固体废弃物处置技术5.ppt
第七章可燃固体废物的焚烧,一、可燃固体废物从焚烧角度分析,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,不易直接填埋;不可燃垃圾金属、建筑垃圾、玻璃、灰渣等,除可回收利用部分外,大多可直接安全填埋。,二、焚烧法概述,焚烧法一般是指将垃圾作为固体燃料送入焚烧炉中,在高温条件下(一般为900℃左右,炉心最高温度可达1100℃),垃圾中的可燃成分与空气中的氧进行剧烈化学反应,放出热量,转化成高温烟气和性质稳定的固体残渣。优点垃圾焚烧后,体积可减少85%95,质量减少20%80。高温焚烧消除了垃圾中的病原体和有害物质无害化。焚烧排出的气体和残渣中的一些有害副产物的处理远比有害废弃物直接处置容易得多。焚烧法具有处理周期短、占地面积小、选址灵活等特点。热能可以利用因此,焚烧法能以最快的速度实现垃圾处理的无害化、减量化和资源化。目前,在发达国家已被广泛采用。,缺点,焚烧法对垃圾的热值有一定要求;,建设成本和运行成本相对高;,管理水平和设备维修要求高;,焚烧产生的废气若处理不当,很容易对环境造成二次污染。不同季节、年份垃圾热值的变化不同。,,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,机械化连续垃圾焚烧炉。处理能力、焚烧效果、治污↗,20世纪初,大型机械化炉排;较高效率的烟气净化系统,1960’,自控、移动式机械炉排焚烧炉、多样化、T↗,1970至今,我国始于1980,除尘,资源化,智能化,多功能,综合性,焚烧处理发展历程,焚烧原理,燃烧、燃烧机理、燃烧技术、主要影响因素,热平衡及烟气分析,固体废物热值、燃烧温度、空气和烟气量计算,焚烧工艺,焚烧工艺系统组成,焚烧炉系统,焚烧炉、余热利用系统、焚烧炉选评,焚烧处理,温度,,着火条件,,可燃物质,,助燃物质引燃火源,,,,蒸发,挥发,分解,烧结、熔融,氧化还原,,,层状燃烧技术,过程稳定、技术成熟、应用广固定炉排焚烧炉、水平机械焚烧炉、倾斜机械焚烧炉等辐射、烟气对流,翻转及搅动炉型设计和配风设计,流化燃烧技术,较成熟,可处理低热值、高水分废物,但对入料要求均匀化、细小化,流化床焚烧炉空气流和烟气流快速移动,物料流态化状态,较成熟、效率高,滚筒、抄板,回转窑焚烧炉,旋转燃烧技术,二、热量的测定1.标准实验测量的是粗热值。2.通过元素组成作近似计算,焚烧影响因素,固体废物性质可燃成份、有毒害物质、水分,焚烧温度850950℃,1150℃,供氧量和物料混合程度过剩空气系数,停留时间1.52h;2s,废物料层厚度、运动方式、预热温度,进气方式、燃烧器性能、烟净化系统阻力,第一节可燃固体废物的热值,粗热值HHV高位热值是指化合物在一定温度下反应到达最终产物的焓的变化。水为液态净热值NHV低位热值水为气态。,一、热值,指单位重量的固体废物燃烧释放出来的热量,kJ/kg。,1.NHVHHV-2420[H2O9H-Cl/35.5-F/19),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,,氧弹量热计,2.NHV2.32[1400mC45000(mH-0.125mo)-760mCl4500mS]mC、mH、mo、mCl、mS分别代表碳、氢、氧、氯和硫的质量分数,若废物中的元素组成已知,可利用Dulong公式近似计算,废物热量辅助燃料热量助燃空气热量,有用热量化学不完全燃烧热损机械热损烟气显热灰渣显热,热量满足能量守恒,,例1我国武汉市城市垃圾的组分,假设该组分的热值与美国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,1以100为基准,分别计算各组分的重量,厨房废渣及果皮重量=100X29.5329.53kg,木屑、杂草的重量为2kg,纸张重量为1.35kg,塑料皮革等重量1.39kg。