第6章固體廢物熱處理

1、第六章 固體廢物熱處理 Thermal Treatment of Solid Waste,,【概念】 焚燒　熱解 焙燒 熱值 停留時間 燃燒溫度 過?？諝庀禂?shù) 煙氣量 焚燒效率 熱灼減量比率 熱灼減量率 有害有機物破壞去除率（DRE) 【方法原理】 (1)焚燒原理；(2)熱平衡和煙氣分析；(3)垃圾焚燒的物質(zhì)轉(zhuǎn)化分析；

2、（4）影響焚燒的因素；（5）焚燒工藝；（6）焚燒系統(tǒng)組成；(7)三種焚燒爐；（8）焚燒效果評價；（9）焚燒過程中污染物的產(chǎn)生和防治；(10)熱解原理；(11)典型固體廢物的熱解；(12)焙燒方法。,本章重點,第1節(jié) 焚燒處理Section 1 Incineration Treatment,概述焚燒原理熱平衡和煙氣分析焚燒工藝焚燒系統(tǒng),1、焚燒處理的概念,一、概述,對于大中型的廢物焚燒廠，能同時實現(xiàn)垃圾減量、消除垃圾污染、回

3、收利用焚燒產(chǎn)生的廢熱三個目的。,將固體廢物進(jìn)行高溫分解和深度氧化的處理過程。（過?？諝?垃圾）→高 溫（800~1200°C）氧化、燃燒、分解,2、焚燒技術(shù)的特點,（1）優(yōu)點減量化效果顯著（一般可減重80％和減容90％以上）無害化程度徹底（徹底毀壞廢物中的毒性物質(zhì)，避免造成二次污染）;可以充分實現(xiàn)垃圾處理的資源化（回收利用焚燒產(chǎn)生的廢熱，用來供熱或發(fā)電） ；經(jīng)濟(jì)性。垃圾焚燒廠占地面積小，尾氣經(jīng)凈化處理后污染較小，可以

4、靠近市區(qū)建廠，既節(jié)約用地又縮短了垃圾的運輸距離，隨著對垃圾填埋的環(huán)境措施要求的提高，焚燒法的操作費用有望低于填埋。實用性。焚燒處理可全天候操作，不易受天氣影響。,（2）缺點焚燒法投資大，占用資金周期長；焚燒對垃圾的熱值有一定要求，一般不能低于3360kJ/kg，限制了它的應(yīng)用范圍；焚燒過程中也可能產(chǎn)生較為嚴(yán)重的二惡英問題，必須對煙氣投入很高的資金進(jìn)行處理。,,思考題1：對城市生活垃圾處理，試比較堆肥與焚燒的利與弊。,答：（1）堆

5、肥法的優(yōu)點：在實現(xiàn)生活垃圾無害化的同時，生產(chǎn)出含腐殖質(zhì)較高的有機堆肥，回收資源。 局限性主要表現(xiàn)在：①我國城市垃圾均為混合收集，其中含石塊、塑料、玻璃、金屬等非堆肥物相當(dāng)多，使處理效率低、成品率低，從而垃圾減量化效果不高，也造成堆肥質(zhì)量不佳；②即使采用了分選工藝，生活垃圾中的不利于堆肥處理的組分也不能完全剔除，許多有毒有害物質(zhì)進(jìn)入堆肥，如農(nóng)田長期大量使用堆肥，可能會造成潛在污染，特別是一些重金屬在土壤中富集將隨食物鏈浸入人體。（

6、3）焚燒法具有減量化程度高，處理周期短，占地面積小，選址靈活，燃燒的熱量可用來發(fā)電等優(yōu)點。 該法局限性：建廠投資高、操作運行費用較高、設(shè)備比較復(fù)雜；對含水率高的生活垃圾，需要更多輔助燃料，此外生活垃圾中灰土含量也會影響焚燒效果，最終導(dǎo)致焚燒成本上升；產(chǎn)生的煙氣必須凈化，凈化技術(shù)難度大、運行成本高；焚燒產(chǎn)生的殘渣還必須消化。,二、焚燒原理(principle of incineration),國外某垃圾焚燒廠焚燒過程的物質(zhì)轉(zhuǎn)化示意

7、,思考題2：生活垃圾焚燒后其產(chǎn)物包括哪些？這些產(chǎn)物是如何形成的？,答：生活垃圾基本是有機物。由大量的碳、氫、氧元素組成，有些還含有氯、硫、磷和鹵等元素。這些元素在焚燒過程中與空氣中的氧起反應(yīng)，生成各種氧化物或部分元素的氫化物。①有機碳的焚燒產(chǎn)物是二氧化碳?xì)怏w；②有機物中氫的焚燒產(chǎn)物是水；若有氟或氛存在，也可能有它們的氫化物生成。③固體廢物中的有機硫和有機磷，在焚燒過程中生成二氧化硫或三氧化硫以及五氧化二磷。④有機氮化物的焚燒產(chǎn)物

