固体废物-第五章-固体废物焚烧技术

1、第五章 固体废物焚烧技术,5.1 概论,焚烧技术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8001200的高温下氧化、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。 根据经验，当垃圾的低位热值大于3350kJ/kg时，垃圾即可实现自燃而无需添加助燃剂。,焚烧法的优点,无害化。垃圾中的病原体被彻底消灭，产生的尾气和烟尘经处理后可达标排放。 减量化。焚烧后，废物可减重80%，减容90%以上。 资源化。可回收大量热能，以及一些金属资源。 经济性。占地小，处理速度快，操作费用低于填埋。 实用性。可全天候操作，可处

2、理废物种类多。,焚烧炉渣的热灼减率还有潜力可挖，目前为3%-5%。 气相中还残留有可燃组分。 气相不完全燃烧会生成以二噁英为代表高毒性有机物实用性。 未燃烧完全的有机质，使得灰渣中仍含有有害物质。 经济性和资源化仍有改善的空间。 投资成本高，管理水平要求高。,焚烧法的不足,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容，并尽可能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。,焚毁带病毒、病菌的垃圾。英、美、法等试验研究，建立焚烧炉,机械化连续垃圾焚烧炉。处理能力、焚烧

3、效果、治污,大型机械化炉排；较高效率的烟气净化系统,自控、移动式机械炉排焚烧炉、多样化、T ,4,3,2,1,19世纪中后期,20世纪初,1960,19701990,.,除尘,资源化,智能化,多功能,综合性,我国始于1980,5,焚烧处理技术的发展,国外学者对垃圾焚烧技术发展阶段的划分：Historical waste incineration “generations” ：,0 Open air incineration 开放性焚烧 1st 1900 oven 焚烧炉 2nd 1960 dust removal from flue gas 烟道除尘（物理方法） 3rd 1985 chemic

4、al cleaning of flue gas 化学除尘 4th 2000 recovery of energy and materials 热能和原料回收,5.2 焚烧过程及焚烧产物,1 焚烧的产物,在废物焚烧时既发生了物料分子转化的化学过程，也发生了以各种传递为主的物理过程。大部分废物及辅助燃料的成分非常复杂，分析所有的化合物成分不仅困难而且没有必要，一般仅要求提供主要元素分析的结果，也就是碳、氢、氧、氮、硫、氯等元素和水分及灰分的含量。它们的化学方程式虽然复杂，但是从燃烧的观点而论，它们可用CxHyOzNuSvClw表示，一个完全燃烧的氧化反应可表示为：,完全燃烧的产物,有机碳 CO2

5、有机物的氢 H2O，含氯和氟时，也可能生成其氢化物 有机氮主要生产气态氮，少量氮氧化物 有机硫和有机磷 SO2，SO3，P2O5 有机氟 HF，氢不足则可能出现CF4或COF2，存在金属元素则可生产金属氟化物。可添加CH4或油品增加氢元素。 有机氯 HCl，氢不足时会产生Cl2 有机溴化物和碘化物焚烧后生成溴化氢、少量溴气和碘 金属焚烧后可生成卤化物、硫酸盐、磷酸盐、碳酸盐、氧化物和氢氧化物,焚烧过程污染物的产生,粉尘的产生和特性,焚烧烟气中的粉尘可以分为无机烟尘和有机烟尘两部分，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。 物理原因产生的粉尘是指燃烧空气卷起的微小不燃物、

6、可燃物的灰分等； 热化学反应产生的粉尘是指高温燃烧室内氧化的盐类，在烟气冷却后凝结成盐颗粒,粉尘的产生量,机械炉排焚烧炉膛出口粉尘含量一般为16g/m3，除尘器入口14g/m3，换算成垃圾燃烧量一般为5.522kg/t（湿垃圾）。,粉尘的物理性质,30m以下的粉尘占5060 粉尘的真密度为2.22.3g/cm3 表观密度为0.30.5g/cm3,无机有害气体的产生和特性,焚烧过程产生的无机有害气体包括CO和酸性气体（HCl、 HF、SOx、NOx） CO是有机碳不完全燃烧产生； HCl由有机氯燃烧产生； HF由氟碳化物燃烧产生； SOx由硫化物氧化生成SO2和无机硫化物解离而成，SO2还可进一

