固体废物第六章11页

第六章固体废物的热处理

第一节焚烧处理

一、概述

固体废物焚烧处理就是将固体废物进行高温分解和深度氧化的处理过程。在燃烧过程中，具有强烈的放热效应，有基态和激发态自由基生成，并伴随光和辐射。

二、焚烧原理

（一）燃烧与焚烧

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、并伴有光和辐射的化学反应现象称为燃烧。生活垃圾和危险废物的燃烧，称为焚烧，是包括蒸发、挥发、分解、烧结、熔融和氧化还原等一系列复杂的物理变化和化学反应，以及相应的传质和传热的综合过程。

常见的燃烧着火方式有自然燃烧、热燃烧、强迫点燃燃烧三种。

（二）焚烧原理

通常可将焚烧分为干燥、热分解、燃烧三个阶段。焚烧过程实际上就是干燥脱水、热化学分解、氧化还原反应的综合作用过程。

1.干燥

干燥是利用焚烧系统热能，使炉内固体废物水分汽化、蒸发的过程。按热量传递方式，可将干燥分为传导干燥、对流干燥和辐射干燥三种方式。

2.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，也有吸热反应。

3.燃烧

燃烧是可燃物质的快速分解和高温氧化过程。一般可划分为蒸发燃烧、分解燃烧和表面燃烧三种机理。

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。

焚烧炉烟气的气态污染物种类很多，如硫氧化物、碳氧化物、氮氧化物、氯化氢、氟化氢、二噁英类物质。其中，硫氧化物主要来源于废纸和厨余垃圾，氯化氢主要来源于废塑料。烟气中一部分氮氧化物（热力型氮氧化物）主要来源于空气中的氮，另一部分氮氧化物（燃烧型氮氧化物）主要来源于厨余垃圾。二二噁英物质，可能来源于固体废物中的废塑料、废药品等，或由其前驱物质在焚烧炉内焚烧过程中生成，也可能在特定条件下于炉外生成。

（三）焚烧技术

1.层状燃烧技术

应用层状燃烧技术的系统包括固定炉排焚烧炉、水平机械焚烧炉、倾斜机械焚烧炉等。

2.流化燃烧技术

它是利用空气流和烟气流的快速运动，使媒介料和固体废物在焚烧过程中处于流化状态，并在流化状态下进行固体废物的干燥、燃烧和烧烬。采用流化燃烧技术的设备有流化床焚烧炉。流化燃烧技术具有热强度高的特点，较适宜焚烧处理低热值、高水分固体废物。

3.旋转燃烧技术

采用旋转燃烧技术的主要设备是回转窑焚烧炉。

（四）焚烧的主要影响因素

固体废物的焚烧效果，受许多因素的的影响，如焚烧炉类型、固体废物性质、物料停留

时间、焚烧温度、供氧量、物料的混合程度等。其中，停留时间、温度、湍流度和空气过剩系数就是人们常说的“3T+1E ”,它们既是影响固体废物焚烧效果的主要因素，也是反映焚烧炉工况的重要技术指标。

1.固体废物的性质

如固体废物中的可燃成分、有毒有害物质、水分等物质的种类和含量，决定这种固体废物的热值、可燃性和焚烧污染物之力的难易程度，也就决定了这种固体废物燃烧的技术经济可行性。

生产实践表明，当生活垃圾的低位发热值≤3350KJ /kg 时，焚烧过程通常需要添加辅助燃料，如掺煤或喷油助燃。

2.焚烧温度

焚烧温度对焚烧处理的减量化程度和无害化程度有决定性影响。

目前一般要求生活垃圾的焚烧温度在850~950℃，医疗垃圾、危险废物的焚烧温度要达到1150℃.而对于危险废物中的某些较难分解的物质，甚至需要在更高的温度和催化剂作用下进行焚烧。

3.停留时间 物料停留时间主要是固体废物在焚烧炉内的停留时间和烟气在焚烧炉内的停留时间。固体废物停留时间取决于固体废物在焚烧过程中蒸发、热分解、氧化、还原反应等反应速率的大小。烟气停留时间取决于烟气中颗粒状污染物和气态分子的分解、化学反应速率。进行生活垃圾焚烧处理时，通常要求垃圾的停留时间达到1.5~2h 以上，烟气停留时间能达到2s 以上。

