第四章 可燃固體廢物的焚燒

1、一、可燃固體廢物： 從焚燒角度分析，城市生活垃圾可分為可燃和不可燃兩部分: 可燃垃圾可燃垃圾橡塑、紙張、破布、竹木、皮革、果皮及動植物、廚房垃圾等。其組分、物性和燃燒特性等非常復雜，不易直接填埋； 不可燃垃圾不可燃垃圾金屬、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。 焚燒法一般是指將垃圾作為固體燃料送入焚燒爐中，在高溫條件下（一般為900左右，爐心最高溫度可達1100），垃圾中的可燃成分與空氣中的氧進行劇烈化學反應，放出熱量，轉化成高溫煙氣高溫煙氣和性質穩(wěn)定的固體殘渣性質穩(wěn)定的固體殘渣。 優(yōu)點優(yōu)點v垃圾焚燒后，體積可減少8595%，質量減少2080%。v高溫焚燒消除了垃圾

2、中的病原體和有害物質無害化。v焚燒排出的氣體和殘渣中的一些有害副產(chǎn)物的處理遠比有害廢棄物直接處置容易得多。v焚燒法具有處理周期短、占地面積小、選址靈活等特點。v熱能可以利用 因此，焚燒法能以最快的速度實現(xiàn)垃圾處理的無害化、減量化和資源化。目前，在發(fā)達國家已被廣泛采用。 缺點缺點v焚燒法對垃圾的熱值有一定要求;v建設成本和運行成本相對高;v管理水平和設備維修要求高；v焚燒產(chǎn)生的廢氣若處理不當，很容易對環(huán)境造成二次污染。v不同季節(jié)、年份垃圾熱值的變化不同。一、熱值一、熱值熱值指單位重量的固體廢物燃燒釋放出來的熱量，kJ/kg。粗熱值(HHV高位熱值)：是指化合物在一定溫度下反應到達最終產(chǎn)物的焓的變

3、化。水為液態(tài)凈熱值(NHV低位熱值)：水為氣態(tài)。 二、熱量的測定1.標準實驗：氧彈量熱計測量的是粗熱值。2.通過元素組成作近似計算1.NHV=HHV-2420H2O+9(H-Cl/35.5-F/19)NHV：凈熱值，kJ/kgHHV：粗熱值，kJ/kgH2O：焚燒產(chǎn)物中水的重量百分率，%H、Cl、F：分別為廢物中氫氯氟含量的重量百分率，%2.NHV=2.321400mC+45000（mH-0.125mo）-760mCl+4500mSmC、mH、mo、mCl、mS：分別代表碳、氫、氧、氯和硫的質量分數(shù)關于熱值的計算例1 表72是我國武漢市城市垃圾的組分，假設該組分的熱值與美國城市垃圾的典型組分的

4、熱值相同，可據(jù)此計算出武漢市垃圾的熱值： 解：(1)以100為基準，分別汁算各組分的重量 廚房廢渣及果皮重量100X29.53%=29.53kg 同樣方法計算出木屑、雜草的重量為2kg，紙張重量為1.35kg，塑料皮革等重量1.39kg。 (2)計算各組分產(chǎn)生的能量例2某固體廢物含可燃物60%、水分20%、惰性物20%。固體廢物的元素組成為碳28%、氫4%、氧23%、氮4%、硫1%，水分20%、灰分20%。假設固體廢物的熱值為11630kJ/kg；爐柵殘渣含碳量為5%；空氣進入爐膛的溫度為65，離開爐柵的溫度為650 ；殘渣的比熱為0.323 kJ/（kg.）；水的汽化潛熱2420 kJ/kg

