固废固体废物的热处理ppt课件.ppt
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1、1,第六章 固体废物的热处理,Thermal Treatment of Solid Waste,2,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
2、理;典型固体废物的热解;焙烧方法。,5,6.1 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
3、尘 资源化 智能化 多功能 综合性,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1/22/3,7,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,8,6.1 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(%),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515年内可达到0.5l.8、511。,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
4、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,CxHyOzNuSvClw + (x + v + y/4 w/4 z/2) O2 xCO2 + wHCl + 0.5uN2 + vSO2 +
5、(y-w) /2 H2O,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,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
6、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十1/2 O 2 C1 2十H 2 O 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,15,6.1.2 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850950 ,供氧量和物料混合程度: 过剩空气系数,停留时间: 废物1.52h; 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,+,6.1.3 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。,
7、焚烧影 响因素,决定无害化和减量化程度,低位热值3350kJ/kg,17,“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”。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;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
8、固体废物在完全燃烧时释放出的热量,kJ/ kg,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(Du long)公式如下所示:Hh=34000C+14300(H-O/8)+10500SHW=337C+
9、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),21,22,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
10、损+烟气显热+灰渣显热,Q1,24,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:,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100kg30.030.0kg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4650 kJ/kg、6510 kJ/kg、16750 kJ/kg、32560 kJ/kg、23260kJ/kg、17450 k
11、J/kg。(2)计算各组分产生的热量,厨房废渣产生的能量4650kJ/kg30.0kg=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、97680 kJ、23260kJ、52350kJ。 (3)垃圾的热值为(139500+32550+201000+97680+23260+52350)/100= 5463.4kJ/kg5000 kJ/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