7、步氧化成SO3，SO3还会与水蒸气反应生成H2SO4雾滴； 氮氧化物主要为NO，少量会进一步氧化成NO2,重金属的产生和特性,焚烧过程产生的灰渣（包括炉渣和飞灰），一般为无机物质，它们主要是金属的氧化物、氢氧化物和碳酸盐、硫酸盐、磷酸盐以及硅酸盐。大量的灰渣特别是其中含有重金属化合物的灰渣，对环境会造成很大危害。,与垃圾种类、焚烧炉型式、焚烧条件关。 一般焚烧1t垃圾会产生100150kg炉渣， 除尘器飞灰为10kg左右， 余热锅炉室飞灰的量与除尘器飞灰差不多。,灰渣、飞灰的产量,炉渣、飞灰的产生和特性,有机污染物的产生和特性,在生活垃圾焚烧炉排放废气中，已证实有很多种因燃烧不完全而产生的有机

8、物质。这些产物包括二噁英（PCDDs）、呋喃（PCDFs）、及多环芳香烃化合物（PAHs）：它们可能以气态、冷凝状态或附着在粒状污染物上的方式存在。 二噁英（Polychlorinated Dibenzop-dioxin）是目前发现的无意识合成的副产品中毒性最强的化合物，它的毒性LD50（半致死剂量）是氰化钾毒性的1000倍以上。人们通常所说的二噁英指的是多氯代二苯并-对-二噁英（PCDDs）、多氯代二苯并呋喃（PCDFs）的统称，共有210种同族体。,二噁英实际上是一个简称，它指的并不是一种单一物质，而是结构和性质都很相似的包含众多同类物或异构体的两大类有机化合物，全称分别叫多氯二苯并-对-

9、二噁英（简称PCDDs）和多氯二苯并呋喃（简称PCDFs），我国的环境标准中把它们统称为二噁英类。 其中PCDDs有75种异构体，PCDFs有135种异构体。所以，二噁英包括210种化合物。 二噁英化学性质非常稳定，熔点较高，极难溶于水，可以溶于大部分有机溶剂，是无色无味的脂溶性物质，所以非常容易在生物体内积累。自然界的微生物和水解作用对二噁英的分子结构影响较小，因此，环境中的二恶英很难自然降解消除。二噁英在705以下时是相当稳定的，高于此温度即开始分解。,二 噁 英,二恶英的最大危害是具有不可逆的“三致”毒性，即致畸、致癌、致突变。根据病例报告和动物实验的最新报告结果，一生持续摄入1pg/k

10、g 的2,3,7,8-PCDD，其致癌概率可达1/10001/100。 二恶英类物质是目前已经认识的环境激素或内分泌干扰物质中毒性最大的一种。二恶英又是一类持久性有机污染物(POPs)，在环境中持久存在并不断富集。一旦摄入生物体就很难分解或排出，会随食物链不断传递和积累放大。人类处于食物链的顶端，是此类污染的最后集结地。,二噁英的危害,二恶英对人的影响可谓“一棰定音”。一般的污染物质要达到一定的剂量才会产生明显的有害作用(即作用阈值)，而至今还没有研究出二恶英的作用阈值，只要“超微量”的剂量，就可能产生危害，对于婴幼儿的损害更明显和无可挽回。 二恶英危害的另一个特点是它的长期性和隐匿性，在表现

11、出明显的症状之前有一个漫长的潜伏过程，它影响的可能是人类的子孙后代。因此，有科学家甚至担心，人类的进化是否将会被这类物质终止。,二噁英的危害,焚烧过程污染物来源、产生原因及存在形态,减量比 MRC 减量比，%； ma焚烧残渣的质量，kg； mb 投加的废物质量，kg； mc残渣中不可燃物质量，kg。,2焚烧技术的指标和标准,热灼减量， 焚烧残渣在室温时的质量，kg 焚烧残渣在（60025）经3h灼热后冷却至室温的质量，kg,燃烧效率,热灼减量,破坏去除率：对危险废物，验证焚烧是否可以达 到预期处理效果的指标，有害成分破坏去除率,进入焚烧炉的有机性有害主成分（POHCS）的质量流率；,从焚烧炉流

12、出的该种物质的质量流率,烟气排放浓度限制指标、焚烧处理技术标准 烟尘：颗粒物、黑度总碳量 有害气体： CO、HCl、 HF、SOx、Nox 重金属单质及其化合物：Hg、Cd、Pb、Ni、Cr、As 有机污染物，二噁英类,生活垃圾焚烧处理工程技术规(CJJ90_2009),3 影响焚烧的主要因素,焚烧温度（Temperature） 搅拌混合程度 （Turbulence） 气体停留时间（Time） 过剩空气率 （excess air）,3T1E,废物的焚烧温度是指废物中有害组分在高温下氧化、分解直至破坏所须达到的温度，比废物的着火温度高得多。,焚烧温度,一般说提高焚烧温度有利于废物中有机毒物的分解

