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浙江大学硕士学位论文城市生活垃圾在流化床中燃烧基本特性的研究及可视化计算 摘要 城市固体废弃物处理已成为一个全球性问题，城市固体废弃物产量的不断增加 及其所带来的环境污染己成为国际社会所共同面对的问题。传统的固体废弃物处 理技术已经难以满足我国固体废弃物处理的需要。而垃圾焚烧技术因为其处理的 有效性、安全性、经济性，及其现在世界范围内对能源的再回收利用，使得这一 技术发展很快。如今，国内的深圳、上海、宁波等地的垃圾焚烧炉已经开始运行。 然而，令人遗憾的是，城市固体废弃物的处理技术还处于起步阶段，与之相关的 研究还很缺乏。对从国外引进的垃圾焚烧炉还需要进行消化吸收，从而针对中国 特有的国情设计适合我国使用的焚烧炉。矿 本文从m s w 的燃烧过程出发，进行了m s w 焚烧过程中一些现象的数学描述， 使用v i s u a lc + + 开发工具开发了运行于m i c r o s o f tw i n d o w s 操作系统的计算及仿 真软件，对m s w 燃烧过程进行了模拟计算。 本文研究了城市固体废弃物的组分多变的情况下，其燃烧热值是否能够满足流 化床稳定自燃的要求。r 对于固体废弃物的热值评估，具有参考价值。对于垃圾燃 烧的情况，使用一般的计算煤的理论空气量公式要比实际我们所使用的空气量偏 小，因而对大量的数据进行回归后，我们得到了如下的计算公式：l o = 0 0 0 2 q o “”。 本文中使用上式作为理论空气量来来计算临界热值并分析了影响临界热值的因 素。厂 本瑚从m s w 组分中水分含量特别多的情况下。研究了题撞盔盆蔻蕉的过程，预 测了水分蒸发所需要的时间。f 颗粒水分蒸发过程中蒸发界面逐渐向里推进，其颗 粒表面温度是随时间变化的一个不定值，给颗粒水分蒸发过程的计算带了了难度。 本文从准稳态方程预测了颗粒表面温度的变化。从本文中计算可得到，颗粒所处 环境温度、颗粒粒径、颗粒水分含量以及毕渥数对于颗粒水分的蒸发过程有着很 大的影咆吖。， 本刃对m s w 的捶筮俭揖出进行了研究。解发份析出过程是和水分蒸发过程一块 考虑的，因为水分蒸发时，蒸发界面不断推进，在大于蒸发界面半径以外的范围 考虑挥发份析出过程。本文研究了颗粒所处环境温度、颗粒粒径、颗粒水分含量 以 对 的实验研究，研究了水分、颗粒直径等 本文采用了v i s u a lc + + 开发工具对所建模型进行了计算，用户可以输入各 种数据，并可计算m s w 燃烧过程中临界热值、水分蒸发和挥发份析出的数据。r 该 程序中可以对计算数据进行文本保存或者b m p 图保存方式。广_ 关键词：城市固体废弃物j 热解y 脱挥发份，蒸发，可视化 儿 塑里盔堂堡主堂焦堡塞塑壹竺适丝墨垄煎垡蓬生塑缝苎查鳖丝盟塑塞垦旦堡些生苎 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m y ，h o wt od i s p o s em u n i c i p a ls o l i d w a s t e ( m s w ) h a sb e c o m eag r e a ta t t e n t i o no ft h ew o r l d t h ec o n v e n t i o n a l d i s p o s i n gm s wt e c h n o l o g i e sc o u l d n tm e e tw i t hn e wd e m a n d so ft h es o c i e t y t h em s wd i s p o s i n gt e c h n o l o g y ，m s wc o m b u s t i o nt e c h n o l o g y ，b e c a u s eo fi t s s a f e t y ，e c o n o m ya n dr e s o u r c er e c y c l ea d v a n t a g e s ，h a sb e e np a i dm o r ea n d m o r ea t t e n ti o n a l t h o u g h ，i t sap i t yt h a tr e s e a r c h e r sh a v e n td om a n yr e s e a r c h i n g w o r k sa tt h i sa s p e c t s om a n yt h i n g ss h o u l db ed o n ea tt h i sw a y t h i sp a p e ri sa i m e da tt h ep h e n o m e n ai nm s wc o m b u s t i o np r o c e s s t h i s p a p e rh a sd o n es o m ew o r k sa s b e l o w ： i p r e d i c tt h ec r i t i c a lh e a tv a l u