固体废物处理及处置-第六章

1、第六章第六章 固体废物热化学处理固体废物热化学处理6.1 概概 述述同济大学固体废物处理与资源化研究所原理、途径与工艺原理、途径与工艺&原理 有机物在高温条件下的化学活性增强有机物在高温条件下的化学活性增强&途径与工艺 气气/固反应固反应有氧有氧焚烧焚烧 气气/固反应固反应无氧无氧热解热解 气气/固反应固反应缺氧缺氧气化气化22222OCOH ONSOHClQ有机物22222O /H OC HCOCOHHClNnmQ有机物C H O NCOHClnmlkQ 有机物同济大学固体废物处理与资源化研究所 固固/液反应液反应有氧有氧湿式氧化湿式氧化 固固/液反应液反应无氧无氧液化液化C

2、 H O NCOHClnmlkQ 有机物22222OCOH ONSOHClQ有机物原理、途径与工艺原理、途径与工艺湿式氧化与液化亦通称为水热反应处理湿式氧化与液化亦通称为水热反应处理同济大学固体废物处理与资源化研究所&生活垃圾&污泥&农业秸秆&化工废物应应 用用同济大学固体废物处理与资源化研究所&工艺条件温度，气相停留时间&燃烬率固相：渣含碳率气相：&破坏率目标物质衡算&烟气排放&灰渣21 CO/CO 标标 准准6.2 固体废物焚烧技术固体废物焚烧技术同济大学固体废物处理与资源化研究所&燃烧模式 气相燃烧气相燃烧挥

3、发性固体挥发性固体(VS) 表面燃烧表面燃烧固定碳固定碳&燃烧方式 悬浮悬浮 堆积堆积焚焚 烧烧 原原 理理同济大学固体废物处理与资源化研究所焚焚 烧烧 原原 理理&焚烧影响因素 温度温度c 动力学动力学焚烧反应遵从焚烧反应遵从Arrhenius定律定律c 传热传热温差温差100条件下，辐射传热推动力与热物体温度关系条件下，辐射传热推动力与热物体温度关系d1 expexp(/)matAERT 同济大学固体废物处理与资源化研究所焚焚 烧烧 原原 理理 湍流湍流传质、传热传质、传热c 对流传质系数关联式对流传质系数关联式0.023 Re0.83 Sc0.33c 对流传热系数关系式对

4、流传热系数关系式0.023 Re0.8 Pr0.3-0.4Re与湍流程度呈正比与湍流程度呈正比 时间时间动力学动力学同济大学固体废物处理与资源化研究所&焚烧化学计量22222222COCO11HOH O421OO21NN2S OSOClHHClNOx的形成的形成焚焚 烧烧 原原 理理同济大学固体废物处理与资源化研究所焚焚 烧烧 原原 理理燃烧过程燃烧过程NOx生成问题生成问题22232222222 NONOO NONONNO O NO NH NH ONO CO NCO HCN NH OCO 燃料中氮空气中氮在炉内进一步转化反应复杂具有很大的不确定性反应复杂具有很大的不确定性同济大学固体

5、废物处理与资源化研究所焚焚 烧烧 原原 理理实验观察实验观察对对NOx产生作经验估计产生作经验估计同济大学固体废物处理与资源化研究所&形成机制 宏量污染物宏量污染物颗粒物颗粒物TSP(PMx)气体扰动，燃烧不充分气体扰动，燃烧不充分燃料中硫的氧化燃料中硫的氧化燃烧气氛中燃烧气氛中H和和Cl的自由基反应的自由基反应燃料中氮的氧化燃料中氮的氧化 高温下，空气中高温下，空气中N2的氧化的氧化SO2NOxHCl焚烧气相污染物的形成机制与控制焚烧气相污染物的形成机制与控制同济大学固体废物处理与资源化研究所 微量污染物微量污染物金属元素、氧化物、盐在高温条件下挥发金属元素、氧化物、盐在高温条件下挥

