第5章-固体废物的焚烧课件

可燃固体废物的焚烧一、概述二、热值的计算三、固体废物的焚烧四、影响固体废物燃烧的因素

五、焚烧过程污染物的产生与防治六、焚烧残渣的处理和利用七、焚烧设备一、概述（1）焚烧法（2）焚烧法的处理对象（3）特点（1）焚烧法一种高温分解和深度氧化的综合过程。焚烧法可以使可燃性固体废物通过氧化分解，达到减容，消毒，回收能量及副产品的多重目的。即：能同时实现减量化，无害化和资源化的目的。焚烧法是固废的一条重要的处理、处置途径。（2）焚烧法的处理对象无机－有机物混合性固体废物(如城市垃圾)；某些特定的有机固体废物（如医院的带菌废物，石油化工厂和塑料厂的具有毒性的中间产物等）；多氯联苯类高稳定性的有机物。（3）特点优点：减量（80～90％以上）；消毒（彻底）；资源化（能源和副产品）。缺点二次污染（大气）；投资及运行管理费高；过程控制严格。二、热值的计算有害废物的焚烧，理论上其热值要大于18600KJ/kg，低于此值，就需要补加辅助燃料;实际上大于3000KJ/kg即可用焚烧法处理。热值有两种表示法：粗热值净热值热值的计算粗热值（HighHotValue又叫高位热值） 化合物在一定温度下反应到达最终产物的焓的变化。该值可用氧弹量热计测量。焓：又叫热函，是温度的函数净热值(NetHotValue又叫低位热值) 作为产物的H2O为气态时的热值；即粗热值中水为液态，而净热值中水为气态。热值（heatingvalue）的计算采用氧弹量热计测定粗热值，并由下式计算净热值：H2O，H，Cl，F－分别为废物中水、氢、氯、氟含量的重量百分率（％）粗热值与净热值之差就是水的汽化潜热，即水的汽化热（＝2420kJ/kg），从粗热值中扣除水的汽化热即为净热值，但H、Cl、F的存在也有影响。由上式可见，固体废物中的水份，烃基中H原子的分解将消耗热量，Cl，F可以增加热值，如NaCl。Dulong热值方程式

(dulongformulaforheatingvalue)若废物的元素组成已知，则可以利用Dulong方程式近似计算出净热值：NHV－净热值，KJ/kgmC、

mO、

mH、

mCl、

mS－分别代表……的质量分数%（H2O的分子量为18，H的比率为2/18=1/9。其意义为：H的一部分将与空气中的O2生成水而耗热。剩余部分产生热，称为有效氢。）例1：某废物的粗热值为16000KJ/kg，每公斤废物燃烧时产生0.2kg水，计算此废物的净热值。解：∵生成物为水，消耗热值（假设条件：H完全变成水，不含Cl、F）∴可以直接用（1）式计算例2P157根据典型组分的热值计算城市垃圾的热值，某市的垃圾组分见表5－12，（典型组分的热值见表1－1）1。(略)以1kg为单位，分别计算各组分的重量由各组分的重量计算各自的热值Σ各组分的热值 该例说明我国的该城市垃圾由于以无机物为主（主要是燃料结构造成的，煤灰占63.08%），所以不符合焚烧所需的热值：18600KJ/kg

某市计算值为：2182.06KJ/kg

上述计算均为理论值。热损失实际上，在焚烧装置中，存在各种热损失：（1）不完全燃烧（2）过量空气从烟气中带走的热量（3）残渣带走的热量∴在计算净热值时，还应减去上述三项热损失。例3（书上例2）进行的即这种计算。例3已知固废的热值为11630KJ/kg。固废中的元素组成：元素CHONSH2O灰分

含量（%）28423412020与热损失有关的量:炉渣含碳量5％（不完全燃烧）空气进炉温度65℃炉渣温度650℃残渣比热0.323KJ/(kg.℃)水的汽化潜热2420KJ/kg幅射损失0.5%，碳的热值32564KJ/kg计算焚烧后可利用的热值（以上kg为基准）计算焚烧后可利用的热值（以上kg为基准）1、残渣中未燃碳的热损失 残渣量=0.2/（1-0.05）=0.2105

