固废 第六章固体废物的热处理20140526

1第六章固体废物的热处理ThermalTreatmentofSolidWaste2概述原理：在高温条件下，使废物中的某些物质发生离解、氧化、还原、氯化、气化、溶解度改变等热化学历程。包括煅烧、烧结、焙烧、焚烧、热解等。其中煅烧、焙烧、烧结等多用作工/矿业废物的预处理。目的：无害化、减量化；回收物质或能源。3本章主要内容6.1固体废物的焚烧处理6.2固体废物的热解处理6.3固体废物的其他热处理方法4本章重点【概念】焚烧焙烧热值燃烧温度热解DRE热灼减量比焚烧效率【方法原理】焚烧原理；热平衡和烟气分析；焚烧工艺系统组成；焚烧炉系统选择；热解原理；典型固体废物的热解；焙烧方法。56.1焚烧处理将可燃性废物与空气中的氧气在高温下发生燃烧反应，使废物中的有毒有害成分氧化分解，达到减容、去除毒性并回收能源的目的。目的：减容、去除毒性并回收能源。应用：适宜处理有机成分多、热值高的废物（包括固态、液态、气态的危险废物）。6机械化连续垃圾焚烧炉，处理能力、焚烧效果、治污↗旋风收尘焚毁带病毒、病菌的垃圾。→英1874、美1885、法等试验研究，建立间歇式固定床焚烧炉，效率低，残渣量大，无烟气、残渣处理设施大型机械化炉排；较高效率的烟气净化系统（机械、静电除尘和洗涤）自控、移动式机械炉排焚烧炉，多样化，焚烧温度↗850-1100℃以上除尘资源化智能化多功能综合性19世纪中后期120世纪初21960’31970~19904…..我国始于1980′6.1焚烧处理焚烧技术的发展史除尘/脱硫/脱硝技术发展烟气净化投资占1/2~2/37垃圾发电站高温焚烧已经发展成为一种应用最广、最有前途的生活垃圾和危险废物的处理方法之一。集焚烧、发电、供热和环境美化为一体。德、法、美、日86.1焚烧处理主要工业发达国家城市垃圾处理中焚烧所占的比例（%）瑞士日本丹麦瑞典法国比利时757370695540荷兰奥地利美国德国挪威英国352316161512加拿大意大利西班牙芬兰爱尔兰葡萄牙875500新加坡垃圾100%进行高温焚烧处理我国城市生活垃圾焚烧处理占处理总量的比例在较理想的条件下5~15年内可达到0.5～l.8％、5～11％。9垃圾焚烧--争议的焦点是目前较为流行的垃圾减量处理技术，用焚化技术垃圾转化为灰烬、气体、微粒和热力，能够减少原来垃圾约八成的质量和九成五的体积。由于焚烧过程中会产生如二噁英的强致癌物，垃圾焚烧技术一直在国内外饱受争议。10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（前处理，进料，焚烧炉，空气，烟气，其它系统：灰渣，废水，余热，发电，自动化）焚烧炉系统焚烧炉、余热利用系统、焚烧炉选评6.1焚烧处理11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CxHyOzNuSvClw+(x+v+y/4–w/4–z/2)O2→xCO2+wHCl+0.5uN2+vSO2+(y-w)/2H2O焚烧6.1.1焚烧原理理论式必备条件12（1）固体废物的焚烧过程固体废物干燥废物热解的气态废物完全燃烧气态产物加热→水分蒸发热解炭与氧化剂混合着火、燃烧炭渣与氧化剂混合着火、热力氧化蒸气液态物熔化升华热解不完全燃烧产物PIC原有机有害物POHCPrincipalOrganicHazardousConstituent蜡等有机物纸/木材13（2）固体废物的燃烧方式根据不同可燃物质的种类，有三种不同的燃烧方式。蒸发燃烧固体受热熔化→蒸气→燃烧，如：蜡。分解燃烧固体受热分解→燃烧，留下固体碳及惰性物。如：木材和纸。表面燃烧如木炭，焦等受热后不发生熔化、蒸发和分解等过程，而是在固体表面与空气反应进行燃烧。14（3）固体废物燃烧的产物有机碳→二氧化碳气体。有机物中的氢→水。有机硫和有机磷→二氧化硫或三氧化硫以及五氧化二磷。