13、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。因此不宜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8001100之间，通常在800900左右。 我国生活垃圾焚烧污染控制标准(GB18485-2001)中规定烟气出口温度850。,焚烧温度参考经验数据,对于废气的脱臭处理，采用800950的焚烧温度可取得良好的效果。 当废物粒子在0.010.51m之间，并且供氧浓度与停留时间适当时，焚烧温度在9001100即可避免产生黑烟。 含有碱土金属的废物焚烧，一般控制在75

14、0800以下。因为碱土金属及其盐类一般为低熔点化合物。当废物中灰分较少不能形成高熔点炉渣时，这些熔融物容易与焚烧炉的耐火材料和金属零件发生腐蚀而损坏炉衬和设备。,含氯化物的废物焚烧，温度在800850以上时，氯气可以转化为氯化氢，回收利用或以水洗涤除去；低于800会形成氯气，难以除去。 焚烧含氰化物的废物时，若温度达850900，氰化物几乎全部分解。 焚烧可能产生氮氧化物（NOx）的废物时，温度控制在1500以下，过高的温度会使NOx急骤产生。 高温焚烧是防治PCDD与PCDF的最好方法，在925以上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时间可以再降低破坏温度。,焚烧温度参

15、考经验数据,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。 为增大固体与助燃空气的接触和混合程度，扰动方式是关键所在。 焚烧炉所采用的扰动方式有空气流扰动、机械炉排扰动、流态化扰动及旋转扰动等，其中以流态化扰动方式效果最好。,空气流动扰动方式,炉床下送风 助燃空气自炉床下送风，由废物层空隙中窜出，这种扰动方式易将不可燃的底灰或未燃碳颗粒随气流带出，形成颗粒物污染，废物与空气接触机会大，废物燃烧较完全，焚烧残渣热灼减量较小； 炉床上送风 助燃空气由炉床上方送风，废物进入炉内时从表面开始燃烧，优点是形成的粒状物较少，缺点是焚烧残渣热灼减

16、量较高； 一般来说，二次燃烧室气体速度在37m/s即可满足要求。气体流速过大时，混合强度加大，但气体在二次燃烧室的停留时间会降低，反而不利于燃烧的完全进行。,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。 停留时间的长短直接影响焚烧的完善程度，停留时间也是决定炉体容积尺寸的重要依据。 废物进入炉内的形态（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。当废物的颗粒粒径较小时，与空气接触表面积大，则氧化、燃烧条件就好，停留时间就可短些。,废物在炉内焚烧所需停留时间经验数据,对于垃圾焚烧，如

17、温度维持在8501000之间，有良好搅拌与混合，使垃圾的水气易于蒸发，燃烧气体在燃烧室的停留时间约为12s。 对于一般有机废液，在较好的雾化条件及正常的焚烧温度条件下，焚烧所需的停留时间在0.32s左右，而较多的实际操作表明停留时间大约为0.61s；含氰化合物的废液较难焚烧，一般需较长时间，约3s左右。 对于废气，为了除去恶臭的焚烧温度并不高，其所需的停留时间不需太长，一般在1s以下。,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及反应。为使燃烧完全，仅供给理论空气量很难使其完全燃烧，需要加上比理论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。 过剩空气率过低

18、会使燃烧不完全，甚至冒黑烟，有害物质焚烧不彻底；但过高时则会使燃烧温度降低，影响燃烧效率，造成燃烧系统的排气量和热损失增加。,空气量供应经验指标,根据经验选取过剩空气系数时，应视所焚烧废物种类选取不同数据。 焚烧废液、废气时，过剩空气量一般取2030的理论空气量，过剩系数取1.21.3； 焚烧固体废物时则要取较高的数值，通常占理论需氧量的5090，过剩空气系数为1.51.9，有时甚至要在2以上，才能达到较完全的焚烧 .,四个控制参数的互动关系,在焚烧系统中，焚烧温度、搅拌混合程度、气体停留时间和过剩空气率是四个重要的设计及操作参数，相互依赖，相互制约，构成一个系统。 过剩空气率由进料速率及助燃