8、主要是氣態(tài)的氮，也有少量的氮氧化物生成。⑤有機氟化物的焚燒產(chǎn)物是氟化氫。⑥有機氯化物的焚燒產(chǎn)物是氯化氫。⑦有機溴化物和碘化物焚燒后生成溴化氫及少量溴氣以及元素碘。⑧根據(jù)焚燒元素的種類和焚燒溫度，金屬在焚燒以后可生成鹵化物、硫酸鹽、碳酸鹽、氫氧化物和氧化物等。,,思考題3：焚燒爐中煙氣和殘渣分別由什么成分組成？,（1）焚燒爐煙氣由顆粒污染物和氣態(tài)污染物組成。顆粒污染物主要是由于燃燒氣體帶出的顆粒物和不完全燃燒形成的灰分顆粒，包括粉

9、塵和煙霧。焚燒爐煙氣的氣態(tài)污染物種類很多，如SOx、COx、NOx、HCl、HF、二惡英類物質(zhì)等。（2）殘渣一般為無機物質(zhì)，它們是的鈣、硅、鐵、鋁、鎂、鉛等重金屬氧化物、氫氧化物和碳酸鹽、磷酸鹽以及硅酸鹽，其物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定。,,焚燒影響因素,固體廢物性質(zhì)：熱值、組分、含水量、尺寸,焚燒溫度,停留時間,湍流度(物料混合程度）,過?？諝庀禂?shù),“3T+1E”原則,,,,,,思考題4：影響固體廢物焚燒處理的主要因素有哪些？這

10、些因素對固體廢物焚燒處理有何重要影響？為什么？,固體廢物熱值燃燒溫度空氣和煙氣量計算,三、熱平衡和煙氣分析,可燃組分元素的物料平衡,高溫?zé)嶂担ù譄嶂担?高位熱值（粗熱值）,低位熱值（凈熱值）,四、焚燒工藝(Incineration technics),垃圾焚燒廠設(shè)備系統(tǒng)組成,寧波垃圾焚燒廠工藝流程圖,,思考題5：在垃圾焚燒處理過程中，如何控制二噁英類物質(zhì)（PCDDs）對大氣環(huán)境的污染？,思考題6：試分析生活垃圾中的硫、氮、氯、廢塑料

11、、水分等成分，在垃圾焚燒處理過程中可能發(fā)生的物理化學(xué)變化，它們對垃圾焚燒效果及煙氣治理的有何影響？,,思考題7：焚燒垃圾產(chǎn)生的二次污染物包括哪些方面？,（1）煙氣污染。垃圾焚燒所產(chǎn)生的煙氣主要成分為CO2、H2O、N2、O2等，同時也含有部分有害物質(zhì)：煙塵、酸性氣體（HCl、HF、SO2)、NO2、CO、碳?xì)浠衔铮═CH)、重金屬和二惡英（PCDD/PCDFs）。通過適當(dāng)?shù)奶幚?，達(dá)到各種環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)之后才能排放到大氣。 （2）廢水污

12、染。 (3)飛灰及灰渣污染。飛灰及灰渣含有大量的有害物質(zhì)，如金屬和二惡英類物質(zhì)，如未經(jīng)處理直接排放，將會嚴(yán)重污染地下水源和土壤，對環(huán)境造成危害。因此我國相關(guān)法規(guī)明確規(guī)定，所有垃圾焚燒系統(tǒng)的灰渣都屬于危險廢物，需要妥善處置。 （4）惡臭物質(zhì)。惡臭物質(zhì)也是未完全燃燒的物質(zhì)，主要有氨、硫化物、甲基硫醇、胺等。,焚燒爐是整個垃圾焚燒系統(tǒng)的核心。不同類型焚燒爐焚燒效果不同。通常根據(jù)所處理廢物對環(huán)境和人體健康的危害大小，以及所要求的處理程度