有机氮化物→主要是气态的氮，也有少量的氮氧化物生成。有机氟化物→氟化氢，氢不足可能出现四氟化碳或二氟氧碳。有机氯化物→氯化氢。由于氧和氯的电负性相近，存在着下列可逆反应：2HCl十1/2O2＝C12十H2O有机溴化物和碘化物→溴化氢及少量溴气以及元素碘。金属→卤化物、硫酸盐、磷酸盐、碳酸盐、氢氧化物和氧化物等。不可燃物→灰分、炉渣15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，对入料要求均匀化、细小化;可处理低热值、高水分废物流化床焚烧炉空气流和烟气流快速移动，物料流态化状态旋转燃烧技术较成熟回转窑焚烧炉滚筒及抄板6.1.2焚烧处理技术16废物性质：可燃成份（热值）、有毒害物质、水分、粒度焚烧温度：危废1150℃,垃圾850~950℃供氧量和物料混合程度:过剩空气系数停留时间:废物1.5~2h;烟气2s废物料层厚度、运动方式、预热温度进气方式、燃烧器性能、烟气净化系统阻力３Ｔ+１Ｅ6.1.3焚烧影响因素加热、燃烧时间一般与粒度的1-2次方成正比。焚烧影响因素决定无害化和减量化程度低位热值＞3350kJ/kg17“三T一E”•在实际焚烧操作中控制四方面的因素：温度、停留时间，搅拌和过量空气率。简称“三T一E”。1)温度•一般来说，温度高在炉内停留时间短。•当炉温很高、燃烧速度受扩散控制时，温度的影响较小；当炉温较低，燃烧速度为化学反应控制时，受温度的影响较大；2)湍流（混合）程度相对速度越大，加热时间越短。在燃烧过程中，燃烧速度受扩散控制时，燃烧时间随相对速度的增大而缩小。当粒度很小时，加热时间及燃烧时间与相对速度无关。3)过量空气率一般燃烧时间与周围气体中氧浓度成反比。过少氧不足，不利于混合，过大温度低、烟气量大。18:单位质量固体废物在完全燃烧时释放出的热量，kJ/kg热值HHVLHV]4500760)81(4500014000[32.2smclmommcmLHVH2242095.735.519ClFLHVHHVHOH()Dulong公式、Steuer公式、Scheurer公式等6.1.2热平衡和烟气分析粗热值HHV（焓热值）：是指化合物在一定温度下反应到达最终产物的焓的变化（水是液态）。净热值NHV（水是气态）。19城市垃圾热（能）值及其估算方法由于城市垃圾中含有一定量的可燃（发热）成分，因此具有一定的含热（能）量。热值（单位质量物质的含热量）表明垃圾的可燃性质。利用给出的城市垃圾单一物理组分热值数，根据垃圾样品物理成分分析结果进行统计计算。杜朗（Dulong）公式如下所示：Hh=34000C+14300(H-O/8)+10500SHW=337C+1428(H-O/8)+95S式中：Hh、HW——高位热值、（即）湿基热值（kJ/kg）；C——垃圾样品含碳百分率；湿基元素分析，下同；H——垃圾样品含氢百分率；O——垃圾样品含氧百分率；S——垃圾样品含硫百分率。20城市垃圾热（能）值及其估算方法化学工学便览公式：Hh（kJ/kg）=34000C+14300(H-O/2)+9300S低位热值：Hl（kJ/kg）=Hh–2500(9H+W)WHWHHwhD11干基热值2122单一组分热值23（1）固体废物热值计算**例题：城市垃圾热值的计算P162例6-1废物燃烧可用热值的计算能量守恒废物热量+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Q124例1某城市垃圾热值的计算下表是我国某城市垃圾的组分，假设各组分的热值与美国城市垃圾的典型组分的热值相同，可据此计算出该市垃圾的热值：可燃组分不可燃组分组分重量百分率（%）组分重量百分率（%）食品废物（厨余物）30煤灰38树枝杂草5陶瓷、砖石5纸张12金属3塑料3皮革和橡胶3纤维织物1合计5446表**某市居民生活垃圾组分(重量百分率)25例1城市垃圾热值的计算解：（1）以100kg为基准，分别计算各组分的重量厨房废渣及果皮重量＝100kg×30.0％＝30.0kg同样可计算树枝杂草、纸张、塑料、皮革和橡胶、纤维织物的重量分别为：5kg、12kg、3kg、3kg、1kg。