第七章-固体废物的热处理技术——焚烧

第七章固体废物的热处理技术主要知识点热处理技术定义、分类及特点焚烧定义及目的焚烧基本原理焚烧控制四大参数焚烧技术指标焚烧参数计算焚烧系统组成焚烧产生的大气污染物及其控制热解定义1.固体废物热处理技术定义种类技术特点热处理定义在设备中以高温分解和深度氧化为主要手段，通过改变废物的化学、物理或生物特性和组成来处理固体废物的过程。热处理分类焚烧热解熔融干化（主要用于污泥处理）湿式氧化烧结其他方法热处理技术特点优点：1.减容效果好2.消毒彻底3.减轻或消除后续处置过程对环境的影响4.回收资源与能量缺点：1.投资和运行费用高2.操作运行复杂3.二次污染与公众反应2.焚烧定义焚烧法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。焚烧的目的主要目的是：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并尽量减少新的污染物质产生，避免造成二次污染。3.焚烧基本原理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。危险废物中的有机固态、液态和气态废物，常用焚烧来处理。在焚烧处理城市生活垃圾是，也常常将垃圾焚烧处理前的暂时贮存过程中产生的渗滤液和臭气引入焚烧炉焚烧处理。固体废物的三组分——衡量物质燃烧特性水分指干燥某固体废物样品时所失去的质量。水分含量是一个重要的燃料特性，含水率太高就无法点燃。可燃分通常包括挥发分和固定碳。挥发分与燃烧时的火焰密切相关。如焦碳含挥发分少，燃烧时没有火焰，相反，会产生很大的火焰。灰分多为惰性物质，如玻璃和金属。固体废物的热值热值是设计固体废物燃烧处理设备最主要的指标之一。固体废物热值有高位热值（HH,kcal/kg）和低位热值（HL,kcal/kg）之分。高位发热值可以通过标准实验测定：一定量燃烧样品在热弹中与氧完全燃烧，然后精确地测量所释放出的热量。低位发热值为燃料的较实际的测试热值，因为它考虑了由于烟气中水蒸气的凝结而带走的一部分显热的热损失。一般，当固体废物热值高于950kcal/kg（）时，可以不加辅助燃料直接燃烧。固体废物焚烧与燃烧关系一般认为固体物质的燃烧有以下几种形式：蒸发燃烧固体物质受热先融化为液体，进一步受热产生燃料蒸汽，再与空气混合燃烧分解燃烧受热后分解为挥发性组分和固定碳，挥发性组分中可燃气体进行扩散燃烧，而碳进行表面燃烧表面燃烧受热不经过融化、蒸发、分解等过程，而直接燃烧。采用焚烧方法处理含有一定水分的固体废物时，一般都要经过干燥、热分解和燃烧三个阶段，最终生成气相产物和惰性固体残渣。设计焚烧炉时，废物在炉膛里的停留时间与以上几个阶段相关。4.焚烧的四大控制参数焚烧温度（Temperature）搅拌混合程度（Turbulence）气体停留时间（Time）（一般称为3T）过剩空气率（excessair）焚烧温度焚烧温度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。焚烧温度高低决定废物燃烧是否完全。可借助调整焚烧的废物进料量和空气量来加以控制。一般而言，焚烧温度越高，废物燃烧所需的停留时间就越短，焚烧效率也越高。温度太高不仅增加了燃料的消耗量，而且会增加废物中金属的挥发量及氧化氮的数量，引起二次污染。并且会对炉体产生影响（炉体内衬耐火材料、炉排结焦）。因此不宜随意确定较高的焚烧温度。温度太低，则易导致不完全燃烧，产生有毒副产物。大多数有机物的焚烧温度在800~1100℃之间，通常在800~900℃左右。①废气的脱臭处理，800~950℃②废物粒子在0.01~0.51微米之间，温度在900~1000℃可避免产生黑烟。③含氯化合物的焚烧，温度在800~850℃以上时，氯气可以转化为氯化氢，可以回收利用；低于800℃会生成氯气，难以去除。④含有碱土金属的废物焚烧时，一般控制在750~800℃以下。因为碱土金属及其盐类一般为低熔点化合物，容易腐蚀设备。⑤焚烧氰化物，850~900℃⑥高温焚烧是防治PCDD与CCDF的最好方法，估计在925℃以上。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停留时间。停留时间的长短直接影响焚烧的完善程度，也是决定炉体容积尺寸的重要依据。停留时由许多因素决定，如废物的形态对停留时间的影响很大经验数据垃圾焚烧，温度850~1000℃，停留时间1~2s。一般有机废液，0.6~1s；含氰废液约3s。废气，一般在1s以下。如油脂精制过程产生的臭气，在650℃温度下只需要0.3s。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——扰动方式是关键所在。焚烧炉所采用的搅动方式有：空气扰动机械炉排扰动流态化扰动旋转扰动等。中小型焚烧炉多数属固定炉床式，扰动多由空气流动产生．包括：(1)炉床下送风助燃空气自炉床下送风，由废物层孔隙中窜出，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；(2)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量较高。过剩空气废物焚烧所需空气量，是由废物燃烧所需的理论空气量和为了供氧充分而加入的过剩空气量两部分所组成的。燃烧或焚烧排气的污染物排放标准是以50％过剩空气为基准，由于过剩空气无法直接测量，因此以7％过剩氧气为基准，再根据实际过剩氧气量加以调整。过剩空气系数过剩空气率过剩空气系数(m)用于表示实际空气与理论空气的比值，A0为理论空气量；A为实际供应空气量过剩空气率工程上可以根据过剩氧气量估计燃烧系统中的过剩空气系数。