13、，將焚燒爐分為城市垃圾焚燒爐、一般工業(yè)焚燒爐和危險廢物焚燒爐三種類型。目前應(yīng)用廣泛、具有代表性的垃圾焚燒爐主要有3大類，即：機械爐排焚燒爐、流化床焚燒爐、回轉(zhuǎn)窯焚燒爐。,五、焚燒爐系統(tǒng),（一）焚燒爐,機械爐排爐的發(fā)展歷史最長，應(yīng)用實例也最多?？墒狗贌僮髯詣踊⑦B續(xù)化，目前已廣泛應(yīng)用于城市垃圾焚燒處理。爐排是活動爐排爐的心臟，其性能直接影響垃圾的焚燒效果。爐排的主要作用是運送固體廢物及爐渣通過爐體，還可以不斷地攪動固體廢物，并在攪

14、動的同時使從爐排廠方吹入的空氣穿過固體燃燒層，使燃燒反應(yīng)進(jìn)行得更加充分。,1、機械爐排焚燒爐,,,機械爐排爐的燃燒過程 機械爐排護(hù)的燃燒過程一般分三個階段：a.預(yù)熱干燥區(qū)（干燥段）；b.燃燒區(qū)（主燃段）c.燃燼區(qū)（后燃段）。 在入爐固體廢物從進(jìn)料端（干燥段）向出料端（后燃段）移動的過程中，分別進(jìn)行固體廢物蒸發(fā)、干燥、熱分解及燃燒反應(yīng)，同時松散和翻動料層，并從爐排縫隙中漏出灰渣。,大型傾斜機械爐排焚燒爐，如馬丁爐等，具有工

15、藝先進(jìn)、技術(shù)可靠、焚燒效率和熱回收效率高、對垃圾適應(yīng)性強等優(yōu)點，在國外應(yīng)用較為廣泛。但這種爐排材質(zhì)要求高，而且爐排加工、制造復(fù)雜，設(shè)備造價昂貴，一次性投資大，因而在某種程序上不適合經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)地區(qū)和中小城鎮(zhèn)的垃圾處理。,流化床焚燒爐是采用流化床的形式來焚燒垃圾。流化床焚燒爐以前用于焚燒輕質(zhì)木屑等，但近年來開始用于焚燒污泥、煤和城市生活垃圾，尤其適用于焚燒高水分的污泥類等固體、半固體廢棄物。,2、流化床焚燒爐,(1) 流化床焚燒爐結(jié)

16、構(gòu)主要由料斗、推料器、流化床爐、保持媒體流動的空氣分散裝置、不燃物排出裝置、不燃物篩選媒體循環(huán)裝置等組成。,流化床焚燒爐動畫演示,(2) 流化床焚燒爐的工作原理 流化床焚燒爐是在爐內(nèi)鋪設(shè)一定厚度、一定粒度范圍的石英砂或爐渣，通過底部布風(fēng)板鼓入一定壓力的空氣，將砂粒吹起、翻騰、浮動，形成流動層，再由此高溫流動媒體進(jìn)行垃圾干燥與燃燒等過程的設(shè)備。,優(yōu)點：爐體小、爐內(nèi)可動部分設(shè)備少，焚燒效率高、負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍寬，污染物排放少、熱強度高、適

17、合燃燒低熱值物料等優(yōu)點。缺點：流動砂造成的磨損比較大；燃燒速度快，燃燒空氣的平衡較難，較易產(chǎn)生CO。,（3）流化床焚燒爐特點,（4）流化床焚燒爐適用范圍 流化床焚燒爐在中小城鎮(zhèn)較有發(fā)展前景，尤其對于熱值相對偏低的垃圾的焚燒，流化床焚燒爐不失為一種較佳選擇。,回轉(zhuǎn)窯式焚燒爐，也稱旋轉(zhuǎn)窯焚燒爐，是利用旋轉(zhuǎn)對垃圾進(jìn)行立體攪拌，保證了垃圾充分燃燒，適用于大中型垃圾焚燒廠，每臺處理能力為120~450 t/d。,回轉(zhuǎn)窯焚燒爐動畫演示,3、

18、回轉(zhuǎn)窯焚燒爐,（1）回轉(zhuǎn)窯式焚燒爐結(jié)構(gòu)及工作原理 回轉(zhuǎn)窯式焚燒爐是一可旋轉(zhuǎn)的傾斜鋼制圓筒，其內(nèi)壁可采用耐火磚砌筑。爐體向下方傾斜，分成干燥、燃燒及燃燼三段，并前后兩端滾輪支撐和電機鏈輪驅(qū)動裝置驅(qū)動。回轉(zhuǎn)窯式焚燒爐通常在窯尾需配備一個二次燃燒室，垃圾在回轉(zhuǎn)窯爐內(nèi)分解氣化產(chǎn)生可燃?xì)怏w，其中未燃燒的可燃?xì)怏w在二次燃燒室內(nèi)達(dá)到完全燃燒。二次燃燒室一般需加輔助燃料才能正常運行，運行成本較高。,（2）回轉(zhuǎn)窯焚燒爐的特點優(yōu)點：對固體廢物

