05焚烧与热解

1、 诚信做人；数据真实；分析合理；富于创新 诚信做人；数据真实；分析合理；富于创新环工综合实验（2）（焚烧与热解实验）实验报告专业环境工程班级环工0902姓名王健指导教师余阳成绩东华大学环境科学与工程学院实验中心二0一二年四月一、实验目的了解焚烧和热解的概念；熟悉焚烧和热解过程的控制参数。二、实验原理焚烧1简介焚烧法是一种高温热处理技术，即以一定的过剩空气量与被处理的有机废物在焚烧炉内进行氧化燃烧反应，废物中的有害有毒物质在高温下氧化、热解而被破坏，是一种可同时实现废物无害化、减量化、资源化的处理技术。焚烧的主要目的是尽可能焚毁废物，使被焚烧的物质变为无害和最大限度地减容，并尽量减少新的污染物质

2、产生，避免造成二次污染。对于大、中型的废物焚烧厂，能同时实现使废物减量、彻底焚毁废物中的毒性物质，以及回收利用焚烧产生的废热这三个目的。焚烧法不但可以处理固体废物，还可以处理液体废物和气体废物；不但可以处理城市垃圾和一般工业废物，而且可以用于处理危险废物。危险废物中的有机固态、液态和气态废物，常常采用焚烧来处理。在焚烧处理城市生活垃圾时，也常常将垃圾焚烧处理前暂时贮存过程中产生的渗滤液和臭气引入焚烧炉焚烧处理。焚烧适宜处理有机成分多、热值高的废物。当处理可燃有机物组分含量很少的废物时，需补加大量的燃料，这会使运行费用增高。但如果有条件辅以适当的废热回收装置，则可弥补上述缺点，降低废物焚烧成本，

3、从而使焚烧法获得较好的经济效益。焚烧炉内温度控制在980C左右，焚烧后体积比原来可缩小50-80%，分类收集的可燃性垃圾经焚烧处理后甚至可缩小90%。近年来，将焚烧处理与高温(1650-1800C)热分解、融熔处理结合，以进一步减小体积。据多种文献报道，每吨垃圾焚烧后会产生大约5000立方米废气，还会留下原有体积一半左右的灰渣。垃圾焚烧后只是把部分污染物由固态转化成气态，其重量和总体积不仅未缩小，还会增加。焚烧炉尾气中排放的上百种主要污染物，组成极其复杂，其中含有许多温室气体和有毒物。当今最好的焚烧设备，在运转正常的情况下，也会释放出数十种有害物质，仅通过过滤、水洗和吸附法很难全部净化。尤其是

4、二恶英类污染物，属于公认的一级致癌物，此外，焚烧法的巨额耗资和对资源的浪费就更不适合我国和众多发展中国家的国情。建设一座大中型焚烧炉动辄要10亿元人民币，建成投产后的环保的处理成本大约需300元/吨。2.原理可燃物质燃烧，特别是生活垃圾的焚烧过程，是一系列十分复杂的物理变化和化学反应过程，通常可将焚烧过程划分为干燥、热分解、燃烧三个阶段。焚烧过程实际上是干燥脱水、热化学分解、氧化还原反应的综合作用过程。干燥干燥是利用焚烧系统热能，使入炉固体废物水分汽化、蒸发的过程。按热量传递的方式，可将干燥分为传导干燥、对流干燥和辐射干燥三种方式。进入焚烧炉的固体废物，通过高温烟气、火焰、高温炉料的热辐射和热

5、传导，首先进行加温蒸发、干燥脱水，以改善固体废物的着火条件和燃烧效果。因此，干燥过程需要消耗较多的热能。固体废物含水率的高低，决定了干燥阶段所需时间的长短，这在很大程度上也影响着固体废物焚烧过程。对于高水分固体废物,特别是污泥、废水等，为了蒸发、干燥、脱水和保证焚烧过程的正常运行，常常不得不加入辅助燃料。热分解热分解是固体废物中的有机可燃物质，在高温作用下进行化学分解和聚合反应的过程。热分解既有放热反应，也可能有吸热反应。热分解的转化率，取决于热分解反应的热力学特性和动力学行为。通常热分解的温度越高，有机可燃物质的热分解越彻底，热分解速率就越快。热分解动力学服从阿伦尼乌斯公式。燃烧燃烧是可燃物