6、发CnHm、Cl等在气相再合成等在气相再合成 燃料中燃料中Dioxin挥发挥发重金属蒸汽重金属蒸汽Dioxin焚烧气相污染物的形成机制与控制焚烧气相污染物的形成机制与控制同济大学固体废物处理与资源化研究所&迁移与控制途径 宏量物质宏量物质热回收装置沉积热回收装置沉积烟气除尘装置截流烟气除尘装置截流振打振打底渣汇流处理底渣汇流处理飞灰处理飞灰处理碱吸收碱吸收液体处理液体处理碱吸收碱吸收还原处理还原处理液体处理液体处理TSPSO2HClNOx燃烧控制燃烧控制焚烧气相污染物的形成机制与控制焚烧气相污染物的形成机制与控制同济大学固体废物处理与资源化研究所 微量物质微量物质冷凝于冷凝于TSP飞灰

7、处理飞灰处理水洗冷凝水洗冷凝液体处理液体处理燃烧控制燃烧控制有机物燃烬有机物燃烬燃料氯控制燃料氯控制降温控制降温控制活性炭吸附活性炭吸附重金属蒸汽重金属蒸汽（除汞外）（除汞外）汞汞Dioxin焚烧气相污染物的形成机制与控制焚烧气相污染物的形成机制与控制同济大学固体废物处理与资源化研究所&液相污染源 贮仓沥滤液贮仓沥滤液 水淬废水水淬废水 生活与保洁废水生活与保洁废水 锅炉排水锅炉排水 尾气处理废液尾气处理废液焚烧液相污染物控制焚烧液相污染物控制同济大学固体废物处理与资源化研究所焚烧液相污染物控制焚烧液相污染物控制&液相污染源特征 贮仓沥滤液贮仓沥滤液产生量产生量发达国家：发达国

8、家：季节性，垃圾量季节性，垃圾量0 4%我我 国：国：季节性，垃圾量季节性，垃圾量1030%组组 成成高浓度有机废水，高浓度有机废水，COD 50100g/L 水淬废水水淬废水产生量产生量与灰渣量和操作方式有关，垃圾量的与灰渣量和操作方式有关，垃圾量的1/10 1/20组组 成成COD 约约1500mg/L，重金属等，重金属等普遍作为提高入炉垃圾普遍作为提高入炉垃圾热值的一种方法热值的一种方法同济大学固体废物处理与资源化研究所焚烧液相污染物控制焚烧液相污染物控制 生活与保洁废水生活与保洁废水产生量产生量 单厂单厂 1050 m3/d组组 成成 类城市污水类城市污水 锅炉排水锅炉排水产生量产生量

9、 作为锅炉循环水量的作为锅炉循环水量的1/10组组 成成 高盐度废水高盐度废水 尾气处理废液尾气处理废液产生量产生量 湿式处理工艺的二次污染物，产率与工艺相关湿式处理工艺的二次污染物，产率与工艺相关组组 成成 重金属废水重金属废水同济大学固体废物处理与资源化研究所&液相污染控制贮仓沥滤液贮仓沥滤液水淬废水水淬废水保洁废水保洁废水锅炉排水锅炉排水尾气处理废液尾气处理废液回喷回喷预处理预处理城市污水厂城市污水厂膜处理膜处理回用回用混凝沉淀混凝沉淀污泥污泥焚烧焚烧焚烧液相污染物控制焚烧液相污染物控制同济大学固体废物处理与资源化研究所焚烧固相污染物控制焚烧固相污染物控制&固相衍生物源飞

10、灰飞灰 又称烟气处理系统残余物又称烟气处理系统残余物c组成组成：未燃烬细粒、酸性气体吸收剂（干法未燃烬细粒、酸性气体吸收剂（干法/半干法烟气处理半干法烟气处理系统，系统，CaO ）、）、Dioxin吸附剂（活性炭）吸附剂（活性炭）c主要污染特征主要污染特征：重金属（以：重金属（以Pb、Hg、Cd、Zn为主）、为主）、 Dioxin类有机物类有机物炉渣炉渣 又称底灰、底渣又称底灰、底渣c组成组成：垃圾中的不可燃块体、可燃物中的灰分、未燃烬有机物：垃圾中的不可燃块体、可燃物中的灰分、未燃烬有机物c主要可利用性主要可利用性：金属块体、无机矿物：金属块体、无机矿物c污染性污染性：盐类、耗氧性有机物、重