et h a tc a ns a t i s f ys e l f i g n i t ec o n d i t i o n n on e e do fa d d i n gs o m ea u x i l i a r yf u e li nf l u i d i z e db e dc o m b u s t i o n i i r e s e a r c h i n go fd r y i n gp r o c e s s e v a p o r a t i o ni s ac o m p l e xp h e n o m e n o n t h a tp e o p l es t i l ld o n tk n o wc o m p l e t e l y t h i sp a p e rh a sr e s e a r c h e dt h e e f f e c t o fs u r r o u n d t e m p e r a t u r e ，p a r t i c l er a d i u s ，b in u m b e r ，e t c t o e v a p o r a t i o n i i i r e s e a r c h i n go fd e v o l a t i l i z a t i o np h e n o m e n o nc o u p l e db yd r y i n gp r o c e s s t h i sp a p e rh a sr e s e a r c h e dt h ee f f e c to fs u r r o u n dt e m p e r a t u r e ，p a r t i c l e r a d i u s ，b in u m b e r ，e t c t od e v o l a t i l i z a t i o n i v t h i s p a p e r d os o m e e x p e r i m e n t sa f f e c t i n g d e v o l a t i l i z a t i o na n d c o m b u s t i o n i n a d d i t o n ，t h i sp a p e rh a s f i n i s h e das o f t w a r eo fc a l c u l a t i o no f c r i t i c a lh e a tv a l u e ，d r y i n gp h e n o m e n o na n dd e v o l a t i l i z a t i o np h e n o m e n o n t h i ss o f t w a r ec a nr u no nm i c r o s o f tw i n d o w s o p e r a t i n gs y s t e m a n di s d e v e l o p e du s i n gv i s u a lc + + s o f t w a r ed e v e l o p i n gk i t t h es o f t w a r ec a ns a v e i t sc a l c u l a t i o nr e s u l t sa st e x to rb m pp i c t u r ef o r m a t k e y w o r d s ：m u n i c i p a l s o l i d w a s t e ( m s w ) ，p y r o l y s i s ，d e v o l a t i l i z a t i o n ， e v a p o r a t i o n ，v i s u a li z t i o n l i l 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1固体废弃物的来源，组成及性质 固体废弃物是指人类在生产建设、日常生活和其他活动中产生的，在一定时间和 地点无法利用而被丢弃的污染环境的固体、半固体废弃物质。所谓城市固体废弃物 即指在生活和生产中产生的这类物质，英文简称为m s w ( m u n i c i p a l s o l i dw a s t e ) 。 固体废弃物中的“废”具有鲜明的时间和空间特征。从时间方面讲，它仅仅相对 于目前的科学技术和经济条件，随着科学技术的飞速发展，矿物资源的闩趋枯竭， 生物资源滞后于人类需求，昨天的废物势必又将成为明天的资源。从空间角度来讲， 废物仅仅相对于某一过程和某一方面没有价值的，而非在一切过程或一切方面都没 有使用价值，某一过程的废物，往往是另一过程的原料。我国目前已建立了许多废 物回收利用工厂，如用粉煤灰制砖、用矸石发电、用高炉渣生产水泥、从电镀污泥 中回收贵重金属等。所以城市固体废弃物在某一方面来讲是“废物”，在另外一方面 来讲却并非是“废物”。 城市生活垃圾也是城市固体废弃物的一种，它是指在城市居民日常生活中或为城 市日常生活提供服务的活动中产生的固体废弃物，其主要成分包括厨余物、废纸、 废塑料、废织物、废金属、废玻璃陶瓷碎片、砖瓦渣土、以及废家用什具、废旧电 器、庭院废物等。