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第四章 可燃固体废物的焚烧. 一、可燃固体废物： 从焚烧角度分析，城市生活垃圾可分为可燃和不可燃两部分: 可燃垃圾 —— 橡塑、纸张、破布、竹木、皮革、果皮及动植物、厨房垃圾等。其组分、物性和燃烧特性等非常复杂，不易直接填埋； 不可燃垃圾 —— 金属、建筑垃圾、玻璃、灰渣等，除可回收利用部分外，大多可直接安全填埋。. 二、焚烧法概述.
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第四章 可燃固体废物的焚烧 一、可燃固体废物： 从焚烧角度分析，城市生活垃圾可分为可燃和不可燃两部分: 可燃垃圾——橡塑、纸张、破布、竹木、皮革、果皮及动植物、厨房垃圾等。其组分、物性和燃烧特性等非常复杂，不易直接填埋； 不可燃垃圾——金属、建筑垃圾、玻璃、灰渣等，除可回收利用部分外，大多可直接安全填埋。
二、焚烧法概述 • 焚烧法一般是指将垃圾作为固体燃料送入焚烧炉中，在高温条件下（一般为900℃左右，炉心最高温度可达1100℃），垃圾中的可燃成分与空气中的氧进行剧烈化学反应，放出热量，转化成高温烟气和性质稳定的固体残渣。 • 优点—— • 垃圾焚烧后，体积可减少85％~95%，质量减少20％~80%。 • 高温焚烧消除了垃圾中的病原体和有害物质——无害化。 • 焚烧排出的气体和残渣中的一些有害副产物的处理远比有害废弃物直接处置容易得多。 • 焚烧法具有处理周期短、占地面积小、选址灵活等特点。 • 热能可以利用 因此，焚烧法能以最快的速度实现垃圾处理的无害化、减量化和资源化。目前，在发达国家已被广泛采用。
缺点—— • 焚烧法对垃圾的热值有一定要求; • 建设成本和运行成本相对高; • 管理水平和设备维修要求高； • 焚烧产生的废气若处理不当，很容易对环境造成二次污染。 • 不同季节、年份垃圾热值的变化不同。
第一节 可燃固体废物的热值 一、热值 热值——指单位重量的固体废物燃烧释放出来的热量，kJ/kg。 • 粗热值(HHV——高位热值)：是指化合物在一定温度下反应到达最终产物的焓的变化。水为液态 • 净热值(NHV——低位热值)：水为气态。 二、热量的测定 1.标准实验：氧弹量热计——测量的是粗热值。 2.通过元素组成作近似计算
粗热值与净热值的转换 1.NHV=HHV-2420[H2O+9(H-Cl/35.5-F/19)] NHV：净热值，kJ/kg HHV：粗热值，kJ/kg H2O：焚烧产物中水的重量百分率，% H、Cl、F：分别为废物中氢氯氟含量的重量百分率，% 2.NHV=2.32[1400mC+45000（mH-0.125mo）-760mCl+4500mS] mC、mH、mo、mCl、mS：分别代表碳、氢、氧、氯和硫的质量分数
关于热值的计算 例1 表7—2是我国武汉市城市垃圾的组分，假设该组分的热值与美国城市垃圾的典型组分的热值相同，可据此计算出武汉市垃圾的热值：
解：(1)以100为基准，分别汁算各组分的重量 厨房废渣及果皮重量＝100X29.53%=29.53kg 同样方法计算出木屑、杂草的重量为2kg，纸张重量为1.35kg，塑料皮革等重量1.39kg。 (2)计算各组分产生的能量
例2某固体废物含可燃物60%、水分20%、惰性物20%。固体废物的元素组成为碳28%、氢4%、氧23%、氮4%、硫1%，水分20%、灰分20%。例2某固体废物含可燃物60%、水分20%、惰性物20%。固体废物的元素组成为碳28%、氢4%、氧23%、氮4%、硫1%，水分20%、灰分20%。 假设 ①固体废物的热值为11630kJ/kg； ②炉栅残渣含碳量为5%； ③空气进入炉膛的温度为65℃，离开炉栅的温度为650℃ ； ④残渣的比热为0.323 kJ/（kg.℃）； ⑤水的汽化潜热2420 kJ/kg ； ⑥辐射损失为总炉膛输入热量的0.5%； ⑦碳的热值为32564 kJ/kg 。 试计算这种废物燃烧后可利用的热值。（以1kJ/kg固体废物计算）
