固体废物污染控制工程张小平二版 固体废物的焚烧处理技术课件.ppt

第5章固体废物的焚烧处理技术 1 概述2 燃烧反应过程的动力学规律3 燃烧反应计算4 焚烧系统5 垃圾焚烧技术工艺6 固废焚烧过程中烟气的产生及其控制7 焚烧过程的环保标准 1 概述1 1焚烧或燃烧的定义 从焚烧 incineration 或燃烧 combustion 过程的表象来看 焚烧或燃烧是一种伴有火焰发生的快速放热反应 从燃烧的最终结果来看 它是物质间的一种能量转换过程 是通过燃料和氧化剂在一定条件下进行的具放热和发光特点的剧烈氧化反应 将燃料的内能转化为热能 就其本质特性而言 燃烧是指把具有强烈放热效应 有基态和电子激发态的自由基出现的并伴有光辐射的化学反应现象称为燃烧 1 2固体废物焚烧过程的 三化 特性 1 减量化 固体废物经过焚烧 可减重80 以上 减容90 以上 与其他处理技术比较 减量化是它最卓越的效果 2 无害化 与卫生填埋和堆肥所存在的潜在环境危害相比 其无害化特性具有明显优势 固废经焚烧 可以破坏其组成结构 杀灭病原菌 达到解毒除害的目的 3 资源化 固废含有潜在的能量 通过焚烧可以回收热能 并以电能输出 由以上可见 固体废物的焚烧 是一种同时具有减量化 无害化和资源化的处理技术 1 3燃烧过程分析 从定义知 燃烧是燃料 固体废物 和氧化剂两种组分在一定空间及时间激烈地发生放热化学反应的过程 燃烧反应是过程进行的主体 是内因 而燃烧装置则是使这一过程得以实现的外部环境 二者缺一不可 当然 燃烧也可以不在具体的燃烧装置里进行 但热能不能利用 还会造成环境污染 焚烧过程各因素间的关系 燃烧反应过程 反映化学本征动力学特性 物理环境 流动 混合特性及传质 传热规律 反应规律 系统行为 装置特性 不变化 变化 分解 简化 分别研究 动量衡算质量衡算能量衡算 揭示系统行为 规律构建系统的数学模型 燃烧系统 不变化 指导设计 放大和优化 燃烧反应器 焚烧炉 中的燃烧过程是伴有流动 传质和传热等物理过程的热化学反应过程 这些过程相互作用和影响 共同决定燃烧系统的行为和特性 是一个极为复杂的综合过程 而垃圾焚烧要提高效率和优化的关键则着重于改善焚烧过的传递条件 如选择合适炉型 改善气 固相间的接触 提高燃烬率 降低气相有毒有害物质的再合成 动力学分析可知 燃烧过程炉型的变化并不影响本征的化学反应过程 即燃烧过程的化学反应是一定的 而改变的只能是装置的特性 流体动力学行为 因此目前主要通过改进炉型结构和工艺过程 进而改变流体动力学和传递特性 来降低焚烧的二次污染和提高能源的利用率 1 4固体废物的可燃性 1 固体废物的热值 定义 固体废物的热值是指单位质量的固体废物燃烧所释放出来的热量 单位为kJ kg 1 热值的表示方法 热值有两种表示法 即高位热值 HHV或QH 和低位热值 LHV或QL 高位热值和低位热值的意义相同 均指化合物在一定温度下反应到达最终产物的焓变 其区别在于 反应产物的状态不同 QH的终态H2O为气态 QL终态H2O是液态 因此 QH QL 水的汽化潜热 1 4固体废物的可燃性 高位热值与低位热值的关系QL QH 2420式中H2O为焚烧产物中水的质量百分率 H Cl F 废物中H Cl F含量的质量百分率 1 4固体废物的可燃性 2 热值与可焚烧性的关系要使固体废物维持燃烧 就要求其燃烧所释放出的热量足以提供废物达到燃烧温度所需要的热量和发生燃烧反应所需的活化能 否则 要维持燃烧 必须添加辅助燃料 对生活垃圾来说 当QL6000kJ kg 1时 可稳定焚烧 供热 电发皆稳定 1 5垃圾焚烧现状 1 国外虽然世界各国垃圾的处理方式仍以填埋为主 但自20世纪70年代以来 垃圾的焚烧技术在发达国家得到了较快的发展 如日本的垃圾的焚烧比例在20世纪90年代中期已达75 1900座 瑞士 比利时 丹麦 法国 卢森堡 瑞典 新加坡等国焚烧的比例也都接近或超过填埋 垃圾焚烧技术正逐步成为各国主要的垃圾处理方式 1 5垃圾焚烧现状 2 国内我国垃圾焚烧技术的研究起步于20世纪80年代中期 其时 城市生活垃圾焚烧处理技术 被列入 八五 期间的国家科技攻关项目 目前 随着我国经济的高速发展 人们生活水平的提高 城市化进程的加快 城市垃圾的可燃成分大量增加 垃圾的热值明显提高 使焚烧技术成为近年许多城市解决垃圾出路的新趋势 新热点 特别是东部沿海地区和部分中心城市 正在或将要建设垃圾焚烧厂 如深圳 已建 珠海 已建 广州 在建 上海 北京 顺德 中山 常州 厦门 北海 沈阳等城市 将建设垃圾焚烧厂的任务提到了办事日程 1 5垃圾焚烧现状 深圳市1985年 引进日本三菱重工的垃圾焚烧技术 设备 建成我国第一座现代化垃圾焚烧发电厂 深圳市政环卫综合处理厂 该厂1985年开工 1988年11月第一 二条生产线投产 每条生产线日处理垃圾150t 在 八五 攻关项目的基础上 又增建了150t d 1的三号炉 国产化率达85 1 5垃圾焚烧现状 广州市目前在建的垃圾焚烧发电厂为德国巴高克公司的成套技术和设备 总投资6 3亿元人民币 该项目投产后日处理垃圾1000t d 1 减容90 系统配置为2炉1机 所采用的技术为当今国际先进水平 烟气排放标准达到或超过目前西欧国家同类设施的标准 广州生活垃圾焚烧发电厂投入运行 李坑生活垃圾焚烧发电厂 一期工程 2005 10 