城市生活垃圾主要产自城市居民家庭、城市商业、餐饮业、旅馆 业、服务业、市政环卫业、交通运输业、文教卫生业和行政事业单位、工业企业单 位以及水处理污泥等。他的主要特点是成分复杂，有机物含量高。影响城市生活垃 圾成分的主要因素有居民生活水平、生活习惯、季节、气候等。 按照城市生活垃圾所含化学元素进行典型分析的数据列入表1 中，从表中可知绝 大部分为碳，其次为氧、氢、氮、硫等1 1 , 2 1 。 表1城市生活垃圾所含化学元素典型数据 组分千基质量分数( ) 碳氢氧氨硫灰分 食物 脂肪 7 3 01 1 51 4 80 40 10 2 混合食品废物 4 8 06 43 7 62 60 45 0 水果废物 4 8 56 23 9 51 30 24 2 肉类废物 5 9 69 42 4 71 20 249 纸制品 卡片纸板4 3 05 04 4 80 10 2 5 0 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 杂志 3 2 95 03 8 60 10 12 3 - 3 白报纸4 9 1 6 14 3 0 o 1o 22 3 - 3 混合废纸4 3 45 84 4 3 0 30 26 0 浸蜡纸板箱 5 9 29 33 0 10 10 11 2 塑料 混合废塑料 6 0 07 22 2 8一一1 0 0 聚乙烯8 5 21 4 2一 0 1 0 10 4 聚苯乙烯8 7 18 44 o0 2一o 3 聚氨酯6 3 36 31 7 6 6 o( o 14 3 聚乙烯氯化物 4 5 25 61 60 1o 12 0 木材、树枝等 花园修剪垃圾 4 6 o6 03 8 03 40 36 3 木材5 0 16 44 2 3o 1o 10 1 坚硬木材4 9 66 t4 3 20 1 0 10 9 混合木材 4 9 66 ，04 2 70 2 0 1 1 5 混合木屑4 9 55 84 5 50 。l( 0 10 4 玻璃、金属等 玻璃和矿石0 50 10 4 0 1 9 8 9 混合金属 4 50 64 3 o 1 9 0 5 皮革、橡胶、衣物 混合废皮革6 0 8 01 1 61 0 00 4l o 0 混合废橡胶 6 9 8 7 一 1 62 0 o 混合废衣物4 8 6 44 0 02 20 23 2 其他 办公室清扫垃自 2 4 3 04 00 5 0 26 8 0 油、涂料6 6 9 65 22 0 一 1 6 9 用垃圾生产的燃 4 4 6 23 8 40 7 0 19 9 ( r d f ) 1 2 固体废弃物对环境的影响 据统计，1 9 9 8 年，我国6 6 8 座城市实际产生垃圾1 4 亿吨，城市生活垃圾存量约 为6 0 多亿吨，并且每年以8 1 0 的速度增长。垃圾侵占土地面积已超过5 亿 m 2 ，全国已有2 0 0 多座城市被垃圾包围。城市人均垃圾产量达4 0 0 k g 。预计到2 0 0 0 浙江大学硕士学位论文蔓二里堡笙 年，我国城市垃圾年产量将达到1 5 亿吨。如此多的废弃物必将影响到人们的生存环 境【1 ，2 ，9 1 。 露天存放或者置于处置场的固体废物，其中的化学有害成分可通过环境介质 大气、土壤、地表活地下水体等直接或者间接传至人体，造成健康威胁。 固体废物的任意露天堆放，不但占用一定土地，而且其累积的存放量越多，所需 的面积越大，如此一来，势必是可耕面积短缺的矛盾加剧。即使是固体废弃物的填 埋处置，若不着眼于场地的选择评定以及场基的工程处理和埋后的科学管理，废物 中的有害物质还会通过不同途径而释入环境中，乃至对生物人类产生危害。 具体来说，固体废物污染对自然环境的影响分以下几个方面。 1 对大气环境的影响 堆放的固体废物中的细微颗粒、粉尘等随风飞扬，从而对大气环境造成污染。另 浙江大学硕士学位论文第一= 皇堕堡 一种是地区环境的影响是废物填埋场中逸出的沼气，在一定程度上会消耗其上层空 间的氧，从而使植物衰败。 2 对水环境的影响 世界范围内，有不少国家直接将固体废物倾倒于河流、湖泊、或海洋，甚至以后 者当成处置固体废物的场所之一。这是有违国际公约的。固体废物弃置于水体，使 水质直接受到污染，严重危害水生生物的生存条件，并影响水资源的充分利用。此 外，堆积的固体废物经过雨水的和废物本身的分解，其渗滤液和有害化学物质的转 化和迁移，将对附近地区的河流及地下水系和资源造成污染。向水体倾倒固体废物 还将缩减江河湖面的有效面积，使其排洪和灌溉能力降低。 3 对土壤环境的影响 固体废物及其淋洗和渗滤液中所含有害物质会改变土壤的性质和土壤结构，并将 对土壤中微生物的活动产生影响。 4 对人体健康的影响 由于固体废物中的有害物质的存在，必将影响到人类生存环境的影响，势必将影 响人体的健康。 固体废物污染的危害中，最为严重的是危险废物的污染。 1 3 固体废弃物的处理技术及现状 随着城市的发展，居民生活水平的提高，城市固体废弃物的产量也在不断上升。 城市固体废弃物的产量及其增长率与生产力发展水平成正比发达国家垃圾的产量高 于发展中国家。