固体废物的热处理.ppt

1、第六章 固体废物的热处理,从焚烧角度分析，城市生活垃圾可分为可燃和 不可燃两部分: 可燃垃圾橡塑、纸张、破布、竹木、皮革、果皮及 动植物、厨房垃圾等。其组分、物性和燃烧特性等非常 复杂，不宜直接填埋； 不可燃垃圾金属、建筑垃圾、玻璃、灰渣等，除可 收利用部分外，大多可直接安全填埋。,处理方法,焚烧处理,热解,焙烧 处理,其它热 处理方法,焚烧（incineration）: 生活垃圾和危险废物的燃烧（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 ）,热解:是将有机物在无氧或缺氧状态下加热，使之成为气态、液态或固态可燃物质的化学分解过程。,焙烧: 在低于熔点的温度下

2、热处理废物,改变废物的物理化学性质以利于后续资源化利用的处理过程。,干燥脱水 热分解 烧结,1,4,2,3,机械化连续垃圾焚烧炉。处理能力、焚烧效果、治污能力增强。,焚毁带病毒、病菌的垃圾。英、美、法等试验研究，建立焚烧炉。,19世纪中后期,20世纪初,20世纪60年代,大型机械化炉排；较高效率的烟气净化系统 。,19701990,自控、移动式机械炉排焚烧炉、多样化。,除尘 资源化 智能化 多功能 综合性,1,2,3,4,.,我国始于20世纪80年代,1焚烧处理,一、概述,制约我国垃圾焚烧技术发展的主要因素： 生活垃圾热值低，不能达到自燃要求； 城市垃圾中灰渣含量高，制约了焚烧减量化效益的发挥

3、 国内未系统的掌握垃圾焚烧技术，在建设与运行中缺乏可靠的技术支撑； 现代化垃圾焚烧处理成本高。建设筹资难。,各种垃圾处理方式的投资估算,第一节固体废物的焚烧,第一节固体废物的焚烧,二、焚烧原理,燃烧:强烈放热效应/基态、电子激发态的自由基/光辐射,（二）焚烧过程,焚烧过程包括三个阶段： 第一阶段是物料的干燥加热阶段； 第二阶段是焚烧过程的主要阶段，即真正的燃烧阶段-热化学分解； 第三阶段是燃尽阶段-氧化还原反应的综合过程，即生成固体残渣的阶段。,三个阶段并非界限分明，尤其对混合垃圾之类的焚烧过程更是如此。 从炉内实际过程看，送入的垃圾有的物质还在预热干燥，而有的物质已经开始燃烧，甚至已燃尽了。

4、 对同一物料来说，物料表面已进入了燃烧阶段，而内部还在加热干燥。,1、干燥-水分汽化、蒸发 传导干燥、对流干燥和辐射干燥 2、热分解-化学分解、聚合反应 放热反应，吸热反应 3、燃烧-可燃物质的快速分解和高温氧化过程 蒸发燃烧（蜡质类）、分解燃烧（纸、木材）、表面燃烧（木炭、焦炭）,（三）影响固体废物焚烧的因素,在实际的燃烧过程中，由于焚烧炉内的操作条件不能达到理想效果，致使燃烧不完全。严重的情况下将会产生大量的黑烟，并且从焚烧炉排出的炉渣中还含有有机可燃物。,影响废物焚烧的主要因素包括：废物本身的性质，停留时间，温度，湍流度，过量空气系数及其他因素。其中停留时间，温度，湍流度和过量空气系数称

5、为“3T1E”要素，是影响固体废物焚烧效果的主要因素，也是反映焚烧炉性能的主要指标。,燃烧效果E,（1）废物本身的性质,固体废物的加热时间与其粒度的2次方成正比，燃烧时间与其粒度的12次方成正比。 因此，固体废物送入焚烧炉焚烧前，必须进行破碎预处理，以增加废物的比表面积，改善焚烧效果。,（2）停留时间Time,进行生活垃圾焚烧处理时，通常要求垃圾停留时间能达到1.52h以上，烟气停留时间能达到2s以上。,（3）温度Temperature,这里所说的焚烧温度是指废物焚烧所能达到的最高温度，该值越大，焚烧效果越好。 目前要求生活垃圾焚烧温度在850950，医疗垃圾、危险废物的焚烧温度要达到1150