12、设固体废物的热值为11630kJ/kg。炉栅残渣含碳量5%,碳的热值为32564kJ/kg。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)。水的气化潜热为2420kJ/kg。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=111630=11630 kJ 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:,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
13、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,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/(kgK) m理空=3.5910-4NHV,29,:完成燃烧反应的最小空气量,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)V理空,30,6.1.3 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
14、、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,(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,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,衡量焚烧炉处理能力的主要指标:燃烧室容积热力负荷Q体热和炉排机械负荷Q质,热力、机械负荷,热力负荷气体流量,烟2s, 固1.5
15、-2h,37,(4) 空 气 系 统,作用:提供氧气、冷却炉排、混合炉料、控制烟气气流等,38,(5) 烟气处理系统,焚烧炉烟气和残渣是固体废物焚烧处理的最主要污染物。焚烧炉烟气由颗粒污染物和气态污染物组成。颗粒污染物主要是由于燃烧气体带出的颗粒物和不完全燃烧形成的灰分颗粒,包括粉尘和烟雾;粉尘是悬浮于气体介质中的微小固体颗粒、黑烟颗粒等,粒径多为1-200 um;烟雾是指粒径为0.01-1um的气溶胶,其上吸附苯并a芘等高毒性、强致癌物质,对人体健康具有很大危害性。,39,焚烧烟气主要污染物,焚烧炉烟气的气态污染物种类很多,如SOx、COx、 NOx、 HCl、HF、二噁英类(PCDDs)
16、物质等。其中:SOx主要来源于废纸和厨余垃圾HCl主要来源于废塑料NOx主要来源于空气中的氮和厨余垃圾。二噁英类物质,可能来源于的废塑料、废药品等,或由其前驱体物质在焚烧炉内焚烧过程中生成,或特定条件(300500)下炉外生成。,40,二噁英,剧毒:有“世纪之毒”之称,是毒性最大的化合物之一,毒性是氰化物的130倍、砒霜的900倍。国际癌症研究中心将其列为人类一级致癌物,它们能干扰机体的内分泌,产生广泛的健康影响,并对动物有极强的致癌性。持久性污染物:溶于脂肪,难以降解,半衰期时间长,一旦进入人体,10年都难排出,而一旦累计到一定程度,就会致人于死地。常以微小的颗粒存在于大气、土壤和水中。主要
17、的污染源是化工冶金工业、垃圾焚烧、造纸以及生产杀虫剂等产业。日常生活所用的胶袋、PVC(聚氯乙烯)软胶等物都含有氯,燃烧这些物品时便会释放出二恶英,悬浮于空气中。,41,焚烧主要污染物,固体废物焚烧处理的产渣量及残渣性质,与固体废物种类、焚烧技术、管理水平等有关。生活垃圾焚烧处理产渣率一般为7-15%。残渣的化学组成主要是钙、硅、铁、铝、镁的氧化物及重金属氧化物,物理性质和化学性质较为稳定。,42,焚烧过程污染物的产生与防治,几种有机组分的产生与防治二噁英的产生与防治高温恶臭的产生与防治恶臭物质是末完全燃烧的有机物,多为有机硫化物或氮化物。高温焚烧 (或催化燃烧)、溶液吸收、吸附煤烟的产生与防
18、治煤烟是由碳氢燃料的脱氢、聚合或缩合而生成的,C/H比值大的发烟倾向大。高温、增氧、加速煤烟的燃烧速度,物料与空气的均匀混合,延长停留时间短可防治煤烟。因此选择最合适的焚烧条件,恰当的炉膛尺寸和形状是进行焚烧的必要条件。,43,由于半干法烟气净化工艺对酸性气体去除率高,系统简单、设备成熟、废水零排放等特点,在生活垃圾焚烧处理中得到了广泛利用,配合滤袋除尘,设备: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 ,PCDDs: TCDDs PCDFs,酸性气体: HF、SOX、NOX、HCl,重金属 汞、镉、铅,烟尘,催化氧化 /化学吸收(湿法、干法、半干法)/氧化还原 /物理吸附,A