在8 0 年代，工业化国家、中等收入国家、低收入国家的人均垃圾产 量分别是0 7 1 9 5 k g 0 5 o 6 k g 和0 3 o 6 k g 。据计算，世界各国生活垃圾的增长 要比人口增长快1 0 倍。1 9 9 5 年全世界生产垃圾4 5 0 亿吨，年增长8 4 2 3 , 4 】。 表l 一2 部分风景旅游城市人均垃圾产量统计k g ( 人天) 城市固体废弃物不仅要占用大批土地，甚至占用良田，而且会污染空气、土壤、 水体及影响人体健康，因而对城市固体废弃物进行适当的处理。然而城市固体废弃 物的处理非常麻烦，因其来源和成分相当复杂经过长时期的研究与实践，虽然形成 了多种多样的处理方法和途径，较为普遍使用的仍然是填埋、堆肥和焚烧。 1 3 1 卫生填埋 4 浙江大学硕士学位论文蔓二垩堑堡 此法由于建设和运行费用较低( 仅为堆肥的3 0 ，焚烧的1 0 ) ，操作简单，目 前在我国城市处理中应用较多，但就此项技术的总体而言，我国城市垃圾卫生填埋 技术尚属初步应用阶段。由于技术上的不完善而造成的环境问题任很多。其中入非 物质的有机成分，填埋场厌氧环境中产生的甲烷，增加了大气的污染，并且容易引 起甲烷爆炸事故。又如，填埋场的废物受雨水淋滤或地下水的浸蚀，大量污染物浸 入了地下水或地表水，造成水体的污染。 卫生填埋所带来问题是需要大面积的土地，随着现在我国耕地的曰渐减少，以及 卫生填埋说带来的环境问题及其潜在危害，卫生填埋已经引起了世界各国的日益关 注。 1 3 2 堆肥 将生活垃圾收集成堆、保温储存、发酵，借助垃圾在微生物的能力，将有机物分 解成无机养分。一般的堆肥操作能使温度上升至7 0 c ，生活垃圾在的病原体大多北 消灭。经过堆肥后，生活垃圾变成卫生的、无味的腐殖质。 堆肥技术简单，其影响因素主要有在需氧量、生活垃圾的组成及粒度、温度、 p h 值以及搅拌程度。堆肥法既解决垃圾的出路问题，又可达到再资源化的目的，具 有一定的经济效益和社会效益。但是生活垃圾堆肥量大，养分含量低，长期使用易 造成土壤板结。另外堆肥处理的周期长，不易处理大规模垃圾，因而需要与其他处 理方式相结合。 1 3 3 垃圾能源化 国外采用能源化的方法处理城市垃圾发展速度很快，德国、美国、印度、英国、 日本、加拿大、韩国都有报道，其中有些国家已经开始了工业化生产【6 川。 a 利用城市垃圾制气体燃料 一种方法是高温热解法制取气体燃料，既将城市垃圾中的废塑料、废轮胎、黄油 浆以及下水道污物等置入高温热解内( 7 0 0 8 0 0 ) 分解出可燃气体，使其用于发 电。回收的余热用于供暖。 另外一种方法是厌氧发酵法制取可燃气。 b 利用城市垃圾制液体燃料 利用下水道污泥高压热裂解制重油和利用下水道污泥蒸馏轻质油以及利用下水 道污泥制混合燃料。 c 利用城市垃圾制固体燃料干馏法制垃圾煤 将食物垃圾置于反应器中，加温2 0 0 ，用膨润士作催化剂，至1 4 7 1 0 3 k p a ， 处理3 h ，脱出中8 0 的水分，使固态成分碳化，制成以不饱和烃为主要成分的垃圾 媒，处理l k g 食物垃圾可获得热值2 0 0 0 6 k j 。该法特点是不需外加能量，燃烧时物二 塑翌盔兰堡主兰垡笙塞 笙二童堕堡 次污染，此技术可应用于酿造厂、造纸厂排放的废物及生活垃圾。 日本藤忠商等公司，联合开发成形垃圾燃料，把城市垃圾和工业废物，加工成一 定形状的固体燃料，直接用于发电。 d 垃圾直接焚烧 焚烧法是一种高温热处理技术，即以一定的过剩空气量与被处理的有机废物 在焚烧炉内进行氧化燃烧反应，废物中的有害有毒物质在高温下氧化、热解而被 破坏，是一种可同时实现废物无害化、减量化、资源化的处理技术。 焚烧的主要目的是尽可能焚毁废物，使被焚烧的物质变为无害和最大限度地 减容，并尽量减少新的污染物质产生，避免造成二次污染。对于大、中型的废物 焚烧厂，能同时实现使废物减量、彻底焚毁废物中的毒性物质，以及回收利用焚 烧产生的废热这三个目的。焚烧法不但可以处理固体废物，还可以处理液体废物 和气体废物：不但可以处理城市垃圾和一般工业废物，而且可以用于处理危险废物。 危险废物中的有机固态、液态和气态废物，常常采用焚烧来处理。在焚烧处理城 市生活垃圾时，也常常将垃圾焚烧处理前暂时贮存过程中产生的渗滤液和臭气引 人焚烧炉焚烧处理。 焚烧适宜处理有机成分多、热值高的废物。当处理可燃有机物组分很少的废 物时，需补加大量的燃料，这会使运行费用增高。但如果有条件辅以适当的废热 回收装置，则可弥补上述缺点，降低废物焚烧成本，从而使焚烧法获得较好的经 济效益。 1 4 我国处理垃圾用焚烧炉及垃圾焚烧的具体情况 焚烧炉的结构类型与废物的种类、性质和燃烧形态有关。不同的焚烧方式应与 相应的焚烧炉相匹配。相应的焚烧炉应该与相应的焚烧方式相结合，不然，不仅不 能稳定燃烧。而且可能造成对环境的二次污染。 1 4 1 我国现有的焚烧炉 1 炉排型焚烧炉又分固定炉排焚烧炉和活动炉排焚烧炉。固定炉排焚烧 只能手工操作、间歇运行，劳动条件、效率低，拨料不充分时焚烧不彻底。活动炉 排焚烧炉为机械炉排焚烧炉。炉排是活动焚烧炉的心脏部分，其性能直接影响垃圾 的焚烧处理效果，可使焚烧操作自动化、连续化。 