5、 ；輻射損失為總爐膛輸入熱量的0.5%；碳的熱值為32564 kJ/kg 。試計算這種廢物燃燒后可利用的熱值。（以1kJ/kg固體廢物計算） 固體廢物焚燒熱的利用包括供熱和發(fā)電，在用于發(fā)電時，一般在下列設備中進行：產(chǎn)生蒸汽的鍋爐、蒸汽透平機或氣體透平機以及發(fā)電機。這三種設備大致有三種不同的組合方式，見圖71示意圖。存在的問題：能效損失很大，熱效率不高焚燒爐廢熱鍋爐蒸汽透平發(fā)電機系統(tǒng)餃燒爐熬汽鍋爐遠平機發(fā)電機系統(tǒng)用于熱交換器及廢熱鍋爐產(chǎn)生熱水或蒸汽。相關知識相關知識: :國外利用垃圾焚燒發(fā)電技術的應用始于20世紀50年代，最先應用的國家是聯(lián)邦德國和法國，其后美國、日本、韓國(圖4-1)等均建有相

6、當數(shù)量的垃圾焚燒電站。我國于1988年開始首次引進垃圾焚燒發(fā)電技術，2000年沈陽建成我國首座垃圾與污水一體處理廠。垃圾焚燒發(fā)電、供熱工藝當前我國垃圾焚燒發(fā)電存在的問題圖圖4-1 垃圾焚燒發(fā)電存在的問題垃圾焚燒發(fā)電存在的問題垃圾焚燒發(fā)電在我國還處于初級階段，還有許多方面需改進和提高。 垃圾發(fā)電當前遇到的關鍵問題是電站的發(fā)電量波動性大，穩(wěn)定性小。其原因是垃圾中可燃廢棄物的質量和數(shù)量隨季節(jié)和地區(qū)的不同而發(fā)生明顯變化。因此，垃圾焚燒電站的多余電力向電力公司出售時，價格不高，主要靠國家政策扶持。 另外，垃圾焚燒發(fā)電本身屬于環(huán)保項目，如果處理的不好可能造成二次污染。一、垃圾焚燒過程各階段的劃分燃燒本質燃

7、燒本質由質量傳遞、熱量傳遞、動量傳遞、化學反應、結構變化等過程綜合在一起的物理化學過程。焚燒過程焚燒過程：需燃燒的物料從送入焚燒爐起，到形成煙氣和固態(tài)殘渣的整個過程。第一階段：物料的干燥加熱階段第二階段：燃燒階段主階段第三階段；燃盡階段，即生成固體殘渣的階段。（1）干燥階段v干燥階段對機械送料的運動式爐柵，從物料送入焚燒爐起到物料開始析出揮發(fā)分著火。v在干燥階段，物料的水分是以蒸汽形態(tài)析出的，因此需要吸收大量的熱量水的汽化潛熱。v 預熱階段水分蒸發(fā)階段v橡膠塑料的水分是最易蒸發(fā)的,其排列為橡膠、塑料、纖維、紙、竹木、廚房垃圾,第一階段：物料的干燥加熱階段第二階段：燃燒階段主階段第三階段；燃盡階

8、段，即生成固體殘渣的階段。 預熱階段指垃圾從環(huán)境溫度升溫到水分蒸發(fā)平衡達到穩(wěn)定溫度的過程,主要用溫度參數(shù)表征,伴有垃圾吸熱和少量水分蒸發(fā)等現(xiàn)象。 水分蒸發(fā)階段水分蒸發(fā)階段 水分在蒸發(fā)階段受熱力驅動而蒸發(fā),并通過質量傳遞而逸離垃圾體,進入氣相,為垃圾穩(wěn)定著火燃燒創(chuàng)造條件。焚燒階段v熱解：在無氧或近乎無氧條件下，利用熱能破壞含碳高分子化合物元素的化學鍵，使含碳化合物破壞或進行化學重組。 纖維素分子： C6H10O52CO+CH4+3H2O+3C對象大分子的含碳化合物（一般的有機固體廢物）揮發(fā)分的析出：200800v強氧化反應：析出的揮發(fā)物、固定炭燃燒燃盡階段該階段可燃物濃度減少，惰性物增加，氧化劑

