06固体废物的热处理.ppt

第六章固体第六章固体废物的物的热处理理主要内容主要内容6.1 焚焚烧处理理 掌握焚掌握焚烧原理、焚原理、焚烧尾气控制技尾气控制技术，熟悉焚，熟悉焚烧的工的工艺。了解焚烧炉系统。6.2 固体固体废物的物的热解解处理理 掌握掌握热解原理，熟悉解原理，熟悉热解工解工艺。了解典型固体废物的热解。6.3 固体废物的其他热处理方法（了解）热处理热处理 利用热物理方法（以高温分解和深度氧化为主）改利用热物理方法（以高温分解和深度氧化为主）改变固体物质的化学、物理或生物特性和组成来处理固变固体物质的化学、物理或生物特性和组成来处理固体物质的过程。体物质的过程。热处理广泛应用于固体废物的处理中，包括：焚烧、热处理广泛应用于固体废物的处理中，包括：焚烧、热分解、烧成（结）、焙烧、熔融、湿式氧化、干热分解、烧成（结）、焙烧、熔融、湿式氧化、干燥脱水、蒸馏、蒸发、微波分解等。燥脱水、蒸馏、蒸发、微波分解等。热处理的工艺流程热处理的工艺流程处理方法处理方法焙烧处理焙烧处理焙烧焙烧：在低于熔点的温：在低于熔点的温度下处理废物改变废物度下处理废物改变废物的物理化学性质以利于的物理化学性质以利于后续资源化利用的处理后续资源化利用的处理过程。过程。焚烧处理焚烧处理焚烧（焚烧（incineration）：固体废物：固体废物高温分解和深度氧化的处理过程高温分解和深度氧化的处理过程（具有强烈放热效应、有基态和电（具有强烈放热效应、有基态和电子激发态的自由基出现、并伴有光子激发态的自由基出现、并伴有光辐射的热化学反应现象）。辐射的热化学反应现象）。热裂解热裂解热解热解：是将有机物：是将有机物在无氧或缺氧状态在无氧或缺氧状态下加热，使之成为下加热，使之成为气态、液态或固态气态、液态或固态可燃物质的化学分可燃物质的化学分解过程。解过程。其他热处理方法其他热处理方法干燥脱水干燥脱水热分解热分解烧成（结）烧成（结）6.1焚烧处理焚烧处理焚烧（焚烧（incineration or combustion）：）：以一定以一定量的过剩空气与被处理的有机废物在焚烧炉内进行氧量的过剩空气与被处理的有机废物在焚烧炉内进行氧化反应，废物中的有害物质在高温下氧化、热解而被化反应，废物中的有害物质在高温下氧化、热解而被破坏，是一种可同时实现无害化、减量化、资源化的破坏，是一种可同时实现无害化、减量化、资源化的处理技术。处理技术。焚烧可处理固体废物，也可以处理液体废物和气体焚烧可处理固体废物，也可以处理液体废物和气体废物；即可以处理城市垃圾和一般工业废物，也可废物；即可以处理城市垃圾和一般工业废物，也可以处理危险废物。以处理危险废物。焚烧处理的优点焚烧处理的优点1）处理时间短处理时间短。流化床焚烧炉几分钟即可使垃圾。流化床焚烧炉几分钟即可使垃圾燃烧完全，炉排式焚烧炉垃圾停留时间也仅为燃烧完全，炉排式焚烧炉垃圾停留时间也仅为1小小时。时。2）减容效果好减容效果好。焚烧残渣体积仅为原体积的。焚烧残渣体积仅为原体积的812%，如经分选后的垃圾残渣仅，如经分选后的垃圾残渣仅23%。3）消毒彻底。消毒彻底。减轻或消除后续处置过程对环境的减轻或消除后续处置过程对环境的影响，是处理带有病原菌垃圾和有机污染垃圾的良影响，是处理带有病原菌垃圾和有机污染垃圾的良好方法。好方法。4）焚烧厂占地面积相对较小焚烧厂占地面积相对较小，不超过，不超过5hm2。5）回收能源和资源回收能源和资源。焚烧处理存在的问题：焚烧处理存在的问题：1）投资和运行费用高。）投资和运行费用高。2）操作运行复杂。）操作运行复杂。3）焚烧使垃圾利用率降低。）焚烧使垃圾利用率降低。4）二次污染。）二次污染。