废气中含氧量通常以氧气在干燥排气中的体积百分比表示，假设空气中氧含量为21％．则过剩空气比可粗略表示为：为了保证氧化反应进行得很完全，从化学反应的角度应该提供足够的空气。过剩空气的供给会导致燃烧温度的降低。工业锅炉和窑炉与焚烧炉所要求的过剩空气系数有较大不同。前者首要考虑燃料使用效率，过剩空气系数尽量维持在1.5以下；焚烧的首要目的则是完全摧毁废物中的可燃物质，过剩空气系数一般大于1.5。焚烧废液、废气时，过剩空气量一般取20%~30%的理论空气量；焚烧固体废物时，需要较高的数值，通常为理论需氧量的50%~90%，过剩空气系数1.5~1.9，有时甚至在2以上。四大控制参数的相互关系过剩空气率由进料速率即助燃空气供应速率即可决定；气体停留时间由燃烧室几何形状、供应助燃空气速率和废气生产率决定；助燃空气供应量直接影响到燃烧室中的温度和流场混合程度，燃烧温度影响垃圾焚化的效率。焚烧温度和停留时间有密切关系。5.焚烧处理效果的评价指标减量比热灼减量燃烧效率及破坏去除效率烟气排放浓度限制指标1．减量比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，即式中，MRC为减量比，％；ma为焚烧残渣的质量，kg；mb为投加的废物质量，kg；mc为残渣中不可燃物质量，kg。2.热灼减量指焚烧残渣在(800±25)℃经3h灼热后减少的质量占原焚烧残渣质量的百分数，其计算方法如下：式中，QR为热灼减量，％；ma为焚烧残渣在室温时的质量，kg；md为焚烧残渣在(800±25)℃经3h灼热后冷却至室温的质量．kg3．燃烧效率及破坏去除效率在焚烧处理城市垃圾及一般工业废物时，多以燃烧效率(CE)作为评估是否可以达到预期处理要求的指标：式中，[CO]和[CO2]分别为烟道气中该种气体的浓度值。对危险废物，验证焚烧是否可以达到预期的处理要求的指标还有特殊化学物质[有机性有害主成分(POHCS)]的破坏去除效率(DRE)，定义为式中，Win为进入焚烧炉的POHCS的质量流率；Wout为从焚煤炉流出的该种物质的质量流率。4．烟气排放浓度限制指标对焚烧设施排放的大气污染物控制项目①烟尘；常将颗粒物、黑度、总碳量作为控制指标；②有害气体：包括SO2、HCl、HF、CO和NOx；③重金属元素单质或其化合物：如Hg、Cd、Pb、Ni、Cr、As等：④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)6.主要焚烧参数计算燃烧需要空气量1.理论燃烧空气量理论燃烧空气量之废物完全燃烧时，所需要的最低空气量，一般以A0表示。)867.2(231.01)/(7.0)8(6.5867.121.01)/(030SOHCkgkgASOHCkgmA质量基准体积基准实际需要燃烧空气量实际空气量A与理论空气量的关系：A=mA0（2）.焚烧烟气量及组成烟气产生量假定废物以理论空气量完全燃烧时的燃烧烟气量称为理论烟气产生量。NClSCAkgmGWClHNClSCAkgmG8.0631.07.0867.179.0)/()5.35/(903.1267.377.0)/(030030理论干基烟气量：理论燃烧湿基烟气量：（3）.发热量计算干基发热量不包括含水分部分的实际发热量，称干基发热量(Hd)。高位发热量总发热量，是燃料在定压状态下完全燃烧，其中的水分燃烧生成的水凝缩成液体状态。热量计测得值即为高位发热量(Hh)。低位发热量实际燃烧时，燃烧气体中的水分为蒸气状态，蒸气具有的凝缩潜热及凝缩水的显热之和2500kJ/kg无法利用，将之减去后即为低位发热量或净发热量，也称真发热量(Ht)。干基发热量、高位发热量与低位发热量的关系，三者关系式如下：式中，W为废物水分含量；H为废物湿基元素组分氢的含量；Hd为干基发热量，kJ/kg；Hh为高位发热量．kJ/kg；Ht为低位发热量，kJ/kg。SkgkjHSHOkgkjHkgkjHKestnerScheurerSOHCkgkjHDulonghhhh9300)2O-H(14300034000C)/()4(10500)O161(1442008323800)O83C(34000)/((3)SteuerO43238009400S143000H)O43C(34000)/(,)2(10500)8(14300034000)/()1(化学工学便览公式公式公式公式例：某固体废物含可燃物70%、水分20%、惰性物（即灰分）10%，固体废物的可燃物元素组成为碳28%、氢4%、氧23%、氮4%、硫1%。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0.323kJ/(kg.℃)；水的汽化潜热2420kJ/kg;辐射损失为总炉膛输入热量的0.5%；碳的热值为32564kJ/kg。试计算这种废物燃烧后可利用的热值。（4）焚烧温度如果燃烧过程中化学反应所释放出的热完全用于提升生成物本身的温度，则该燃烧温度称为绝热火焰温度。从理论上讲，对单一燃料的燃烧，可以根据化学反应式及各物种的定压比热，借助精细的化学反应平衡方程组推求各生成物在平衡时的温度及浓度。但是焚烧处理的废物成分复杂，计算过程十分复杂，故在工程上多采用简便的经验法或半经验法推求燃烧温度工程简算法不考虑热平衡条件Hl=Vgcpg(tg-to)Cpg为废气在tg与to之间的平均定压热容，kg/(m3*℃)Vg为燃烧产生的废气体积（标准状态）半经验法Tillman等人根据美国焚烧厂的数据，推导出大型垃圾焚烧厂燃烧温度的回归方程如下：hh0.0258H19262.524W0.59(25)177H,kj/kgW%ttgt为高位发热量；为等比值；为垃圾的含水