19、適應(yīng)性廣、故障少、可連續(xù)運行。缺點：窯身較長、占地面積較大，投資較高；機械設(shè)備運動部分多，且在高溫下工作，保養(yǎng)費用高；熱效率低（35％～40％）；處理低熱值固體廢棄物需加輔助燃料，成本高；系統(tǒng)要求氣密性高；不適宜焚燒容易熔融粘結(jié)的塑料或樹脂類廢料。,（3）回轉(zhuǎn)窯焚燒爐適用范圍 不僅能焚燒處理固體廢棄物，還可焚燒處理液體廢物和氣體廢物；多用于有機污泥等工業(yè)垃圾或特種垃圾處理；用于焚燒生活垃圾的較少。,,思考題8：目前，固體廢物焚燒爐

20、有哪些主要爐型？它們各有何特點？,三種焚燒爐比較,（二）焚燒效果評價,Destruction and Removal Efficiency,主要有害有機組成(Principle origanic hazardous constituents，簡寫為POHC)的破壞去除率（(Destruction and Removal Efficiency，簡寫為DRE)要達(dá)到99.99％以上。,,為固體廢物中某種有害有機物的質(zhì)量，kg；,

21、為焚燒灰渣中某種有害有機物的質(zhì)量，kg；,主要有害有機物在焚燒爐中停留時間的計算,計算方法：按化學(xué)動力學(xué)理論計算。,為了簡化起見，常假設(shè)焚燒反應(yīng)為一級反應(yīng)，按照化學(xué)動力學(xué)理論，其反應(yīng)動力學(xué)方程可用下式表示：,,,,式中：CAO、CA分別表示A組分的初始濃度和經(jīng)時間t后的濃度，g.mol；t為反應(yīng)時間；k為反應(yīng)速度常數(shù)，是溫度的函數(shù)，可用Arrhenus方程式表示它與溫度的關(guān)系：,式中：A為Arrhenius常數(shù)；E為活化能，kcal

22、/(g.mol)；R為通用氣體常數(shù)，R=1.987；T為絕對溫度，K.,作業(yè),教材P202 第6、7、8、9題,第2節(jié) 固體廢物的熱解處理Section 2 Pyrolysis of Solid Waste,熱解技術(shù)以其較高的能源利用率和較低的二次污染排放而被認(rèn)為一種非常有前途的垃圾熱化學(xué)處理技術(shù)。熱解技術(shù)已在城市垃圾、廢塑料、污泥、廢橡膠、農(nóng)林廢物等有機廢物能源化得到廣泛應(yīng)用。,內(nèi)容提要,熱解原理 熱解定義及特點、熱

23、解過程及產(chǎn)物、有機固體廢物熱解機理熱解工藝 熱解工藝分類典型固體廢物的熱解 城市生活垃圾的熱解、廢塑料的熱解、污泥的熱解、廢橡膠的高溫?zé)峤?、農(nóng)林廢棄物的熱解,一、熱解原理,熱解在工業(yè)上又叫干餾、熱分解或炭化，是利用有機物的熱不穩(wěn)定，在無氧或缺氧條件下使有機物受熱分解成為分子量較小的氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)物質(zhì)的化學(xué)分解過程。,熱解的定義,,過程：大分子鍵的斷裂，異構(gòu)化和小分子的聚合等反應(yīng)，由大分子有機物轉(zhuǎn)化為較

24、小的分子物質(zhì)。,,,譬如，纖維素分子的熱解：,熱解過程及產(chǎn)物,脫水→脫甲基→裂解→脫氫→縮合→氫化,注：產(chǎn)物受熱解溫度的影響,熱解方法回收燃料幾種形式,熱分解,熱裂解,氫化,氣化,高沸點油,原油,合成氣,加氫器,,,,,,高價值精煉產(chǎn)品,CO2,H2,高價值精煉產(chǎn)品,,,,,,,,,,,蒸餾,二、熱解工藝,,,,高溫?zé)峤猓?熱解溫度一般在1000℃以上，高溫?zé)峤夥◣缀跏侵苯蛹訜岱?，如果采用高溫純氧熱解工藝，反?yīng)器的氧