焚烧处理的目的焚烧处理的目的：使废物减量化；是废热被释放使废物减量化；是废热被释放利用；使废物中的毒性物质被摧毁。利用；使废物中的毒性物质被摧毁。一、概述二、焚烧原理燃烧与焚烧燃烧与焚烧u燃烧：燃烧：通常把具有强烈放热效应、有基态和电子激通常把具有强烈放热效应、有基态和电子激发态的自由基出现并伴有光辐射的化学反应称为燃烧。发态的自由基出现并伴有光辐射的化学反应称为燃烧。u焚烧反应（复杂的物理和化学反应）焚烧反应（复杂的物理和化学反应）蒸发蒸发挥发挥发分解分解烧结、熔融烧结、熔融氧化还原氧化还原传热传质过程传热传质过程二、焚烧原理燃烧与焚烧燃烧与焚烧u三要素：可燃物质、助燃物质、引燃火源三要素：可燃物质、助燃物质、引燃火源 温度（着火条件）温度（着火条件）uCxHyOzNuSvClw+O2CO2+H2O+NO2+SO2+HCl+余余热热+灰渣灰渣u实际燃烧过程中，通过加入足够的氧气、保持适当实际燃烧过程中，通过加入足够的氧气、保持适当温度和反应停留时间，控制燃烧反应使之接近理论燃温度和反应停留时间，控制燃烧反应使之接近理论燃烧，不致产生有毒气体。烧，不致产生有毒气体。燃烧与焚烧燃烧与焚烧u着火着火是可燃物质与助燃物质由缓慢放热反应转变为强是可燃物质与助燃物质由缓慢放热反应转变为强烈放热反应的过程。可燃物质着火实际是燃烧系统的热烈放热反应的过程。可燃物质着火实际是燃烧系统的热力学、动力学、流体力学等各种因素共同作用的综合结力学、动力学、流体力学等各种因素共同作用的综合结果。果。u常见的燃烧着火方式常见的燃烧着火方式u化学自然燃烧化学自然燃烧u热燃烧热燃烧u强迫点燃燃烧强迫点燃燃烧燃烧与焚烧燃烧与焚烧u燃烧实际上是燃烧实际上是干燥脱水、热化学分解、氧化还原反应干燥脱水、热化学分解、氧化还原反应的综合作用过程。的综合作用过程。u干燥干燥是利用焚烧系统热能使入炉固体废物水分气化蒸是利用焚烧系统热能使入炉固体废物水分气化蒸汽的过程；按热量传递的方式，可将干燥分为汽的过程；按热量传递的方式，可将干燥分为传导干燥、传导干燥、对流干燥和辐射干燥对流干燥和辐射干燥三种方式。三种方式。u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，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。进行化学分解和聚合反应的过程。u燃烧是可燃物质的快速分解和高温氧化过程。燃烧是可燃物质的快速分解和高温氧化过程。二、焚烧原理焚烧原理焚烧原理u从工程技术的观点看，需焚烧的物料从送入焚烧炉起，到从工程技术的观点看，需焚烧的物料从送入焚烧炉起，到形成烟气和固态残渣的整个过程，总称为形成烟气和固态残渣的整个过程，总称为焚烧过程焚烧过程。它包括。它包括以下三个阶段：以下三个阶段：u（1）干燥阶段）干燥阶段u利用热能使固体废物中水分气化并排出生成水蒸气的利用热能使固体废物中水分气化并排出生成水蒸气的过程。过程。u在此阶段，物料的水分是以蒸汽形态析出的，因此需在此阶段，物料的水分是以蒸汽形态析出的，因此需要吸收大量的热量要吸收大量的热量水的汽化热。水的汽化热。u废物含水量越大，干燥阶段越长，对炉内温度降低影废物含水量越大，干燥阶段越长，对炉内温度降低影响越大。水分过高，需投入辅助燃料；也可将干燥段与响越大。水分过高，需投入辅助燃料；也可将干燥段与焚烧段分开。焚烧段分开。u（2）燃烧阶段：）燃烧阶段：燃烧阶段包括三个同时发生的化学燃烧阶段包括三个同时发生的化学反应：强氧化反应、热解反应和原子基团碰撞反应。反应：强氧化反应、热解反应和原子基团碰撞反应。u强氧化反应强氧化反应固体废物的直接燃烧反应。固体废物的直接燃烧反应。