11、金属：盐类、耗氧性有机物、重金属同济大学固体废物处理与资源化研究所&固相衍生物污染控制飞灰飞灰固定固定/稳定化稳定化安全填埋安全填埋煅烧煅烧熔融熔融利用利用填埋填埋分选分选金属金属破碎破碎建材利用建材利用底灰底灰焚烧固相污染物控制焚烧固相污染物控制同济大学固体废物处理与资源化研究所焚烧物焚烧物计量计量预处理预处理贮存贮存进料进料焚烧炉焚烧炉灰渣灰渣热回收热回收烟气处理烟气处理引风引风排放排放发电发电/供热供热空气空气空气预热空气预热焚烧控制焚烧控制液体处理液体处理灰渣处理灰渣处理焚烧工艺体系焚烧工艺体系同济大学固体废物处理与资源化研究所&对象分类城市生活垃圾（一般工业废物） 危

12、险废物&物态分类固体、污泥、液体&焚烧炉分类炉排炉、流化床、回转窑、 液体燃烧炉焚焚 烧烧 工工 艺艺 分分 类类同济大学固体废物处理与资源化研究所&计量地衡地衡&贮存固体固体贮仓（密闭，负压通风，尾气作燃烧空气）贮仓（密闭，负压通风，尾气作燃烧空气）液体液体贮罐贮罐&进料液体液体燃烧器（雾化喷嘴）燃烧器（雾化喷嘴）固体固体配抓斗行车配抓斗行车进料槽进料槽焚烧基本工艺方法焚烧基本工艺方法同济大学固体废物处理与资源化研究所&焚烧 固体固体炉排炉炉排炉炉排搅动燃烧炉排搅动燃烧 回转窑回转窑炉壁搅动燃烧炉壁搅动燃烧 流化床流化床悬浮燃烧悬浮燃烧 污泥污

13、泥流化床流化床 回转窑回转窑 液体液体雾化雾化悬浮燃烧悬浮燃烧焚烧基本工艺方法焚烧基本工艺方法同济大学固体废物处理与资源化研究所&目标值 温度温度 烟气黑度（烟气组成）烟气黑度（烟气组成） 燃烧时间燃烧时间&手段 进料率进料率 炉排、回转窑运动速度炉排、回转窑运动速度 空气量（分配）空气量（分配） 辅助燃料注入辅助燃料注入焚焚 烧烧 控控 制制同济大学固体废物处理与资源化研究所&控制原理 温度温度 烟气黑度烟气黑度 燃烧时间燃烧时间增加空气量、减少进料量辅助燃料、减少空气量降低进料率、增加火上空气量增加进料率/空气量减少进料率/空气量焚焚 烧烧 控控 制制同济大学固体废

14、物处理与资源化研究所&热回收 流程流程 蒸汽利用蒸汽利用c 凝汽式汽轮机凝汽式汽轮机电力电力c 背压式汽轮机背压式汽轮机电力电力/低温蒸汽低温蒸汽c 蒸汽直接利用蒸汽直接利用工艺工艺/供热供热焚烧基本工艺方法焚烧基本工艺方法锅炉锅炉过热器过热器省煤器省煤器(预热器预热器)炉水循环炉水循环烟气烟气800550400250烟气处理烟气处理250420蒸汽利用蒸汽利用80补加水补加水 驰放水驰放水150同济大学固体废物处理与资源化研究所&烟气处理 干法干法/半干法半干法 湿式湿式NaOH溶液溶液管道式接触脱酸管道式接触脱酸焚烧基本工艺方法焚烧基本工艺方法烟气烟气接触吸附接触吸附除尘除

