固体废物的焚烧处理技术.ppt

固废污染控制工程 教师 盛广宏能源与环境学院 第6章固体废物的热处理 焚烧处理技术焚烧工艺与设备焚烧过程的二次污染形成与控制固体废物的热解 热处理技术固体废物的热处理 在设备中以高温分解和深度氧化为主要手段 通过改变废物的化学 物理或生物特性和组成来处理固体废物的过程 常用的热处理技术 焚烧 热解 熔融 干化 湿式氧化 烧结等 6 1焚烧处理技术 3 焚烧技术的历史 开始最早的垃圾焚烧炉建于1874年英国的Nottingham市 随后相继在美国 德国 法国等国开始建立 并得到了发展发展上世纪60年代以后 各国相继建立了很多垃圾焚烧厂 垃圾焚烧技术也得到了快速发展快速发展进入90年代 伴随着能源危机 垃圾焚烧技术与热能技术相结合 得到了快速发展 安徽工业大学能源与环境学院 我国的垃圾焚烧技术发展最早在30年代在上海租界内建立的焚烧炉真正意义上的垃圾焚烧厂是始建于1988年的四川乐山凌云垃圾焚烧厂和深圳垃圾焚烧厂进入21世纪以后 垃圾焚烧与热能利用技术得到了快速发展 国内相继建立了许多生活垃圾焚烧厂 焚烧的概念 焚烧垃圾在高温焚烧炉内 800 1000 垃圾中的可燃成分与空气中的氧气发生剧烈的化学反应 转化为高温的烟气和性质稳定的固体残渣 并放出大量的热量 焚烧的目的使废物减量使废物中的毒性物质被摧毁使废热被释放而再利用 垃圾焚烧的优缺点优点消毒彻底 卫生条件好减容效果好 处理效率高有利于实现城市垃圾资源化不受气候影响缺点投资和运行费用高 操作运行复杂存在二次污染 包括 飞灰和尾气 而且二次污染的治理费用较高 垃圾焚烧厂视频 6 1 1固体废物的焚烧特性 能否采用焚烧技术处理固体废物 取决于固体废物的燃烧特性 物质最主要的燃烧特性包括固体废物的组成和热值固体废物的三组分水分与固体废物的性质和来源等有关 焚烧处理时总希望水分越低越好 过高的水分会导致固体废物不能自持燃烧 需要辅助燃料 可燃分固体废物中的可燃分一般包括挥发分和固定碳 挥发分指标准状态下加热废物所失去的质量分数 灰分固体中的灰分变化较大 一般主要是无机组分 热值热值 物质在完全燃烧时释放的热量 一般可以表示为高位发热值 HHV 和低位发热值 LHV 低位热值是高位热值减去水分凝结热实验测定氧弹法经验公式计算Dulong公式 高位热值与低位热值 理论上 一般当固体废物的热值高于3350kJ kg 800kcal kg 时 可以不加辅助燃料直接燃烧 但在实际的废物焚烧过程中 需要的热值比该值要高 6 1 2焚烧原理 焚烧与燃烧燃烧 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现象称为燃烧 常见燃烧着火方式 化学自燃燃烧 热燃烧 强迫点燃燃烧焚烧 以一定量的过剩空气与被处理的固体废物在焚烧炉内进行氧化燃烧反应 使废物中的有害物质在高温下氧化 热解而被破坏的处理技术 包括蒸发 挥发 分解 烧结 熔融和氧化还原等一系列复杂的物理变化和化学反应 以及相应的传质和传热的综合过程 固体废物的焚烧属于强迫点燃燃烧一般地燃烧主要是为了提供热量 而焚烧的目的主要是减容 减量 解毒和残灰的安全稳定化 焚烧原理干燥含水率较低的固体废物可以在焚烧炉内利用燃烧时产生的高温烟气进行干燥含水率非常高的固体废物 如污泥 则必须在进入焚烧炉之前采用适当的措施降低其含水率 以满足焚烧的要求 或采用添加辅助燃烧的方法进行焚烧 热分解热分解是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 燃烧可燃物的快速分解和高温氧化蒸发燃烧指可燃物质受热后先融化为液体 进一步受热产生燃料蒸气 再与空气混合燃烧 如蜡 这类燃烧的速率受物料的蒸发速度和空气中的氧与燃料蒸气之间的扩散速度控制 分解燃烧指可燃物质受热后分解为挥发性小分子可燃气体后再进行燃烧 其燃烧速率受物料的传热速度影响 如木材 纸张等的燃烧 表面燃烧指受热后不经过融化 蒸发 分解等过程 而直接燃烧 其燃烧速度受燃料表面的扩散速度和化学反应速度控制 如木炭 焦炭等的燃烧 实际的固体废物的焚烧过程非常复杂 可能同时包含了几种燃烧方式 完全燃烧或理论燃烧反应 