4.供氧量和物料混合程度

显然，供给的空气越多，越有利于提高炉内氧气的浓度，越有利于炉排的冷却和炉内烟气的湍流混合。但过大的过剩空气系数，可能会导致炉温降低，烟气量过大，对焚烧过程产生副作用，给烟气的净化处理带来不利影响，最终会提高固体废物焚烧处理的运行成本。

三、热平衡和烟气分析

(一)固体废物热值

固体废物热值是指单位质量固体废物在完全燃烧是释放出来的能量。热值有两种表示方法，即高位热值（粗热值）和低位发热值（净热值）。

计算热值的方法很多，如热量衡算法（精确法）、工程算法、经验公式法、半经验公式法。

在整个焚烧过程中能量是守恒的，即：

54321Q Q Q Q Q Q Q Q a f w ++++=++ （6-8）

式中，w Q 为固体废物的热量，kJ ；f Q 为辅助燃料的热量，kJ ；a Q 为助燃空气的热量，kJ ；1Q 为有用热量，kJ ；2Q 为化学不完全燃烧热损失，kJ ；3Q 为机械热损失，Kj ；4Q 为烟气显热（含热量），kJ ；5Q 为灰渣显热（含热量），kJ 。

[例6-1] 某固体废物含可燃物60%、水分20%、惰性物（即灰分）20%，固体废物的可燃物元素的组成为碳28%、氢4%、氧23%、氮4%、硫1%。假设：固体废物的热值为11630kJ/kg ；炉栅残渣含碳量5%；空气进入炉膛的温度为65℃，离开炉栅残渣的温度为650℃；残渣的比热为0.323kJ/（k g ·℃）；水的汽化潜热为2420kJ/kg ；辐射损失为总炉膛输入热量的0.5%；碳的热值为32564kJ/kg 。试计算这种废物燃烧后可利用的热值。

解：以固体废物1kg 为计算基准。

（1） 残渣中未燃烧的碳含量

① 未燃烧碳的质量

惰性物的质量为：1kg ×0.20=0.2kg 总残渣量为：kg kg 2105.005.012.0=-

未燃烧碳的质量：（0.2015-0.2000）kg=0.0105kg

② 未燃烧碳的热损失

32564kJ/kg ×0.0105kg=341.9kJ

（2） 计算水的汽化热

① 计算生成水的总质量

总水量=固体废物原含水率+组分中氢和氧结合生成水的量

固体废物原含水量=1kg ×0.20=0.2kg

组分中的氢和氧结合生成的水的量=1kg ×0.04×9=0.36kg

总水量=（0.2+0.36）kg=0.56kg

② 水的汽化热为：2420kJ/kg ×0.56kg=1355.2kg

（3） 辐射热损失（机械热损失）为进入焚烧炉总能量的0.5%

即11630kJ ×0.005=58.2kJ

（4） 残渣带出的显热

0.2105kg ×0.323kJ/（kg ·℃）×（650-65）℃=39.8kJ

（5）可利用的热值

可利用的热值=固体废物总热值-各种热损失之和

=[11630-(341.9+1355.2+58.2+39.8)]kJ=9834.9kJ

(二)燃烧温度

假如焚烧系统处于恒压、绝热状态，则焚烧系统所有能量都用于提高系统的温度和燃料的含热。该系统的最终温度称为理论燃烧温度或绝热燃烧温度。实际燃烧温度可以通过能量平衡精确计算，也可以利用经验公式进行近似计算：

∑⎰∑==-≈=n i T T n

i pi pi T T c w dT c w LHV 11121121)( （6-9）

式中，LHV 为系统的有用热量，kJ ；T1为室温，K ；T2为焚烧炉火焰温度，K ；1w 为烟气中第i 种成分的质量分数；pi c 为烟气各成分质量定压热容，kJ/（kg ·K ）。

烟气组成往往十分复杂，给上式的应用造成困难。若以烃类化合物替代固体废物，并设25℃烃类化合物燃烧时每产生4.18kJ 低位热值约需1.5×3

10-kg 理论空气，则：

LHV LHV 431059.318.4105.1m --⨯=⨯⨯=理空 (6-10) 如果烃类化合物和辅助燃料完全燃烧、总量以1kg 计。烟气各组成成分在燃烧温度范围内的质量定压热容均为1.254kJ/（k g ·K ），并且假设低位热值等于有用热量。则低位热值与焚烧火焰温度之间的关系可简化为：

)(12T T c m LHV p -=烟