6、 。,（4）湍流度Turbulence,湍流度是表征固体废物和空气混合程度的指标。湍流程度越好，混合越充分，空气利用率越高，传质传热过程越快，燃烧效果越好。,（5）过量空气系数Excess air,实际空气量与理论空气量之比值为过量空气系数(m)，亦称空气比。 mA/A0 式中: A为实际供应空气量； A0为理论空气量。 根据经验，过量空气系数一般需大于1.5，常在1.51.9之间；但在某些特殊情况下，过量空气系数可能在2以上，才能达到较完全的焚烧效果。,（6）其他因素,综上所述，在固体废物的焚烧过程中，应在可能的条件下合理控制各种影响因素，使其综合效应向着有利于废物完全燃烧的方向发展。,（四

7、）焚烧产物,可燃固体废物基本是有机物，由大量的碳、氢、氧元素组成，有些还含有氮、硫、磷和卤素等元素。这些元素在焚烧过程中与空气中的氧起反应，生成各种氧化物或部分元素的氢化物。,有害有机废物焚烧处理后，要求达到以下三个标准： 主要有害有机组成（POHC）的破坏去除率（DRE）要达到99.99以上。DRE定义为从废物中除去的POHC的质量百分率，即,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1.8kg/h，若达不到这个要求，则经过洗涤设备除去HCl的最小洗涤氯为99.0。 烟囱的排放颗粒物应控制在183mg/m3，空气过量率为50。,（五）焚烧效果的评价指标： 减量比：

8、用于衡量焚烧处理废物减量化效果的指标是减量比，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。 热灼减量：指焚烧残渣在（60025）条件下灼烧3小时后，减少的质量占原焚烧残渣质量的百分数。,燃烧效率：对于城市垃圾和一般工业固废处理，燃烧效率是指焚烧处理过程是否达到预期处理要求。 对于危险废物焚烧处理，燃烧效率是指焚烧处理过程中有害有机组成（POHC）的破坏去除率（DRE）。,烟气排放浓度限制指标。 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。对焚烧设施排放的大气污染物控制项目大致包括四个方面： a.烟尘：将颗粒物、黑度、总碳量作为控制指标； b.有害气体：包括SO

9、2、HCl、HF、CO和NOx；,c.重金属元素单质或其化合物：如Hg、Cd、Pb、Ni、Cr、As等； d.有机污染物：如二噁英，包括多氯代二苯并-对-二噁英（PCDDs）和多氯代二苯并呋喃（PCDFs）。,三、热平衡和烟气分析,（一）固体废物热值 固体废物的热值是指单位质量的固体废物完全燃烧所释放出来的热量，一般以kJ/kg计。下表列出了我国几种废物的热值。 根据经验，城市垃圾的热值大于3350kJ/kg时，燃烧过程无需加辅助燃料，易于实现自燃烧。,通过氧弹测热仪测量计算 将高位热值转变成低位热值可以通过下式计算： 式中: HHV为高位热值（粗热值），是指化合物在一定温度下反应到达最终产物

10、的焓的变化，水为气态，kJ/kg； LHV为低位热值（净热值），水为液态，kJ/kg； H2O为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，。,通过元素组成作近似计算 若废物的元素组成已知，则可利用Dulong方程式近似计算出热值： 式中wC、wH、wS、wO分别为可燃物质中元素碳、氢、硫、氧的质量分数； xC、xO、xH、xCl、xS分别代表可燃物质中碳、氧、氢、氯和硫的摩尔分数。,通过比例求和法计算。如果混合固体废物总重已知，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： 固体废物总热值,例1 表1是我国武汉市城市垃圾的组分，假设各组

11、分的热值与城市垃圾的典型组分的热值相同，可据此计算出武汉市垃圾的热值：,已知各组分热值分别为厨房废渣、果皮4650kJ/kg；木屑杂草6510kJ/kg；纸张16750kJ/kg；皮革、塑料、橡胶32570kJ/kg。,表1 武汉市居民生活垃圾组分（重量百分率）,解：以100kg为基准，分别计算各组分的重量 m厨房废渣及果皮100kg29.5329.53kg m木屑杂草 2kg， m纸张 1.35kg， m塑料皮革等 1.39kg。,计算各组分产生的能量 E厨房废渣4650kJ/kg29.35kg137314kJ E木屑杂草6510kJ/kg2kg13020kJ E纸张16750kJ/kg1.