（灰分20％,全部为残渣，残渣中含有5％的未燃碳，故惰性料只占95％） 未燃碳量＝0.2105－0.2=0.0105

未燃烧碳的热损失32564×0.0105=340KJ2、水的汽化潜热 原含水量：1×20％＝0.2㎏ H与O2生成的水量：1×4％×9／1＝0.36kg

总水量：0.2＋0.36＝0.56kg

汽化潜热：2420×0.56=1360KJ3、幅射热损失

11630×0.5%＝58KJ4、残渣带出的热量（残渣总量×比热×温差）

0.2105×0.323×(650-65)=39.8KJ∴

可利用的热值＝总热值－各种热损失之和＝11630－（340＋1360＋58＋39.8）＝9832.2KJ对于例3，我们也可以Dulong公式近似计算。（书上方法为9832.2）从这两种计算结果来看，Dulong近似公式的计算结果偏高，但也说明该公式是可以进行近似计算的。在实际应用中，废物的热值主要是用来供热和发电，热的利用率都很低。①焚烧炉→废热锅炉热效率63％②焚烧炉→锅炉→透平机→发电机：20％∴废热主要用于热交换器及锅炉生产热水或蒸汽利用。三、固体废物的焚烧有害固体废物焚烧后要求达到的标准

固体废物焚烧产生气体温度的近似计算影响固体废物燃烧的因素有关停留时间的计算

1、有害固体废物焚烧后要求达到的标准主要有机有害组成（POHC）的破坏去除率要达到99.99%以上。HCl的排放量应符合从烟囱进入洗涤设备前＜1.8kg/h，否则，洗涤设备的HCl最小洗涤率应达99％。烟囱排放的颗粒物＜183mg/m3，空气过量率为50％，若大于或小于50％，应折算成50％的排放量。2、固体废物焚烧产生气体温度的近似计算焚烧产生的热量使焚烧产物（废气）达到的温度叫火焰温度，有精确和近似两种计算方法，前者繁锁，一般采用后者。所谓近似计算，就是排除一些影响较小的因素，使计算过程简化。绝热火焰温度的计算绝热火焰温度的计算计算公式可由下式转化：

NHV＝mpCp(T-298)+meCp(T-298)(3)式中NHV－净热值，KJ/kgmp－废气质量分数；

me－废气中过量空气质量分数

T－绝热火焰温度，KCp－近似热容≈1.254KJ／（kg.℃）（许多烃类化合物焚烧后的主要产物如CO2，H2O，O2，N2气在16～1100℃范围内约为1.254KJ/kg.℃）又，燃烧废气应包括废物和燃料产生的废气，也包括过量空气产生的废气，即有：

mp=1+mst

mst－理论空气量，式中的1，是废物和燃料所产生的废气的质量分数之和。 该式为：燃烧产生的废气为废物、燃料和理论空气量之和。

25℃时，许多烃类化合物的净热值为4.18KJ/kg，此时的理论空气量，约为1.5×10-3kg这样，（3）可写成

NHV＝（1+mst）(1.254)(T-298)+me(1.254)(T-298)

＝(1+3.59×10-4NHV+me)(1.254)(T-298)

以EA＝me/mst(=空气过量率)（EAexcessair） 则：NHV=[1＋3.59×10-4NHV+（EA）（3.59×10-4NHV）]·(1.254)(T-298)由此可得到三个公式：绝热火焰温度：

空气过量率：

净热值：①EA＝0％

②EA=50%T2＝1270℃③EA＝100％T3＝998℃注意：以上各式计算结果中的温度为绝对温度K，应减去

273K才为摄氏温度（℃）。该例题说明，空气过量率越高，绝热火焰温度越低∵过量的空气消耗热量，并将其从烟囱排放例4.已知NHV＝9832KJ解：①先计算NHVmC6H5Cl=12×6+5+35.5＝112.5∴mC=0.64mH=0.04mCl=0.32由Dulong近似式

NHV＝2.32[14000×0.64+45000(0.04-0)-786×0.32+0]