,2计算各组分产生的能量,18600kJ/kg,假设①固体废物的热值为11630kJ/kg;②炉栅残渣含碳量为5;③空气进入炉膛的温度为65℃,离开炉栅的温度为650℃;④残渣的比热为0.323kJ/(kg.℃);⑤水的汽化潜热2420kJ/kg;⑥辐射损失为总炉膛输入热量的0.5;⑦碳的热值为32564kJ/kg。试计算这种废物燃烧后可利用的热值。(以1kJ/kg固体废物计算),例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。,,,,,1、残渣中未燃烧的炭含热量,解以固体废物1kg为基准,(1)未燃烧的炭量,惰性物重量,1kg,四、废物热值利用方式,固体废物焚烧热的利用包括供热和发电,在用于发电时,一般在下列设备中进行产生蒸汽的锅炉、蒸汽透平机或气体透平机以及发电机。这三种设备大致有三种不同的组合方式,见图71示意图。,,,,,,存在的问题能效损失很大,热效率不高焚烧炉废热锅炉蒸汽透平发电机系统饺烧炉熬汽锅炉远平机发电机系统用于热交换器及废热锅炉产生热水或蒸汽。,相关知识国外利用垃圾焚烧发电技术的应用始于20世纪50年代,最先应用的国家是联邦德国和法国,其后美国、日本、韩国图4-1等均建有相当数量的垃圾焚烧电站。我国于1988年开始首次引进垃圾焚烧发电技术,2000年沈阳建成我国首座垃圾与污水一体处理厂。垃圾焚烧发电、供热工艺当前我国垃圾焚烧发电存在的问题,,,图4-1,垃圾焚烧发电存在的问题垃圾焚烧发电在我国还处于初级阶段,还有许多方面需改进和提高。垃圾发电当前遇到的关键问题是电站的发电量波动性大,稳定性小。其原因是垃圾中可燃废弃物的质量和数量随季节和地区的不同而发生明显变化。因此,垃圾焚烧电站的多余电力向电力公司出售时,价格不高,主要靠国家政策扶持。另外,垃圾焚烧发电本身属于环保项目,如果处理的不好可能造成二次污染。,第二节固体废物焚烧过程,一、垃圾焚烧过程各阶段的划分燃烧本质由质量传递、热量传递、动量传递、化学反应、结构变化等过程综合在一起的物理化学过程。焚烧过程需燃烧的物料从送入焚烧炉起,到形成烟气和固态残渣的整个过程。第一阶段物料的干燥加热阶段第二阶段燃烧阶段主阶段第三阶段;燃尽阶段,即生成固体残渣的阶段。,(1)干燥阶段干燥阶段对机械送料的运动式炉栅,从物料送入焚烧炉起到物料开始析出挥发分着火。在干燥阶段,物料的水分是以蒸汽形态析出的,因此需要吸收大量的热量水的汽化潜热。预热阶段水分蒸发阶段橡胶塑料的水分是最易蒸发的,其排列为橡胶、塑料、纤维、纸、竹木、厨房垃圾,,二、垃圾燃烧过程中各阶段的特点,第一阶段物料的干燥加热阶段第二阶段燃烧阶段主阶段第三阶段;燃尽阶段,即生成固体残渣的阶段。,预热阶段,预热阶段指垃圾从环境温度升温到水分蒸发平衡达到稳定温度的过程,主要用温度参数表征,伴有垃圾吸热和少量水分蒸发等现象。水分蒸发阶段水分在蒸发阶段受热力驱动而蒸发,并通过质量传递而逸离垃圾体,进入气相,为垃圾稳定着火燃烧创造条件。