固体废物的焚烧处理技术

第四讲：固体废物的焚烧处理技术讲授人：彭绪亚教授重庆大学城市建设与环境工程学院环境工程专业硕士研究生课程垃圾焚烧及其特点垃圾焚烧技术原理垃圾焚烧炉系统焚烧烟气污染控制技术本讲主要内容是将可燃性固体废物与空气中的氧在高温下发生燃烧反应，使其氧化分解，达到减容、解毒除害并回收能源的高温处理过程。通过焚烧处理，废物的体积可减少80％～95％，残余物为化学性质比较稳定的无机质灰渣，燃烧过程中产生的有害气体和烟尘经处理后可达标排放。固体废物的焚烧处理利用燃烧过程对垃圾进行高温处理，垃圾中病原体破坏十分彻底，无害化、减量化效果好，还可以进行能量回收。因此，“三化”都可以实现（无害化是针对垃圾本身而言的）。大气污染问题，特别是二噁英、重金属污染问题；投资运行成本高，管理水平要求高。应用领域：生活垃圾处理——WasteToEnergy(WTE)；危险废物（医疗废物）处理。垃圾焚烧技术的特点燃烧法处置垃圾的优点可大幅度减少垃圾体积(燃烧后体积可减少90%以上)垃圾的处理速度快,储存期短垃圾就地燃烧,不需要长距离运输可以回收能量用于发电和供热通过合理组织燃烧及尾气净化可实现清洁燃烧燃用原生垃圾的难点1、垃圾的来源和组成成分十分复杂(与常规燃料燃烧显著不同)–异比重－多组分–多颗粒尺度－多污染源–高水分－多着火点–多热值－受热面存在高温腐蚀2、垃圾燃烧过程中有毒有害物质的生成和迁移规律十分复杂•垃圾燃烧过程中产生常规的有害气体(NOx,SO2,CO等)•产生其他有害物质：•HCl,HF，Cl2•主要有害有毒有机物(POHC)：多氯联苯并二恶英(PCDDs)多氯联苯并呋南(PCDFs)多氯联本(PCBs)等•重金属有害物质(铅,锌,铜,铬,汞等氧化物的超细颗粒)燃用原生垃圾的难点燃用原生垃圾的难点燃用原生垃圾的难点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↗432119世纪中后期20世纪初1960’1970~1990....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：Historicalwasteincineration“generations”：0Openairincineration1st1900oven2nd1960dustremovalfromfluegas3rd1985chemicalcleaningoffluegas4th2000recoveryofenergyandmaterials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，物料流态化状态旋转燃烧技术较成熟、效率高回转窑焚烧炉滚筒、抄板焚烧技术A控制燃烧温度和停留时间；B减少烟气200~500℃停留时间；C有效净化烟尘重金属汞、镉、铅酸性气体:HF、SOX、NOX、HClPCDDs:TCDDsPCDFs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…烟气系统灰渣系统废水处理系统余热系统发电系统自动控制系统其它系统现代垃圾焚烧厂Pu-XiWTEPlant,Shanghai,ChinaPu-dongWTEPlant,Shanghai,China回转式垃圾焚烧炉流化床式垃圾焚烧炉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（HighheatvalueHHV）和低位热值（NetheatvalueNHV）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。垃圾焚烧技术原理NHV=HHV-2420(H2O+9(H-Cl/35.5-F/19)式中，NHV－净热值，kJ/kg；HHV－粗热值，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：NHV=2.32[14000mc+45000(mH-1/3mo)-760mCl+4500ms]式中：mc、mo、mH、mCl、ms分别代表废物中碳、氧、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：固体废物总重量各组成物重量）（各组成物热值固体废物总热值＝垃圾热值的计算几种典型废物的热值（kJ/kg）废物煤矸石广州垃圾1996杭州垃圾1997常州垃圾1997芜湖垃圾1997上海污水厂污泥热值800～8000441244527300286314600某市垃圾成分的湿基含量及垃圾低位湿基热值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焚烧焚烧机理从工程技术的观点看，需焚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，可总称为焚烧过程。根据可燃物质的性质，固体的燃烧过程可以有蒸发燃烧、分解燃烧和表面燃烧等三种形式。