6、质的快速分解和高温氧化过程。根据可燃物质种类和性质的不同，燃烧过程亦不同，一般可划分为蒸发燃烧、分解燃烧和表面燃烧三种机理。当可燃物质受热融化、形成蒸汽后进行燃烧反应，就属于蒸发燃烧；若可燃物质中的碳氢化合物等，受热分解、挥发为较小分子可热气体后再进行燃烧，就是分解燃烧；而当可燃物质在未发生明显的蒸发、分解反应时，与空气接触就直接进行燃烧反应，这种燃烧则称为表面燃烧。在生活垃圾焚烧过程中垃圾中的纸、木材类固体废物的燃烧属于较典型的分解燃烧过程；蜡质类固体废物的燃烧可视为蒸发燃烧过程；而垃圾中的木炭、焦炭类物质燃烧，则属于较典型的表面燃烧机理。完全燃烧或理论燃烧反应，可用如下反应式表示：ywzC

7、HONSCl+（x+v+y）0 xyzuvw44221（yw）TxCO+wHCl+-uN+vSO+H0222222式中，CHONSCl为可燃物质化学组成式。xyzuv-经过焚烧处理，生活垃圾、危险废物和辅助燃料中的碳、氢、氧、氮、硫、氯等元素，分别转化成为碳氧化物、氮氧化物、硫氧化物、氯化物及水等物质组成的烟，不可燃物质、灰分等成为炉渣。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溶胶。吸入的细小粉尘会深入人体肺部，引起各种肺部疾病。尤其

8、是具有很大表面积和吸附活性的黑烟颗粒、微细颗粒等，其上吸附苯a并芘等高毒性、强致癌物质，对人体健康具有很大危害性。1（二）热解1简介热解（pyrolysis）是指将有机化合物在缺氧或绝氧的条件下利用热能使化合物的化合键断裂，由大分子量的有机物转化为小分子量的燃料气、液状物（油、油脂等）及焦炭等固体残渣的过程。热解过程包括裂解反应、脱氢反应、加氢反应、缩合反应、桥键分解反应等。有机物+热缺氧或绝氧T气体+液体+固体过去，热解过程不涉及催化剂，以及其他能量，如紫外线辐射所引起的反应。目前，出于提咼热解效率、提咼热解产物产率、制备常规热解不易制备的产物等因素，在热解过程中加入催化剂进行热解的研究越来

9、越多，在塑料热解中加入CaO、MgO等催化剂等一些催化热解过程已经用于工业生产。2.原理热解是有机物在无氧或缺氧状态下加热，使之分解为气、液、固三种形态的混合物的化学分解过程。其中气体是以氢气、一氧化碳、甲烷等低分子碳氢化合物为主的可燃性气体；液体是在常温下为液态的包括乙酸、丙酮、甲醇等化合物在内的燃料油；固体为纯碳与玻璃、金属、土、砂等混合形成的炭黑。按原料分类可分为：无机物热解有工业意义的无机物热解反应如碳酸氢钠焙烧生成碳酸钠：2NaHCO3Na2CO3+H2O+CO2石灰石（碳酸钙）焙烧生成生石灰（氧化钙）：CaCO3CaO+CO2氧化汞热解生成元素汞：2HgOO2+2Hg氯酸钾热解生成

10、高氯酸钾：4KclO3-3Kc1O4+KC1有机物热解有工业意义的有机物热解过程很多，常因具体工艺过程而有不同的名称。在隔绝空气下进行的热解反应，称为干馏，如煤干馏、木材干馏；甲烷热解生成炭黑称为热分解；烷基苯或烷基萘热解生成苯或萘常称为热脱烷基（见脱烷基）；由丙酮制乙烯酮称为丙酮裂解等。烃类的热解过程常区别为热裂化和裂解（见烃类裂解）。前者的温度通常v600C,其目的是由重质油生产轻质油，进而再加工成发动机燃料。后者则温度较高（通常700C）,且物料在反应器中停留时间较短，其目的是获得石油化工的基本原料如乙烯、丙烯、丁二烯、芳烃等。一般说来，无机物的热解反应比较简单；有机物热解时，由于会产生