15、尘排放排放喷雾喷雾石灰粉石灰粉/浆浆喷散喷散活性炭活性炭（布袋式）（布袋式）（静电式）（静电式）旋风除尘旋风除尘烟气烟气接触吸收接触吸收除尘除尘排放排放（布袋式）（布袋式）布袋除尘布袋除尘同济大学固体废物处理与资源化研究所&物料衡算 灰渣量灰渣量燃料灰分量燃料灰分量(1+残碳率残碳率) 空气用量空气用量 烟气组成烟气组成焚焚 烧烧 工工 艺艺 计计 算算同济大学固体废物处理与资源化研究所 空气用量空气用量(Nm3/kg)按计量方程计算按计量方程计算c 理论空气理论空气(25, 1atm)c 实际空气实际空气CHOFClSP24.42.6780.420.231.2932 0.21airV

16、mmmmmmmmi 燃料中的元素含量分数（kg/kg）(1)airairVVrr空气过剩比焚焚 烧烧 工工 艺艺 计计 算算同济大学固体废物处理与资源化研究所 烟气组成烟气组成(kg/kg)燃烧每公斤废弃物燃烧每公斤废弃物(或油料或油料)生成的气体量生成的气体量(kg/kg)焚焚 烧烧 工工 艺艺 计计 算算同济大学固体废物处理与资源化研究所&热量平衡 衡算体系衡算体系焚焚 烧烧 工工 艺艺 计计 算算同济大学固体废物处理与资源化研究所 计算式计算式tABEXQQQQoil()tfQLHVFHV残碳率 碳热值1220H OH O1dkTiApiTiQmHVCTashash20()BpQ

17、mCTTTAUQEXEX0101d/kTipiTiVCTLHV焚烧热效率焚焚 烧烧 工工 艺艺 计计 算算Vi 单位质量燃料焚烧的某种烟气组分生成量 Nm3/kgCpi某种烟气组分的比热与温度的函数关系 Cpi(T) kJ/Nm3同济大学固体废物处理与资源化研究所焚焚 烧烧 工工 艺艺 计计 算算Cp与温度的关系表与温度的关系表（kJ/Nm3）同济大学固体废物处理与资源化研究所焚焚 烧烧 工工 艺艺 计计 算算简化计算简化计算00011d()()kkTipiipipTiiVCTV CTTV CTT 某种烟气组分的平均比热 kJ/Nm3 单位质量燃料焚烧的某种烟气生成总量（ ） Nm3/kg 烟

18、气平均比热 kJ/Nm3piC1kiiVpCV同济大学固体废物处理与资源化研究所&炉排式焚烧炉 剖面图剖面图焚焚 烧烧 设设 备备同济大学固体废物处理与资源化研究所 炉膛体积核算炉膛体积核算VAttCHFVHRapL)(0max(,)QVG RTVHR3600mg FGrF 单位时间的废物处理量(kg/h)HL 废物平均低位热值(kJ/h)Cp 空气的平均比热(kJ/Nm3)ta 空气的预热温度()t0 大气温度()A 实际供给的单位重量废物之平均助燃空气量(Nm3/kg)V 燃烧室容积(m3)Q 每小时废物预热空气及辅助燃料所产生之低位发热量(kJ/h)VHR 燃烧室允许热负荷(kJ

19、/m3h)G 废气体积流率(m3/s)RT 气体停留时间(s)mg 燃烧室废气产生率(kg气体/kg废物)r 燃烧室气体之平均密度(kg/m3)焚焚 烧烧 设设 备备同济大学固体废物处理与资源化研究所 炉膛面积计算炉膛面积计算),max(GBRFGHRQGA )()()()(GAhFGBR炉排面积每日运转时间废物处理量炉排燃烧率Q 每小时废物及辅助燃料所产生之低位热值(kJ/h)GA 炉排所需面积(m2)GHR 炉排释热率(kJ/m2h)F 废物处理量(kg/h)GBR 炉排燃烧率(kJ/m2h)焚焚 烧烧 设设 备备同济大学固体废物处理与资源化研究所焚焚 烧烧 设设 备备 炉排炉排c 阶梯炉