9、量相對較大，反應區(qū)溫度降低。改善措施：v翻動，撥火減少物料外表面的灰層。v增加物料在爐內的停留時間。 在整個燃燒階段，燃燒結果至少有以下三種可能的情況：廢物的主要部分很可能在一級燃燒室就很容易被氧化或被全部破壞，或者一部分廢物在一級燃燒室被熱解，在第二燃燒室或后燃室達到完全焚燒。很少一部分廢物由于某些原因，在焚燒過程中逃逸而未被銷毀，或只有部分銷毀。廢物組分可能會產(chǎn)生一些中間產(chǎn)物，如某些不完全燃燒的排放物。這些中間產(chǎn)物可能比原廢物更有害。焚燒四大控制參數(shù) 氣體停留時間廢物在焚燒爐內發(fā)生氧化、燃燒，使有害物質變成無害物質所需的時間。 焚燒溫度廢物中有害組分在高溫下氧化、分解直至破壞所須達到的溫度

10、。 攪拌混合程度 過剩空氣率 可燃的固體廢物基本是有機物，由大量的碳、氫、氧及少量氮、硫、磷和鹵素等元素，焚燒過程中與空氣中氧反應，生成各種氧化物或部分元素的氫化物。主要有： 有機碳有機碳CO2 H HH2O，有F或Cl存在時可能有HF、HCl 有機硫和有機磷有機硫和有機磷SO2、SO3、P2O5 有機氮有機氮N2為主，少量氮氧化物 有機氟化物有機氟化物HF，氫不足會出現(xiàn)CF4、COF2（需添加助燃料） 有機氯有機氯氯化氫（氫氣不足有游離氯氣產(chǎn)生） 有機溴化物、碘化物有機溴化物、碘化物HBr、Br2、I2 金屬金屬鹵化物、硫酸鹽、磷酸鹽、碳酸鹽、氫氧化物和氧化物 有害有機廢物焚燒后要求達到的三

11、個標準有害有機廢物焚燒后要求達到的三個標準 a) 主要有害有機組成（POHC）的破壞去除率（DRE）要達到99.99%以上。b) HCl的排放量應符合從焚燒爐煙囪排出的HCl量在進入洗滌設備之前小于1.8kg/h，若達不到該要求，則經(jīng)過洗滌設備除去HCl的最小洗滌率應為99.0%。c) 煙囪的排放顆粒物應控制在183mg/m3，空氣過量率為50%。如果空氣過量率大于或小于50%，應折算成50%的排放量。一、煙氣組成一、煙氣組成v煙氣中的主要成分：CO2、H2O、O2、N2，占煙氣容積的99%，屬無害成分。v煙氣中的有害成分主要是：CO、NOx、H2S、HCl以及一些具有特殊氣味的有機有害氣體，

12、如飽和烴和不飽和烴、烴類氧化物、鹵代烴類、芳香族類物質等，包括多氯二苯二惡英.v固體顆粒物：主要是碳黑、一些金屬和鹽類經(jīng)蒸發(fā)凝聚而成的粉塵。 垃圾焚燒產(chǎn)生的煙氣與其他燃料燃燒所產(chǎn)生的煙氣在組成上相差較大，同其他煙氣相比，垃圾焚燒煙氣的特點是HCl和O2濃度特別高，粉塵中的鹽分（氯化物和硫酸鹽）特別高。二惡英(dioxins,簡稱DXN)是指一類具有某種類似的化學結構且生物作用方式基本相同的化合物。 是一類多氯代三環(huán)芳烴類化合物的統(tǒng)稱。v氯代二苯并二惡英(CDDs),有75種同類物;v氯代二苯并呋喃(CDFs),有135種同類物;v多氯聯(lián)苯(PCBs),有209種同類物。 在這419種化合物中只

13、有30種屬于二惡英類化合物,其中多氯二苯二惡英(PCDDs)7種，多氯二苯呋喃(PCDFs)10種，多氯聯(lián)苯(PCBs)13種。其中研究最多、毒性最強的化合物是2,3,7,8-TCDD。 v二惡英在常溫下呈固態(tài),熔點為303305。v容易生成的溫度是180400v一般在705以下非常穩(wěn)定，705以上開始分解，不易燃燒；v酸堿環(huán)境中穩(wěn)定;v難溶于水,常溫下水中溶解度僅為7.210-6/;v易溶于二氯苯，常溫下在二氯苯中溶解度高達1400/,故二惡英易溶于脂肪，會在身體內積累，并難以排除。v附著于土壤的能力非常強，不易滲出，污染地下水的可能性很??；在土壤中的半衰期至少在1年以上。意大利的塞維招（S