11、副反应，产物组成往往比较复杂。例如石油烃裂解时，除获得低分子量烯烃外，还有因聚合、缩合等副反应，而生成比原料分子量更大的产物，如焦油等。供热方式：热解过程需要吸收大量热能。工业上的供热方式可分为自热过程和外热过程。例如石灰石热解生成石灰，温度在800C以上,甚至在氧存在下也不影响反应过程，因此可采用直接煅烧的工业窑炉进行外供热过程。对于石油馏分的裂解，反应温度在750C以上,且要求尽可能低的烃分压，产物为可燃气体，因此常用间壁传热方式（如管式炉裂解）或由载热体直接供热（如蓄热炉裂解、砂子炉裂解、高温水蒸气裂解等）的外热过程。但也可以用烧去一部分原料进行自热过程，如天然气或重油部分燃烧热解制乙炔

12、、炭黑等。由于管式炉裂解制低碳烯烃的优越性很多，近代石油烃裂解几乎都采用此法。（三）焚烧与热解的区别固体废物的热解与焚烧相比有以下优点：可以将固体危险废物中的有机物转化为以燃料气、燃料油和炭黑为主的贮存性能源；由于是缺氧分解，排气量少，有利于减轻对大气环境的二次污染；废物中的硫、重金属等有害成分大部分被固定在炭黑中；由于保持还原条件，Cr3+不会转化为Cr6+；N0X的产生量少。热解与焚烧比较焚烧热裂解固体废物热解处理门生物质、塑料类、橡胶等氧需求放热V二氧化碳、水就地利用二次污染大需氧Ii*匸巳吩A吸热油、炭黑卞存或远距离运输二次污染较小三、实验仪器设备及试剂（一）实验装置实验装置为一套自制

13、的装置组成。主要由控制装置、热解炉和液体冷凝收集系统三部分组成。下图为电阻炉热解炉可选取卧式或立式电炉，要求炉管能耐受800C以上的高温，炉膛密闭。液体冷凝装置要求有一定腐蚀耐受能力。电阻炉是利用电流使炉内电热元件或加热介质发热，从而对工件或物料加热的工业炉。电阻炉在机械工业中用于金属锻压前加热、金属热处理加热、钎焊、粉末冶金烧结、玻璃陶瓷焙烧和退火、低熔点金属熔化、砂型和油漆膜层的干燥等。自从发现电流的热效应（即楞茨-焦耳定律）以后，电热法首先用于家用电器，后来又用陶瓷纤维电阻炉于实验室小电炉。随着镍铬合金的发明，到20世纪20年代，电阻炉已在工业上得到广泛应用2。工业上用的电阻炉一般由电热

14、元件、砌体、金属壳体、炉门、炉用机械和电气控制系统等组成。加热功率从不足一千瓦到数千千瓦。工作温度在650C以下的为低温炉；6501000C为中温炉；1000C以上为高温炉。在高温和中温炉内主要以辐射方式加热。在低温炉内则以对流传热方式加热，电热元件装在风道内，通过风机强迫炉内气体循环流动，以加强对流传热。电阻炉有室式、井式、台车式、推杆式、步进式、马弗式和隧道式等类型。可控气氛炉、真空炉、流动粒子炉等也都是电阻炉。电热元件具有很高的耐热性和高温强度，很低的电阻温度系数和良好的化学稳定性。常用的材料有金属和非金属两大类。金属电热元件材料有镍铬合金、铬铝合金、钨、钼、钽等，一般制成螺旋线、波形线

15、、波形带和波形板。非金属电热兀件材料有碳化硅、二硅化钼、石墨和碳等，一般制成棒、管、板、带等形状。上图为电解炉电热元件的分布和线路接法，依炉子功率大小和炉温要求而定。电阻炉与火焰炉相比，具有结构简单、炉温均匀、便于控制、加热质量好、无烟尘、无噪声等优点，但使用费较高。影响热解的主要因素有：加热速率、温度、湿度、物料尺寸、反应时间、空气量等。 诚信做人；数据真实；分析合理；富于创新 诚信做人；数据真实；分析合理；富于创新(二)实验材料与仪器仪表实验材料，可以选取普通混合收集的有机城市生活垃圾，也可选取纸张、塑料、橡胶等单类别的垃圾。本次试验使用树枝作为材料。烘箱1台漏斗、漏斗架若干。量筒1000