19、空气供应速率即可决定。 气体停留时间由燃烧室几何形状、供应助燃空气速率及废气产率决定。 而助燃空气供应量亦将直接影响到燃烧室中的温度和流场混合（紊流）程度，燃烧温度则影响垃圾焚烧的效率。,焚烧四个控制参数的互动关系,5.3 燃烧过程平衡分析,1 物 质 平 衡,M1入+M2入+M3入+M4入M1出+M2出+M3出+M4出+M5出,焚烧系统物料的输入与输出,垃圾（100%）,气体排放（75%3%）,锅炉飞灰 （2.1%0.3%）,除尘器飞灰 （0.3%0.05%）,炉渣（23%3%）,瑞士某垃圾焚烧厂垃圾焚烧产物质量比分布图,瑞士某垃圾焚烧厂焚烧产物中几种元素的质量分布情况,2 热平衡分析,Qr

20、, w + Qr, a + Qr, kQ1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 + Q6,Qr,w,Qr,a,Q3,Q4,输 入 热 量,输 出 热 量,当垃圾的低位热值为1500kcal/kg，垃圾焚烧产生的热量高效吸收以后转换成蒸汽，如果蒸汽全部用于发电，在焚烧厂垃圾焚烧产生的热量中，23的热量被尾气带走，46的热量用于汽轮机发电，5的热量用于取暖、供热水，26的热量被焚烧厂内的各种设备消耗。汽轮机的发电量为焚烧厂自身电力消耗的34倍，与汽轮机发电量相当的热量仅为垃圾焚烧产生热量的4。,固体废物焚烧热值的利用,3 主要焚烧参数计算,燃烧所需空气量 理论燃烧空气量：指物料完全燃烧所需要的

21、空气量 1kg废物中碳、氢、氧、硫、氮、灰分和水分的质量分别以 C、H、O、S、N、Ash、W来表示,焚烧烟气量及组成,如果废物组成已知，以C、H、O、S、N、Cl、W表示单位废物中碳、氢、氧、硫、氮、氯和水分的质量比 理论湿基烟气量 理论干基烟气量,固体废物的热值：是指单位质量的固体废物完全燃烧时所释放出的热量，以kJ/kg表示。 热值常用高位热值（High heat value HHV）和低位热值（low heat value LHV）两种方法表示。 高位热值：是指化合物（物料）在一定温度下反应到达最终产物的焓的变化。 低位热值：与高位热值的意义相同，只是产物水的状态不同，前者水是液态，后

22、者水是气态，二者之差，就是水的汽化潜热。废物的发热量或热值可以通过标准实验测定，即用氧弹量热计实验测出废物的高位热值，然后用下式计算低位热值。,热值计算,LHV=HHV-2420(H2O+9(H-Cl/35.5-F/19) 式中，LHV低位热值，kJ/kg； HHV高位热值，kJ/kg； H2O焚烧产物中水的质量分数，； H 、Cl、F分别为废物中氢、氯、氟含量的质量分数，。 若废物的元素组成已知，则可利用Dulong方程式近似计算出低位热值： LHV=2.3214000mc+45000(mH-1/3mo)-760mCl+4500ms 式中：mc、mo、mH、mCl、ms分别代表废物中碳、氧、

23、氢、氯和硫的质量分数。 如果混合固体废物总重量已知，废物中各组成物的重量和热值已测定，则混合固体废物的热值可用下式计算：,燃烧室容积热负荷,Ff辅助燃料消耗量，kg/h； LHVf辅助燃料的低位热值，kJ/kg； Fw单位时间的废物焚烧量，kg/h； LHVw废物的低位热值，kJ/kg； A实际供给每单位辅助燃料与废物的平均助燃空气量，kg/kg； Cpa空气的平均定压热容，kJ/（kg）； ta空气的预热温度，； t0大气温度，； V燃烧室容积，m3,焚烧温度,LHV废物及辅助燃料的低位热值，kJ/kg； EA过剩空气率； V废物燃烧产生烟气量，Nm-3 Cp烟气在161100范围内的近似热

24、容，1.254kJ/(kg）,5.4 固体废物焚烧系统,一个固体废物焚烧厂主要包括: 废物贮存及进料系统（垃圾接受系统） 焚烧系统 助燃空气系统 余热利用系统 蒸汽及冷凝系统 烟气处理系统 灰渣收集与处理系统 自动控制系统,生活垃圾焚烧处理工艺流程与设备图,1 垃圾接受系统,垃圾称重:记录时间、垃圾重量 垃圾卸料 ：卸入贮坑 垃圾储存及进料：调节垃圾数量；进行搅拌、混合、脱水等预处理,2 焚烧系统,机 械 可 移 动 式 炉 排,机械炉排炉可大致分为三段：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。 焚烧过程包括三个阶段： （1）干燥阶段：利用炉壁和火焰的辐射热，垃圾从表面开始