12、35kg22613kJ E塑料皮革等32570kJ/kg1.39kg45272kJ,E总 E厨房废渣 E木屑杂草 E纸张 E塑料皮革等 218219kJ（100kg） 则1kg垃圾的热值为 E总/ 100kg 2182.19kJ/kg 因为武汉市垃圾的热值仅为2182.19kJ/kg 3350kJ/kg， 所以不能维持燃烧。,实际上，焚烧过程是在焚烧装置中进行的。由于空气的对流辐射，可燃部分的未完全燃烧，残渣中的显热，以及烟气的显热等原因都会造成热能的损失。因此，焚烧后可以利用的热值可以从焚烧反应产生的总热量中减去各种热损失。 计算公式为： 焚烧后实际可利用的热量焚烧获得的总热量各种热损失,例

13、2 某固体废物含可燃物60、水分20、惰性物20。固体废物的元素组成为碳28、氢4、氧23、氮4、硫1、水分20、灰分20。假设固体废物的热值为11630kJ/kg； 炉栅残渣含碳量5； 空气进入炉膛的温度为65，离开炉栅残渣的温度为650； 残渣的比热为0.323 kJ/(kg)； 水的汽化潜热2420 kJ/kg； 辐射损失为总炉膛输入热量的0.5； 碳的热值为32564 kJ/kg，试计算这种废物燃烧后可利用的热值。,解：以固体废物1kg为计算基准。 1.残渣中未燃烧的碳含热量 未燃烧碳的量 惰性物的重量1kg200.2kg 根据物料平衡： 总残渣量0.2kg/（10.05）0.2105

14、kg 未燃烧碳的量0.2105-0.20.0105kg 未燃烧碳的热损失 Q132564kJ/kg0.0105kg340kJ,2.计算水的汽化潜热 计算生成水的总重量 总水量固体废物原含水量+组分中氢与氧结合生成水的量 固体废物原含水量1kg20%0.2kg 组分中氢与氧结合生成水的量1kg4%9 0.36kg 总水量(0.2+0.36)kg0.56kg 水的汽化潜热Q22420kJ/kg0.56kg1360 kJ,3.辐射热损失为进入焚烧炉总能量的0.5 辐射热损失Q311630 kJ0.00558kJ 4.残渣带出的显热Q40.2105kg0.323kJ/(kg) (650-65) 39.

15、8kJ 5.可利用的热值固体废物总含有的能量各种热损失之和总热量（Q1Q2Q3Q4） 11630（34013605839.8） 9882.2kJ,在焚烧系统处于衡压、绝热状态，系统所有能量都用于提高系统温度和物料的含热时，焚烧系统的最终温度称为理论燃烧温度或绝热燃烧温度。,实际燃烧温度,近似 计算,EA = m过空/m理空,（二）燃烧温度,焚烧炉火焰温度,:完成燃烧反应的最少空气量,实际空气量,烟气量,（三）空气和烟气量计算,四、固体废物的焚烧系统,焚 烧 工 艺,空 气 系 统,主要 设施,通风管道、进气系统、风机和空气预热器等,一次助燃空气：60%80%，起助燃、冷却炉排搅动炉料的作用 二

16、次助燃空气：20%40%，火焰上和二次燃烧室空气，是为了助燃和控制气量的湍流程度。,余热锅炉后，200280。预热助燃空气不仅能够改善焚烧效果，而且能够提高焚烧系统的有用热，有利于余热回收。,助燃空气,换热器预热,焚 烧 工 艺,烟 气 系 统,PCDDs: TCDDs PCDFs,酸性气体: HF、SOX、NOX、HCl,重金属汞、镉、铅,烟尘,催化氧化 化学吸收 氧化还原 湿式洗涤 物理吸附 静电除尘 袋式过滤 离心分离 重力沉降 ,反应器 洗涤塔 吸附塔 静电除尘器 布袋除尘器 旋风除尘器 沉降室 ,A 控制燃烧温度和停留时间； B 减少烟气200500停留时间； C 有效净化,处理技术

