第7章焚烧.doc

第4章 固体废物的热化学处理4.1热化学处理的基本原理 热化学处理是通过对固体废物进行高温分解和深度氧化，改变其物理、化学、生物特性或组成的处理方法。 常用的热化学处理技术包括：焚烧、热解、熔融、湿式氧化、垃圾制砖等。 热化学处理的优点 处理时间短，流化床焚烧炉几分钟即可使垃圾燃烧完全 减容效果好，焚烧残渣体积是原来的8一12，如经分选后的垃圾焚烧残渣仅23消毒彻底，减轻或消除后续处置过程对环境的影响，是处理带有病原菌垃圾和有机污染垃圾的良好方法 焚烧厂用地面积相对较小 回收能源和资源 热化学处理存在的问题 投资和运行费用高 操作运行复杂 焚烧使垃圾利用率降低 同时也能带来二次污染，需设置尾气净化装置4.3焚烧技术 概述 焚烧法是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、热解而被破坏特点 处理量大 减容性好 无害化彻底 热能可回收1焚烧技术发展历程 在人类的历史中，采用垃圾焚烧技术处理城市生活垃圾的历史并不很长,最早的固体废物焚烧装置是1874年和1885年分别建于英国和美国的间歇式固定床垃圾焚烧炉，至今不过130年左右的历史 19世纪最后的十几年，由于工业化的发展，城市居民的生活水平大幅度提高，垃圾组成进一步发生变化，使垃圾更适于焚烧处理，促进了这一时期的城市生活垃圾焚烧设备的应用及新炉型的开发。 但由于各种炉型设计上均有缺陷，对垃圾组分的适应性差。助燃燃料使用量大以及操作人员素质低等问题的困扰，得到普及应用的炉型种类不多，且在商业上获得成功的也很少 20世纪以后，由于科学技术的进步 1.垃圾焚烧技术(如垃圾的投料、出渣) 由人工操作开始向机械化操作方向发展 垃圾焚烧炉多采用间歇式和数组并列式，即焚烧时产生的废热可供其他组预热干燥、焚烧垃圾2.炉型已从单一炉型向多样化方向发展，炉型种类繁多，如机械炉、流化床式焚烧炉、回转窑式焚烧炉、热解炉等3.炉的规模已从小型炉向大型炉发展，最大炉的处理能力为4300td4.垃圾焚烧设备的二次污染防治能力大大提高，如采用静电除尘设备，脱硝设备，袋式除尘设备及残渣的固化设备等，有效地防止了二次污染的发生 2焚烧的目的尽可能焚毁废物，使被焚烧的物质变为无害和最大限度地减量化，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3可焚烧处理的废物类型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4废物焚烧处理方式废物焚烧处理的工艺流程及其焚烧炉的结构，主要由废物种类、形态、燃烧特性和补充燃料的种类来决定，同时还与系统的后处理以及是否设置废热回收设备等因素有关一般说来，对于易处理、数量少、种类单一及间歇操作的废物处理，工艺系统及焚烧炉本体尽量设计得比较简单，不必设置废热回收设施对于数量大的废物，并需连续进行焚烧处理时，焚烧炉设计要保证高温，除将废物焚毁外，应尽可能地考虑废热回收措施，以充分利用高温烟气的热能。5垃圾焚烧现状 20世纪70年代以来，由于受能源危机的冲击，加上各种环保法规的实施和不断强化，城市垃圾热处理成为国外主要采用的方法之一，它具有减量化、无害化和资源化的特点 在20世纪70年代到90年代中期的20多年间，是垃圾焚烧发展最快的阶段，几乎所有的发达国家和中等发达国家都建有不同规模和不同数量的垃圾焚烧设施。 