23 一期是今年广州市重点工程项目之一 项目总投资7 25亿元 此次投入运行的一期工程设计日处理垃圾1040吨 占目前日产生活垃圾量的约1 7 该厂年发电1 3亿度 能满足10万户家庭生活所需 是符合广州特点 达到国内领先水平的垃圾焚烧发电厂 一期用地仅为3 2万平方米 是兴丰垃圾填埋场的1 10 二期工程 根据 广州市固体废物污染防治规划 李坑垃圾焚烧发电厂二期工程总投资10亿元 设计日处理生活垃圾2000吨 将于2007至2008年建成投产 届时 该发电厂将成为世界最大的生活垃圾焚烧发电厂 2010年前 广州还将在大田山建设一座日处理3000吨的生活垃圾焚烧发电厂 广州生活垃圾焚烧处理量将达到每天6000吨的规模 届时 广州的垃圾处理将正式由目前的填埋为主 转变为以焚烧发电为主 此次李坑垃圾焚烧发电厂的投入运行将大大缓解兴丰生活垃圾填埋场的作业压力 标志着广州的生活垃圾处理方法和处理水平已跨入世界先进水平 李坑垃圾焚烧发电厂建设采用了多项世界领先的环保技术 烟尘 二氧化硫 氮氧化物等排放标准远优于国家排放标准 与欧洲同类型垃圾焚烧厂水平相当 而运行的实时监测结果远小于这个标准 维也纳 巴黎等一些欧洲城市的垃圾焚烧发电厂建在了城市中心区域 有些还成了城市一大景观 广东省城市垃圾的发热量在全国是比较高的 特别是珠三角经济发达地区 如南海 佛山 顺德 珠海 汕头 深圳等城市 垃圾的热值达到7000kJ kg 1以上 目前广州垃圾的热值约5000kJ kg 1左右 到广州垃圾焚烧发电厂建后可望达到6000kJ kg 1 具备焚烧发电的基本要求 1 6固体废物焚烧的控制因素 1 固体废物在焚烧炉中充分燃烧的条件 A 燃烧所需的氧气 空气 能充分供给 B 反应系统有良好的搅动 废物与氧良好的接触 C 系统的操作温度必须足够高 2 基本控制因素 废物在焚烧炉中与空气接触的时间 即停留时间 废物与空气之间的混合量 即混合程度或湍流度 T 反应进行的温度 t 1 6固体废物焚烧的控制因素 3 三者之间的关系 3T间的关系 E 燃烧效果 t T 我们用一个等边三角形三个边分别代温度 停留时间和混合程度或湍流度 用三角形的面积表示燃烧效果或效率 则由于某种原因 它的某个边变短了 那么 为保持同样大的面积 即燃烧效果 三角形的另二边就必须延伸 例如 焚烧炉中 废物和空气的混合量减少了 就必须延长停留时间或提高温度 才能达到同样的燃烧效果 同样 炉温降低了 为达到同样的燃烧效果 就必须充分地搅动和延长停留时间 1 7焚烧 燃烧 效果 在实际的燃烧过程中 因某种原因 其操作达不到理想效果 使得废物燃烧过程不完全 这就是燃烧效果问题 评价焚烧效果的方法有 目测法 热灼减量法和CO法等 1 目测法 通过观察烟气的 黑度 来判断焚烧效果 烟气越黑 效果当然越差 2 热灼减量法 它是用焚烧炉渣中有机可燃物的量来评价焚烧效果的 可表示为 ES为焚烧效果 WL为单位质量炉渣中热灼减量 kg Wf 为单位质量废物中的可燃物量 kg 1 7焚烧 燃烧 效果 3 CO法 Eg为燃烧效率 Eg越大 燃烧效果越好 1 8现代焚烧系统基本组成 废物预处理 拚混喷雾筛分推出机破碎螺旋加料器加热吹管 液体喷射转窑炉固定床流化床 废气处理 急冷文丘里添料塔热回收静电除尘器喷雾塔离子化IWS筛板塔袋式除尘器IWS ESP 预处理 焚烧 烟气处理 除尘 洗涤 除尘器烟囱 炉灰处理 残余物处理 焚烧 脱水化学稳定安全填埋 回收 中和化学处理 POTW 图6 3焚烧系统组成图IWS离子化湿式洗涤器 公共废物处理厂 2 燃烧反应过程的动力学规律2 1固体废物燃烧的异相反应特性 2 1 1固体废物焚烧的异相反应速度气固异相反应速度 是指单位时间 单位反应表面上物质的反应量 即 固体废物与O2反应通常包括以下几个步骤 O2自气相主体向反应表面的传递 扩散 O2被反应表面吸附 发生表面化学反应 反应产物的脱附 气相产物向表面气相主体的扩散 2 1固体废物燃烧的异相反应特性 上面各步骤串联进行 稳态时 各步速率相等 即 1 异相燃烧反应的动力区和扩散区若O2的气相主体浓度为cb 表面浓度为ci 则根据膜扩散理论 扩散通量为 反应速率 6 1 6 2 式中 为表面反应速率 为表面反应速度常数 2 1固体废物燃烧的异相反应特性 稳态时 6 3 将式 6 1 和式 6 2 做如下变换 并用代替Nd和ri 则式 6 1 变为 6 5 6 4 式 6 2 变为 ci 消去未知的ci 即 6 4 6 5 得 cb 6 6 2 1固体废物燃烧的异相反应特性 若为一级反应 则 cb 6 7 6 8 6 9 该式即为同时考虑扩散和反应规律的表面反应速率表达式 且化学反应为一级 将式 6 8 写成 6 10 综合速率常数 2 1固体废物燃烧的异相反应特性 对式 6 10 进行讨论 当ki kd时 如当低温区时 则 6 11 6 12 此时 总体反应速率取决于化学动力学因素 称为异相反应处于 动力区 当ki kd时 例如高温区 则 这种情况下 异相反应速率取决于气相反应介质 O2 向反应表面的扩散传质速度 称反应处于 扩散区 2 1固体废物燃烧的异相反应特性 由此可见 若反应处于动力区 则强化燃烧过程的主要手段是提高系统的反应温度 若反应处于扩散区 则为了强化燃烧过程则应设法增大传质系数 这可通过增加流体 气体 的流速 