14、eveso）二惡英污染事件發(fā)生10年后，在被污染過的土壤中仍然殘存有二惡英；v 在人體中的半衰期至少為7年，人體吸收的二惡英很難排除體外 一般來說，垃圾焚燒中二惡英的形成有下列途徑： 垃圾中自身含有的二惡英類物質，大部分在高溫燃燒時得以分解，但由于二惡英具有熱穩(wěn)定性，仍會有一部分在燃燒以后排放出來；垃圾在燃燒過程中形成的含氯前驅體，如氯苯、氯酚、聚氯酚類物質（PCBs）通過重排、脫氯或其它分子反應等過程會生成二惡英,這部分二惡英在高溫燃燒條件下大部分也會被分解。小分子碳氫化合物通過聚合和環(huán)化形成多環(huán)烴化合物（PAH），這些化合物和氯反應形成二惡英；在較低溫度下（），二惡英前驅體在飛灰催化作用遇

15、適量的觸媒物質（主要為重金屬,特別是銅等）,則在高溫燃燒中已經(jīng)分解的二惡英將會重新生成。焚燒爐尾部凈化溫度在200300 下，HCl和單質氯在飛灰催化作用下與碳氫化合物反應生成二惡英。(1) 目前被學術界基本接受的幾種二惡英生成機理如下:v直接釋放機理直接釋放機理：燃燒含有微量二惡英的固體廢物,在未充分完全燃燒的條件下,其排出的煙氣中必然含有殘留的二惡英。v重新合成重新合成：反應載體為大分子的碳結構,包括:活性炭、碳、煤灰、焦炭、殘留碳、飛灰等,這些反應載體在催化劑(主要是銅族化合物)作用下反應,生成二惡英。(1)大分子的碳結構的邊緣,以并列方式進行氯化反應,產(chǎn)生鄰位氯代基的碳結構;(2)氧化

16、破壞碳結構,進行重組生成二惡英;(3)在活性碳表面進行氧化降解(氧化銅為主要催化劑),產(chǎn)生芳香族氯化物(二惡英的中間產(chǎn)物);v前驅物的異相催化反應機理前驅物的異相催化反應機理：發(fā)生在飛灰表面的異相催化反應,反應物質為有機小分子,其中包括:脂肪族(如丙烯)、單環(huán)無官能團芳香族(如苯)、單環(huán)官能團芳香族(如苯甲酸、甲苯、苯酚等)、氯芳香族(如氯酚、氯苯等)。1)主要碳結構的降解作用,形成小分子物質,然后反應產(chǎn)生二惡英;2)凝結兩個前驅物,形成中間產(chǎn)物,再進行分子間的環(huán)化作用,形成二惡英。v碳源碳源v氯源氯源v溫度溫度v催化劑催化劑v氧氧v水水v反應時間反應時間l）控制燃燒溫度控制燃燒溫度：二惡英的

17、最佳生成溫度為300，但是在400以上時，仍然有二惡英生成的可能。當溫度達到9001000時，二惡英將無法生成。因此，維持燃燒溫度高于 1000 是防止二惡英生成的首要條件； 2）提高燃燒效率：）提高燃燒效率：因為二惡英的生成與燃燒效率有直接的關系，CO中的碳可能參與二惡英的生成反應。因此，供氧充足，減少CO的生成，可以間接地減少二惡英的生成；煙氣中比較理想的CO濃度指標是低于60mg/m3, O2濃度不少于6%,在爐膛及二次燃燒室內的停留時間不小于2s;3）加強煙道氣溫度控制：）加強煙道氣溫度控制：一般新建的大型垃圾焚燒廠都有廢熱回收系統(tǒng)，煙道氣自燃燒室進入該系統(tǒng)后，溫度將逐漸降低至2503