＝2.32×10508.48=24379.67(KJ/kg)②计算EA＝100％时的绝热火焰温度∴未超过允许温度（1150℃）例5四、影响固体废物燃烧的因素

固体粒度的影响温度的影响压力的影响相对速度的影响氧浓度的影响（1）固体粒度的影响

t燃∝d1～2

式中：t燃—燃烧时间

d—废物粒度 粒度越小，扩散速度越大，燃烧速度加快.反之，燃烧时间越长。（2）温度的影响高温时，燃烧速度主要受扩散速度控制，影响较小，一般，温度上升40℃，燃烧时间仅减少1％。低温时，燃烧速度受化学反应速度的控制，影响较大，一般，温度上升40℃，燃烧时间将减少50％。（3）压力的影响 与温度的影响基本相同高温时，几乎与压力无关；低温时，压力上升，O2浓度增大，燃烧速度随O2的有关燃烧反应级数而变。（4）相对速度的影响颗粒与周围气体的相对速度越大，Re数越大，即无规则运动越强，低温和高温时均使燃烧时间缩短；但当粒度很小时，加热时间及燃烧时间均与相对速度无关。（粒度很小时，反应及燃烧均在极短的时间完成）。（5）氧浓度的影响氧浓度是由过量空气率决定的，氧浓度越高，燃烧时间越短，但过量空气率越高，绝热火焰温度越低，因而这是一个矛盾（但在特殊情况下加纯氧时燃烧时间短，T高）。在实际焚烧中，主要控制三T一E三T：温度（Temperature），停留时间(Time)，湍流度（Turbulence，即相对速度或搅拌强度）一E：过量空气率（excessair）∴还需了解停留时间的计算停留时间的计算燃烧速度不属于一级反应，为了简化，假设其为一级反应，则有

dc/dt=-kc

（一级反应速度式）时间从0→t,浓度从CA0→CA积分，得

ln(CA/CA0)=-kt

则停留时间为式中：CA0，CA－A组分的初始浓度和经过燃烧时间t后的浓度，g/mol k－反应速度常数k=Ae-E/RT A－Ar-rhenius（阿伦尼斯常数，P178表7-3或由试验确定）

E－活化能，kcal/g.mol，（查表，或由试验确定）

R－通用气体常数R＝1.987T－绝对温度

通过试验或查表求得k值后，就可以在DRE（分解率），停留时间和破坏温度之间进行计算（即互相求值）例6：求停留时间试计算在800℃的焚烧炉中焚烧氯苯，当DRE分别为99%，99.9%，99.99%时的停留时间（查P178表7-3，氯苯的A=1.34×1017，E=76600，R=1.987）停留时间是计算焚烧炉容积的重要数据，由停留时间，固废的通过率（处理量）还可以计算所需的焚烧炉容积。见书上P180例3。五、焚烧过程污染物的产生与防治焚烧过程（特别是有害废物的焚烧）会产生大量的酸性气体和未完全燃烧的有机组分及炉渣，如不适当处理，又将造成二次污染。焚烧最主要的二次污染是大气污染，即某些有机组分和煤烟的污染。

（1）特殊有机组分的产生与防治 （2）煤烟的产生与防治1、特殊有机组分的产生与防治二恶英的产生及防治恶臭的产生与防治

（1）二恶英的产生及防治二恶英二恶英的产生二恶英的防治a.二恶英二恶英是二个氧键连结二个苯环的有机氯化合物，即在两个苯环上，有8个H原子易被氯取代，生成多氯二苯二恶英（PCDD），其中毒性最大的是2，3，7，8－四氯二苯二恶英（TCDD）。其毒性比氰化物大一千倍。PCDDTCDDb.二恶英的产生含有PCDD的垃圾的焚烧（分解不彻底）；二种以上有机氯化物在适宜条件（温度，O2）的反应产物；多氯化二酚，多氯联苯类化合物的不完全燃烧；在氯化物的存在下，碳氢化合物与木质素的反应产物。

(主要是有氯及氯化物的存在)c.二恶英的防治采用专用焚烧设备熔盐焚烧炉（见图5-1）熔盐一般由90%的碳酸钠和10%的硫酸钠组成；其中，硫酸钠起催化作用；焚烧在熔盐下部进行，有机卤化物的焚烧产物被熔盐截留；有害废物的去除率可达99.99%以上。两级焚烧（图5-2）采用两级以上的焚烧炉，对固废进行一级焚烧，对焚烧产生的烟气再以辅助燃料进行二次燃烧（1200℃）；二恶英的破坏率可达99.99%。图5-1熔盐焚烧炉1-进料口；2-液体废物加料口；3-燃烧空气；4-熔盐室；5-熔盐液面控制；6-废物进口；7-熔盐；8-预热喷嘴；9-二次反应区；10-引火源和熔盐去湿器；11-烟囱12-盐回收图5-2多室焚烧炉1-炉栅；2-灰坑；3-第一燃烧室；4-火焰口；5-二次空气进口；6-混合室燃烧口；7-混合室；8-帘墙口；9-烟囱（2）恶臭的产生与防治恶臭的产生主要是燃烧不完全造成的，恶臭物质主要是不完全燃烧的有机物，多为有机硫化物或氮化物；防治主要是增强燃烧效果加以解决，包括添加辅助燃料提高燃烧温度（>1000℃）利用催化剂燃烧；利用吸附剂吸附处理利用微生物分解处理燃烧法的效果更好（无需二次处理）2、煤烟的产生与防治