典型热值分别为4650kJ/kg、6510kJ/kg、16750kJ/kg、32560kJ/kg、23260kJ/kg、17450kJ/kg。（2）计算各组分产生的热量，厨房废渣产生的能量＝4650kJ/kg×30.0kg=139500kJ树枝杂草、纸张、塑料、皮革和橡胶、纤维织物产生的能量分别为：32550kJ、201000kJ、97680kJ、23260kJ、52350kJ。(3)垃圾的热值为（139500+32550+201000+97680+23260+52350）/100=5463.4kJ/kg≥5000kJ/kg该垃圾可采用燃烧的方式处理。26例6-1废物燃烧热值的计算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%，水分20%，灰分20%，假设①固体废物的热值为11630kJ/kg。②炉栅残渣含碳量5%，碳的热值为32564kJ/kg。③废物进入炉膛的温度为65℃，离开炉栅的残渣温度为650℃，残渣的比热为0.323kJ/(kg℃)。④水的气化潜热为2420kJ/kg。⑤废物燃烧造成的热辐射损失为热值的0.5%，试计算此废物燃烧的可利用热值。27例6-1废物燃烧热值的计算解：设固体废物为1kg，则：燃烧产生的总热量Q=1×11630=11630kJ废物燃烧的可利用热量=Q-（未燃尽碳损失Q1+残渣带走的热量Q2+水汽化潜热损失Q3+热辐射损失Q4）其中：kJQ9.341325640105.032564)2.005.012.0(1kJQ8.39)65650(323.005.012.02kJQkJQ2.58%5.0116302.1355)04.092.0(242043kgkJQQii/9.98340.12.582.13558.399.3411163041废物总重总热量可利用热值所以：28:在焚烧系统处于恒压、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若以烃类化合物代替废物，假设LHV=有用热量，则绝热燃烧温度实际燃烧温度近似计算（2）燃烧温度的计算设25℃烟气质量定压热容=1.254kJ/(kg●K)m理空=3.59×10-4NHV29:完成燃烧反应的最小空气量理论空气量实际空气量湿烟气量=过剩空气+理论烟气（3）空气和烟气量计算＝（1＋α）V理空30焚烧工艺系统空气系统前处理系统进料系统焚烧炉系统其它系统灰渣、余热利用及自控…烟气系统（净化）6.1.3焚烧工艺系统组成31接受贮存分选破碎使不可燃成分＜5%，水分＜15%，粒度小而均匀，不含有毒害性物质。贮存满足2-3天或一周的处理量。车辆、地衡、控制间、垃圾池、吊车、抓斗、破碎和筛分设备、磁选机，以及臭气和渗滤液收集、处理设施等。操作设备、设施构筑物(1)前处理系统(关键)•前处理系统对混装垃圾处理工艺系统而言非常关键32（2）进料系统作用：定量给料和密闭隔离进料方式：螺旋给料、炉排进料、推进器给料等33（图449）焚烧炉加料系统炉排进料34气化热解炉气化熔融炉电子束焚烧炉离子焚烧炉催化焚烧炉固定炉排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立式焚烧炉焚烧炉(3)焚烧炉系统（核心）•目前在垃圾焚烧中应用最广的主要有三种：机械炉排焚烧炉、流化床焚烧炉、回转窑焚烧炉35机械炉排燃烧室是核心，由炉膛、炉排与空气供应系统组成。36炉排有效面积A...燃烧室有效容积V...停留时间...焚烧炉系统设计计算焚烧炉典型热负荷及过剩空气系数见表6-1衡量焚烧炉