减少颗粒直径而达到 2 1固体废物燃烧的异相反应特性 因为 而Sh 式中 D为扩散系数 d为特征尺寸 此处为颗粒直径 当为层流时Sh 2故 由此可知 若反应处于扩散区 可通过增加流体的流速和减少颗粒直径 来增大传质系数从而强化燃烧过程 2 1固体废物燃烧的异相反应特性 2 固体的内部反应上面我们介绍的反应是在固体表面上进行的 固体废物具有多孔性 O2可进入内部进行反应 设固体颗粒的半径为R 外表面积为A 颗粒内部单位体积所具有的内表面面积为Ai 则粒子的总反应表面积为 6 13 6 14 为有效反应速率常数 2 1固体废物燃烧的异相反应特性 当温度很低时 化学反应速率很慢 则ri Nd 可认为内表面上的氧气浓度等于ci 则 当温度很高时 化学反应速率很快 即 则 可认为内部反应基本停止 故 2 固体的内部反应 动力学方程中的表面浓度ci 难以用试验测定 反应工程学中采用效率因子法和表观动力学法 以主体浓度cb代替ci 表现动力学法将传递的影响因素归并于速率常数K之中 则K不仅由反应的特性决定 而且与传递特性有关 而本征动力学中的k则由化学因素决定 效率因子法即传递过程的影响归并于效率因子 中 虽然ci难以测定 但可通过传递方程得到ci与cb的关系 以C粒的燃烧反应为例 设碳粒的半径为R 气相O2的浓度为 假设该过程只有分子扩散存在 故对任何一半径为r的球形面来说 则氧气的扩散量为 6 15 2 固体的内部反应 对 6 15 求导 6 16 对稳态过程 且不存在外部空间的反应 则dq 0 故 6 17 即 6 18 2 固体的内部反应 故 6 19 求解式 6 19 得 6 20 2 固体的内部反应 根据kGcb kci将 6 20 代入 得到表现速率常数 式中 6 21 由式 6 21 可知 减小碳粒的直径 使扩散阻力减少 R D 进而使反应速率加大 当R 0时 有kG k传递影响消除 就是说 温度不变时 随着碳粒的烧烬 燃烧过程总是要进入动力区的 2 2C和H的燃烧反应机理及动力学特性 固体废物中可燃物质主要为C和H 因此 以C和H的燃烧反应为例 了解固体废物焚烧过程的本征动力学规律 例如对一个简单反基元应来说 aA bB cC dD 2 2C和H的燃烧反应机理及动力学特性2 2 1氢的燃烧反应机理及动力学 我们知道 对氢的氧化反应来说 其反应式是2H2 O2 2H2 则反应的动力学方程似乎应是 但实际并非如此 因为上式不是基元反应 惟基元反应才能按质量作用定律直接写出反应的速率方程 2 2 1氢的燃烧反应机理及动力学 氢的的燃烧反应机理被认为是典型支链反应 其基本反应方程式如下 链的产生 AH2 O2 2OHBH2 2 MCO2 O2 O3 O 链的继续及支化 H O2 OH O OH H2 H2O H O H2 OH H 器壁断链 链的终止 别外还有空间断链 总之 反应循环进行 引起 原子数的不断增加 将链支化的三步相加 即H O2 OH O2OH 2H2 2H2O 2H O H2 OH HH 3H2 O2 2H2O 3H 在三个反应中 的活化能最大 7 54 104 和 的活化能较小 因此 速率的控制步骤为 步 则 2 2 2碳的燃烧反应机理及动力学 1 碳与氧的反应 即燃烧反应 有 2 C与CO2反应 3 一氧化碳CO的氧化反应2CO O2 2CO2 571 kJ mol 1 由上述这些反应可见 初次反应和二次反应都生成CO和CO2 根据对碳氧化反应机理的研究表明 碳与氧可结合成一种结构不定的质点 CxOy 该质点或者在氧分子的撞击下分解成CO和CO2 或者为简单的热力学分解 即 mCO2 nCO CxOy mCO2 nCO生成CO2和CO的多少 即m和n值的大小 与温度有关 1 当温度低于1200 1300 时 反应分两阶段进行 第一步是氧在石墨内迅速溶解 即4C 2O2 4C 2 O2 溶 1 第二步 溶液在氧分子的撞击下缓慢分解 即4C 2 O2 溶 O2 2CO 2CO2 2 则总反应为4C 3O2 2CO 2CO2 3 两个反应中 第 2 个反应较慢 决定着总反应的速率 对O2来说 属1级反应 因此 反应速率可表示为 6 23 2 当温度高于1500 1600 时 同样 反应分两步进行 先是O2在碳晶格上的化学吸附 即 第二步是质点的热力学分解 二式相加 3C 2O2 2CO CO2 6 热力分解的一步较慢 为控制步骤 该反应为0级反应 故 6 24 由以上分析可知 在高温条件下 增加O2的浓度 并不能提高反应速率 而低温时 增加O2的浓度可提高C的燃烧反应速率 燃烧时生成CO2与CO的比例 在低温时 为1 1 高温时为1 2 4 焚烧系统 4 1焚烧系统概述实际上 垃圾焚烧系统应包括整个垃圾焚烧厂 即从垃圾的前处理到烟气处理整个过程 此处的焚烧系统仅指垃圾进入焚烧炉内燃烧生成产物 气和渣 及排出的过程 即焚烧系统只涉及垃圾的接收 燃烧 出渣 燃烧气体的完全燃烧以及为保证完全燃烧助燃空气的供应等 如图6 4所示 4 焚烧系统 4 1焚烧系统概述图6 4垃圾焚烧炉的燃烧过程 4 焚烧系统 焚烧系统与前处理系统 余热利用系统 助燃空气系统 烟气处理系统 灰渣处理系统 废水处理系统 自控系统等密切相关 但焚烧炉是焚烧过程的关键和核心 它为垃圾燃烧提供了进行的场所和空间 其结构和型式将直接影响SW的燃烧状况和效果 4 