2 炉床式焚烧炉 炉床式焚烧炉又可分为固定炉床式焚烧炉，活动式焚烧炉以及流化床焚烧炉。流化 床焚烧炉是近年发展起来的高效焚烧炉，利用炉底风板吹出的热风将废物悬浮起呈 沸腾状态进行燃烧。一般采用中间媒体即载体( 砂子) 进行流化，再将废物加入到 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 流化床中与高温的砂子进行接触、传热进行燃烧。 3 多室焚烧炉 多室焚烧炉是有多个燃烧室的焚烧炉，可使废物的燃烧过程分为两步进行：首先是 引燃室中的废物的初级燃烧( 或称固体燃烧) 过程，接着是二级燃烧( 或称气体燃 烧) 过程。两步多燃烧室焚烧过程在引燃室中开始，包括了固体废物干燥、引燃和 燃烧。在燃烧进行过程中，当燃料从引燃室通过连接引燃室与混合室之间的火焰口 时，蒸发掉了其中的水分和挥发份并被部分氧化。废物的挥发份组分和燃烧产物从 火焰口向下通过混合室，在混合室内，同时引入二次空气，足够的温度与加入的的 空气引起了第二阶段的燃烧过，必要时还可通过混合室或二级燃烧喷嘴助燃。由于 限制流动范围并突然改变流动方向而引起的紊流混合作用也增进了气相反应。气体 通过混合室到最后燃烧室的隔墙口时，在可燃成分的蒸发和最后氧化的同时，气体 又经历了一次方向的改变。飞灰和其他的固体颗粒物由于与炉壁相碰撞和单纯的沉 降作用颗粒物由于与炉壁相碰撞和单纯的沉降作用而被收集在燃烧室，使其一燃室 排出烟气中的未燃尽气体燃烧产物和可燃固体得以充分燃烧。其类型可分为曲径式 多室焚烧炉和同轴式多室焚烧炉 1 4 2 国内现有焚烧炉的焚烧技术问题 从我国现有的焚烧技术来看，我国的焚烧技术的发展存在以下及方面的问题。 a 从国外引进的焚烧炉，由于各焚烧系统的设计思想主要为从垃圾经过焚烧处 理后充分达到无害化、减量化和资源化为主要目标，对系统的经济性、简易性、垃 圾成分的波动性和恶化等情况考虑还不充分。由于上述原因，使得这些焚烧处理技 术初期投资较高、关键高温部件使用寿命短，维修跟不上等问题 1 1 】。 b 国内现有研究开发的焚烧炉种类很多，但单炉处理容量不大，总体技术水平 一般较低。例如，焚烧炉膛优化设计欠缺考虑，大多数焚烧系统没有儿燃室强化烟 气燃烧，焚烧炉后尾气处理简单，燃烧控制系统薄弱。 c 现有的资料大都是针对煤说作出的，针对m s w 的资料比较少，因而设计的 垃圾焚烧炉一般依旧建立在原来煤的基础上，急需要我们针对城市固体废弃物作出 一些基本研究，为设计大型焚烧炉提供一些基础资料。 1 5 本文研究背景及内容 1 9 9 2 年在巴西召开的“环境与发展大会”指出环境污染在全球范围内变得日 益严重。我国是个发展中国家，近二十几年来，虽然国民经济有了迅猛的发展， 但发展所带来的环境问题也日益严重。固体废弃物的污染是环境污染的重要组成 部分，我国仅在1 9 8 5 年由于固体所造成的浪费就达2 5 0 亿元( 人民币) ，同时污 染环境所造成的经济损失达9 0 亿元，目前这一问题要严峻的多。我国对固体废弃 塑望盔堂堡圭堂丝堡苎 墨二里堕丝 物的处理工作开展的较晚，1 9 8 5 年国家环保局成立了专门的固体废弃物管理机构， 并正在积极地开展有关固体废弃物的治理工作。传统的城市固体废弃物处理技术 满足其产量日益增加的需要，同时，城市固体废弃物带来的环境问题也越来越突 出。因此，开发和采用先进的固体废弃物处理技术是摆在人们面前的唯一出路。 近年来，固体废弃物的热解处理技术以其较高的能源利用率和较低的二次污染排 放而被认为是垃圾焚烧处理技术下一代热化学的处理技术，该项技术的研究在我 国还处于刚刚的阶段，因而在国内已经引起了重视，许多研究已经开始进行。 本文研究的主要内容是对城市固体废弃物的发热值，以及城市固体废弃物在 流化床中加热过程中水分蒸发过程，挥发份析出过程的特性进行研究，为进一步 开发大型垃圾热解装置提供试验和理论的根据。 参考文献 1 北京市环境卫生科学研究所编著，固体废弃物的处理于处置，北京，高等教育 出版社，1 9 9 3 2 聂永丰主编，三废处理工程技术手册( 固体废物卷) ，北京，化学工业出版社， 2 0 0 0 3 王中民，城市垃圾处理与处置，北京，中国环境科学出版社，1 9 9 2 4 华振明，高忠爱，祈梦兰等合编，固体废弃物的处理与处置，北京，高等教育 出版社，1 9 9 3 5 【美】安德森等著，白怡然等译，废物与燃料，北京，科学技术文献出版社， 1 9 8 4 6 朱永安，城市垃圾处理方法评述及综合治理方法的设想，环境工程，( 1 ) 1 5 ( 1 9 9 7 ) ，p 2 3 2 7 7 闻致中，关于对城市垃圾处理及利用问题的探讨，中国人口环境与资源，( 3 ) 6 ( 1 9 9 6 ) ，p 7 4 7 9 8 杜友，垃圾焚烧处理技术进展，新能源，- 2 0 0 0 ，2 2 ( 1 ) ，p 2 4 2 9 9 国家统计局，中国统计年鉴( 1 9 9 8 年) ，北京，中国统计出版社，1 9 9 9 1 0 李靖华，德国垃圾处理技术和垃圾电站，中国电力，1 9 9 9 ( 4 ) ：8 l 8 6 1 1 