垃圾焚烧主要污染物 焚烧灰渣 焚烧烟气 6 1 3焚烧效果的评价 热灼减量指焚烧残渣在 600 25 经3h灼热后减少的质量占原焚烧残渣质量的百分数 垃圾焚烧后要求 QR 5 燃烧效率在焚烧处理城市垃圾及一般工业废物时 多以燃烧效率 CE 作为评估是否可以达到预期处理要求的指标 它是指烟道排出气体中二氧化碳含量与一氧化碳和二氧化碳含量之和的比值 对于危险废物的焚烧要求CE 99 9 而生活垃圾的焚烧则仅规定了CO的浓度不超过120mg m3 破坏去除效率对危险废物 验证焚烧是否可以达到预期的处理要求的指标还有特殊化学物质 有机有害主成分 POHCS 的破坏去除效率 DRE 定义为 危险废物焚烧污染控制标准 GB18484 2001 规定 危险废物和医疗废物的DRE 99 99 而多氯联苯的DRE 99 9999 6 1 4焚烧过程的影响因素 焚烧温度废物中有害组分在高温下氧化 分解直至破坏所需达到的温度 高于着火温度 规范要求生活垃圾焚烧温度在850 950 一般控制烟气出口温度不低于850 而危险废物的焚烧则要求焚烧炉温度高于1100 甚至高于1200 多氯联苯的焚烧 废气的脱臭处理 采用800 950 废物粒子在0 01 0 51um之间 并且供氧浓度与停留时间适当时 焚烧温度在900 1000 即可避免产生黑烟含有碱土金属的废物焚烧 一般控制在750 800 含氰化物的废物 850 900 停留时间废物中有害组分在焚烧炉内处于焚烧条件下 该组分发生氧化 燃烧 使有害物质变成无害物质所需的时间称之为焚烧停留时间 包括废物在焚烧炉内的停留时间和烟气在焚烧炉内的停留时间取决于燃烧反应的速率 有害物质破坏速率停留时间的长短直接影响焚烧的完全程度 也是决定炉体容积尺寸的重要依据影响因素 废物入炉的形态 固体废物颗粒大小 液体雾化后液滴的大小以及粘度等 对焚烧所需停留时间影响甚大 一般要求固体废物的停留时间能达到1 5 2h以上 可以用残渣热灼减量控制 而烟气停留时间一般要求大于2s 搅拌混合强度要使废物燃烧完全 减少污染物形成 必须要使废物与助燃空气充分接触 燃烧气体与助燃空气充分混合 扰动方式是关键所在 常用的扰动方式 空气流扰动炉床下送风炉床上送风机械炉排扰动流态化扰动旋转扰动 过剩空气量空气过剩系数实际空气供给量与理论空气需要量之比 一般在1 5 2 0之间固体废物的性质主要是生活垃圾的热值和尺寸热值越高 越有利垃圾的焚烧和热能的利用垃圾尺寸越小 越有利于垃圾焚烧完全和提高焚烧速率 四个控制参数之间的关系 6 1 5焚烧主要参数及热平衡分析 焚烧温度理论燃烧温度 或称绝热燃烧温度 按下列经验公式近似计算LHV mCpg T T0 在燃烧温度范围内 可以取Cpg 1 254kJ kg C T为最终烟气温度 oC 若系统损失为 H 则实际燃烧温度为 若以烃类化合物替代固体废物 并设25 C时烃类化合物燃烧时每产生4 18kJ低位热值约需1 5 10 3kg理论空气 助燃空气的过剩率EA m过空 m理空 并设助燃空气的初始温度为25 C 则 例题 某含萘 甲苯和氯苯的混合物在空气中完全燃烧 试利用近似计算法计算 1 空气初始温度为25 C时 空气过剩率分别为0 0 5和1时的绝热火焰温度 2 空气过剩率为0 5时 空气初始温度分别为25 C 150 C和350 C时的绝热火焰温度 解 以1kg废物为计算基准 产生的LHV 9835kJ 焚烧空气量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 其计算方法是将固体废物分成可燃组分和不可燃组分两部分 其中可燃组分的成分由碳 氢 氮 氧 硫以及水分构成 通过这些组成与氧气发生完全反应所需的氧气量来计算理论燃烧需要量完全燃烧反应式 碳燃烧C O2 CO2C 12 22 4 1 866m3氢燃烧H O2 H2OH 2 22 4 2 5 56m3硫燃烧S O2 SO2S 32 22 4 0 7m3燃料中的氧O 1 2O2O 16 22 4 2 0 7m3 体积基准 理论空气需要量 质量基准 理论空气需要量 实际空气需要量 m 过剩空气系数 