物料热解所需 的时间越长，若减短热解时间，则热解不完全。在工程上，物料尺寸的大小又关 系到预处理装置的动力消耗。因此，综合考虑物料尺寸与热解和动力消耗的关系， 是选择较佳物料尺寸的合理思路。 ( 3 ) 含水量 垃圾的含水量对最终产品也有影响。对不同种类垃圾来说其变化不一样。我 国城市生活垃圾的含水量一般在4 0 左右，有时超过6 0 ，这一部分水在进入实 验时已经在烘箱中失去( 1 0 0 ) 。垃圾中的含水量越低，将材料加热到工作温度 所需的时间越少。燃料中的不可燃成分中的水分分两部分，即内在水分和外在水 分。外在水分以机械方式附着于物料表面，该水分受外界环境影响较大。外界环 境主要是指物料放置的环境温度、湿度和放置时间。这部分水分易于去除，直接 通过蒸发扩散的传质过程，在常温常压的环境中既可去除。内在水分则是指由于 毛细作用吸附的水和以化学键能的形式存在的结合水。毛细作用吸附的水与外部 环境蒸汽的分压有关。当环境温度较高、湿度较低时，毛细管内水蒸气的分压大 于环境的蒸汽分压，水蒸气即通过毛细管向环境扩散，直至内外分压平衡为止。 分子结合水则必须将物料破碎细化后，高温下使键断裂，使其释放水分。 水分是垃圾处理过程中的一个重要的物性参数，它决定着垃圾焚烧的效率以 及发热量和腐蚀程度等主要环节，必须严格控制。含水量大的垃圾发热量低、不 易着火、能源利用率不高，而且在燃烧过程中水分的气化要吸收热量，并降低燃 烧室的温度，使热效率降低，还易在低温处腐蚀设备。对于含水量大的垃圾需要 鞍山科技大学硕士论文第二章热解和焚烧技术 进行预干燥处理，含水量大的垃圾也不易运输。 试验测得的数据表明，含水量较高的主要以植物型垃圾为主。我国一般大中 城市的纸张、织物、生物厨余类垃圾占生活垃圾的水分的2 0 7 5 6 o 之间，而 有机化合类仅占o 6 0 一1 5 之间。所以，由于我国生活垃圾的含水量较高，一般 在1 2 以上；如果算上外来水分这个因素，这个值还应高很多。 ( 3 ) 物料停留时间 停留时间主要影响产气的完全和装置的处理能力。物料由初温上升到热解温 度，以及热解都需要一定的时间。若停留时间不足，则热解不完全；若停留时间 过长，则装置处理能力下降。 2 1 1 4 热解工艺【1 6 2 3 】 垃圾热解过程由于供热方式、产品的状态及热解炉的结构等方面的不同，热 解工艺也各不相同。按热解的温度可分为高温热解、中温热解和低温热解；按供 热的方式可分为直接加热和间接加热；按热解炉的结构可分为固定床、移动床、 流化床和旋转窑等：按热解产物的聚集状态可分为气化方式、液化方式和炭化方 式；按热解与燃烧反应是否在同一设备中进行，热解过程可分成单塔式和双塔式； 按热解过程是否生成炉渣分为造渣型和非造渣型。 2 1 141 热懈按供热方式分类 ( 1 ) 直接加热法 供给被热解物的热量是被热解物( 所要处理的垃圾) 部分直接燃烧或者向热 解反应器提供补充燃料时所产生的热。由于燃烧提供0 2 ，因而就会产生c 0 2 、h 2 0 等惰性气体混在可燃气中，稀释了可燃气，结果降低了热解气的热值。如果采用 空气作氧化剂，热解中还含有大量的n 2 ，更稀释了可燃气，使热解气的热值大大 降低。因此采用的氧化剂不同，其热解气的热值也大不相同。 直接加热法的设备简单，可采用高温，其处理量和产气率也高，但所产气热 值不高，作为单一燃料直接利用还不行，而且采用高温热解，在n o x 产生的控制 上，还需认真考虑。 ( 2 ) 间接加热法 这是将被热解的物质与热源分离开在热解反应器( 或热解炉) 进行热解的一 种方法。可以利用墙式导热或中间介质来传热( 热砂或熔化的某种金属床层) ，墙 式导热方式由于热阻大，熔溶渣可能会出现包覆传热墙面或腐蚀等问题，以及不 鞍山科技大学硕士论文第= 章热解和焚烧技术 能采用更高的热解温度等而受限；采用中间介质传热，虽然可能出现固体传热或 物料在中间介质的分离问题，但两者综合比较起来后者要比墙式导热方式好一些。 间接加热法的主要优点在于产品的品位较高，同样的物质间接热解产生的热 解气要比直接加热热解的高3 倍，完全可当成燃料来使用。但间接加热法产气率 和产气量比直接加热法要低的多。 2 1 1 4 2 按热解温度分类 ( 1 ) 高温热解 热解温度一般都在1 0 0 0 以上，高温热解法按采用的加热方式几乎都是直接 加热法，如果采用高温纯氧热解工艺，反应器中的氧化一熔融区段的温度可高达 1 5 0 0 ，从而将热解残留的惰性固体( 金属盐类及其氧化物和氧化硅等) 熔化， 以液态渣形式排出反应器，清水淬冷后粒化。这样可大大减少固态残留物的处理 困难，而且这种粒化的玻璃态渣可作为建筑材料的骨料。 ( 2 ) 中温热解 热解温度一般在6 0 0 7 0 0 之间，主要用在比较单一的物料作能源和资源回收 的工艺上，如废轮胎、废塑料转换成类重油物质的工艺。所得到的类重油物质既 可作为能源，亦可作为化工初级原料。 ( 3 ) 低温热解 热解温度一般在6 0 0 以下。林业和农业产品加工后的废物用来生产低硫低灰 的炭就可用这种方法，产生出的炭视其原料和加工深度的不同，可作为不同等级 的活性炭和水蒸气原料。 2 1 2 焚烧 2 a 6 1 在热化学处理技术中焚烧法应用最早，技术比较成熟。焚烧法具有占地小、 场地易选、处理时间短、减容减量效果好、无害化程度彻底以及可回收垃圾焚烧 余热等优点。由于污染控制技术的进步，焚烧技术发展较快，垃圾焚烧是今后处 理城市生活垃圾的重要发展方向。目前在许多工业发达国家已成为仅次于填埋技 术的垃圾处理技术。 2 1 2 1 焚烧的基本原理嘲 城市生活垃圾焚烧过程比较复杂，通常由干燥、热分解、熔融、蒸发和化学 反应等传热、传质过程所组成。一般根据不同可燃物质的种类，有蒸发燃烧、分 鞍山科技大学硕士论文第二章热解和焚烧技术 解燃烧和表面燃烧三种。城市生活垃圾中含有多种有机成分，其燃烧过程不可能 是某一种单纯的燃烧形式，而是包含有蒸发燃烧、分解燃烧和表面燃烧的综合燃 烧过程。 一般而言，城市生活垃圾在焚烧时将依次经历脱水、脱气、点燃、燃烧、熄 火等几个步骤，以含碳、氧、氮、硫的有机物为例，总的化学反应式可用下式表 达： c m h ，n 。s 。+ ( m + 叫4 + o + 0 2 手m c 0 2 + n 2 h 2 0 + o n 0 2 + p s 0 2 由于城市生活垃圾燃烧过程的机理及其复杂，因此各种元素的氧化程度未必 就能按此式进行。但为了很好的认识生活垃圾的焚烧过程，一般可以将总的焚烧 过程依次分为干燥、热分解和燃烧三大过程。当然，在实际的燃烧过程中三者没 有严格的界限，只不过有时间的先后顺序而己。 2 1 2 11 干燥过程 城市生活垃圾的干燥过程是利用热能使水分气化，并排出生成的水蒸气的过 程。按热量传递的方式，可将干燥分为传导干燥、对流干燥和辐射干燥3 种方式。 城市生活垃圾的含水率较高，一般含有3 0 0 o , - - 5 5 。故干燥过程中需要吸收很多的 热能。生活垃圾的含水量越大，干燥过程所需的热能就越多，所花的时间也越长， 导致焚烧炉内的温度下降也就越快，对生活垃圾焚烧的影响也就越大。严重时会 使生活垃圾的焚烧难以持续下去，而必须从外界供给辅助燃料，以保证燃烧过程 的顺利进行。 2 1 2 1 2 热分解过程 城市生活垃圾的热分解过程是生活垃圾中多种有机可燃物在高温作用下的分 解或聚合化学反应过程，反应的产物包括各种烃类、固定炭和不完全燃烧物等。 生活垃圾中的可燃固体物一般由c 、h 、o 、n 、s 等元素组成。这些元素的热分解 包括有多种反应，即有吸热反应也有放热反应。 2 1 2 1 3 燃烧过程 城市生活垃圾的燃烧过程是在氧气存在的条件下有机物质的剧烈氧化放热过 程。生活垃圾的实际燃烧过程十分复杂，经干燥和热分解后，产生许多不同种类 的气、固态可燃物，这些可燃物在与氧混合并达到一定着火条件后就会形成火焰 而燃烧。所以，城市生活垃圾的燃烧实际上是一个既有固相燃烧又有气相燃烧的 鞍山科技大学硕士论文第= 章热解和焚烧技术 非均相燃烧的混合过程，它比纯固态燃烧或纯气态燃烧复杂得多。图2 2 旧为垃 圾焚烧过程示意图。 图2 2 垃圾焚烧处理示意图 2 1 2 2 影响焚烧过程的主要因素 影响城市生活垃圾焚烧过程的因素很多，主要因素是：城市生活垃圾的性质、 停留时间、燃烧温度、湍流度、空气过剩系数等，其中停留时间( t i m e ) 、燃烧温 度( t e m p e r a t u r e ) 和湍流度( t u r b u l e n c e ) 被称为“3 r 要素，是反应焚烧炉性能的 主要指标。 ( 1 ) 停留时间。城市生活垃圾燃烧所需的时间就是烧掉生活垃圾所需的时间。 为了使生活垃圾能在炉内完全燃烧，这就需要垃圾在炉内有足够的停留时间。一 般认为，生活垃圾焚烧所需的时间与垃圾固体颗粒的平方近似成正比，固体颗粒 越细，与空气的接触面越大，燃烧的速度就越快，垃圾在炉内所停留的时间就越 短。同时生活垃圾燃烧所需的时间与生活垃圾的含水量也有一定关系，一般来说， 垃圾含水量越大，干燥所需的时间越长，垃圾在炉内停留的时间就越长。此外停 留时间还有一层意思就是指燃烧产物烟气在炉内所停留的时间。燃烧烟气在炉内 所停留时间的长短决定气态可燃物的完全燃烧程度。一般来说燃烧烟气在炉内停 留时间越长气态可燃物的完全燃烧程度就越高。 ( 2 ) 燃烧温度。城市生活垃