17、,设备,五、焚烧过程污染物的产生与防治,（一）焚烧尾气中污染物的组成 焚烧是一个非常复杂的过程，焚烧产生的尾气中含大量的污染物质，尾气需经净化处理后方可排放。尾气中主污染物质可分成如下几种： （1）不完全燃烧产物:不完全燃烧产物（简称PIC）是指燃烧不良时产生的副产物，包括一氧化碳、炭黑、烃、烯、醛、酮、醇、有机酸和聚合物等。,（2）粉尘 指废物中的惰性金属盐类、金属氧化物或不完全燃烧物质等。 （3）酸性气体:包括HCl、卤化氢（氯化外的卤素，氟、溴、碘等）、SO2或SO3、NOx，P2O5）和（H3PO4）等。 （4）重金属污染物: 包括铅、汞、铬、镉、砷等的元素态、氧化物及氯化物等。 （5

18、）二噁英PCDDs/PCDFs。,（二）焚烧尾气中污染物的防治 1、粉尘控制技术在垃圾焚烧厂中常用的有多管离心除尘器、布袋除尘器。 2、酸性气体控制技术 用于控制焚烧厂尾气中酸性气体的方法主要有湿式洗气法、干式洗气法和半干式洗气法三种。 3、重金属控制技术：除尘器去除；活性炭吸附法 ；化学药剂法 ；湿式洗气塔,4、二噁英控制技术 二噁英是PCDDs和PCDFs的总称。 PCDDs共有73个不同的化合物，PCDFs共有136个不同的化合物。其中毒性最大的是TCDD，它的毒性比氰化物大1000倍，属剧毒类物质，是目前毒性最强的物质。,产生二噁英的主要原因有： 垃圾本身含有的二噁英； 与氯苯酚、氯苯

19、、PCB等结构相近的物质（称为前驱体）在炉内进行反应生成的二噁英； 在废气冷却过程中，前驱体等有机物变成二噁英。特别是在250500温度容易产生。,控制二噁英的方法 控制来源 通过废物分类收集，加强资源回收，避免含PCDDs/PCDFs物质及含氯成分高的物质（如PVC塑料等）进入垃圾中。,减少炉内形成 控制二噁英在炉内产生的最有效的方法控制：温度、时间和湍流。 保持炉内温度800以上（最好是900），可将二噁英完全分解；保证足够的烟气高温停留时间（一般在12s以上），以利于二噁英的充分分解；充分混合搅拌烟气以达到燃烧的目的。确保废气中有适当的氧含量（6%-12%）。,避免炉外低温再合成 PCD

20、Ds/PCDFs炉外再合成现象，多发生在锅炉内（尤其在节热器的部位）或在除尘器设备前。 主要原因是锅炉或除尘器的金属部件（铜或铁的化合物）在悬浮微粒的表面催化了二噁英的先驱物质，导致炉外二噁英的再合成。,为了遏制二噁英的炉外再合成，通常采用控制烟气温度的办法。当具有一定温度（不低于500）的焚烧烟气从余热锅炉中排出后，采用急冷技术使烟气在0.2S内急速冷却到200以下，从而跃过二噁英易形成的温度区。,活性炭吸附法 近年来，工程上普遍采用半干式洗气塔与布袋除尘器搭配的方式。 在干式处理流程中，最简单的方法是喷入活性炭或焦炭粉，通过吸附以去除废气中的PCDDs/PCDFs。,6.2 固体废物的热解

21、处理,热解是一种古老的工业化生产技术，该技术最早应用于煤的干馏，所得的焦炭产品主要作为冶炼钢铁的燃料。 20世纪70年代初期，世界性石油危机对工业化国家经济的冲击，使得人们逐渐意识到开发再生能源的重要性，热解技术开始用于固体废物的资源化处理，并制造燃料，成为一种很有前途的固体废物处理方法。,6.2.1 固体废物的热解过程,（1）热解反应过程 热解是把有机固体废物在无氧或缺氧条件下加热分解的过程。该过程是一个复杂的化学反应过程。包括大分子的键断裂，异构化和小分子的聚合等反应，最后生成各种较小的分子。,热解的过程可以用通式表示如下： 有机固体废物热量 无氧或缺氧 可燃气液态油固体燃料炉渣 由总反应