16、ml1支电子天平1台四、实验步骤称取若干树枝(约20g)并称重，并将物料分别装入马弗炉和热解炉。接通电源。升温速度为25C/min，将炉温升到280C。在280C下恒温10min。可能条件下收集气体进行气相色谱分析。可能条件下测定收集焦油的量，并进行成分分析。将两炉的温度分别从280C升高到800C，然后断电。待两炉自然降温后，观察热处理产物，并称重。五、实验记录及原始数据表一：焚烧、热解实验数据记录表温度：21.5C湿度：58%实验项目器皿重量g器皿+树枝重量g器皿+灰分重量g两大杯四小杯焚烧64.97384.98666.280热解85.3185105.38387.312七、数据处理及结论表

17、二：焚烧、热解数据处理结果表温度：21.5C湿度：58%实验项目树枝重量g灰分重量g焚烧20.0131.307热解20.0651.994结果分析：焚烧和热解的根本区别在于反应的条件不同，前者为有氧，后者为无氧。在焚烧过程中，仪器开口处时常会冒出少量白烟，这是因为电阻炉内供氧不足，树枝燃烧不完全造成的，如果想要减少白烟的生成，经讨论可将放树枝的容器改为碟状容器，以此增加树枝与空气之间接触。后者的无氧热分解通过持续通入氮气来实现。有机物热解理应产生煤焦油，通过玻璃瓶的收集，应该能观察到玻璃瓶中水的上层浮有一层油，但实验结果却不尽人意，经分析，觉得可能是由于树枝并不像高分子塑料袋、废轮胎、废胶那样含

18、油量高，其产生的煤焦油较少，并在经过输送管道进入玻璃瓶前大部分就已经黏贴在管壁上，所以在玻璃瓶中不能明显的看到热裂解产生的煤焦油，只能略微看出瓶中蒸馏水水少许变黄。另外，热解后的灰分理应比焚烧生成的来的少，但实验结果表明两者相差无几，分析原因：可能是通氮气时未能恒量，恒时。因为仪器存在漏气现象，导致通氮气时不能控制在恒定的流量下，致使热解管中氮气流速忽大忽小，所以生成物不稳定，没有达到理想效果。由生成物质量可以看出热解的生成物质量高于焚烧的生成物质量，可以说明热解生成的炭黑大于焚烧生成的灰分，但是同时由于实验中热解的树枝相对较干，即灰分理应较多，而焚烧的树枝相对较新鲜，水分较多灰分理应较少。此

19、外，盛放树枝的容器在热解炉的高温下，表面也出现了热解反应。八、思考题焚烧和热解的区别是什么？对于高热值的城市生活厨余垃圾，你会采用什么方案进行最终处置，为什么？答：焚烧和热解的区别：焚烧是有氧反应，而热解是缺氧或无氧反应；热解可以将固体危险废物中的有机物转化为以燃料气、燃料油和炭黑为主的贮存性能源；热解是缺氧分解，排气量少，有利于减轻对大气环境的二次污染；热解反应时，废物中的硫、重金属等有害成分大部分被固定在炭黑中；热解时，由于保持还原条件，Cr3+不会转化为Cr6+；热解反应的N0X产生量少。热解设备相对简单；研究报道表明，热解烟气量是焚烧的1/2,NO是焚烧的1/2,HC1是焚烧的1/25

20、,灰尘是焚烧的1/2。厨余垃圾是有机垃圾的一种。可分为熟厨余：包括剩菜、剩饭、菜叶；生厨余：垃圾包括果皮、蛋壳、茶渣、骨、贝壳；泛指家庭生活饮食中所需用的来源生料及成品（熟食）或残留物。广义的厨余垃圾还包括用过的筷子，食品的包装材料等。对于城市厨余垃圾，我不建议用焚烧或热解的方式来处理，因为如将厨余等有机垃圾加以焚烧，不仅降低焚化炉温度（燃烧垃圾；如温度降低至某程度则易产生戴奥辛等有毒尘粒），甚而会减低其使用年限。如予以掩埋则因其具有机物质，固可被大自然中的微生物分解；但若未迅速消毒处理或场地妥善处置仍易腐败发臭，滋生蚊、蝇、虫、蟑等病媒。并遭鼠类、狗等翻食，若无妥善处理，不仅会妨害卫生，并污