18、50左右，而此溫度范圍又恰巧是：二惡英生成反應（DeNovo合成反應）的最佳區(qū)域，因此，必須將焚燒爐出來的煙氣在短時間內驟降至150以下，以確保有效遏止二惡英的再生成；化學加藥：化學加藥：向煙道中噴入NH3或噴入CaO等吸收HCI，以抑制前驅物質的生成。 選用新型袋式除塵器,控制除塵器入口處的煙氣溫度低于200,并在進入袋式除塵器的煙道上設置活性碳等反應劑的噴射裝置,進一步吸附二惡英;在生活垃圾焚燒廠中設置先進、完善和可靠的全套自動控制系統(tǒng),使焚燒和凈化工藝得以良好執(zhí)行;通過分類收集或預分揀控制生活垃圾中氯和重金屬含量高的物質進入垃圾焚燒廠;由于二惡英可以在飛灰上被吸附或生成,所以對飛灰應用專

19、門容器收集后作為有毒有害物質送安全填埋場進行無害化處理,有條件時可以對飛灰進行低溫（300400）加熱脫氯處理,或熔融固化處理后再送安全填埋場處置,以有效地減少飛灰中二惡英的排放。1.惡臭（惡臭（stench）的定義的定義 垃圾厭氧發(fā)酵和有機物不完全燃燒產(chǎn)生的。多為有機硫化物或氮化物。惡臭污染物是指一切刺激嗅覺器官引起人們不愉快及損害生活環(huán)境的氣體物質。從廣義上說,我們把散發(fā)在大氣中的一切有味物質統(tǒng)稱為惡臭氣體。2.2.惡臭的危害惡臭的危害 惡臭屬于感覺公害,直接作用于嗅覺,給人們造成危害。輕者給人以不愉快的感覺;重者使人呼吸困難,惡心嘔吐,流淚,甚至會引起中毒。其中有些是三致物質，有些會影響

20、神經(jīng)系統(tǒng)和造血系統(tǒng)，有些則會引起機體的變態(tài)反應。 產(chǎn)生產(chǎn)生：未完全燃燒 一是含硫化合物,如硫化氫、硫醇類、硫醚類等; 二是含氮的化合物,如氨、胺類、酰胺、吲哚類等; 三是鹵素及其衍生物,如氯氣、鹵代烴等; 四是烴類,如烷烴、烯烴、炔烴、芳香烴等; 五是含氧的有機物,如酚、醇、醛、酮、有機酸等。 4. 4.惡臭的防治惡臭的防治脫臭方法原理適用惡臭物質水洗法將惡臭氣體溶于水中易溶于水的臭氣,如脂肪酸、胺類冷卻法將含有水蒸汽的惡臭氣體冷卻溶解于凝結水中含有大量水蒸氣的高溫排氣,如易溶于水的脂肪酸等吸附法惡臭氣體用活性炭、硅膠、白土等吸附脂肪酸、胺類及其他易溶于水的臭氣空氣稀釋法惡臭氣體用大量的空氣稀

21、釋,降低臭氣強度適用于所有的臭氣酸堿吸收法酸性氣體用NaOH或Ca(OH)2水溶液吸收;堿性氣體用稀硫酸吸收脂肪酸、胺類及其他易溶于水的臭氣臭氧氧化法利用臭氧的強氧化作用氧化分解 不飽和有機化合物,硫化氫、硫醇類、醛類等燃燒法將可燃性惡臭氣體燃燒分解適用于所有惡臭氣體生物膜法惡臭氣體通過濾層由細菌分解大部分惡臭氣體常見的脫臭方法概況 粉塵焚燒煙氣中的粉塵（顆粒物）是垃圾焚燒過程中產(chǎn)生的微小無機顆粒物質。v物理原因產(chǎn)生的粉塵燃燒空氣卷起的微小不燃物，可燃物的灰分等。發(fā)生不完全燃燒時，未燃碳分、紙灰等也會成為粉塵的一部分。v熱化學反應產(chǎn)生的粉塵高溫燃燒室內氮化的鹽類，在煙氣冷卻后凝結成鹽顆粒。 焚