发达国家对垃圾采取了“资源化”方针，垃圾焚烧发电站得到了迅速发展， 德国垃圾的热值已高达9000kJkg，至今德国已建成上百座电站 日本垃圾焚烧发电(供热)的比例高达72.8，约有2000台垃圾焚烧锅炉在运行 我国的城市垃圾处理处置，长期以来主要采用简易填埋或卫生填埋的方法进行消纳 近年来，许多大中城市的填埋用地越来越紧张，各地市政部门也开始把目光转向减量化程度较大的焚烧后填埋的方式上来。 1988年深圳市首家引进了日本三菱重工生产的两台处理能力为150td的马丁式机械焚烧炉 随后全国各地相继建起了各种形式的小型垃圾焚烧炉，北京、上海、广州、珠海等大城市都建成了或正在筹建大规模垃圾焚烧设施全国最大的垃圾发电厂上海江桥垃圾发电厂已于2003年11月开始投入使用，工程建设最终规模为日处理生活垃圾1500t，是中国最大的现代化千吨级垃圾焚烧处理厂。6生活垃圾焚烧污染控制标准废物在焚烧过程中会产生一系列新污染物，有可能造成二次污染。对焚烧炉的技术性能要求包括以下四个方面： 1.烟气出口温度 2.烟气停留时间 3.焚烧炉渣热灼减率() 4.出口烟气中氧含量()7.垃圾焚烧处理面临的困难 焚烧因其无害化彻底，减量幅度大，余热发电实现资源化，节约大量填埋土地等优点而倍受关注但就目前中国的经济、技术条件而言，以焚烧作为主要方式处理城市生活垃圾仅在少数城市可以考虑，在大部分中小城镇还有很大困难，其原因在于：1)设备要求高 垃圾焚烧设备是运用各种高科技手段建造的，例如，一座现代化的垃圾焚烧炉零部件已达上百万个，相当于一架喷气式飞机的零部件数量，不仅质量保证的难度大，而且造成系统的可靠性降低。 垃圾焚烧带来的二次污染问题也是不容忽视的，一般的处理技术难以消除污染，很难达到排放标准2)技术要求高 大部分焚烧炉在处理垃圾时出现燃烧不完全或有二次污染出现，不完全是由于设备的问题，大部分是由于操作人员的误操作和操作不规范造成的3)垃圾热值低 据计算，每kg垃圾燃烧所产生的热值至少要达到1200cal(5 024kJ)以上 目前，发展中国家大都达不到这一数值 我国城市生活垃圾的热值较低，垃圾自身燃烧困难，因此要添加燃料，这就提高了处理成本。并且由于垃圾中作为燃料的废弃物的质和量的不稳定，垃圾发热量的波动变化很大，导致垃圾余热发电产生的电力不稳定。 我国部分中小城市垃圾的热值一般都小于3500kJkg，且数量少，焚烧发电并不现实4)垃圾产量小 国内外有关资料表明，不满10万人口的城市，垃圾量少不利于发电和供热 1030万人口的城市，可以建焚烧厂，发电仅供本厂使用 30100万人口的城市，焚烧垃圾发电除自用外，还可以外送一部分 100万人口以上的城市，可以进行正规发电 当日焚烧垃圾超过300t时，才可能在无财政赤字的情况下进行垃圾焚烧发电，但此时不具备向外部出售电力的能力 日处理量一定要达到300t以上，最好能达到600t以上，才有向外部出售电力的可能，这说明在小城市无法进行垃圾焚烧处理 5)资金投入大 焚烧设备的高技术化造成建设费用和运行费用高昂，由于对处理垃圾规模要求较高，垃圾焚烧厂建设的初始投资数量要求很大，就目前财力来讲，中小城市很难承受4.4可燃固体废物的热值4.4.1固体废物的热值计算 固体废物的热值是指单位重量的固体废物燃烧释放出来的热量，以kJkg表示 是焚烧过程中最重要的基础数据，热值的高低可作为热平衡和能量回收的主要依据 热值计算公式如下: 式中：NHV净热值，kJ/kg HHV粗热值，kJkg H2O焚烧产物中水的重量百分率， H、Cl、F分别为废物中氢、氯、氟含量的重量百分率， 若废物的元素组成已知，则可利用Dulong方程式近似计算出净热值：4.4.2评价焚烧处理效果的指标技术指标有： 1.