焚烧系统 SW在焚烧炉中燃烧过程包括 1 固体表面的水分蒸发 2 固体内部的水分蒸发 3 固体中挥发性成分的着火燃烧 4 固体碳的表面燃烧 5 完成燃烧 燃烬 1 和 2 为干燥过程 3 5 为燃烧过程 4 焚烧系统 4 2焚烧炉从不同角度可对焚烧炉进行分类 按焚烧室的多少可分为 单室焚烧炉和多室焚烧炉 按炉型分为固定炉排炉 机械炉排炉 流化床炉 回转窑炉和气体熔融炉等 4 2 4机械炉排炉图6 8所示为机械炉排炉燃烧的概念图 4 焚烧系统 图6 8机械炉排炉燃烧的概念图 4 焚烧系统 机械炉排炉可大体分为三段 干燥段 燃烧段 燃烬段 干燥段 垃圾的干燥包括 炉内高温燃烧空气 炉侧壁以及炉顶的放射热的干燥 从炉排下部提供的高温空气的通气干燥 垃圾表面和高温燃烧气体的接触干燥 垃圾中部分的燃烧干燥 利用炉壁和火焰的辐射热 垃圾从表面开始干燥 部分产生表面燃烧 干燥垃圾的着火温度一般为200 左右 如果提供200 以上的燃烧空气 干燥的垃圾便会着火 燃烧便从这部分开始 垃圾在干燥段上的停留时间约为30min 4 焚烧系统 燃烧段 这是燃烧的中心部分 在干燥段垃圾干燥 热分解产生还原性气体 在本段产生旺盛的燃烧火焰 在后燃烧段进行静态燃烧 表面燃烧 燃烧段和后燃烧段界线称为 燃烧完了点 即使垃圾特性变化 但也应通过调节炉排速度而使燃烧完了点位置尽量不变 垃圾在燃烧段的停留时间约30min 总体燃烧空气的60 80 在此段供应 为了提高燃烧效果 均匀地供应垃圾 垃圾的搅拌混合和适当的空气分配 干燥段 燃烧段和燃烬段 等极为重要 空气通过炉排进入炉内 所以空气容易从通风阻力小的部分流入炉内 但空气流入过多部分会产生 烧穿 现象 易造成炉排的烧损并产生垃圾熔融结块 因此 设计炉排具有一定且均匀的风阻很重要 4 焚烧系统 燃烬段 将燃烧段送过来的固定碳素及燃烧炉渣中未燃烬部分完全燃烧 垃圾在燃烬段上停留约1h 保证燃烬段上充分的停留时间 可将炉渣的热灼减率降至1 2 4 焚烧系统 4 2 5流化床焚烧炉流化床以前用来焚烧轻质木屑等 但近年来开始用于焚烧污泥 煤和城市生活垃圾 其特点是适用于焚烧高水分的物质类等 流化床焚烧炉的流态化原理对选择流化床的结构和形式至关重要 根据风速和垃圾颗粒的运动而处于不同流区的流态化可分为 固定床 沸腾流化床 鼓泡流化床 湍动流化床和循环流化床 快床 见图6 9 4 焚烧系统 4 2 5流化床焚烧炉流化床以前用来焚烧轻质木屑等 但近年来开始用于焚烧污泥 煤和城市生活垃圾 其特点是适用于焚烧高水分的物质类等 流化床焚烧炉的流态化原理对选择流化床的结构和形式至关重要 根据风速和垃圾颗粒的运动而处于不同流区的流态化可分为 固定床 沸腾流化床 鼓泡流化床 湍动流化床和循环流化床 快床 见图6 9 4 焚烧系统 图6 9流化床的原理 4 焚烧系统 图6 10所示为流化床的结构 一般将垃圾粉碎到20cm以下再投入到炉内 垃圾和炉内的高温流动砂 650 800 接触混合 瞬时间气化并燃烧 未燃烬成分和轻质垃圾一起飞到上部燃烧室继续燃烧 一般认为上部燃烧室的燃烧占40 左右 但容积却为流化床层的4 5倍 同时上部的温度也比下部流化床层高100 200 通常也称其为二燃室 不可燃物沉到炉底和流动砂一起被排出 然后将流动砂和不可燃物分离 流动砂回炉循环使用 垃圾灰分的70 左右作为飞灰随着燃烧烟气流向烟气处理设备 流动砂可保持大量的热量 有利于炉子再起动 4 焚烧系统 4 3焚烧炉的比较 表6 3几种生活垃圾焚烧炉的比较 5 垃圾焚烧技术工艺 5 1概述生活垃圾焚烧厂的系统构成在不同的国家 研究机构有不同的划分方法 或由于垃圾焚烧厂的规模不同而具有不同的系统构成 但现代化生活垃圾焚烧厂的基本内容大体相同 其一般的工艺流程框图可参见图6 12 5 垃圾焚烧技术工艺 图6 12垃圾焚烧厂的一般工艺流程框图 5 垃圾焚烧技术工艺 5 2垃圾焚烧厂一般工艺流程图6 13为某一垃圾焚烧厂主厂的工艺布置纵剖视图 5 垃圾焚烧技术工艺 图6 13垃圾焚烧厂主厂房的工艺布置纵剖视图 5 垃圾焚烧技术工艺 5 2 1前处理系统垃圾焚烧厂前处理系统也可称为垃圾接收贮存系统 其一般的工艺流程如下 生活垃圾由垃圾运输车运入垃圾焚烧厂 经过地衡称重后进入垃圾卸料平台 也可称为倾卸平台 按控制系统指定的卸料门将垃圾倒入垃圾贮坑 5 垃圾焚烧技术工艺 5 2 2垃圾焚烧系统垃圾焚烧系统的一般工艺流程如下 2020 1 29 67 可编辑 5 垃圾焚烧技术工艺 5 2 3余热利用系统设置余热锅炉的余热利用系统 其回收能量的方式有多种 1 利用余热锅炉所产生的蒸汽驱动汽轮发电机发电 以产生高品位的电能 这种方式在现代化垃圾焚烧厂应用最广 2 提供给蒸汽需求单位及本厂所需的一定压力和温度的蒸汽 3 提供热水需求单位所需热水 5 垃圾焚烧技术工艺 对于采用余热锅炉的垃圾焚烧厂 余热利用系统的工艺流程如下 5 垃圾焚烧技术工艺 对于没有设置余热锅炉 采用喷水冷却方式的垃圾焚烧厂 其烟气冷却的工艺流程为 有些垃圾焚烧厂 采用余热锅炉和喷水冷却相结合的方式 其工艺流程为 5 垃圾焚烧技术工艺 5 2 4烟气处理系统烟气处理系统主要是去除烟气中的固体颗粒 烟尘 硫氧化物 氮氧化物 氯化氢等有害物质 以达到烟气排放标准 减少环境污染 烟气处理系统一般有下列几种设备组合 5 垃圾焚烧技术工艺 