,焚烧阶段热解在无氧或近乎无氧条件下,利用热能破坏含碳高分子化合物元素的化学键,使含碳化合物破坏或进行化学重组。纤维素分子C6H10O52COCH43H2O3C对象大分子的含碳化合物(一般的有机固体废物)挥发分的析出200800℃强氧化反应析出的挥发物、固定炭燃烧,,,燃尽阶段该阶段可燃物浓度减少,惰性物增加,氧化剂量相对较大,反应区温度降低。改善措施翻动,拨火减少物料外表面的灰层。增加物料在炉内的停留时间。,三、燃烧结果,在整个燃烧阶段,燃烧结果至少有以下三种可能的情况①废物的主要部分很可能在一级燃烧室就很容易被氧化或被全部破坏,或者一部分废物在一级燃烧室被热解,在第二燃烧室或后燃室达到完全焚烧。②很少一部分废物由于某些原因,在焚烧过程中逃逸而未被销毁,或只有部分销毁。③废物组分可能会产生一些中间产物,如某些不完全燃烧的排放物。这些中间产物可能比原废物更有害。,三、影响固体物质焚烧的因素,焚烧四大控制参数气体停留时间废物在焚烧炉内发生氧化、燃烧,使有害物质变成无害物质所需的时间。焚烧温度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。搅拌混合程度过剩空气率,四、固体废物焚烧的产物,可燃的固体废物基本是有机物,由大量的碳、氢、氧及少量氮、硫、磷和卤素等元素,焚烧过程中与空气中氧反应,生成各种氧化物或部分元素的氢化物。主要有有机碳CO2HH2O,有F或Cl存在时可能有HF、HCl有机硫和有机磷SO2、SO3、P2O5有机氮N2为主,少量氮氧化物有机氟化物HF,氢不足会出现CF4、COF2(需添加助燃料)有机氯氯化氢(氢气不足有游离氯气产生)有机溴化物、碘化物HBr、Br2、I2金属卤化物、硫酸盐、磷酸盐、碳酸盐、氢氧化物和氧化物,有害有机废物焚烧后要求达到的三个标准a主要有害有机组成(POHC)的破坏去除率(DRE)要达到99.99以上。bHCl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,若达不到该要求,则经过洗涤设备除去HCl的最小洗涤率应为99.0。c烟囱的排放颗粒物应控制在183mg/m3,空气过量率为50。如果空气过量率大于或小于50,应折算成50的排放量。,第三节燃烧过程污染物的产生与防治,,一、烟气组成烟气中的主要成分CO2、H2O、O2、N2,占烟气容积的99,属无害成分。烟气中的有害成分主要是CO、NOx、H2S、HCl以及一些具有特殊气味的有机有害气体,如饱和烃和不饱和烃、烃类氧化物、卤代烃类、芳香族类物质等,包括多氯二苯二恶英.固体颗粒物主要是碳黑、一些金属和盐类经蒸发凝聚而成的粉尘。,二、烟气中污染物来源、产生及存在原因,,三.垃圾焚烧烟气的特性垃圾焚烧产生的烟气与其他燃料燃烧所产生的烟气在组成上相差较大,同其他烟气相比,垃圾焚烧烟气的特点是HCl和O2浓度特别高,粉尘中的盐分(氯化物和硫酸盐)特别高。,1.二恶英的定义二恶英dioxins,简称DXN是指一类具有某种类似的化学结构且生物作用方式基本相同的化合物。是一类多氯代三环芳烃类化合物的统称。氯代二苯并二恶英CDDs,有75种同类物;氯代二苯并呋喃CDFs,有135种同类物;多氯联苯PCBs,有209种同类物。在这419种化合物中只有30种属于二恶英类化合物,其中多氯二苯二恶英PCDDs7种,多氯二苯呋喃PCDFs10种,多氯联苯PCBs13种。其中研究最多、毒性最强的化合物是2,3,7,8-TCDD。,,2.二恶英的分子结构,,3.