焚烧过程包括三个阶段：（1）干燥阶段物料的干燥加热阶段，从物料送入焚烧炉起到物料开始析出挥发分着火这一段，都认为是干燥阶段。（2）焚烧阶段焚烧过程的主阶段，即真正的燃烧过程。（3）燃尽阶段生成固体残渣的阶段。三个阶段并非界限分明，尤其是对混合垃圾之类的焚烧过程更是如此。固体废物的焚烧过程假设焚烧反应为一级反应，按照化学动力学理论，则反应动力学的方程可用下式表示：dC/dt=－kt在时间从0→t，浓度从CAO→CA变化范围内积分则上式变为：ln(CA/CAO)＝－kt式中：CAO、CA――分别表示A组分的初始浓度和经时间t后的浓度，g·mol；t――反应时间，s；k――反应速度常数，是温度的函数。它们的关系可用Arrhenius方程式表示：k＝Ae-E/RTA――Arrhenius常数；E――活化能，kcal/(g·mol)R――通用气体常数；T――绝对温度，K；反应动力学的方程（1）固体粒度的影响；（2）温度的影响；（3）压力的影响；（4）相对速度的影响；（5）氧浓度的影响。在实际焚烧操作中控制四方面的因素：（1）温度(Temperature)；（2）停留时间(Time)；（3）湍流程度（搅拌）(Turbulence)；（4）过量空气率（Excessiveair）。简称三T一E。这些因素主要由实验及试焚烧决定的。影响固体废物燃烧的因素焚烧过程是能量转化与物质相变的过程，因而遵循能量守恒和质量守恒规律。输入总质量＝输出总质量输入总热量＝输出总热量在一个封闭的焚烧系统内，能量的输入等于能量的输出。输入项即为固体物料和辅助燃料焚烧时产生的热量，而输出项则包括水的蒸发热、辐射热损失、残渣热损失、可燃组分的未完全燃烧、烟气热损失等。当焚烧用来生产蒸气作为产品时，输入项还应包括锅炉进水带入的热量，而输出项还应包括蒸气的热量。焚烧过程的热量衡算与物料衡算废物热量+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+灰渣显热能量守恒质量守恒黑度，烟气量……1234目测法热灼减量法二氧化碳法DRE焚烧效果评价指标（1）有机碳的焚烧产物是二氧化碳气体。（2）有机物中氢的焚烧产物是水；若有氟或氯存在，也可能有它们的氢化物生成。（3）固体废物中的有机硫和有机磷，在焚烧过程中生成二氧化硫或三氧化硫以及五氧化二磷。（4）有机氮化物的焚烧产物主要是气态的氮，也有少量的氮氧化物生成。（5）有机氟化物的焚烧产物是氟化氢。（6）有机氯化物的焚烧产物是氯化氢。（7）有机溴化物和碘化物焚烧后生成溴化氢及少量溴气以及元素碘。（8）根据焚烧元素的种类和焚烧温度，金属在焚烧以后可生成卤化物、硫酸盐、磷酸盐、碳酸盐、氢氧化物和氧化物等。固体废物焚烧产物二噁英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-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。多氯二苯并-对-二噁英（PCDDs）由2个氧原子联结2个被氯原子取代的苯环；为多氯二苯并呋喃（PCDFs）由1个氧原子联结2个被氯原子取代的苯环。每个苯环上都可以取代1~4个氯原子，从而形成众多的异构体，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。温度（ºC）温度（ºF）剩余量燃烧产物——有机物快速分解动力学二噁英的危害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/kg的2,3,7,8-TCDD，其致癌概率可达1/1000~1/100。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。垃圾焚烧产生的二噁英污染据估算，我国因垃圾焚烧而排入空气的二恶英类约为72gTEQ/a，远远低于美日kg级的排放水平。当然，垃圾焚烧处理在我国方兴未艾，发展势头迅猛，应该引起足够的重视，将可能带来的二次污染控制在克接受的水平。2001年国家环保总局组织开展了全国47个重点城市的生活垃圾处理处置设施污染物排放状况的抽样调查，所抽取的垃圾焚烧厂烟气二恶英超标率为57.1％，有的落后垃圾焚烧设施二恶英超标99倍以上。超标的垃圾焚烧炉大都为炉型比较落后的小型焚烧炉。目前我国的垃圾焚烧率非常低，所以由于垃圾焚烧造成的二恶英污染总量在现阶段不是很严重。日本控制水平的变化垃圾焚烧过程中二噁英的生成途径垃圾在焚烧过程中，二噁英的生成机理相当复杂，至今为止国内外的研究成果还不足以完全说明问题，已知的生成途径可能有以下几方面：①生活垃圾中本身含有微量的二噁英，由于二噁英具有热稳定性，尽管大部分在高温燃烧时得以分解，但仍会有一部分在燃烧以后释放出来；②在燃烧过程中由含氯前体物生成二噁英，前体物包括聚氯乙烯、氯代苯、五氯苯酚等，在燃烧中前体物分子通过重排、自由基缩合、脱氯或其他分子反应等过程会生成二噁英，这部分二噁英在高温燃烧条件下大部分也会被分解；③当因燃烧不充分时烟气中产生过多的未燃烬物质，并遇适量的触媒物质(主要为重金属，特别是铜等)及300—500