前二种设备组合为目前各国垃圾焚烧厂通常采用的烟气处理系统 后一种设备组合可供烟气排放标准较低的地区 在建设小型垃圾焚烧厂时选用参考 5 垃圾焚烧技术工艺 5 2 5灰渣处理系统灰渣处理系统一般有以下几种工艺流程 5 垃圾焚烧技术工艺 5 2 6助燃空气系统助燃空气系统是垃圾焚烧厂中的一个非常重要的组成部分 它为垃圾的正常燃烧提供了必需的氧气 它所供应的送风温度和风量直接影响到垃圾的燃烧是否充分 炉膛温度是否合理 烟气中的有害物质是否能够减少 助燃空气系统的一般工艺流程为 5 垃圾焚烧技术工艺 5 2 7废水处理系统垃圾焚烧厂中废水的主要来源有 垃圾渗滤水 洗车废水 垃圾卸料平台地面清洗水 灰渣处理设备废水 锅炉排污水 洗烟废水等 不同废水中有害成分的种类和含量各不相同 因此也应采取不同的处理方法 但这种做法过于复杂 也不现实 通常按照废水中所含有害物的种类将废水分为有机废水和无机废水 针对这两种废水采用不同的处理方法和处理流程 5 垃圾焚烧技术工艺 废水的处理方法很多 不同的垃圾焚烧厂可采用不同的废水处理工艺 下面是一种常用的废水处理工艺流程 5 垃圾焚烧技术工艺 对于灰渣冷却水和洗烟用水等重金属含量较高的废水 其废水处理流程应具有去除重金属的环节 对于这类废水 常采用的废水处理工艺为 5 垃圾焚烧技术工艺 5 2 8自动控制系统 设施运行管理必须的数据处理自动化 垃圾运输车及灰渣运输车的车辆管理自动化 设备机器运行操作的自动化 6 固废焚烧过程中烟气的产生及其控制 6 1焚烧尾气中的污染物及其控制方法6 1 1烟气中的污染物焚烧尾气中所含污染物的产生及含量 与废物的成份 燃烧速率 燃烧炉结构型式 燃烧条件 废物的进料方式等密切相关 垃圾焚烧产生的主要污染物有 6 固废焚烧过程中烟气的产生及其控制 1 不完全烧烧产物 CmHn化合物燃烧后主要产物为无害的水蒸气及CO2 它们均可以直接排入大气之中 不完全烧烧产物 PIC 主要有 CO 炭黑 烃 烯 酮 醇 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烧燃物质等 3 酸性气体 卤化氢 氟 氯 溴 碘 SOx 主要为SO2和SO3 NOx PO5 H3PO3 磷酸 等 4 重金属污染物 包括铅 汞 铬 镉 砷等的元素态 氧化物及氯化物形态存在的污染物 5 二恶英 Dioxin PCDDs PCDFs 6 固废焚烧过程中烟气的产生及其控制 6 1 2控制方法 不完全燃烧产物 设计良好 操作正常的焚烧炉不完全燃烧物质的产生量极低 因此通常设计尾气处理系统时 不考虑对其进行处理 粉尘 洗涤器 布袋和静电除尘等 NOx 很难用一般方法去除 但因其含量低 约100mg L 1 通常是通过控制焚烧温度来降低NOx产生量 SOx 城市垃圾和危险废物的含硫量很低 0 1 以下 尾气中少量SOx可经湿式洗涤设备吸收 6 固废焚烧过程中烟气的产生及其控制 Br2 I2 HI等 目前尚无有效的去除方法 实际上因其含量甚低 一般情况 尾气处理系统并不考虑它们的去除 HCl 氯化氢是尾气中的主要酸性物质 其含量有几百mg L 1至几个百分比 必须将其降至1 以下 通常可通过洗涤器 填料塔吸收去除 重金属污染物 A 挥发性重金属污染物 部分在温度降低时可自行凝结成颗粒 于飞灰表面凝结或被吸附 从而被除尘设备收集去除 B 部分无法凝结及被吸附的重金属氯化物 可利用溶于水的特性 经湿式洗涤塔的洗涤液自废气中吸收下来 Dioxin的去除 后面专门讲述 6 固废焚烧过程中烟气的产生及其控制 6 1 3典型空气污染控制设备简介可分为干式 半干式和湿式三类 1 湿式处理流程 典型处理流程包括文式洗气器或静电除尘器与湿式洗气塔的组合 通常以文式洗气器或湿式电离洗涤器去除粉尘 填料吸收塔去除酸气 2 干式处理流程 典型处理流程由干式洗气塔与静电除尘器或布袋除尘器相互组合而成 以干式洗气塔去除酸气 布袋除尘器或静由除尘器去除粉尘 3 半干式处理流程 典型处理过程由半干式洗气塔与静电除尘器或布袋除尘器相互组合而成 以半干式洗气塔去除酸气 布袋除尘器或静电集尘器去除粉尘 6 固废焚烧过程中烟气的产生及其控制 6 2硫氧化物 SOx 的生成及控制6 2 1SOx的生成机理 1 SO2的生成物料中的S在燃烧过程中与O2反应 主要产物有SO2和SO3 但SO3的浓度很低 约占SO2生成量的百分之几 通常 当n1时 S将全部生成SO2 约有0 5 2 0 的SO2进一步氧化生成SO3 6 固废焚烧过程中烟气的产生及其控制 燃料中的可燃硫 在完全燃烧时 为 SO2的生成量可按下式计算 6 119 式中 VSO2为燃烧装置单位时间排出的SO2体积数 m3 h 1 S为物料的含硫量 重量 t为燃烧温度 排烟温度 B为单位时间消耗的燃料量 kg h 1 6 固废焚烧过程中烟气的产生及其控制 6 120 GSO2为燃烧装置单位时间排出的SO2质量 2 SO3的生成当n 1时 SO2会氧化生成SO3 SO2氧化生成SO3是通过与离解的氧原子结合而生成的 即 6 固废焚烧过程中烟气的产生及其控制 由此可见 SO3的生成量与氧原子的浓度 O 成正比 6 固废焚烧过程中烟气的产生及其控制 Gianbitz研究氧气浓度的影响时发现 在炉中火焰结束后的下游区域内 即使再增加氧气的浓度 