二恶英的化学特性二恶英在常温下呈固态,熔点为303~305℃。容易生成的温度是180~400℃.一般在705℃以下非常稳定,705℃以上开始分解,不易燃烧;酸碱环境中稳定;难溶于水,常温下水中溶解度仅为7.210-6mg/l;易溶于二氯苯,常温下在二氯苯中溶解度高达1400mg/l,故二恶英易溶于脂肪,会在身体内积累,并难以排除。附着于土壤的能力非常强,不易渗出,污染地下水的可能性很小;在土壤中的半衰期至少在1年以上。意大利的塞维招(Seveso)_二恶英污染事件发生10年后,在被污染过的土壤中仍然残存有二恶英;在人体中的半衰期至少为7年,人体吸收的二恶英很难排除体外,,一般来说,垃圾焚烧中二恶英的形成有下列途径垃圾中自身含有的二恶英类物质,大部分在高温燃烧时得以分解,但由于二恶英具有热稳定性,仍会有一部分在燃烧以后排放出来;垃圾在燃烧过程中形成的含氯前驱体,如氯苯、氯酚、聚氯酚类物质(PCBs)通过重排、脱氯或其它分子反应等过程会生成二恶英,这部分二恶英在高温燃烧条件下大部分也会被分解。小分子碳氢化合物通过聚合和环化形成多环烃化合物(PAH),这些化合物和氯反应形成二恶英;在较低温度下(300~500℃),二恶英前驱体在飞灰催化作用遇适量的触媒物质(主要为重金属,特别是铜等),则在高温燃烧中已经分解的二恶英将会重新生成。焚烧炉尾部净化温度在200~300℃下,HCl和单质氯在飞灰催化作用下与碳氢化合物反应生成二恶英。,7.垃圾焚烧厂中二恶英的生成途径,8.二恶英的生成机理(1),目前被学术界基本接受的几种二恶英生成机理如下直接释放机理燃烧含有微量二恶英的固体废物,在未充分完全燃烧的条件下,其排出的烟气中必然含有残留的二恶英。重新合成反应载体为大分子的碳结构,包括活性炭、碳、煤灰、焦炭、残留碳、飞灰等,这些反应载体在催化剂主要是铜族化合物作用下反应,生成二恶英。1大分子的碳结构的边缘,以并列方式进行氯化反应,产生邻位氯代基的碳结构;2氧化破坏碳结构,进行重组生成二恶英;3在活性碳表面进行氧化降解氧化铜为主要催化剂,产生芳香族氯化物二恶英的中间产物;,8.二恶英的生成机理(2),前驱物的异相催化反应机理发生在飞灰表面的异相催化反应,反应物质为有机小分子,其中包括脂肪族如丙烯、单环无官能团芳香族如苯、单环官能团芳香族如苯甲酸、甲苯、苯酚等、氯芳香族如氯酚、氯苯等。1主要碳结构的降解作用,形成小分子物质,然后反应产生二恶英;2凝结两个前驱物,形成中间产物,再进行分子间的环化作用,形成二恶英。,9.影响二恶英生成的因素,碳源氯源温度催化剂氧水反应时间,10.焚烧厂二恶英防治措施1,l)控制燃烧温度二恶英的最佳生成温度为300℃,但是在400℃以上时,仍然有二恶英生成的可能。当温度达到9001000℃时,二恶英将无法生成。因此,维持燃烧温度高于1000℃是防止二恶英生成的首要条件;2)提高燃烧效率因为二恶英的生成与燃烧效率有直接的关系,CO中的碳可能参与二恶英的生成反应。因此,供氧充足,减少CO的生成,可以间接地减少二恶英的生成;烟气中比较理想的CO浓度指标是低于60mg/m3,O2浓度不少于6,在炉膛及二次燃烧室内的停留时间不小于2s;3)加强烟道气温度控制一般新建的大型垃圾焚烧厂都有废热回收系统,烟道气自燃烧室进入该系统后,温度将逐渐降低至250350℃左右,而此温度范围又恰巧是二恶英生成反应(DeNovo合成反应)的最佳区域,因此,必须将焚烧炉出来的烟气在短时间内骤降至150℃以下,以确保有效遏止二恶英的再生成;,10.