减量比 用于衡量焚烧处理废物减量化效果的指标，定义为可燃废物经焚烧处理后减少的质量占所投加废物总质量的百分比，即为 2热灼减率 热灼减率是根据焚烧炉渣中有机可燃物的量来评价焚烧效果的方法,它是指焚烧炉渣中的可燃物在高温,空气过量的条件下被充分氧化后,单位质量焚烧炉渣的减少量. 热灼减率越大,燃烧反应越不完全,焚烧效果越差;反之,焚烧效果越好 残渣在60025经3h灼热后减少的质量占原焚烧残渣质量的百分比，其计算方法如下：美国多采用ABI(Ash Burnout Index，ABI)。对于运行良好的系统，该值应达到95-99。我国和日本多采用热灼减率，连续式焚烧炉产生的底灰，其热灼减率应小于53.燃烧效率(一氧化碳法) 在焚烧处理城市垃圾及一般工业废物时，多以燃烧效率(Combustion Efficiency，简写为CE)作为评估是否可以达到预期处理要求的指标:4HCl的排放量 HCl的排放量应符合从焚烧炉烟囱排出的HCl量在进入洗涤设备之前小于1.8kgh，若达不到这个要求，则通过洗涤设备除去HCl的最小洗涤率应为99.0 烟囱的排放颗粒物应控制在183mgm3，空气过量率为50。如果大于或小于50，应折算成50的排放量4.5 主要焚烧参数的计算 焚烧炉质能平衡的计算，是根据废物的处理量、物化性能，确定所需的助燃空气量、燃烧烟气产生量和其组成及炉温等主要参数，是设计后续炉体大小、尺寸、送风机、燃烧器、耐火材料等设备的参考依据1.焚烧产生气体温度的近似计算 燃烧反应是由许多单个反应组成的复杂的化学过程。 它包括氧化反应、气化反应、离解反应等，在这些单个反应中有放热反应，也有吸热反应。 当燃烧系统处于绝热状态时，反应物在经化学反应生成平衡产物的过程中所释放的热量全部用来提高系统的温度，系统最终所达到的温度称为理论燃烧温度，即绝热火焰温度。 绝热火焰温度的计算是比较复杂的，因为它会影响平衡成分的组成，反过来最终产物的平衡成分又会影响理论燃烧温度的高低，它们之间是互为依赖的关系，故对它只能用渐近法重复计算来求得。 2.停留时间计算4.6 燃烧过程污染物的产生与防治 焚烧过程(特别是有害废物的焚烧)会产生颗粒物、大量的酸性气体和未完全燃烧的有机组分及炉渣，如将其直接排人环境，必然会导致二次污染，因此需对其进行适当的处理 以下介绍几种污染物形成机制及其控制问题4.6.1烟尘的形成与控制 废物焚烧时不可避免地会产生烟尘，它包括黑烟和飞灰两部分。 黑烟主要是可燃但未燃烧或未燃尽的物质，碳粒是黑烟生成的主要原因，碳颗粒形成的主要途径见图4.10 飞灰则主要是废物中所含的不可燃物质微粒，是灰分的一部分。所产生的粒状物粒径一般大于10um。 