聂永丰等，我国城市垃圾焚烧技术发展方向探讨，环境科学研究， v 0 1 1 3 ，n o 3 ，2 0 0 0 1 2 屠碧霞，罗国雄，城市垃圾能源化，能源研究与信息，( 1 ) 8 ，1 9 9 4 ，p 3 1 3 4 1 3 国外有害废弃物的焚烧处理方法，环境保护科学，( 3 ) 2 2 ，1 9 9 6 ，p 4 7 塑坚盔堂堡主兰焦鲨塞 塑二童堑堡 1 4 宋国英，牛静波编译，国外城市固体废弃物处理技术进展，国外环境科学技术 1 9 9 3 年，第二期，p 5 3 5 7 1 5 张益，赵由才主编，生活垃圾焚烧技术，北京，化学工业出版社，2 0 0 0 浙江大学硕士学位论文第二章城市生活垃圾迹些鏖堡塞i 堕墨垫笪塑堕室塑笪塞 第二章城市生活垃圾流化床焚烧临界热值的 确定和计算 2 1 引言 城市生活垃圾的大量堆放对社会、人们造成了不便，为此处理垃圾任务迫切， 在综合了各种处理方法之后，焚烧法被认为是最好的。但在实现垃圾的焚烧处理 时，由于垃圾的成分十分复杂，不是任何垃圾都能用焚烧的方法来处理。因此有 必要对所处理的垃圾进行判断，是否可以焚烧。 临界热值为在焚烧垃圾的流化床中，不对焚烧炉进行热负荷的考虑，单从垃圾 焚烧炉的燃料自己提供热量满足稳定燃烧所需的热值。要使城市固体废弃物维持 燃烧，就要求其燃烧释放出来的热量足以提供加热城市固体废弃物到达燃烧温度 所需的热量和发生燃烧反应所必须的活化能。否则，便要添加辅助燃料才能维持 燃烧。这个维持自己本身稳定燃烧的热值，也即临界热值。这个热值对于一般的 固体废弃物进行流化床焚烧过程的设计计算时，有一定的参考价值。并且对于即 时对城市固体废弃物的热值评估有一定参考作用。下表是一些城市生活垃圾的典 型组成及热值分析。 表i 城市生活垃圾组成的典型热值分析数据 组分质量分数( )熟值( k j k g ) 组成水分挥发份固定碳不可燃分湿基千基不含水分和灰分 食物 脂肪 2 09 5 32 5o 23 7 5 3 0 3 8 2 9 63 8 3 7 4 混合食品废物7 0 0 2 1 33 65 04 1 7 51 3 9 1 71 6 7 0 0 水果废物 7 8 71 6 64 00 73 9 7 01 8 6 3 81 9 2 7 1 肉类废物 3 8 85 6 41 83 11 7 7 3 02 8 9 7 03 0 5 1 6 纸制品 卡片纸板5 27 7 51 2 35 o1 6 3 8 0 1 7 2 7 81 8 2 4 0 杂志4 16 6 47 0 2 2 51 2 2 2 0 1 2 7 4 21 6 6 4 8 白报纸6 0 8 1 11 1 51 31 8 5 5 01 9 7 3 42 0 0 3 2 混合废纸1 0 27 5 98 45 41 5 8 1 0 1 7 6 1 l1 8 7 3 8 浸蜡纸板箱 3 49 0 94 51 22 6 3 4 5 2 7 2 7 22 7 6 1 5 浙江大学硕士学位论文第二章城市生活垃圾流化床焚烧临界热值的确定和计算 塑料 混合废塑料0 2 9 5 82 02 03 2 0 0 0 3 2 0 6 43 2 7 2 0 聚乙烯0 29 8 5 o 11 24 3 4 6 54 3 5 5 2 4 4 3 8 2 聚苯乙烯o 2 9 8 70 70 53 8 1 9 0 3 8 2 6 63 8 2 1 6 聚氨酯0 2 8 7 18 34 42 6 3 6 02 6 1 1 22 7 3 1 6 聚乙烯氯化物 0 28 6 91 0 82 12 2 6 9 02 2 7 3 52 3 2 2 4 木材、树枝等 花园修剪垃圾 6 0 o3 0 09 50 56 0 5 01 5 1 2 51 5 3 1 6 木材5 0 0 4 2 1 37 30 44 8 8 5 9 7 7 09 8 4 0 坚硬木材1 2 ，07 5 11 2 40 51 7 1 0 01 9 4 3 21 9 5 4 2 混合木材2 0 06 7 9】3o 81 5 4 4 41 9 3 4 4】9 5 0 0 皮革、橡胶、衣物销 混合废皮革1 0 06 8 51 2 59 01 8 5 1 52 0 5 7 22 2 8 5 8 混合废橡胶1 28 3 94 99 92 5 3 3 02 5 6 3 82 8 4 9 3 混合废衣物 1 0 06 6 01 7 56 51 7 4 4 5 1 9 3 8 3 2 0 8 9 2 玻璃、金属等 玻璃和矿石2一一9 6 9 91 9 62 0 02 0 0 金属、罐头听2一一9 6 9 91 4 2 51 5 0 01 5 0 0 黑色金属2一一9 岳母9 有色金属2一一9 6 - 9 9 其他 办公室清扫垃圾3 22 0 56 37 0 08 5 3 58 8 1 73 1 9 4 7 城市废弃物 2 0 ( 1 5 2 0 ) 5 3 ( 3 0 - - - 6 0 )7 ( 5 1 5 ) 2 0 ( 9 3 0 ) 1 0 4 7 01 3 0 9 01 7 4 5 0 工业废弃物 5 ( 1 0 - 3 0 ) 5 8 ( 3 0 - - 6 0 ) 7 ( 5 - 1 5 ) 2 0 ( 1 0 - 3 0 ) 1 1 6 3 01 3 6 8 21 7 8 9 2 2 2 燃烧过程主要参数 针对临界热值的计算，需要进行一定参数的控制。