焚烧厂二恶英防治措施2,化学加药向烟道中喷入NH3或喷入CaO等吸收HCI,以抑制前驱物质的生成。选用新型袋式除尘器,控制除尘器入口处的烟气温度低于200℃,并在进入袋式除尘器的烟道上设置活性碳等反应剂的喷射装置,进一步吸附二恶英;在生活垃圾焚烧厂中设置先进、完善和可靠的全套自动控制系统,使焚烧和净化工艺得以良好执行;通过分类收集或预分拣控制生活垃圾中氯和重金属含量高的物质进入垃圾焚烧厂;由于二恶英可以在飞灰上被吸附或生成,所以对飞灰应用专门容器收集后作为有毒有害物质送安全填埋场进行无害化处理,有条件时可以对飞灰进行低温(300~400℃)加热脱氯处理,或熔融固化处理后再送安全填埋场处置,以有效地减少飞灰中二恶英的排放。,Ⅱ、恶臭,1.恶臭(stench)的定义垃圾厌氧发酵和有机物不完全燃烧产生的。多为有机硫化物或氮化物。恶臭污染物是指一切刺激嗅觉器官引起人们不愉快及损害生活环境的气体物质。从广义上说,我们把散发在大气中的一切有味物质统称为恶臭气体。2.恶臭的危害恶臭属于感觉公害,直接作用于嗅觉,给人们造成危害。轻者给人以不愉快的感觉;重者使人呼吸困难,恶心呕吐,流泪,甚至会引起中毒。其中有些是三致物质,有些会影响神经系统和造血系统,有些则会引起机体的变态反应。,3.恶臭的产生和组成产生未完全燃烧一是含硫化合物,如硫化氢、硫醇类、硫醚类等;二是含氮的化合物,如氨、胺类、酰胺、吲哚类等;三是卤素及其衍生物,如氯气、卤代烃等;四是烃类,如烷烃、烯烃、炔烃、芳香烃等;五是含氧的有机物,如酚、醇、醛、酮、有机酸等。4.恶臭的防治,常见的脱臭方法概况,Ⅲ.粉尘,粉尘焚烧烟气中的粉尘(颗粒物)是垃圾焚烧过程中产生的微小无机颗粒物质。物理原因产生的粉尘燃烧空气卷起的微小不燃物,可燃物的灰分等。发生不完全燃烧时,未燃碳分、纸灰等也会成为粉尘的一部分。热化学反应产生的粉尘高温燃烧室内氮化的盐类,在烟气冷却后凝结成盐颗粒。,四、炉渣和飞灰,焚烧过程产生的灰渣(炉渣和飞灰)一般为无机物质,他们主要是金属的氧化物、氢氧化物和碳酸盐、硫酸盐以及硅酸盐。,焚烧灰渣是判定焚烧炉运行正常与否的最有力的数据,通过测定焚烧灰渣热灼减量,可以推算焚烧的完成状况。炉渣分类按焚烧温度焚烧残渣1000以下焚烧炉、热分解炉产生的残渣。烧结残渣1500高温焚烧炉排出的熔融状态的残渣。炉渣的利用1)焚烧残渣回收金属、玻璃等(美国、苏联)2)烧结残渣作为混凝土骨料或与粘土结合制红砖(日),第四节固体废物焚烧系统,一、焚烧处理的典型流程(见图4-2)二、垃圾焚烧厂概况三、焚烧设备,,图4-2,二、垃圾焚烧厂概况,1.垃圾处理厂组成储存及进料系统垃圾储坑、抓斗、进料斗、故障排除及监视系统。(破碎机)焚烧系统燃烧室、炉床废热回收系统锅炉路管、过热器、节热器、蒸汽导管安全阀、炉管吹灰设备等。发电系统发电机饲水处理系统饲水处理站废水处理系统废水处理站废气处理系统静电集尘器/滤袋集尘器、湿式洗烟塔/干式或半干式洗烟塔灰渣收集及处理系统固化底灰和飞灰。2.垃圾焚烧厂的组成设备图(图4-3)及垃圾焚烧系统组成图(图4-4),,图4-3,,图4-4,3.垃圾焚烧厂的选址,基本原则不影响自然生态环境和居民生活环境,不产生二此污染,投资小,运行费用低。符合经济运距要求具备交通运输条件有足够的用地面积满足环境保护要求焚烧余热有出路市政基础设施较齐全与用地规划协调一致具有良好的自然条件有利于垃圾综合利用满足净空要求,燃烧方式焚烧炉垃圾焚烧炉的腐蚀生活垃圾焚烧炉CJ/T118-2000国内垃圾焚烧处理厂现状及设备使用情况国内垃圾焚烧炉主要有以下几类引进国外炉形其代表是深圳垃圾焚烧厂。