21、染空气及水源。而今家居堆肥成为了厨余垃圾的理想处理办法，厨余等有机垃圾由小区集中处理并施以堆肥化，所获之有机肥料（亦可理解农家肥）也能适当分配利用，确实做到资源回收再利用。家居堆肥原理：材料：家里准备两个可完全密闭，下方具滤网、凹槽及排水用水龙头的特制厨余桶。有机肥料除臭剂：以天然米糠、黄豆粉为介质，含乳酸菌、放射菌及光合作用菌等菌种。厨余：大小通吃，荤素生熟不忌。使用程序：1将每天厨房产生之厨余垃圾，沥干水分后，放入垃圾桶内，每层垃圾上方施洒上一层特制的有机肥料除臭剂，并将桶盖密封。2有机肥料除臭剂及垃圾桶应随时密封，并避免阳光照射。3每天应记得打开厨余收集桶的水龙头，将桶内发酵过程所产生的

22、水排出，以避免产生臭味。4将每天自厨余收集桶内排出之渗出水后，稀释约100300倍后，即可成为植物的液肥，或排入厕所马桶、流理台及浴室落水孔，可促进排水管线畅通。5厨余收集桶装满后，再封存腐热7至10天，埋入土中，或与5倍土壤混合堆放再发酵15至20天后，做为盆栽或花园覆土，即成为一种良好的有机肥料。6若将厨余制成的有机肥施用于1.2公尺以上的果树、路树或校园树木，则可距离树干约1.5公尺处挖掘一个直径约50公分，深约60公分坑洞，再将一桶约12公斤已腐熟的厨余直接倒入，上面至少覆土10公分，约2个月后，这些厨余即可转变成有机肥料3。垃圾焚烧处置会产生焚烧飞灰，焚烧飞灰为无机物质，主要由浮尘、

23、重金属盐和不充分燃烧所产生的碳黑等组成，另外，焚烧产生的二噁英也大部分存在于飞灰中。国家危险废物名录把垃圾焚烧飞灰列为危险废物，编号HW18。请设计方案对焚烧飞灰进行最终处置。答：焚烧飞灰中含有大量的颗粒状污染物质和气态物质。颗粒物装污染物质包括烟尘、碳颗粒等，气态污染物质包括SOx、NOx、HCl及二噁英的物质。目前，垃圾焚烧飞灰的处理处置方法有：经适当处理按危险废弃物填埋；经过固化/稳定化处理，满足浸出毒性标注再按普通废物填埋；将重金属从飞灰中分离提炼出来，再分别资源化利用。设计方案如下：针对飞灰中的重金属，可采用生物浸提的方法：微生物溶解或浸取金属主要包括3个过程：发生氧化还原反应；形成

24、有机酸或无机酸；释放出配合物。金属提取常用的微生物包括细菌及真菌4。针对飞灰中的浮尘与二噁英，目前处理方法有加入混凝土做成砖，以及处理效果较好的玻璃化、陶瓷化等，但后者因耗能太大，在部分经济不发达地区不能普及。现建议采用活性炭+袋式除尘器组合来消除，其基本原理是在收尘器前端管道内部喷入活性炭粉末，在滤袋表面形成活性炭与飞灰混合的粉饼层。活性炭的空隙吸附通过滤袋的烟气中的二噁英，喷射活性炭粉末，能够有效降低尾气中的二噁英浓度。由于活性炭孔隙多，比表面积大，气态二噁英被强烈吸附在活性炭表面微孔内。只要喷入定量的活性炭通常为0.5kg/1,与烟气均匀混合就可以达到较高的吸附净化效率，尾气排放达到0.