19、 控制燃烧温度和停留时间B 减少烟气200500停留时间 C 有效净化(如吸附),(5) 烟气处理系 统,静电除尘 袋式过滤 离心分离重力沉降,44,焚烧过程污染物的产生与防治,我国在生活垃圾焚烧污染控制标准( GB 18485-2001 )和危险废物焚烧污染控制标准(GB 18484-2001)中对排放废气都有严格的控制标准,45,生活垃圾焚烧处理技术标准及要求,46,危险废物焚烧炉大气污染物排放限值,47,(6) 焚 烧 工 艺 其 它 系 统,48,焚烧残渣的处理和利用,焚烧残渣美国矿山局从城市垃圾焚烧残渣中回收铁、非铁金属和玻璃。,烧结残渣烧结残渣是象砂石一样密度高的粒于,其中重金属溶
20、出量少,可作混凝土的粗骨料及筑路材料用。,苏联研究用感应射频共振法从垃圾焚烧残渣中分离回收导电性的黑色和有色金属;用光度分选法得到玻璃和陶瓷。,49,焚烧能源的回收利用,能源回收是垃圾焚烧处理的主要目的,有两种利用方式。A、焚烧热回收利用:利用固体废物焚烧热来生产蒸汽和发电,其方法如下:焚烧炉(衬以耐火材料的燃烧室)后面装一个废热锅炉;建水墙式垃圾焚烧炉。B、 将废物处理成燃料(废物燃料)废物燃料(RDF:Refuse Derived Fuel):用废物处理成燃料,可以作为主要燃料或辅助燃料和主燃料(如煤)一起进行燃烧。经粉碎的废物燃料:制成粉末状废物燃料或把废物燃料制成“煤砖”、“煤球”或其
21、它散粒状燃料。,50,焚烧热能利用方式,热电联产产生蒸汽发电,适用于废物热值大的场合。用于发电时,一般在产生蒸汽的锅炉、蒸汽透平机或气体透平机以及发电机中进行。由热能转变为机械功再转变为电能的过程,能量损失很大,热效率不高,因此,固体废物的有效热值不够大时回收能量发电是不合算的,往往用于热交换器及废热锅炉产生热水或蒸汽。一般来说焚烧炉废热锅炉典型热效率是63,蒸汽透平发电机系统典型热效率只有30左右,如果采用焚烧炉蒸汽锅炉透平机发电机系统以回收利用其能量,整个热效率只有20。若产生的动力中一部分利用于其前端加工系统(破碎、分选),则净输出的动力只占整个热效率的17.5,预热燃烧空气预热废物本身
22、,51,6.1.4 焚烧炉,目前在垃圾焚烧中应用最广的主要有三种:,流化床焚烧炉回转窑焚烧炉,机械炉排焚烧炉,52,工作原理:垃圾通过进料斗进入倾斜向下的炉排(炉排分为干燥区、燃烧区、燃尽区),由于炉排之间的交错运动,将垃圾向下方推动,使垃圾依次通过炉排上的各个区域(垃圾由一个区进入到另一区时,起到一个大翻身的作用),直至燃尽排出炉膛。燃烧空气从炉排下部进入并与垃圾混合;高温烟气通过锅炉的受热面产生热蒸汽,同时烟气也得到冷却,最后烟气经烟气处理装置处理后排出。特点:炉排的材质要求和加工精度要求高,要求炉排与炉排之间的接触面相当光滑、排与排之间的间隙相当小。另外机械结构复杂,损坏率高,维护量大。
23、炉排炉造价及维护费用高,使其在中国的推广应用困难重重。该工艺在中国焚烧垃圾适用性不强,我国垃圾没有严格分类,垃圾中含水分较高、成分复杂,所以热值很低,很难把垃圾焚烧透彻,炉内温度难以提高,造成二次污染的可能性就大。,机械炉排焚烧炉,53,是一种有机械传动装置的多膛焚烧炉,内衬耐火材料。内部一般分6层,最多12层,每层是一个炉膛。废物从上部送入,由一个旋转空心中心铀上的水平推料片推动废物横过炉膛表面,经过一个洞口掉到下面,未完全燃烧的废物继续被烧掉,灰渣落入炉子底部由此运走。,(1)立式多段焚烧炉,54,多段炉,多段炉的特点:是废物在炉内停留时间长,能挥发较多水分,适合处理含水率高、热值低的污泥
24、、可以使用多种燃料,燃烧效率高,可以利用任何一层的燃料燃烧器以提高炉内温度。缺点:物料停留时间长,使调节温度时较为迟缓,控制辅助燃料的燃烧比较困难。结构繁杂、移动零件多、易出故障、维修费用高;排气温度较低,产生恶臭,排气需要脱臭或增加燃烧器燃烧;用于处理有害废物则需要二次燃烧室,提高燃烧温度,以除去未燃烧完的气体物质;不适用于含可熔性灰分的废物以及需要极高温度才能破坏的物质。,55,工作原理:炉体是由多孔分布板组成,在炉膛内加入大量的石英砂,将石英砂加热到600以上,并在炉底鼓入200以上的热风,使热砂沸腾起来,再投入垃圾。垃圾同热砂一起沸腾,垃圾很快被干燥、着火、燃烧。未燃尽的垃圾比重较轻,
25、继续沸腾燃烧,燃尽的垃圾比重较大,落到炉底,经过水冷后,用分选设备将粗渣、细渣送到厂外,少量的中等炉渣和石英砂通过提升设备送回到炉中继续使用。特点:流化床燃烧充分,炉内燃烧控制较好,但烟气中灰尘量大,操作复杂,运行费用较高,对燃料粒度均匀性要求较高,需大功率的破碎装置,石英砂对设备磨损严重,设备维护量大。该工艺比较适合我国的国情,燃烧比较复杂、水分比较多的垃圾也能够把垃圾燃烧彻底,温度也比较高,投资也比较低,是适合中国国情的工艺流程。,流化床焚烧炉,56,流化床焚烧炉,圆柱形容器底部装有多孔板,板上放置载热体砂,作为焚烧炉的燃烧床。常用燃烧床的温度在760一890 之间,传热快。固体废物在燃烧
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