其最主要原因是因为固体 废弃物焚烧过程中会产生一定量的毒性物质及其其他一些污染物，例如酸性气体、 氮氧化物、重金属、毒性有机氯化物( p c d d s ，p c d f s ) 。这些参数主要为焚烧温度， 停留时间，过剩空气等，而这些参数的控制与废弃物在流化床中是否能稳定自燃 是密切相关的。 ( 一) 焚烧温度 废物的焚烧温度是指废物中有害组分在高温下氧化、分解直至破坏说须达到 塑坚盔堂堡圭堂焦垒奎 苎三茎堡更生堂丝墨煎些盎茎壅! 堕墨垫堕箜堕塞塑盐簦 的温度。它比固体废弃物的着火温度要高的多。 一般说提高焚烧温度有利于废物中有机毒物的分解和破坏，并可抑制黑烟的 产生。但过高的焚烧温度不仅增加了燃料消耗量，而且会增加废物中金属的挥发 量及氧化氮数量，引起二次污染。因此不能随意确定较高的焚烧温度。 合适的焚烧温度是在一定的停留时间下由实验确定的。大多数有机物的焚烧 温度范围在8 0 0 1 1 0 0 c 之间，通常在8 0 0 9 0 0 c 左右。针对不同的固体废弃物， 需要确定不同的焚烧温度。 ( 1 ) 对于废气的除臭处理，采用8 0 0 9 5 0 c 的焚烧温度可取得良好效果。 ( 2 ) 当废物粒子在0 0 1 o 5 1um 之间，并且供氧浓度与停留时间适当时， 焚烧温度在9 0 0 1 0 0 0 之间即可避免产生黑烟。 ( 3 ) 含氯化物的废物焚烧，焚烧温度在8 0 0 8 5 0 c 以上时，氯气可以转化成 氯化氢，回收利用或以水洗涤除去；低于8 0 0 c 会形成氯气，难以除去。 ( 4 ) 焚烧可能产生氧化氮( n o 。) 的废物时，温度控制在1 5 0 0 以下，过高 的温度会使n o 。急骤产生。 ( 5 ) 高温焚烧是防治p c d d 与p c d f 产生的最好办法估计在9 2 5 c 以上时这 些毒性有机物即开始被破坏，足够的空气与废气在高温区的停留可以再降低破坏 温度。 ( 二) 停留时间 固体废物中有害组分在焚烧炉中处于焚烧条件下，该组分发生氧化、燃烧， 使有害物质变成无害物质所需时间称之为停留时间。 城市固体废弃物在炉内焚烧所需停留时间是由许多因素决定的，如废物进入 炉内的形态( 固体颗粒的大小形状等) 对焚烧所需时间时间影响也是很大的。固 体废弃物的颗粒直径较小时，与空气接触表面积大，氧化、燃烧条件好停留时间 就可以短一些。对于垃圾焚烧，如温度维持在8 5 0 1 0 0 0 之间，有良好的搅拌与 混合，使垃圾的水气易于蒸发，燃烧气体在燃烧室的停留时间可以较短，为l 2 s 。 ( 三) 过剩空气 在实际的燃烧系统中，氧气与可燃物质无法完全达到理想程度的混合反应。为使 燃烧完全，仅供给理论空气量很难使其完全燃烧，需要加上比空气量更多的助燃 空气量，以使废物与空气能完全混合燃烧。 固体废弃物焚烧所需空气量，是由废物燃烧所需理论空气量和为了供氧充分而加 入的过剩空气量两部分所组成的。空气量的供应是否足够，将直接影响焚烧的完 善程度。 2 3 主要焚烧参数计算 塑堡盔堂堡圭堂垡垒塞整三童丝堕生适丝墨迹些盎茎缝! 堕墨垫堡塑塑塞塑盐墨 焚烧炉质能平衡计算，是根据废物的处理量、物化特性，确定所需的助燃空气量、 燃烧烟气产生量和其组成以及炉温等主要参数，是后续炉体大小、尺寸、送风机、 燃烧器、耐火材料等附属设备设计参考的依据。 ( 一) 燃烧需要空气量 1 理论燃烧空气量 理论燃烧空气量是指废物( 或燃料) 完全燃烧时，所需要的最低空气量，一般 以a 。来表示。其计算方式是假设液体或固体废物l k g 中的碳、氢、氮、氧、硫、 灰分以及水分的质量分别以c 、h 、n 、0 、s 、a s h 及w 来表示，则理论空气量为： ( 1 ) 体积基准 a o ( i n k g ) = i 0 2 1 1 8 6 7 c + 5 6 ( h o 8 ) + 0 7 s 】 ( 2 ) 质量基准 a o ( k g k g ) = i 0 2 3 1 ( 2 6 7 c + 8 h - o + s 1 其中( h o 8 ) 称为有效氢。因为燃料中的氧是以结合水的状态存在，在燃烧中 无法利用这些与氧结合成水的氢，故需要将其从全氢中减去。 2 实际需要燃烧空气量 实际供给的空气量a 与理论空气量a o 的关系为： a = a a o ( 二) 焚烧烟气量及其组成 1 烟气产生量 假定废物以理论空气量完全燃烧时的燃烧烟气量称为理论烟气量。