参照国外先进工艺,自制较完善焚烧炉北京昌平垃圾处理厂和常州垃圾处理厂。国内自制的简单焚烧炉四川乐山焚烧炉为其中代表。,1.废物焚烧炉的燃烧方式按照燃烧气体的流动方向反向流适合难燃性、闪火点高的废物燃烧同向流适用于易燃性、闪火点低的废物燃烧旋涡流燃烧气体由炉周围方向切线加入,造成炉内燃烧气流的旋涡性,可使炉内气温扰动性增大,不易发生短流,废气流经路径和停留时间厂,而且气流中间温度非常高,周围温度并不高,燃烧较为完全。按照助燃空气加入阶段数单段燃烧和多段燃烧按照助燃空气供应量过氧燃烧、缺氧燃烧(控气式)和热解燃烧,2).按照助燃空气加入阶段数单段燃烧必须送入大量空气,较长停留时间才能将固体废物完全燃烧。多段燃烧在多段燃烧中,首先在一次燃烧过程中提供未充足的空气量,使废物进行蒸发和热解燃烧,产生大量的CO、碳氢化合物气体和微细的碳颗粒;然后在第二次、第三次燃烧过程中,再供给充足空气使其逐次氧化成稳定的气体。多段燃烧的优点是燃烧所必须提供的气体量不需要太大,因此再第一燃烧室内送风量小,不易将底灰带出,产生颗粒物的可能性较少。(常用),3).按照助燃空气供应量(根据第一燃烧室的供气量)过氧燃烧第一燃烧室供给充足的空气量缺氧燃烧(控气式)第一燃烧室供给的空气量约是理论空气量的7080,处于缺氧状态,使废物在此室内裂解成较小分子的碳氢化合物气体、CO与少量微细的碳颗粒,到第二燃烧室再供给充足空气使其氧化成稳定的气体。由于经过阶段性的空气供给,可使燃烧反映较为稳定,相对产生的污染物较少,且在第一燃烧室供给的空气量少,所带出的粒状物质也相对较少。(常用)热解燃烧第一燃烧室与热解炉相似,利用部分燃烧使炉体升温,向燃烧室加入少量的空气(约为理论空气量的2030),加速废物裂解反应的进行,产生部分可回收利用的裂解油,裂解后的烟气中仅有微量的粉尘与大量的CO和碳氢化合物气体,加入充足的空气使其迅速燃烧放热。(目前技术尚未十分成熟,适合处理高热值废物),根据焚烧对象城市垃圾焚烧炉、一般工业废物焚烧炉、危险废物焚烧炉按照处理废物的形态液体废物焚烧炉、气体废物焚烧炉、固体废物焚烧炉固体废物焚烧炉炉排型焚烧炉多室焚烧炉、机械炉排焚烧炉。见图4-5、4-6炉床型焚烧炉回转窑焚烧炉,多室焚烧炉,见图4-7沸腾流化床焚烧炉流化床焚烧炉,见图4-8),2.焚烧炉类型,,,,,图4-5,不适宜焚烧含有大量粒状废物及废塑料等废物,,图4-6,不适宜处理细微粒和塑料等低熔点废物,,图4-7,多室焚烧炉焚烧过程1)引燃室中废物的初级燃烧固体燃烧;2)二级燃烧气相燃烧。,,图4-8,各种特殊焚烧炉,催化焚烧炉320540℃,铂催化,处理有害气体及气化的液体。纯氧焚烧炉2700℃,炉体小,处理有害废物,炉体材料选择难。湿式氧化设备污染物全留在水相,空气污染小,适用于污泥的焚烧,可以不用脱水直接焚烧。熔盐焚烧炉800980℃,熔盐多为Na2SO4,Na2CO3。产物留在熔盐中,盐可再生,有害废物的DRE达99.99以上。熔融玻璃反应器熔融玻璃池,温度在1260℃,不可燃物及灰渣进入熔融玻璃池,不会造成二次污染。等离子温度焚烧炉高温焚烧,达2760℃可维持1s。反应速度非常大,分子高度离解,存在自由电子,增加反应活性。主要处。理二恶英电子反应器特制管芯,辐射防护屏和其间电极组成,5000℃。Shirco红外技术红外燃烧器。,