煤烟的主要成份也是有机物，并且，根据对煤烟元素的分析，H为3.2%，因此认为煤烟的主要成份是聚合多环芳烃，分子式为C40H16。

(1)煤烟的形成

(2)煤烟的防治(1)煤烟的形成煤烟的形成机理，许多学者提出了许多假说，但至今无最终结果，其中，最具代表性的是托马斯（Thomas）学说。Thomas学说的主要内容煤烟是由碳氢燃料的脱氢，聚合或缩合而生成的。并且：碳氢化合物的发烟倾向与组分中C／H比有关，C／H比小则发烟倾向小。(2)煤烟的防治

煤烟的防治第一是防防燃烧是高温分解和深度氧化过程，彻底的燃烧是不应该产生煤烟的，但必须具备高温和氧气充足两个条件。在实际的操作中，这两个条件事实上是很难满足的，所谓防，就是要尽量满足这两个条件：提高燃烧温度（但受到炉体耐温度，固废热值等的限制）二次通风，补充氧气（会适当降低炉温，但可加辅助燃料升温）物料和空气充分接触（增大Re，提高相对速度）增大燃烧室（延长停留时间）采用上述措施，可使煤烟降至最低。治：则属于大气治理的范畴了。

六、焚烧残渣的处理和利用

焚烧过程降产生有害气体，带来二次污染之外，还产生主要成份为无机物的炉渣。炉渣的主要成份炉渣的种类焚烧残渣的利用烧结残渣的利用(1)炉渣的主要成份

金属的氧化物，氢氧化物，碳酸盐，硫酸盐，磷酸盐及硅酸盐，其中，重金属化合物（淋滤溶解出重金属离子）的危害较大，须加以处理。(2)炉渣的种类焚烧残渣：＜1000℃焚烧后的炉渣烧结残渣：1000～1500℃高温焚烧残渣(3)焚烧残渣的利用采用磁选的方法回收铁，对非磁性产品进行选择性破碎以分离有色金属与玻璃，再对易碎产品采用强磁选分离有色玻璃（弱磁性）和无色玻璃。该方法用水量大，达15.5t/t干渣，但水能循环使用。(4)烧结残渣的利用混凝土骨料：粉碎到1mm→烧结至5～25mm制砖：（与粘土混合）混凝土砌块和板：与水泥混合，加压成型，蒸气养护。七、固体废物的焚烧设备

焚烧的各种理论都是通过焚烧炉来实现的，焚烧炉的种类很多，有通用型，也有专用型，无论什么炉型，又都是由一些基本的单元构成。焚烧系统的组成焚烧设备焚烧工艺系统7.1焚烧系统的组成原料贮存系统

加料系统燃烧室（炉膛）

炉排燃烧空气

耐火材料（炉衬）烟囱

残渣（已在第4部分中讲述）尾气处理设施（大气控制工程）仪表及控制系统（1）原料贮存系统固体废料的堆场或料仓；贮存能力＝2～3天的处理量，以保证焚烧炉的连续运转。（2）加料系统两种形式：起重机＋抓斗:料斗起重机带动抓斗从料仓中抓运到连接燃烧室的料斗中。螺旋挤压机，将固废推到炉体内基本要求：连续给入，充满料斗，使固废起到密封作用，防止炉膛内的火焰窜出。

（3）燃烧室（conmbustion,炉膛）构造焚烧炉的种类主要是根据燃烧室的构造划分的，因此有：室式炉、多段炉、回转炉、流化床炉等。炉膛的衬里主要用耐火砖，有时加间接冷却水管。容积主要根据处理量，停留时间等因素确定；过大造成浪费；太小则燃烧不充分，造成煤烟和灰渣的二次污染。（4）炉排作用能在炉膛内支撑和输送固废；能起一定的搅动作用；能透过空气。种类摇动式（图7-3）扇形式（图7-4）往复式（图7-5）移动式（图7-6）回转式（图7-7）炉排的主要技术参数图7-3摇动式炉栅