部分无机盐类在高温下氧化而排出，在炉外遇热而凝结成粒状物，二氧化硫在低温下遇水滴而形成硫酸盐雾状微粒等 烟尘的浓度与废物种类、粒度、燃烧方式、烟气流速、炉排及炉膛的热负荷、焚烧炉运行负荷及结构等许多因素有关 防止烟尘的方法有： 增加氧浓度，保证废物燃烧完全，常采用通入二次空气的办法 利用辅助燃料提高炉温 采用恰当的炉膛尺寸和形状，使焚烧条件合适 对烟气进行洗涤、除尘等处理4.6.2 焚烧主要污染气体的形成与控制 焚烧过程并不是简单的完全燃烧过程，其中包括分解、氧化、聚合等反应。 废物组成不同，燃烧方式不一样，燃烧产物也有一定差异。 燃烧所产生的废气中除完全燃烧所产生的气体外，还含有悬浮的未燃或部分燃烧的产物，有H2、醛、酮和多环芳烃化合物，含氯含氟塑料焚烧时产生的有机卤化物；还有氮氧化物、硫氧化物等。1.氧化碳(CO) 一氧化碳是燃烧不完全过程中的主要代表性产物。 当焚烧有机氯化物时，由于有机氯化物的化学性质大多很稳定，在燃烧反应进行时，常夹杂CO与中间性燃烧产物，而中间性燃烧产物(包括二恶英等)的废气分析较为困难，因此常以CO的含量来判断燃烧反应完全与否 烟气中的一氧化碳含量越高,垃圾的焚烧效果越差;反之,焚烧反应进行得越彻底,焚烧效果越好 在设计焚烧炉二燃室时较为理想的炉温是在1000，废气停留时间为1s 2酸性气体 焚烧产生的酸性气体，主要包括：SOx,HCl与HF等，这些污染物都是直接由废物中的S、C1、F等元素经过焚烧反应而形成。 如含Cl的厨余中的氯化钠、PVC塑料及其他含氯塑料会形成HCl 含F的塑料会形成HF 而含S的煤焦油会产生SO2 这些酸性气体不仅污染环境，而且对焚烧设备及预热回收系统也有很强的腐蚀作用 3氮氧化物 焚烧所产生的氮氧化物主要来源包括两个方面： 一是高温下，N2与O2 反应形成热力型氮氧化物。 二是废物中的氮组分转化成的燃料型NOx 燃烧时主要生成NO，NO2仅占总氮氧化物的很小部分，NO与NO2被合称为NOx。 为了控制NOx产生及排放浓度,可采用 控制过剩空气量，在燃烧过程中降低O2 的浓度生成抑制法 控制炉膛温度，使反应温度在7001200 对烟气进行处理，将发生的NOx用还原剂还原减少其排出量 高温形成的NO在低温下被氧化成NO2，阳光,臭氧、碳氢化物等都能促进NO的氧化，这是形成光化学烟雾和酸雨的重要物质，在焚烧系统中必须严格加以控制。4.6.3 毒性有机氯化物的形成与控制 1998年6月末至7月初的5天，在加拿大蒙特利尔召开了关于化学物质的重要国际会议。 这就是我们还不太熟悉其名称的第一届POPs条约化会议。条约化会议是由联合国环境规划署(UNEP)主办召开的。 UNEP根据以下三个性质来定义POPs：毒性，生物浓缩性，移动性POPs物质 POPs是 Persistent Organic Pollutants的缩写。它是进入20世纪80年代之后国际社会开始认识到其防治必要性的比较新的概念 “残留性有机污染物”指的是在环境中具有高残留性，高生物浓缩性和高生物毒性的物质 选出了以下12种物质为对象。 现在已经停止生产的物质：艾氏剂、狄氏剂、异狄氏剂、毒杀芬(以上都是农药)、PCB。 差不多要停止生产的物质：灭蚊灵、HCB(都是农药) 现在还在使用的物质：DDT(农药)、氯丹、七氯(白蚁用药) 非本意生成物质：戴奥辛、聚氯二苯并呋喃 因为POPs不易分解，所以会通过大气、海洋以及在体内蓄积它的生物广泛扩散到整个地球。我们已经知道，它会以成千上万倍的高浓度在生物体内浓缩，可能会通过食物链给人或其他生物造成不好的影响。 