焚烧烟气量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产生量 如果废物组成已知 以C H N O S Cl W表示单位废物中碳 氢 氮 氧 硫 氯和水分的质量比 根据完全燃烧时发生的反应 并假设可燃组分可以用CxHyOzNuSvClw表示完全燃烧反应式 理论燃烧湿基烟气量 G0 m3 kg 0 79V0 1 867C 0 7S 0 631Cl 0 8N 11 2H 1 244WG0 kg kg 0 77M0 3 67C 2S 1 03Cl N 9H W式中H H Cl 35 5理论燃烧干基烟气量 G0 m3 kg 0 79V0 1 867C 0 7S 0 631Cl 0 8NG0 kg kg 0 77M0 3 67C 2S 1 03Cl N实际燃烧烟气量 G G0 m 1 V0或G G0 m 1 V0 焚烧系统热平衡计算系统平衡时热量输入 热量输出 6 2焚烧工艺与设备 焚烧技术主要焚烧工艺焚烧设备 6 2 1焚烧技术 生活垃圾焚烧系统中主要采用的焚烧技术层状燃烧技术应用层状燃烧技术的系统包括固定炉排焚烧炉 水平机械焚烧炉 倾斜机械焚烧炉等 垃圾在炉排上已着火的垃圾在炉排和气流的翻动或搅动作用下 使垃圾层松动 不断地推动下落 引起垃圾底部也开始着火 流化燃烧技术它是利用空气流和烟气流的快速运动 使媒介料和固体废物在焚烧过程中处于流态化状态 并在流态化状态中进行固体废物的干燥 燃烧和燃烬 主要的设备是流化床焚烧炉 旋转燃烧技术在一可旋转的倾斜钢制圆筒内进行焚烧 主要设备是回转窑焚烧炉 6 2 2主要焚烧工艺 焚烧工艺系统前处理系统垃圾焚烧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锅炉给水系统废水处理系统自动控制系统 前处理系统主要指对固体废物的接受 贮存 分选或破碎 计量等进料系统主要作用是向焚烧炉定量给料 同时要将垃圾池中的垃圾与焚烧炉的高温火焰和高温烟气隔开 密闭 垃圾焚烧系统核心装置是焚烧炉 常见的炉型有 固定炉排式焚烧炉 水平链条炉排焚烧炉 倾斜机械炉排焚烧炉 回转式焚烧炉 流化床焚烧炉等 助燃空气系统主要为燃烧提供充足的空气 同时对炉排进行冷却 一般分为一次助燃空气和二次助燃空气 烟气处理系统主要是对烟气中的气态和颗粒状污染物进行控制和去除 6 2 3焚烧设备 焚烧设备 焚烧炉 分类按燃烧室的多少单室焚烧炉和多室焚烧炉按炉型炉排炉 流化床炉 回转窑炉等固定炉排炉目前较少应用 机械炉排炉应用最多 流化床炉有部分应用 回转窑炉主要用于焚烧有毒有害物质和工业垃圾 炉排炉炉排炉分为固定炉排炉和机械炉排炉机械炉排炉 水平链条机械炉排焚烧炉和倾斜机械炉排焚烧炉倾斜机械炉排类型 并列摇动式 台阶式 往复移动式 倾斜履带式 滚筒式等 机械炉排类型 机械炉排炉机械炉排炉可大体分为三段 干燥段 燃烧段 燃烬段 各段的供应空气量和运行速度可以调节 干燥段 垃圾的干燥包括 炉内高温燃烧空气 炉侧壁以及炉顶的辐射干燥 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 垃圾中部分垃圾的燃烧干燥 垃圾在干燥带的滞留时间约为30min 燃烧段 垃圾在燃烧带的滞留时间约为30min 在此段 垃圾的搅拌非常重要 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 垃圾在燃烬段上滞留约1h 保证在燃烬段上有充分的滞留时间 可将炉渣的热灼减率降至1 2 机械炉排炉的概念图 流化床焚烧炉流化床焚烧炉是基于流态化原理进行垃圾焚烧 其基本特征是在于炉膛内装有布风板 导流板 载热媒介惰性颗粒和在焚烧运行时物料呈沸腾状态 特点传质和传热效率高 焚烧效率高适合燃烧热值低的固体废物磨损严重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污泥类等 入炉物料粒度要求较小 流化床焚烧炉 回转窑焚烧炉回转窑炉是一个带耐火材料的倾斜圆筒 绕着其水平轴旋转 垃圾从一端进入 到达另一端时被烧烬 圆筒转速0 75 2 50rpm 可以单独使用 或作为机械炉排炉的干燥段 可以焚烧各种垃圾 