u热解热解焚烧过程不能提供足够的氧而使固体焚烧过程不能提供足够的氧而使固体废物在高温下发生的分解反应。挥发分析出的温度废物在高温下发生的分解反应。挥发分析出的温度区间在区间在200800范围内；物料与温度都会影响析范围内；物料与温度都会影响析出的成分和数量。出的成分和数量。焚烧原理焚烧原理u（2）燃烧阶段：）燃烧阶段：u原子基团碰撞形成火焰原子基团碰撞形成火焰高温下气流富含高温下气流富含(单、单、双、多双、多)原子基团的电子能量跃迁，以及分子的旋原子基团的电子能量跃迁，以及分子的旋转和振动产生量子辐射，包括红外热辐射、可见光转和振动产生量子辐射，包括红外热辐射、可见光以及波长更短的紫外线。以及波长更短的紫外线。火焰性状取决于温度和气火焰性状取决于温度和气流组成。通常温度在流组成。通常温度在1000 左右就能形成火焰。废左右就能形成火焰。废物组分上的原子基团碰撞，还易使废物分解。物组分上的原子基团碰撞，还易使废物分解。焚烧原理焚烧原理u（3）燃尽阶段：）燃尽阶段：生成固体残渣的阶段。生成固体残渣的阶段。u特点：可燃物浓度减少，惰性物增加，氧化剂量相特点：可燃物浓度减少，惰性物增加，氧化剂量相对较大，反应区温度降低。对较大，反应区温度降低。u要改善燃尽阶段的工况，一般常采用的措施如翻动、要改善燃尽阶段的工况，一般常采用的措施如翻动、拨火等办法来有效地减少物料外表面的灰层，控制稍拨火等办法来有效地减少物料外表面的灰层，控制稍多一点的过剩空气量，增加物料在炉内的停留时间等。多一点的过剩空气量，增加物料在炉内的停留时间等。燃烧过程的三个阶段没有界限，不同物料可能处于不燃烧过程的三个阶段没有界限，不同物料可能处于不同阶段，同一物料的表面和内部也可能处在不同的阶段。同阶段，同一物料的表面和内部也可能处在不同的阶段。三个阶段仅是焚烧过程的必由之路，实际的过程更为复杂。三个阶段仅是焚烧过程的必由之路，实际的过程更为复杂。焚烧原理焚烧原理二、焚烧原理燃烧技术燃烧技术二、焚烧原理焚烧的主要影响因素焚烧的主要影响因素u热值：热值：单位质量的固体废物完全燃烧所放出的热量，单位质量的固体废物完全燃烧所放出的热量，以以kJ/kg或或kcal/kg计，也称为发热量。一般情况下有害计，也称为发热量。一般情况下有害废物的燃烧热值需要废物的燃烧热值需要18600kJ/kg。低于该值则需添加。低于该值则需添加辅助燃料。辅助燃料。u粗粗(高位高位)热值，热值，HHV:化合物在一定温度下反应化合物在一定温度下反应到达最终产物的焓的变化。到达最终产物的焓的变化。u净热值净热值(低位发热量低位发热量)，LHV:意义与粗热值相同。意义与粗热值相同。不过粗热值产物水为气态。净热值产物水为液态。不过粗热值产物水为气态。净热值产物水为液态。二者之差就是水的汽化潜热。二者之差就是水的汽化潜热。三、热平衡和烟气分析固体废物的热值固体废物的热值u用氧弹热量计测量的是高位发热量。用氧弹热量计测量的是高位发热量。u将粗热值转变成净热值可以通过下式计算：将粗热值转变成净热值可以通过下式计算：式中：式中：WH2O焚烧产物中水的质量分数，焚烧产物中水的质量分数，%；WH、WCl、WF废物中氢、氯、氟含量的质废物中氢、氯、氟含量的质量分数，量分数，%。三、热平衡和烟气分析固体废物的热值固体废物的热值u焚烧温度：焚烧温度：是指废物中有害组分在高温下氧化、分是指废物中有害组分在高温下氧化、分解直至破坏所需达到的温度。解直至破坏所需达到的温度。u理论燃烧温度理论燃烧温度：当燃烧系统处于绝热状态时，反应：当燃烧系统处于绝热状态时，反应物在经化学反应生成产物的过程中所释放的热量全部物在经化学反应生成产物的过程中所释放的热量全部用来提高系统的温度，系统最终所达到的温度称为理用来提高系统的温度，系统最终所达到的温度称为理论燃烧温度，也叫绝热火焰温度。