25、化-溶解區(qū)段的溫度高達(dá)1500℃，從而將熱解殘留的惰性固體熔化，以液態(tài)渣形式排出反應(yīng)器，清水淬冷后粒化。這樣可以大大減少固體參與物的處理難度,而且這樣粒化的玻璃態(tài)渣可作為建筑材料的骨粒。,中溫?zé)峤猓?熱解溫度在600~700℃之間，主要用在比較單一的材料作能源和資源回收的工藝上，如廢輪胎、廢塑料轉(zhuǎn)換成類重油物質(zhì)的工藝。所得的類重油物質(zhì)既可以作為能源，亦可作為化工初級原料。,低溫?zé)峤猓?熱解溫度一般在600℃以下。林

26、業(yè)和農(nóng)業(yè)產(chǎn)品加工后的廢物用來生產(chǎn)低硫低灰的炭就可以用這種方法，產(chǎn)生的炭視其原料和加工的深度不同，可作為不同等級的活性炭和水煤氣原料。,1、按熱解溫度的不同：可分為高溫?zé)峤?、中溫?zé)峤狻⒌蜏責(zé)峤?固定床熱解工藝 經(jīng)選擇和破碎的固體物料從反應(yīng)器的頂部加入，物料通過床層向下移動，床層由爐箅支持。物料沿反應(yīng)器高度分為4層，即干燥層、熱分解層、還原層和氧化層。物料從爐頂加入爐中后逐步下降，經(jīng)過干燥過程、熱分解過程、還原過程

27、和炭的燃燒過程而產(chǎn)生CO、H2、CH4等。預(yù)熱的空氣和氧從爐底引入，熱解產(chǎn)生的可燃?xì)怏w和CO2氣體則從爐頂導(dǎo)出，爐渣從底部排出。,2、按熱解爐（即熱解反應(yīng)器）的結(jié)構(gòu)可分為固定床、移動床、流化床和旋轉(zhuǎn)爐。,移動床熱分解工藝 經(jīng)適當(dāng)破碎除去重組分的城市垃圾從爐頂?shù)臍怄i加料斗進(jìn)入熱解爐，從爐底送入約600℃的空氣-水蒸氣混合氣，爐子的溫度由上到下逐漸增加。爐頂為預(yù)熱區(qū)，依次為熱分解區(qū)和汽化區(qū)。垃圾經(jīng)過各區(qū)分解后產(chǎn)生

28、的殘渣經(jīng)過回轉(zhuǎn)爐柵從爐底排出?？諝?水蒸氣與殘渣換熱使排出的殘渣溫度接近室溫，而熱解產(chǎn)生的氣體從爐頂出口排出。,移動床熱解裝置,流化床反應(yīng)器 流化床反應(yīng)器中，預(yù)熱的空氣和氧由反應(yīng)器底部進(jìn)入，通入氣流的流速很高足以使固體物料始終處于懸浮狀態(tài)，物料可以與通入的氣體充分混合接觸反應(yīng)，因此物料與氧和熱的交換速度快、反應(yīng)性能好、分解速率高。,流化床反應(yīng)器適用于含水量高或含水量波動較大的物料的熱解；但要求廢物顆粒均勻、可燃性要好

29、。由于流化床反應(yīng)器中氣體的速度高，因此氣體攜帶出的熱量多，熱損失較大，排出的氣體中還帶有較多未反應(yīng)的固體燃燒粉末，氣體的潔凈程度較差。在固體物料本身熱值不高的情況下，還須提供輔助燃料保證設(shè)備的正常運行。同時，溫度控制在一定范圍內(nèi)較困難。,旋轉(zhuǎn)爐（回轉(zhuǎn)窯式）熱解工藝 旋轉(zhuǎn)爐是一種間接加熱的高溫分解反應(yīng)器,其主要的設(shè)備是一個稍為傾斜、可以旋轉(zhuǎn)的滾筒。廢物經(jīng)進(jìn)料端移動通過蒸餾容器到卸料口，并在此過程中發(fā)生分解反應(yīng)。蒸餾容器由金屬制

30、成，而燃燒室則是由耐火材料砌成。分解產(chǎn)生的氣體，一部分被引導(dǎo)到蒸餾容器外壁與燃燒室內(nèi)壁之間的空間里進(jìn)行燃燒，為分解提供能力；另一部分則被導(dǎo)出做為他用。,回轉(zhuǎn)窯式熱解垃圾焚燒爐,,城市生活垃圾的熱解廢塑料的熱解污泥的熱解廢橡膠的高溫?zé)峤廪r(nóng)林廢棄物的熱解,三、典型固體廢物的熱解,城市垃圾熱解裝置流程圖,1、城市垃圾的熱解,2、廢塑料的熱解,3、污泥的熱解,4、廢橡膠的高溫?zé)峤?課后思考題,1、熱解與焚燒的區(qū)別是什么？固體廢物熱解