在完全没使用过POPs的爱斯基摩人的母乳中，居然检测到了数倍于生活在发达国家大城市中的居民的浓度的POPs，在这个意义上，我们可以说，这又是一个新的地球环境问题。 如前所述，戴奥辛类物质是非本意生成的 与之前的化学物质的代表化学农药具有不同的特征。戴奥辛类物质则根本就不是人类为了什么目的合成的物质。它被称为“非本意生成物质”也就是这个原因。 戴奥辛类物质的毒性成为焦点是美军在越南战争中洒下的枯叶剂造成的破坏 使用的是有机氯除草剂2，4，5-T。之后就诞生了贝特和德克连体双生子这样的畸形儿，而 士兵患癌症或者生殖系统疾病的人也很多，后来才清楚原来是因为在2，4，5T的生产过程中生成了戴奥辛类这样的杂质 本来它的正式名称是多氯代二苯-并-二恶英，但是现在人们通常习惯使用二恶英的英文读法戴奥辛(Dioxin)。 二恶英类是多氯代二苯-并-二恶英(简称PCDDs)和多氯代二苯并呋喃(简称PCDFs)两类化合物的总称，是在废物焚烧过程中产生的毒性很强的有机氯化物每个苯环上可以取代1-4个氯原子，所以PCDDs有75个异构体，PCDFs有135个异构体在这210种化合物中，2，3，7，8四氯代二苯-并-二恶英(TCDD)为目前已知毒性最强的化合物，其毒性相当于氰化钾的1000倍，被称为是地球上毒性最强的毒物，且动物实验表明其具有强致癌性和致畸性图4.11是二恶英结构示意图，TCDD是一种性质稳定的化合物，在常温下为晶体，溶解度极低，在700以上高温下开始分解。 抑制焚烧过程中二恶英的生成方法主要有以下几种： 从焚烧物料中分离可能生成TCDD的物质 控制燃烧过程，减少不完全燃烧的大分子有机物和碳的残留量 控制烟气中的颗粒物，TCDD主要以颗粒或吸附在颗粒上的形式，随烟气排出，通过提高除尘效率，可以大大降低二恶英的排放量 根据固体废物的燃烧动力学，物料尺寸必须小。物料尺寸越小，所需加热和燃烧的时间就越短。 尺寸越小，比表面积就越大，与空气的接触就越充分，有利于提高焚烧效率 固体废物的燃烧时间与物料粒度的12次方成正比 控制燃烧时二恶英的生成可采用3T1E技术： 停留时间(Time)为保证物料的充分燃烧，延长气体在高温区的炉内停留时间(2s) 湍流程度(Turbulence)湍流程度是指物料与空气及气化产物与空气之间的混合情况，湍流程度越大，混合越充分，空气的利用率越高，燃烧越有效。 因此，在高温区送二次空气，充分搅拌混合提高湍流程度 焚烧温度(Temperature)取决于废物的燃烧特性(如热值、燃点、含水率)以及焚烧炉结构、空气量等 炉膛温度最低应保持在物料的燃点温度以上，应提高炉温(850 )。 温度越高，焚烧越彻底,效率越高 温度过高，会融化炉壁,使垃圾熔融结块,堵塞热交换管和烟道 过量空气率(Excess Air) 过剩空气的供给会导致燃烧温度的降低，应根据废物的特性、处理要求等加以适当调整。 一般情况下，过量空气量应控制在理论空气量的1.7-2.5倍4.7 固体废物的焚烧设备 一机械炉（典型垃圾焚烧炉） 机械炉是在城市垃圾处理方面应用最广泛的一种炉型，美国经焚烧处理的城市垃圾的70是采用这种设备，日本、德国也多有采用，中国第一座现代化垃圾焚烧系统(深圳)就是引进的日本三菱重工的这种设备。这种炉型的主要特点是可以处理大批量的混合废物，而不需要在焚烧前对废物进行特殊的预处理。 其结构主要包括加料系统、