论燃烧温度，也叫绝热火焰温度。u单一燃料燃烧温度可以根据化学反应式及各物种的单一燃料燃烧温度可以根据化学反应式及各物种的定压比热进行推估。实际燃烧多采用较简便的定压比热进行推估。实际燃烧多采用较简便的(半半)经经验法进行推估。由燃料性质而定，应考虑热值、燃点、验法进行推估。由燃料性质而定，应考虑热值、燃点、含水率综合影响。含水率综合影响。焚烧温度焚烧温度四、焚烧工艺烟气系统烟气系统其他工艺系统其他工艺系统五、焚烧炉系统炉型炉型优点点缺点缺点机械焚机械焚烧炉炉容量大（容量大（单炉容量达炉容量达100500t/d）、效率高、焚）、效率高、焚烧彻底、公底、公害易害易处理、燃理、燃烧稳定、控管容易、定、控管容易、余余热利用高利用高造价高、技造价高、技术复复杂、维修修费高，高，需需连续运运转、运行管理要求高、运行管理要求高回回转式焚式焚烧炉炉垃圾垃圾搅拌及干燥性好、可适用中小拌及干燥性好、可适用中小容量（容量（单炉容量炉容量100400t/d）、）、可高温安全燃可高温安全燃烧，残灰，残灰颗粒小粒小连续传动装置复装置复杂、炉内的耐火、炉内的耐火材料易材料易损坏坏控气式焚控气式焚烧炉炉适用中小容量（适用中小容量（单炉容量炉容量150t/d）、）、构造构造简单、装置可移、装置可移动、机、机动性性强燃燃烧不完全、燃不完全、燃烧效率低、使用效率低、使用年限短、平均建造成本年限短、平均建造成本较高高流化床焚流化床焚烧炉炉容量适中（容量适中（单炉容量炉容量50200t/d）、）、燃燃烧温度温度较低（低（750850）、）、热传导好、公害低、燃好、公害低、燃烧效率高效率高操作技操作技术高、燃料种高、燃料种类受到限制、受到限制、进料料颗粒粒较小、小、单位位处理量所需理量所需动力高、炉床材料易冲力高、炉床材料易冲蚀损坏坏垃圾衍生垃圾衍生燃料焚燃料焚烧炉炉适用大容量（适用大容量（单炉炉200750t/d）、）、焚焚烧余余热利用率高、可利用率高、可资源回收源回收造价昂造价昂贵、设备构造复构造复杂、技、技术复复杂、不适合高水分垃圾、不适合高水分垃圾6.2固体废物的热解处理固体废物的热解处理一、热解原理u热解热解(pyrolysis)：是指将有机物在无氧或缺氧状态下：是指将有机物在无氧或缺氧状态下进行加热蒸馏，使有机物产生裂解，经冷凝后形成各进行加热蒸馏，使有机物产生裂解，经冷凝后形成各种新的气体、液体和固体，从中提取燃料油、油脂和种新的气体、液体和固体，从中提取燃料油、油脂和燃料气的过程。燃料气的过程。u基本原理基本原理：热解在工业上也称为干馏，是利用有机：热解在工业上也称为干馏，是利用有机物的热不稳定性，在无氧或缺氧条件下，使有机物受物的热不稳定性，在无氧或缺氧条件下，使有机物受热分解成分子量较小的可燃气、液态油、固体燃料的热分解成分子量较小的可燃气、液态油、固体燃料的过程。即：过程。即：热解的定义与基本原理热解的定义与基本原理一、热解原理热解与焚烧的比较热解与焚烧的比较一、热解原理热解的特点热解的特点u在热解过程中，其中间产物存在两种变化趋势：由大分子在热解过程中，其中间产物存在两种变化趋势：由大分子变成小分子直至气体的裂解过程；由小分子聚合成较大分子变成小分子直至气体的裂解过程；由小分子聚合成较大分子的聚合过程。的聚合过程。u分解是从脱水开始的：如两分子苯酚聚合脱水；其次是脱分解是从脱水开始的：如两分子苯酚聚合脱水；其次是脱甲基或脱氢、生成水与架桥部分的分解次甲基键进行反应生甲基或脱氢、生成水与架桥部分的分解次甲基键进行反应生成成CO和和H2。u温度再高时，生成的芳环化合物再进行裂解、脱氢、缩合、温度再高时，生成的芳环化合物再进行裂解、脱氢、缩合、氢化等反应。