25、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。,（2）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，在此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为30min。总体燃烧空气的60%80%在此段供应。 （3）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

26、上充分的停留时间，可将炉渣的热灼减率降至1%2%。,3 助燃空气系统,一次助燃空气系统 二次助燃空气系统 辅助燃料系统,4 余热利用系统,（1）余热直接利用：通过布置在垃圾焚烧炉之后的余热锅炉或其他热交换器，将烟气热量转化成一定压力和温度的热水、蒸汽以及一定温度的助燃空气，直接提供给外界。 （2） 余热发电 （3）热电联用,5 烟气净化系统,颗粒物（粉尘） 酸性气体（HCl、HF、SOx、NOx等） 重金属（He、Pb、Cr等） 有机剧毒性污染物（二恶英、呋喃等）四大类,湿法净化工艺,干法净化工艺,半干法净化工艺,7 焚烧灰渣处理与利用,焚烧灰渣分为四种：底灰（Bottom Ash或Slag）

27、、细渣、飞灰（Fly Ash）和锅炉灰 各种灰渣中都含有重金属，特别是焚烧飞灰，其重金属含量特别高，在对其进行最终处置之前必须先经过稳定化处理。另外，灰渣中还存在未燃有机成分，这在灰渣的处理过程中也应加以考虑。,底灰系焚烧后由炉床尾端排出的残余物，主要含有焚烧后的灰分及不完全燃烧的残余物，一般经水冷却后再送出。 细渣由炉床上炉条间的细缝落下，经集灰斗槽收集，一般可并入底灰，其成分有玻璃碎片、熔融的铝锭和其他金属。 飞灰是指由空气污染控制设备中所收集的细微颗粒，一般系经旋风除尘器、静电除尘器或布袋除尘器所收集的中和反应物（如CaCl2、CaSO4等）及未完全反应的碱剂如Ca(OH)2。 锅炉灰是

28、废气中悬浮颗粒被锅炉管阻挡而掉落于集灰斗中，亦有沾于炉管上再被吹灰器吹落的，可单独收集，或并入飞灰一起收集。,垃圾焚烧灰渣的处置要求,生活垃圾焚烧污染控制标准（GWKB32000）中对垃圾焚烧灰渣的处置要求是：“焚烧炉渣与除尘设备收集的焚烧飞灰应分别收集、贮存和运输； 焚烧炉渣按一般固体废物处理，焚烧飞灰应按危险废物处理； 其它尾气净化装置排放的固体废物按GB5085.3危险废物鉴别标准判断是否属于危险废物，如属于危险废物，则按危险废物处理”。国家危险废物名录把固体废物焚烧飞灰列为危险废物编号HW18，依据其毒性必须纳入危险废物管理范畴。,5.5 固体废物焚烧炉,炉排型焚烧：是最典型的活动炉排

29、焚烧炉，这种焚烧炉可实现焚烧操作的连续化、自动化，是目前城市垃圾处理中使用最为广泛的焚烧炉型式。按炉排构造不同，机械炉排常分为链条式、阶梯往复式、多段滚动式等。我国目前制造的中小型焚烧炉大都为链条式或阶梯往复式的。,流化床焚烧炉,流化床优点： 炉体较小，焚烧炉渣的热灼减率低（约1%），炉内可动部分设备少。 但与机械炉排炉相比，有以下缺点： 比机械炉排炉多设置流化砂循环系统，且流动砂造成的磨损较大； 燃烧速度快，燃烧空气的平衡较难，较易产生CO，为使燃各种不同垃圾时都保持较合适的温度，必须调节空气量和空气温度； 炉内温度控制较难。,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

30、生活垃圾。 其特点是适用于焚烧高水分的物质等。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不同流区的流态化可分为：固定床、沸腾流化床（鼓泡流化床）和循环流化床,流化床焚烧炉根据风速和垃圾颗粒的运动状况可分为：固定层，沸腾流动层和循环流动层。,流化床焚烧炉燃烧室,旋转窑式焚烧炉,回转窑焚烧炉是一种成熟的技术，如果待处理的垃圾中含有多种难燃烧的物质，垃圾的水分变化范围较大或者进料的体积较大，回转窑是一理想的选择。回转窑因为转速的改变，可以影响垃圾在窑中的停留时间，并且对垃圾在高温空气及过量氧气中施加较强的机械碰撞，能得到可燃物质及腐败物含量很低的炉渣。 回转窑可处理的垃圾范围广，特别是在工业垃圾的焚烧领域应用广泛。城市生活垃圾焚烧中的