常用于处理工业垃圾或危险固废 6 3焚烧过程的二次污染形成与控制 生活垃圾焚烧过程中产生的二次污染四类主要污染物 颗粒物 粉尘 无机有害气体 酸性气体 有机污染物 二噁英等 重金属 颗粒物 粉尘 主要是废物焚烧过程中由于物理原因和热化学反应产生的微小颗粒物质 产生机理 生活垃圾中的不可燃物 垃圾燃烧后产生的灰分 其产生量与垃圾的灰分含量有关不完全燃烧产物 垃圾中可燃成分不完全燃烧时产生的煤烟 炭黑等 最好的控制方法是在高温下使其氧化分解 部分无机盐类在高温下氧化而排出 在炉外遇冷而凝结成粒状物 或二氧化硫在低温下遇水而形成硫酸盐雾状微粒粉尘的产生量与垃圾性质和燃烧方法有关 重金属废物中所含重金属物质 高温焚烧后除部分残留于灰渣中之外 部分则会在高温下气化挥发进入烟气 部分金属物在炉中参与反应生成的氧化物或氯化物 比原金属元素更易气化挥发 重金属本身凝结而成的小粒状物粒径都在1um以下 而重金属凝结或吸附在烟尘表面也多发生在比表面积大的小粒状物上 因此小粒状物上的金属浓度比大颗粒要高 从焚烧烟气中收集下来的飞灰通常被视为危险废物 安徽工业学建筑工程学院 无机有害气体 酸性气体 包括二氧化硫 氯化氢 氟化氢和氮氧化物等这些污染物都是直接由废物中的硫 氯 氟等元素经过焚烧反应而形成 诸如含氯的PVC塑料 厨余中的NaCl等会形成氯化氢 含F的塑料会形成HF 而含硫的煤焦油会产生二氧化硫 一般城市垃圾中硫含量约为0 12 其中约30 60 转化为二氧化硫 其余则残留于底灰或被飞灰所吸收 有机污染物二噁英类物质 多氯代二苯对二恶英PCDDs和多氯代二苯对呋喃PCDFs 二噁英 氯代三环芳烃类化合物 是由200多种异构体 同系物等组成的混合体 包括了当今世界上两类最危险的环境污染物 多氯代二苯并二恶英 PCDDs 和多氯代二苯并呋喃 PCDFs 毒性最强 非常稳定又难以分解的一级致癌物质 二噁英的来源废物本身炉内生成 含氯化合物等二噁英的前驱体在Cu等催化作用下形成尾部再度合成 二噁英分解后形成的前驱体在250 350 下再度合成 6 4固体废物的热解 热解原理热解的主要影响因素热解工艺与设备 6 4 1热解原理 热解定义 工业上也称为干馏 它是利用有机物的热不稳定性 在无氧或缺氧条件下对之进行加热蒸馏 使有机物产生热裂解 由大分子量的有机物转化成小分子量的气体 液体和固体的过程 固体废物热解过程包含大分子的键断裂 异构化和小分子的聚合等反应 最后生成各种较小的分子 热解过程通式有机固体废物 热量 气体 H2 CH4 CO CO2 有机液体 有机酸 芳烃 焦油 固体 炭黑 灰渣 固体废物的热解优点 与焚烧相比 可将固体废物中的有机物转化为以燃料气 燃料油和炭黑为主的储存性能源 由于是无氧或缺氧分解 排气量少 因此 采用热解工艺有利于减轻对大气环境的二次污染 废物中的硫 重金属等有害成分大部分被固定在炭黑中 由于保持还原条件 Cr3 不会转化为Cr6 NOx的产生量少 热解的特点 与焚烧比较 焚烧的产物主要是CO2 水和残渣 而热解的产物主要是可燃的低分子化合物 气态的有H2 CH4 CO 液态的有甲醇 丙酮 醋酸 乙醛等有机物及焦油 溶剂油等 固态产物主要是焦炭或炭黑 焚烧是放热过程 热解需要吸收大量热量焚烧产生的热能量大的可用于发电 量小的只可供加热水或产生蒸汽 就近利用 而热解产物是燃料油及燃料气 便于贮藏及远距离输送 热解产物取决于热解原料和热解工艺参数 固体废物热解气体产物分析结果 6 4 2热解的主要影响因素 主要因素 热解温度 加热速率 保温时间 物料性质 反应器类型 氧气供给量热解温度热解产物的产量和成分可通过控制反应器的温度来改变 气体产量与热解温度成正比 而各种液体物质和固体残渣均随分解温度的增加而减少 此外热解温度还影响气体质量 加热速率直接影响物料的热解历程 从而对热解产物产生影响 低温 低速易形成固态物质 高温 高速易形成气体产物 保温时间指反应物料完成反应在炉内停留的时间 保温时间决定了物料的分解转化率 它与物料尺寸 物料分子结构特性 反应器内的温度水平 热解方式等因素有关一般而言 物料尺寸越小 反应时间越短 物料分子结构越复杂 反应时间越长 反应温度越高 反应时间越短