20、排阶梯炉排同济大学固体废物处理与资源化研究所c 摇摆炉排摇摆炉排焚焚 烧烧 设设 备备同济大学固体废物处理与资源化研究所c 逆推式阶梯炉排逆推式阶梯炉排焚焚 烧烧 设设 备备同济大学固体废物处理与资源化研究所c 滚筒式炉排滚筒式炉排焚焚 烧烧 设设 备备同济大学固体废物处理与资源化研究所 炉内气流组织炉内气流组织焚焚 烧烧 设设 备备同济大学固体废物处理与资源化研究所&流化床燃烧炉焚焚 烧烧 设设 备备同济大学固体废物处理与资源化研究所&回转窑式燃烧炉焚焚 烧烧 设设 备备同济大学固体废物处理与资源化研究所&垃圾进料系统焚焚 烧烧 设设 备备同济大学固体废物处理与资源化

21、研究所&烟气热能利用系统焚焚 烧烧 设设 备备同济大学固体废物处理与资源化研究所例例 题题设某一事业单位所排出的废弃物的性质如表设某一事业单位所排出的废弃物的性质如表所示，现拟采用回转窑来处理该单位的废弃所示，现拟采用回转窑来处理该单位的废弃物，并经调查评估后决定处理容量应为物，并经调查评估后决定处理容量应为130t/d，每天三班运转，即每小时进料量为，每天三班运转，即每小时进料量为5.4t。请基于下述的条件试设计一套合适的。请基于下述的条件试设计一套合适的回转窑焚烧炉（含二次燃烧室）。回转窑焚烧炉（含二次燃烧室）。&总过剩空气量（针对废弃物部分）为总过剩空气量（针对废弃物部分

22、）为130%，其中其中30%供二次燃烧室供二次燃烧室&二次燃烧室温度为二次燃烧室温度为1000&辅助燃料为辅助燃料为2号燃料油（过剩空气量为号燃料油（过剩空气量为20%），热值），热值=9650kcal/kg&二次燃烧室平均气体停留时间为二次燃烧室平均气体停留时间为2.1s1.回转窑内粉尘逸失量占灰渣量的回转窑内粉尘逸失量占灰渣量的20%物理组成（物理组成（wt%wt%）塑料类塑料类32.532.5纸类纸类18.118.1木材类木材类4.54.5陶瓷类陶瓷类29.629.6其它其它15.315.3化学组成（化学组成（wt%wt%）水分水分30.2830.28碳碳21.7

23、021.70氢氢3.003.00氧氧10.8010.80氮氮3.313.31硫硫0.410.41氯氯10.1810.18重金属重金属0.020.02灰分灰分20.3020.30低位热值低位热值 2000kcal/kg2000kcal/kg密度密度 835kg/m835kg/m3 3同济大学固体废物处理与资源化研究所例例 题题回转窑(一次燃烧室)二次燃烧室油料废弃物空气灰渣燃烧生成气烟气空气(过剩空气100%)解：解：工艺流程图工艺流程图同济大学固体废物处理与资源化研究所流程代号1234567热值kcal/kg2000温度25259241050压力atm1.01.0质量率O2kg/hr36344

24、835N2kg/hr2476436826CO2kg/hr42987255H2Okg/hr29544892SO2kg/hr4346HClkg/hr567567小计kg/hr362607061745554421灰渣kg/hr1096877219219总量kg/hr540031956877364797061745554640组成(重量百分比)C%21.7H%3.0O%10.8N%3.31S%0.41Cl%10.18水分%30.3灰分%20.3质量平衡质量平衡同济大学固体废物处理与资源化研究所例例 题题1. 基本质量平衡(1)理论空气量= 3.238 kg空气/kg废物(2)回转窑实际空气量= 2.71103 Nm3/hr（100%过剩空气量）(3)回转窑烟气排放量= 6.715 kg/kg（不含粉尘）= 36260 kg/hr（不含粉尘）= 36479 kg/hr（含粉尘）(4)烟气组成（wt%）CHOFClSP24.42.6780.420.231.29320.21airVmmmmmmmO2= 9.96N2= 67.88CO2= 11.78H2O = 8.09SO2= 0.12HCl = 0.15灰渣 = 0.60同济大学固体废物处理与资源化研究所例例 题题2. 回转窑3. 二次燃烧室同济大学固体废物处理与资源化研究所炉排炉焚烧工艺炉