SO3的浓度并不会增加 因此 SO3的生成量主要决定于火焰中生成的氧原子浓度 O 即火焰中原子氧的浓度就越大 SO3的生成量也增加 SO3的生成量与火焰末端温度有怎样的关系呢 研究表明 火焰末端的温度越低 烟气中SO3的浓度越高 火焰末端温度低使SO3生成量增加 实质上是由于火焰拖长使烟气停留时间增大的缘故 即停留时间越长 SO3的生成量就越多 因此 希望缩短火焰长度 减少停留时间 降低SO3 结论是为防止SO3生成量过大 火焰的中心温度不能太高 火焰不能拖得很长 6 固废焚烧过程中烟气的产生及其控制 综上所述 影响SO3生成量的主要因素有 空气过量系数n越大 SO3的生成量就越多 火焰中心温度越高 生成的SO3也越多 烟气停留时间越长 SO3越多 燃料中的含硫量越多 SO2和SO3越多 6 固废焚烧过程中烟气的产生及其控制 6 2 2SOx的控制 1 流化床燃烧脱硫流化床燃烧总体上讲是一种低温燃烧过程 炉内存在局部还原气氛 SOx基本上不生成 流化床燃烧脱硫 使用的脱硫剂通常为石灰石 将石灰石粉碎成粒径约为2mm左右的颗粒 与固体废物同时加入炉内 在850 1050 下燃烧 石灰石受热分解析出CO2 形成多孔的CaO进而与SO2作用 生成硫酸盐 达到固硫的目的 反应式如下 6 固废焚烧过程中烟气的产生及其控制 脱硫剂用量及流化速度对脱硫率的影响脱硫剂的用量用钙与硫的摩尔比表示 即 6 固废焚烧过程中烟气的产生及其控制 2 低氧燃烧如前所述 SO3的生成量主要与烟气中氧的浓度有关 降低剩余氧的浓度 可便SO3下降 因此 低氧燃烧可有效地控制因硫燃烧造成的危害 注意 低氧燃烧时 将会使烟气中粉尘浓度增大 不完全燃烧增大 炉内火焰变暗 烟囱冒黑烟 因此 进行低氧燃烧时 应采取一定的技术措施 使燃烧设备更加完善 尽量使之在接近理论空气量的条件下完全燃烧 6 固废焚烧过程中烟气的产生及其控制 6 3氮氧化物 NOx 的生成和控制方法6 3 1NOx的形成 分类及危害 1 形成和分类NOX包括 NO NO2 N2O N2O3 N2O4 N2O5等 但燃烧过程中 生成的NOX 几乎全是NO和NO2 通常所指的NOX就是NO和NO2 燃烧过程生成的NOX 按其形成过程可分为三类 6 固废焚烧过程中烟气的产生及其控制 温度型NOX 或称热力型NOX 指空气中的N2 在高温下氧化而形成的NOX 燃料型NOX燃料中所含氮的化合物在燃烧时氧化而形的NOX 快速温度型NOX 亦称瞬时NOX 当燃料过浓时燃烧产生的NOX 6 固废焚烧过程中烟气的产生及其控制 NO是一种无色无臭的气体 分子量30 01 其熔点为 161 沸点 152 NO略溶于水 它在空气中易氧化为NO2 NO2是一种棕红色有害恶臭气体 其含量为0 1ppm时即可嗅到 1 4ppm时 有恶臭 达到25ppm时 则恶臭难闻 它的分子量为46 01 密度为空气的1 5倍 NOX在空气中的含量始终处于变动之中 在一天之中也有变化 即有日变化 也有季节变化 对于日变化来说 在一天当中 早上最高 傍晚次高 午后最低 在一年当中 冬季高 夏季低 6 固废焚烧过程中烟气的产生及其控制 2 危害 NOX对人的危害当空气中NO2含量3 5ppm持续1hr时 开始对人有影响 含量为20 50ppm时 对人眼睛有刺激作用 含量达到150ppm时 对人的呼吸器官有强烈的刺激作用 另外 NO2参与光化学烟雾的形成 其毒性更强 对森林和作物生长的危害酸雨是由硫酸 硝酸以及少量的碳酸和有机酸的稀释液组成 它们对作物生长和林木有危害和破坏作用 NOX对全球气候变化的影响破坏臭氧层 造成温室效应 CO2起一半作用 其它还有氯氟化碳 氧化亚氮 甲烷等 6 固废焚烧过程中烟气的产生及其控制 6 3 2温度型NOX的生成机理及控制策尔多维奇研究了NO的生成机理 他指出 在燃料稀薄的火焰中 NO的生成是在火焰带的后端进行的 NO的生成过程可用如下链反应表示 6 固废焚烧过程中烟气的产生及其控制 则NO的生成速率和N的生成速率为 6 122 根据 拟稳态 原理 假定在很短的时间内 N的生成速率 N的消失速率 即 N 不随时间变化 6 固废焚烧过程中烟气的产生及其控制 将式 6 125 代入式 6 122 整理得到 因为 且k2 k 1基本是一个数量级 所以 故式 6 126 可简化为 6 127 6 固废焚烧过程中烟气的产生及其控制 又 氧气的离解反应处于平衡状态 即 6 128 代入式 6 127 得 6 129 令 6 130 K称为策尔多维奇常数 6 固废焚烧过程中烟气的产生及其控制 故 6 131 式 6 131 称为策尔多维奇NO生成速率表达式 将式 6 131 改写成燃烧过程中 N2 基本不变 因此 影响NO生成量的主要因素为温度T O2 反应时间或停留时间 根据策尔多维奇公式 控制 NO 生成量的方法如下 降低燃烧温度水平 降低氧气浓度 缩短在高温区内的停留时间 6 132 6 固废焚烧过程中烟气的产生及其控制 6 3 3降低NOX生成的燃烧技术 1 低氧燃烧法低氧燃烧法就是采用低空气消耗 过剩 系数n运行的燃烧方法来降低氧气浓度 从而降低NOX的生成量 低氧燃烧也能降低SOX的生成量 通常炉中的n 1 10 1 40 也就是说燃烧是在理论空气量的1 10 1 40倍的条件下进行的 低空气消耗系数运行就是要尽可能降低空气供给量 