22、式可知，有机废物的热解产物有气、液、固三相，具体成分为： 可燃气有氢、一氧化碳、甲烷等低分子碳氢化合物为主的可燃性气体； 液态油有甲醇、乙酸、丙酮，乙醛、C25的烃类等有机物及焦油、溶剂油等； 固体燃料有纯碳和聚合高分子的含碳物。,热解过程产生的可燃气量大，特别是在较高温度下，废物中有机成分的50以上都转化成气态产物，其热值高达6.371031.021104 kJ/kg。 适合热解的固体废物：废塑料（含氯的除外）、废橡胶、废油及油泥、废有机污泥。,工艺特点,热解技术与焚烧相比的明显优点： 它可以将固体废物中的有机物转化为以燃料气、燃料油、碳黑等储存性能源。 热解是一种缺氧分解，产生的废气少，相

23、应地其排放的废气也少，这有利于减轻对环境空气的污染。 废物中的硫、重金属等有害成分大部分被固定在碳黑中。 由于保持在还原性条件，因此三价铬不会转化为六价铬。 氮氧化物的产生量少。,（2）热解的主要影响因素,影响热解过程的主要因素有温度、加热速率、反应时间等。另外，废物成分、反应器的类型及作为氧化剂的空气供氧程度等都对热解反应过程产生影响。 不同的废物原料其可热解性不一样。有机物成分比例大，热值高，则可热解性相对较好，产品热值高，可回收性好，残渣少。,温度,随着温度的升高，除大分子裂解外，许多中间产物也发生二次裂解， C5 以下分子及H2成分增多，气体产量成正比增长，而各种酸、焦油、炭渣产量相对

24、减少。 城市生活垃圾热分解产物比例与温度的关系（下图）。 因此，通过控制热解温度可以选择热解产品的成分和含量。,城市生活垃圾热分解产物比例与温度的关系,在低温-低速加热条件下，有机物分子有足够的时间在其最薄弱的接点处分解，重新结合为热稳定性固体，而难以进一步分解，反而产物中固体含量增加； 而在高温-高速加热条件下，有机物分子结构发生全面裂解，产生大范围的低分子有机物，热解产物中气体的组分增加。,加热速率,反应时间,反应时间是指反应物料完成反应在炉内停留的时间。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，并且它又会影响热解产物的成分和含量。,物料性质,物料的性质如有机

25、物成分、含水率和尺寸大小等对热解过程有重要影响。 较小的颗粒尺寸有利于促进热量传递、保证热解过程的顺利进行，尺寸过大时，情况则相反。,反应器类型,反应器是热解反应进行的场所，是整个热解过程的关键。不同反应器有不同的燃烧床条件和物料流方式。 气体与物料逆流行进有利于延长物料在反应器内滞留时间，从而可提高有机物的转化率；气体与物料顺流行进可促进热传导，加快热解过程。,供气供氧,空气或氧作为热解反应中的氧化剂，使物料发生部分燃烧，提供热能以保证热解反应的进行。因此，供给适量的空气或氧是非常重要的，也是需要严格控制的供给的可以是空气，也可以是纯氧。由于空气中含有较多的N2，供给空气时产生的可燃气体的热值较低。,6.2.2 固体废物的热解工艺与设备,固体废物的热解过程由于供热方式、产品状态、热解炉结构等方面的不同，热解方式亦不同。,（1）立式炉热分解法,（2）双塔循环式流态化热分解法,（3）回转窖热分解法,（4）高温熔融热解法,6.2.3 固体废物热解处理实例,（1）废塑料的热解 目前，国内大宗的塑料品种主要有聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC），聚丙烯（PP）和聚苯乙烯（PS）。PE农膜，PVC片、板、管及异型材，PS类包装材料和PP编织