由固定炉栅和摇动炉栅组成，摇动炉栅的前后运动推动物料前进图7-4扇形式炉栅

由一系列块形炉排有规律地横排在炉体内，操作时炉排有次序地上下摇动，使固废运动。图7-5往复式炉栅

炉排象屋面瓦一样层层排列，每隔一层即有一可前后运动的动层，其前后运动使固废沿炉排表面移动。移动层的运动是靠液压驱动的。图7-6移动式炉栅

链条履带式，通过链条的转动在炉膛内、搅动固废。炉排之间有落差，搅动作用更强。图7-7回转式炉栅

由多个圆筒形炉栅按一定倾角排列，按炉栅的转动方向移动物料主要技术参数炉排面积负载能力一般取经验值，城市垃圾一般为240～340kg/(m2.h)，易焚烧的取高值，难焚烧的取低值。开孔率开孔率大，通风好，对焚烧有利，但物料下漏量大。开孔率小，吹入空气量少，对焚烧不利，但转入气相中的固态粒子也少。一般：2～30％（5）燃烧空气

空气由鼓风机给入，有三种:上燃空气：引入到燃烧层的上部，强化固体挥发份的燃烧。下燃空气：由炉排下面引入，是燃烧的主要空气来源。二次空气：用于控制燃烧温度（即过量空气）。理论上，供给空气量＝理论空气量时可获得最高的火焰温度，实际操作时，都需要一定的过剩空气。一般：耐火材料衬里炉EA≈200％

水壁式冷却炉EA＝50～100％（6）耐火材料（炉衬:burnerliner）种类有耐火泥和耐火砖两种耐火泥：85矾土磷酸盐粘合耐火泥耐火砖：85％磷酸盐高铝砖要求高温条件下具有物理稳定性和化学稳定性；硬度大，强度高，导热系数小，热膨胀性小。（7）烟囱(stack)＜40m低型烟囱＞40m高型烟囱烟囱越高，自然抽风能力和扩散能力都强，但造价越高。（10）仪表及控制系统空气量的控制系统炉温控制系统冷却系统压力与温度指示流量指示烟气浓度报警系统7.2焚烧设备类型室式焚烧炉多段焚烧炉回转窑焚烧炉流化床焚烧炉特殊焚烧炉主要焚烧设备多段焚烧炉回转窑(rotarykiln)焚烧炉流化床焚烧炉（1）多段焚烧炉(Multi-compartmentincinerator)结构及焚烧过程特点结构及焚烧过程结构及焚烧过程见（图7-8）主体为一直立圆筒形炉体，内有6-12层炉膛，每个炉膛组成一个焚烧室；每个炉膛都有一个下料口，并且相邻两层内外开口，反方向转动，增加废物的停留时间；由中空轴带动装有齿耙的搅拌臂，齿耙成螺旋线排列，推动废物向内或向外（图7-9）；空气由中空轴给入，并流经搅拌臂，对搅拌装置起冷却作用同时进行预热（图7-10）；冷却空气部分回流，以提高热效率，控制过量空气率；温度：上部小于500，起干燥作用，中部最高，充分焚烧，下部降低，最后进入冷却区与冷空气相遇，可冷却至小于150；炉渣从底部排出。特点热效率高，适用范围广；结构复杂，成本较高。图7-8

多段焚烧炉

1-主燃烧嘴；

2-热风发生炉；

3-热风管；

4-轴驱动马达；

5-轴冷却风机；

6-中心轴；

7-搅拌臂；

8-搅拌齿；

9-排气出口；

10-加料口；

11-热风分配室；12-隔板；

13-轴盖图7-9物料在炉膛内的运动图7-10空气在搅拌臂中流动（2）回转窑焚烧炉结构及焚烧过程（图7-11）（另见书图7-8）窑身为卧式可旋转的圆柱体，略倾斜安装，窑身较长（L/D=2-19）；废物由高端给入，随窑的转动向低端移动；窑体内壁装有螺旋形排列的扬板，同时起输送和搅拌作用；热空气和废物的流动方向可以相同或相反；可以设二次焚烧室。特点结构简单，适应范围广；占地面积大，热效率低。图7-11回转窑焚烧炉（3）流化床焚烧炉结构及燃烧过程（图7-12）炉替为垂直的圆柱体，下部有气流分布板，板上装有惰性载热颗粒；