使空气中的氧气完全与燃料化合 使空气中的N或燃料N不被氧化 破坏NO2的生成条件 但是 低空气消耗系统n运行时 由于会出现部分空气不足 引起烟尘浓度增加 6 固废焚烧过程中烟气的产生及其控制 2 两段燃烧法研究表明 当n 1时 NOX的生成量减少 n 1 也就是燃料过浓燃烧 该法对控制温度型NOX和燃料型NOX都有明显效果 该法分两段供给空气 在炉中第一段供给焚烧炉n 1的空气 使燃烧在燃料过浓的条件下进行 产生不完全燃烧 在第二段供给多余下来的空气与燃料过浓燃烧生成的烟气混合 完成整个燃烧过程 3 烟气循环燃烧法该法同时降低炉内温度和氧气浓度 是控制温度型NO2的有效方法 温度较低 不完全燃烧的锅炉排烟 通过循环风机 将烟气 空气送入混合器 然后一起送入焚烧炉中燃烧 6 固废焚烧过程中烟气的产生及其控制 4 新型燃烧器这类燃烧器都是通过降低火焰温度和利用稀薄氧气的燃烧抑制NOX的生成 如 使炉内具有烟气循环的功能 外围不必再设置排气循环系统和管路等设备 6 固废焚烧过程中烟气的产生及其控制 6 4Dioxins的生成与控制6 4 1Dioxins的物理 化学性质 1 结构二恶英是多氯二苯并二恶英 PCDDS 和多氯二苯并呋喃 PCDFS 类物质的总称 1 9位置上的氢原子被氯原子取代后就形成了不同的二恶英物质 根据氯原子的数量和位置的不同可形成75种PCDDs和136种PCDFsPCDDsPCDFs异构体73种异构体136种 6 固废焚烧过程中烟气的产生及其控制 2 性质 a 毒性2 3 7 8 TCDD的毒性最强 为氰化钾的1000倍 沙淋的2倍 是目前毒性最强的物质 二恶英的毒性用毒性当量TEQ表示 设定2 3 78 二恶英 TCDDS 的TEQ为1 其他为与之比较的毒性当量 有毒二恶英及其毒性当量因子见表1 6 固废焚烧过程中烟气的产生及其控制 表1有毒二恶英及其毒性当量因子 TEQ值 6 固废焚烧过程中烟气的产生及其控制 2 理化性质因为二恶英的结构 水平和垂直 非常对称 所以 其化学稳定性很高 不易分解 在环境中的半衰期长达5 10年 在环境中迁移 转化 对大气 河流 湖泊 土壤 海洋等造成污染 二恶英类化合物在标准状态下一般呈固态 熔点约为303 305 极难溶于水 易在土壤和生物体内累积 二恶英极容易溶解于脂肪 容易在生物体内积累 并难以被排出 常温下在水中的溶解度仅为7 2 10 6mg L 而在二氯苯中的溶解度却高达1400mg L 二恶英在705 以下是相当稳定的 高于此温度即开始分解 另外 二恶英蒸气压很低 在标准状态下低于7 2 10 6Pa 在一般环境温度下不易从表面挥发 6 固废焚烧过程中烟气的产生及其控制 6 4 2人接触二恶英的途径TCDD的低溶解度 低气压和高的辛醇 水分配系数导致了它主要分配在土壤 85 和沉积物 14 中 只有1 的进入空气 水 悬浮沉降物和生物体 人们接触TCDD的潜在途径有 1 呼吸 2 食用污染了的水果 蔬菜和粮食 3 食用污染过的肉和奶制品 4 通过水生食物链传递给人 5 食用污染过的饮用水 6 4 3二恶英危害实例 1 60年代 发生在日本的水俣病 由于附近工厂向海里排放有机废物 形成二恶英污染源 造成水域生物被污染 通过食物链的富集作用 使附近居民有近2000人神经紊乱 约400人死亡 2 美国纽约州的Love运河事件 20世纪50年代曾在Love运河附近填埋80多种化学废弃物 十多年后 该地区陆续发现水井变臭 儿童畸形 人患怪病 700多户人家逼迫迁移 成为无人居住的 禁区 后经证实是二恶英有毒物质污染造成的 政府为此花费140亿美元 6 固废焚烧过程中烟气的产生及其控制 6 4 4二恶英的生成机理6 4 2 1二恶英的来源二恶英来源很多 主要有以下几种 1 城市废物 危险废物和化学品的焚烧 2 汽车尾气 3 高温生产 如 铜冶炼和金属加工厂 4 造纸厂木浆的漂白 5 废水处理厂常规氯化物处理的排放 据日本对国内二恶英的排放量进行调查的结果来看 1990年日本垃圾焚烧的二恶英排放量为3940 7400g 占二恶英总排放量的80 90 这是现有资料的上限值 美国数据显示 垃圾焚烧排放二恶英总量的10 20 这是现有资料的下限值 一般认为 垃圾焚烧排放的二恶英占总量的40 50 世界各国对垃圾焚烧排放二恶英予以极大关注 6 固废焚烧过程中烟气的产生及其控制 6 4 2 2垃圾焚烧过程中二恶英的产生途径垃圾焚烧过程中二恶英主要来源有两个 一是垃圾本身含有的二恶英物质 虽然二恶英在900 1200 的高温下能够完全分解 但仍会有一部分在燃烧以后排放出来 二是在垃圾燃烧过程中形成的二恶英物质 垃圾燃烧过程中产生途径有三个 6 固废焚烧过程中烟气的产生及其控制 1 携带着过渡金属元素和有机氯化物的垃圾在焚烧炉内高温分解后 能够产生分子氯和氯游离基以及各种二恶英的前驱物 当炉膛温度低于850 垃圾在炉膛中的停留时间小于2秒时 部分有机物就会与分子氯和氯游离基反应生成二恶英 2 在燃烧过程中二恶英的前驱物 其中主要有不完全燃烧产物 PIC 类前驱物氯乙烯 氯苯 多氯苯 二氯丁烯 环戊烯等 氯酚类前驱物五氯苯酚 一氯苯酚 多氯苯酚等 通过分子重排 自由基缩合 脱氯或其它分子反应等过程生成二恶英 3 由于燃烧不充分 烟气中存在过多的未燃烬物质 如残碳 并遇适量的触媒物质 主要是过渡金属 