22、燒過程產(chǎn)生的灰渣（爐渣和飛灰）一般為無機物質，他們主要是金屬的氧化物、氫氧化物和碳酸鹽、硫酸鹽以及硅酸鹽。v焚燒灰渣是判定焚燒爐運行正常與否的最有力的數(shù)據(jù)，通過測定焚燒灰渣熱灼減量，可以推算焚燒的完成狀況。v爐渣分類按焚燒溫度v焚燒殘渣：1000以下焚燒爐、熱分解爐產(chǎn)生的殘渣。v燒結殘渣：1500高溫焚燒爐排出的熔融狀態(tài)的殘渣。v爐渣的利用1）焚燒殘渣回收金屬、玻璃等（美國、蘇聯(lián)）2）燒結殘渣作為混凝土骨料 或與粘土結合制紅磚（日）一、焚燒處理的典型流程（見圖4-2）二、垃圾焚燒廠概況三、焚燒設備圖4-21.垃圾處理廠組成v儲存及進料系統(tǒng)垃圾儲坑、抓斗、進料斗、故障排除及監(jiān)視系統(tǒng)。（破碎機）v

23、焚燒系統(tǒng)燃燒室、爐床v廢熱回收系統(tǒng)鍋爐路管、過熱器、節(jié)熱器、蒸汽導管安全閥、爐管吹灰設備等。v發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電機v飼水處理系統(tǒng)飼水處理站v廢水處理系統(tǒng)廢水處理站v廢氣處理系統(tǒng)靜電集塵器/濾袋集塵器、濕式洗煙塔/干式或半干式洗煙塔v灰渣收集及處理系統(tǒng)固化底灰和飛灰。2.垃圾焚燒廠的組成設備圖（圖4-3）及垃圾焚燒系統(tǒng)組成圖（圖4-4）圖4-3圖4-4基本原則：不影響自然生態(tài)環(huán)境和居民生活環(huán)境，不產(chǎn)生二此污染，投資小，運行費用低。符合經(jīng)濟運距要求具備交通運輸條件有足夠的用地面積滿足環(huán)境保護要求焚燒余熱有出路市政基礎設施較齊全與用地規(guī)劃協(xié)調一致具有良好的自然條件有利于垃圾綜合利用1)滿足凈空要求v燃燒方

24、式v焚燒爐v垃圾焚燒爐的腐蝕 v生活垃圾焚燒爐/118-2000v國內垃圾焚燒處理廠現(xiàn)狀及設備使用情況 國內垃圾焚燒爐主要有以下幾類：引進國外爐形其代表是深圳垃圾焚燒廠。參照國外先進工藝,自制較完善焚燒爐北京昌平垃圾處理廠和常州垃圾處理廠。國內自制的簡單焚燒爐四川樂山焚燒爐為其中代表。按照燃燒氣體的流動方向：v反向流適合難燃性、閃火點高的廢物燃燒v同向流適用于易燃性、閃火點低的廢物燃燒v旋渦流燃燒氣體由爐周圍方向切線加入，造成爐內燃燒氣流的旋渦性，可使爐內氣溫擾動性增大，不易發(fā)生短流，廢氣流經(jīng)路徑和停留時間廠，而且氣流中間溫度非常高，周圍溫度并不高，燃燒較為完全。按照助燃空氣加入階段數(shù)：單段燃

25、燒和多段燃燒按照助燃空氣供應量：過氧燃燒、缺氧燃燒（控氣式）和熱解燃燒2）.按照助燃空氣加入階段數(shù)：v單段燃燒必須送入大量空氣，較長停留時間才能將固體廢物完全燃燒。v多段燃燒在多段燃燒中，首先在一次燃燒過程中提供未充足的空氣量，使廢物進行蒸發(fā)和熱解燃燒，產(chǎn)生大量的CO、碳氫化合物氣體和微細的碳顆粒；然后在第二次、第三次燃燒過程中，再供給充足空氣使其逐次氧化成穩(wěn)定的氣體。 多段燃燒的優(yōu)點是燃燒所必須提供的氣體量不需要太大，因此再第一燃燒室內送風量小，不易將底灰?guī)С觯a(chǎn)生顆粒物的可能性較少。（常用）3）.按照助燃空氣供應量：按照助燃空氣供應量：v（根據(jù)第一燃燒室的供氣量）過氧燃燒第一燃燒室供給充足的空氣量v缺氧燃燒（控氣式）第一燃燒室供給的空氣量約是理論空氣量的70%80%，處于缺氧狀態(tài)，使廢