如果废物组 成已知，以c 、h 、n 、s 、c l 、w 表示单位废物中碳、氢、氮、氧、硫、氯、和 水分的质量比，则理论燃烧湿基烟气量为： g o ( m 3 k g ) = 0 7 9 a o + 1 8 6 7 c + 0 7 s + 0 6 3 1 c i + 0 8 n + 1 1 2 h + 1 2 4 4 w 或 g o ( m 3 k g ) = 0 7 7 a 0 + 3 6 7 c + 2 s + 1 0 3 c i + n + 9 h + w 式中h = h c l ，3 5 5 而理论燃烧干基烟气量为： g o ( m 3 k g ) = 0 7 9 a o + 1 8 6 7 c + 0 7 s + 0 6 3 l c l + o 8 n 或 g o ，( m 3 k g ) = 0 7 9 a o + 3 6 7 c + 2 s + 1 0 3 c i + n 将实际焚烧烟气量的潮湿气体和干燥气体分别以g 和g 来表示，其相互关系 可用下式来表示： o = g o + ( m - 1 ) a o g = g o + r m 一1 ) a o 2 烟气组成 浙江大学硕士学位论文第二章城市生活垃圾流化床焚烧临界热值的确定和计算 固体或废弃物燃烧烟气组成可依下表所示方法计算。 组体积百分组成质量百分组成 成 c 0 2 1 8 6 7 c g1 8 6 7 c g 3 6 7 c g3 6 7 c g s 0 2 0 7 s g0 7 s g 2 s g2 s g h c l0 6 3 1 c l g0 6 3 1 c l ，g 1 0 3 c l g1 0 3 c i g 0 2 o 2 1 “n 一1 ) a o g 0 2 1r m 1 ) a d g o 2 3 ( m 一1 ) a o go 2 3 r j l l - 1 ) a o g n 2 r 0 8 n + 0 7 9 m a o ) g f 0 8 n + 0 7 9 m a o ) g f n + o 7 7 m a o ) g( n + 0 7 7 m a o ) g h 2 0 f 1 1 2 h + 1 2 4 4 w ) g( 9 h + w ) g ( 三) 发热量计算 常用发热量的名称，大致可分为干基发热量、高位发热量与低位发热量等三 种。 ( 1 ) 干基发热量是废物不包括含水分部分的实际发热量，称干基发热( h d ) 。 ( 2 ) 高位发热量高位发热量又称总发热量，是燃料在定压状态下完全燃烧， 其中的水分燃烧生成的水凝缩成液体状态。热量计测得值即为高位发热量( h h ) 。 ( 3 ) 低位发热量实际燃烧时，燃烧气体中的水分为蒸气状态，蒸气具有的凝缩 潜热及凝缩水的显热之$ 2 5 0 0 u a g 无法利用，将之减云后即为低位发热量或净发热 量，也称真发热量( h 1 ) 。 1 干基发热量、高位发热量与低位发热量的关系 三者关系如下： h d ：j 坠 ( 1 一) h 1 = h h 一2 5 0 0 ( 9 h + w ) 式中，w 为废物水分含量：h 为废物湿基元素的含量；h d 为干基发热量，k j k g ； h h 为高位发热量，k j k g ；h 1 为低位发热量，k j k g 。 2 发热量计算公式 ( 1 ) d ul o n g 公式 h h ( k j k g ) = 3 4 0 0 0 c + 1 4 3 0 0 0 ( h o ) + 1 0 5 0 0 s 8 ( 2 ) s c h e u r e r ，k e s t n e r 式 h h ( k j k g ) ：3 4 0 0 0 ( c 一三o ) + 1 4 3 0 0 0 h + 9 4 0 0 s + 2 3 8 0 0 3 0 44 ( 3 ) s t e u e r 式 塑坚盔堂堡主兰垡堡苎墨三童塑立生适苎墨煎些盎茎缝堕墨垫堡堕塑塞塑盐兰 h h ( k j k g ) - 3 4 0 0 0 ( c 一；o ) + 2 3 8 0 0 8 3 _ o + 1 4 4 2 0 0 ( h 一1 1 6 0 ) + 1 0 5 0 0 s ( 4 ) 化学工学便览公式 h h ( k j k g ) = 3 4 0 0 0 c - f1 4 3 0 0 0 ( h o ) + 9 3 0 0 s ( 四) 废气停留时间 所谓废气停留时间是指燃烧所生成的废气在燃烧室内与空气接触时间，通常 可以表示如下： 一” 82 j o d v g 式中，目为气体平均停留时间，s ；v 为燃烧室内容积，m s ；q 为气体的炉温状况下 的风量，m 3 s 。 ( 五) 燃烧室容积热负荷 在正常运转下，燃烧室单位容积在单位时间内由垃圾及辅助燃料所产生的低位 发热量，称为燃烧室容积热负荷( q v ) ，是燃烧室单位时间、单位容积所承受的热 量负荷，单位为l d ( m 3 h ) 。 o 。；生：坚! 墨! 堕生垒坠二剑 v 式中，f ，为辅助燃料消耗量，k g h ；h f l 为辅助燃料的低位发热量，k j k g ；f 。 为单位时间的废物焚烧量，k g k g ；儿。为废物的低位发热量，k j k g ；a 为实际供给 每单位辅助燃料与废物的平均助燃空气量，k g k g ；c ，为空气的平均定压热容， k j ( k g ) ；t 。为空气的预热温度，：t o 为大气温度，：v 为燃烧室容积，m 3 。 ( 六) 焚烧温度推估 若燃烧过程中化学反应所释出的热完全用于提升生成物本身的温度，则该温度 称为绝对火焰温度。从理论上而言，对单一燃料，可以根据化学反应式及其各物 种的定压比热，借助精细的化学反应平衡方程组推求各生成物在平衡时的湿度及 浓度。但是焚烧