特别是铜 在300 500 地温度环境下 使高温燃烧中已经分解的二恶英重新生成 6 固废焚烧过程中烟气的产生及其控制 在焚烧过程的生成途径为 垃圾中的含氯高分子化合物 聚氯乙烯 氯代苯 五氯苯酚等 前体物 前驱物 在适宜的温度和FeCl3 CuCl2的催化作用下与O2 HCl反应 重排 自由基缩合 脱氯等 生成二恶英类物质 若T 800 2s的情况下约99 9 的二恶英会分解 被高温分解的二恶英类前先驱物在FeCl3 CuCl2等灰尘的作用下 与烟气中的HCl在300 左右重新合成二恶英类物质 6 固废焚烧过程中烟气的产生及其控制 6 4 2 3垃圾焚烧过程中二恶英的形成机理根据以上介绍的垃圾焚烧过程中二恶英的三个形成途径 二恶英的形成机理包括 高温合成机理 前驱物多相催化合成机理 和Denovo反应合成机理 根据燃烧条件的不同 三种机理对二恶英形成的重要性有所不同 但是一般来说 重要性次序为 前驱物多相催化合成机理 Denovo反应合成机理 高温合成机理 研究表明 二恶英的高温合成的重要性不大 垃圾焚烧过程中二恶英的形成主要以前驱物多相催化合成和Denovo反应合成为主 而且两种二恶英形成机理是紧密联系的 6 固废焚烧过程中烟气的产生及其控制 1 前驱物多相催化合成机理前驱物多相催化合成可分为四个步骤 1 飞灰 不完全燃烧产物 主要是PIC类前驱物 一氧化碳 挥发性物质和有机活性基团的形成 2 能够吸附PCDD Fs的前驱物 过渡金属及其盐和氧化物的表面活性物质的形成 3 复杂的有机活性催化反应的发生 4 部分反应产物从活性物质表面解吸 6 固废焚烧过程中烟气的产生及其控制 2 Denovo反应机理由于不完全燃烧 在飞灰颗粒中存在着碳颗粒 在300 500 温度下 大分子碳可以被氧化成CO和CO2 也可能通过裂解反应产生芳香族化合物 在有机氯或无机氯存在的情况下 其中极少部分的CO和CO2在催化剂的作用下转变成脂肪族前驱物 如果有Al2O3存在 脂肪族前驱物还能产生催化反应 产生芳香族前驱物 芳香族化合物发生氯代反应产生芳香族前驱物 这些前驱物在过渡金属 主要是铜 作催化剂的条件下反应生成二恶英 6 固废焚烧过程中烟气的产生及其控制 6 4 2 4二恶英的形成影响因素影响垃圾焚烧二恶英形成的因素较多 主要包括以下几方面 1 原生垃圾中含有氯和过渡金属 通常原生垃圾中氯和过渡金属含量越低 燃烧产生的二恶英越少 2 燃烧工况的影响通常包括燃烧温度 Temperature 湍动程度 Turbulence 以及停留时间 Time 三方面的影响 也就是所谓的 三T 参数 温度越高 扰动越强烈 停留时间越长 即 三T 参数越大 越容易控制二恶英的生成 一般认为 垃圾焚烧温度应 850 炉内停留时间 2s 3 原料中硫化物的影响 硫可以有效地抑制二恶英的形成 主要燃烧后生成二氧化硫 二氧化硫一方面可以将单质氯转变成氯化氢从而减少二恶英生成 另一方面二氧化硫可以使生成二恶英的催化剂中毒而减少二恶英生成 因此 垃圾与高硫煤混烧可以有效抑制二恶英的催化形成 同时也为高硫煤的利用开辟了新的途径 4 锅炉尾部电除尘器的影响 垃圾焚烧不推崇使用静电除尘器 而采用布袋除尘器 其主要原因就在于电除尘器会导致二恶英再生成 6 固废焚烧过程中烟气的产生及其控制 简言之 影响Dioxin合成反应的因素 前体物 HCl O2等的存在 在200 500 范围的停留时间 FeCl3 CuCl2等催化剂的存在 6 4 4垃圾焚烧过程中二恶英的控制要减少生活垃圾焚烧厂二恶英的排放 首先要进行垃圾分类管理 控制排放量 促进再利用 只有实现分装 分倒和垃圾回收再利用 才可能减少垃圾中芳香有机物和含氯有机物的含量 降低二恶英等一些污染物生成 同时采取必要措施对烟气和灰渣进行处理 控制措施主要有焚烧前控制和焚烧中控制 6 固废焚烧过程中烟气的产生及其控制 6 4 4 1焚烧前控制燃前垃圾预处理主要采用人工与机械相结合的方法 实现垃圾分选 垃圾分选主要分选出垃圾中可回收再利用的组分 如金属 玻璃 硬塑料 聚氯乙稀 等回收利用 同时将不宜入炉焚烧的组分如尘土 砖头 瓦块 石头等分选出来单独填埋或作建筑材料 也可将垃圾中有机物质分选出来做堆肥原料 最后将可燃和适于入炉的物料入炉燃烧 总之 通过预处理有效实现垃圾组分的综合利用 同时提高锅炉燃烧效率和运行稳定性 更重要的是预处理去除原生垃圾中的聚氯乙稀 有利于从源头上减少垃圾焚烧二恶英生成的氯的来源 6 固废焚烧过程中烟气的产生及其控制 6 4 4 2焚烧中的控制焚烧中控制主要有两个方面 一方面采用低CO燃烧技术 改善炉内燃烧条件 调整好一 二次风的分配 使烟气充分混合和二次燃烧 从而达到完全燃烧 保证生活垃圾燃烧充分 减少二恶英和不完全燃烧产物 PICs 类前驱物的产生 CO的浓度越低燃烧就越充分 烟气中比较理想的CO浓度指标应低于60mg m3 另一方面控制二恶英前驱物的多相催化合成和Denovo合成 控制炉膛和二次燃烧室温度不低于800 并且烟气在炉膛和二次燃烧室的停留时间不小于2s 氧气的浓度不低于6 并合理控制助燃空气量以及注入位置 缩短烟气处于300 500 温度域的时间 控制余热锅炉的排烟温度不超过250 左右 6 固废焚烧过程中烟气的产生及其控制 6 4 4 3烟气和灰渣处理 1 烟气处理焚烧过程中生成的二恶英 在烟