氢化等反应。u反应没有明显的阶段性，许多反应是交叉进行的，热解总反应没有明显的阶段性，许多反应是交叉进行的，热解总的反应方程式可表示为：的反应方程式可表示为：热解的过程及产物热解的过程及产物u热解过程控制：热解过程控制：（1）温度变化对产品产量、成分比例有较大的影响。是最）温度变化对产品产量、成分比例有较大的影响。是最重要的控制参数。重要的控制参数。在较低温度下，油类含量相对较多。随着温度升高，许多在较低温度下，油类含量相对较多。随着温度升高，许多中间产物也发生二次裂解，中间产物也发生二次裂解，C5以下分子及以下分子及H2成分增多，气成分增多，气体产量与温度成正比增长，各种有机酸、焦油、碳渣相对体产量与温度成正比增长，各种有机酸、焦油、碳渣相对减少。减少。气体成分：温度升高，脱氢反应加剧，气体成分：温度升高，脱氢反应加剧，H2含量增加，含量增加，C2H4、C2H6减少；低温时，减少；低温时，CO2、CH4等增加，等增加，CO减少。高温阶减少。高温阶段，段，CO逐渐增加。逐渐增加。（2）加热速率对产品成分比例影响较大。一般，在较低和）加热速率对产品成分比例影响较大。一般，在较低和较高的加热速率下热解产品气体含量高。较高的加热速率下热解产品气体含量高。热解的过程及产物热解的过程及产物u热解过程控制：热解过程控制：（3）废料在反应器中的保温时间决定了物料分解转化率。）废料在反应器中的保温时间决定了物料分解转化率。保温时间长，分解转化率高，热解充分，但处理量少；保保温时间长，分解转化率高，热解充分，但处理量少；保温时间短，则热解不完全，但处理量高。温时间短，则热解不完全，但处理量高。（4）废物成分：有机物成分比例大，热值高，可热解性较）废物成分：有机物成分比例大，热值高，可热解性较好，产品热值高，可回收性好，残渣少；含水率低，干燥好，产品热值高，可回收性好，残渣少；含水率低，干燥耗热少，升温到工作温度时间短；较小的颗粒尺寸促进热耗热少，升温到工作温度时间短；较小的颗粒尺寸促进热量传递，保证热解过程的顺利进行。量传递，保证热解过程的顺利进行。（5）反应器类型：一般固定燃烧床处理量大，而流态燃烧）反应器类型：一般固定燃烧床处理量大，而流态燃烧床温度可控性好。气体与物料逆流行进，转化率高，顺流床温度可控性好。气体与物料逆流行进，转化率高，顺流行进可促进热传导，加快热解过程。行进可促进热传导，加快热解过程。热解的过程及产物热解的过程及产物二、热解工艺三、典型固体废物的热解不同塑料的热解图不同塑料的热解图废塑料的热解废塑料的热解废塑料的热解废塑料的热解6.3固体废物的其他热处理方法固体废物的其他热处理方法焙烧u定义：在低于熔点的温度下热处理废物的过程，可改定义：在低于熔点的温度下热处理废物的过程，可改变废物的物理、化学性质，便于资源化利用。变废物的物理、化学性质，便于资源化利用。焙烧u焙烧后的产物称为焙砂。根据焙烧过程主要的化学反焙烧后的产物称为焙砂。根据焙烧过程主要的化学反应性质，固废的焙烧可分为：应性质，固废的焙烧可分为：u烧结焙烧：块状烧结焙烧：块状/球团状球团状提高密度、机械强度提高密度、机械强度u分解焙烧：煅烧分解焙烧：煅烧脱脱CO2和结合水和结合水u氧化焙烧：脱硫氧化焙烧：脱硫u还原焙烧：典型还原焙烧：典型氧化铁焙烧（磁化焙烧）氧化铁焙烧（磁化焙烧）u硫酸化焙烧：典型硫酸化焙烧：典型CuSCuSO4u氯化焙烧：高熔点金属氯化焙烧：高熔点金属易挥发的氯化物易挥发的氯化物u离析焙烧：氯化焙烧离析焙烧：氯化焙烧+还原剂，最后得到金属产物还原剂，最后得到金属产物u纳化焙烧：酸性氧化物纳化焙烧：酸性氧化物+Na2CO3溶于水或能水解溶于水或能水解成钠盐成钠盐