25、1mg/m3的欧盟标准5。3.城市生活垃圾的最终处置的方法有哪些？据你认为：最好的城市生活垃圾的处理方法是什么？为什么？答：城市生活垃圾的最终处置的方法如下表：1卫生填埋垃圾填埋作为生活垃圾的最终处理方法，是我国大多数城市解决生活垃圾出路的主要方法之一。根据环保措施（主要有防渗系统、渗沥液导排及处理系统、雨污分流、填埋气体收集及处理、监测井、设备配置、库区内消杀、漂扬物控制和覆盖等）是否齐全、环保水平能否达标来判断，我国的生活垃圾填埋场可分为三个等级：简易填埋场、准卫生填埋场和卫生填埋场。卫生填埋场既有完善的环保措施，又能满足环保标准，而且具有操作简单、适应性强等的优点。但垃圾填埋存在可燃物得

26、不到利用、渗沥液处理难度大、占用大量土地等缺点。2垃圾堆肥堆肥是利用自然界广泛分布的细菌、放线菌、真菌等微生物，以及人工培养的工程菌等，在定的人工条件下，有控制地促进来源于生物的有机垃圾发生生物稳定作用，使可被生物降解的有机物转化为稳定的腐殖质的生物化学过程。垃圾经过堆肥化处理，制得的成品叫做堆肥。堆肥系统按需氧程度可分为好氧堆肥和厌氧堆肥，按温度可分为中温堆肥和高温堆肥，按堆肥的操作方式可分为静态堆肥和动态（连续或间歇式），按场所可分为露天堆肥和机械密封堆肥，按发酵历程可分为一次发酵和二次发酵两种工艺等。3垃圾焚烧垃圾焚烧是发达国家比较普遍采用的一种垃圾处理方法，是一种建立在政府向居民咼额收

27、费、政府大量补贴、垃圾源头严格分类、垃圾热值较高的情况下较为理想的处理方式。垃圾焚烧处理具有占地小、处理时间短、减量化效果显著、无害化彻底以及可回收热能等优点。但从技术经济角度考虑，使用该技术要求垃圾灰分少、含水率低、低位发热量高于5000千焦/千克,需要足够数量的垃圾（400吨/日以上）保证一定的焚烧处理规模，提高其经济性。4RD湿解处理RD湿解综合处理城市生活垃圾，分为上料、消解、排料缓冲、筛分及焚烧五个过程。上料：生活垃圾由抓斗进入原生垃圾上料系统，通过人工分选和磁选去除大块无机物和铁质金属，由输送设备送入消解系统。消解：生活垃圾在消解罐中加入催化剂，并注入一定温度、压力的蒸汽，消解反应

28、后减压排放。在消解过程中可完成对垃圾组分中的有机物特别是厨余部分的消化降解、灭菌、脱水、脱臭及减容。垃圾消解反应中产生的消解液，进行处理净化。排料缓冲：消解处理后的垃圾喷放进入排料缓冲系统，喷放过程对物料具有输送、闪蒸干燥、膨化、混合、粉碎、分离的作用。筛分：消解后的垃圾由上料系统输送到分选车间进行筛分，经过筛分、磁选后形成筛上可燃物、筛下营养土及金属类物质。焚烧：筛上可燃物送入焚烧系统进行焚烧处理，产生的蒸汽可用于前端消解过程、供暖或发电。烟气净化处理后达标排放。筛下营养土可用于土壤改良及园林绿化；金属类回收利用；焚烧产生的炉渣可用于铺路或填埋处理，飞灰固化处理后填埋。整个工艺中增设除臭除味

29、设备，将工艺过程中产生的废气收集后集中处理、达标排放。5热解处理热解是利用有机物的热不稳定性，在无氧或缺氧条件下对之进行加热蒸馏，是有机物产生热裂解，生成小分子物质（燃料气、燃料油）和固体残渣的不可逆过程。垃圾热解过程由于供热方式、产品状态和热解反应器结构等方面的不同，热解工艺也各不相同。根据热解温度可分为高温热解、中温热解和低温热解；根据供热方式可分为直接加热和间接加热；根据热解反应器的结构可分为固定床、移动床、流化床和回转炉等；根据热解产物的聚集状态可分为气化方式、液化方式和炭化方式；根据热解和燃烧反应是否在同一设备中进行，热解过程可分为单塔式和双塔式；根据热解过程是否生成炉渣可分为造渣型和非造渣型。6厌氧发酵发电厌氧发酵是指在没有外加氧化剂的条件下，被分解的有机物作为