四、废物热值利用方式 固体废物焚烧热的利用包括供热和发电，在用于发电时，一般在下列设备中进行：产生蒸汽的锅炉、蒸汽透平机或气体透平机以及发电机。这三种设备大致有三种不同的组合方式，见图7—1示意图。
存在的问题： 能效损失很大，热效率不高 焚烧炉—废热锅炉 蒸汽透平—发电机系统 饺烧炉—熬汽锅炉—远平机—发电机系统 用于热交换器及废热锅炉产生热水或蒸汽。
相关知识: 国外利用垃圾焚烧发电技术的应用始于20世纪50年代，最先应用的国家是联邦德国和法国，其后美国、日本、韩国(图4-1)等均建有相当数量的垃圾焚烧电站。 我国于1988年开始首次引进垃圾焚烧发电技术， 2000年沈阳建成我国首座垃圾与污水一体处理厂。 垃圾焚烧发电、供热工艺 当前我国垃圾焚烧发电存在的问题
垃圾焚烧发电存在的问题——垃圾焚烧发电在我国还处于初级阶段，还有许多方面需改进和提高。 垃圾发电当前遇到的关键问题是电站的发电量波动性大，稳定性小。其原因是垃圾中可燃废弃物的质量和数量随季节和地区的不同而发生明显变化。因此，垃圾焚烧电站的多余电力向电力公司出售时，价格不高，主要靠国家政策扶持。 另外，垃圾焚烧发电本身属于环保项目，如果处理的不好可能造成二次污染。
第二节 固体废物焚烧过程 一、垃圾焚烧过程各阶段的划分 燃烧本质——由质量传递、热量传递、动量传递、化学反应、结构变化等过程综合在一起的物理化学过程。 焚烧过程：需燃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。 • 第一阶段：物料的干燥加热阶段 • 第二阶段：燃烧阶段——主阶段 • 第三阶段；燃尽阶段，即生成固体残渣的阶段。
（1）干燥阶段 • 干燥阶段——对机械送料的运动式炉栅，从物料送入焚烧炉起到物料开始析出挥发分着火。 • 在干燥阶段，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——水的汽化潜热。 • 预热阶段 水分蒸发阶段 • 橡胶塑料的水分是最易蒸发的,其排列为橡胶、塑料、纤维、纸、竹木、厨房垃圾,
二、垃圾燃烧过程中各阶段的特点 • 第一阶段：物料的干燥加热阶段 • 第二阶段：燃烧阶段——主阶段 • 第三阶段；燃尽阶段，即生成固体残渣的阶段。
预热阶段 预热阶段指垃圾从环境温度升温到水分蒸发平衡达到稳定温度的过程,主要用温度参数表征,伴有垃圾吸热和少量水分蒸发等现象。 水分蒸发阶段 水分在蒸发阶段受热力驱动而蒸发,并通过质量传递而逸离垃圾体,进入气相,为垃圾稳定着火燃烧创造条件。
焚烧阶段 • 热解：在无氧或近乎无氧条件下，利用热能破坏含碳高分子化合物元素的化学键，使含碳化合物破坏或进行化学重组。 纤维素分子： C6H10O5——2CO+CH4+3H2O+3C 对象——大分子的含碳化合物（一般的有机固体废物） 挥发分的析出：200~800℃ • 强氧化反应：析出的挥发物、固定炭燃烧
燃尽阶段 该阶段可燃物浓度减少，惰性物增加，氧化剂量相对较大，反应区温度降低。 改善措施： • 翻动，拨火——减少物料外表面的灰层。 • 增加物料在炉内的停留时间。
三、燃烧结果 在整个燃烧阶段，燃烧结果至少有以下三种可能的情况： ①废物的主要部分很可能在一级燃烧室就很容易被氧化或被全部破坏，或者一部分废物在一级燃烧室被热解，在第二燃烧室或后燃室达到完全焚烧。 ②很少一部分废物由于某些原因，在焚烧过程中逃逸而未被销毁，或只有部分销毁。 ③废物组分可能会产生一些中间产物，如某些不完全燃烧的排放物。这些中间产物可能比原废物更有害。
三、影响固体物质焚烧的因素 焚烧四大控制参数 • 气体停留时间——废物在焚烧炉内发生氧化、燃烧，使有害物质变成无害物质所需的时间。 • 焚烧温度——废物中有害组分在高温下氧化、分解直至破坏所须达到的温度。 • 搅拌混合程度 • 过剩空气率
四、固体废物焚烧的产物 可燃的固体废物基本是有机物，由大量的碳、氢、氧及少量氮、硫、磷和卤素等元素，焚烧过程中与空气中氧反应，生成各种氧化物或部分元素的氢化物。主要有： 有机碳——CO2 H——H2O，有F或Cl存在时可能有HF、HCl 有机硫和有机磷——SO2、SO3、P2O5 有机氮——N2为主，少量氮氧化物 有机氟化物——HF，氢不足会出现CF4、COF2（需添加助燃料） 有机氯——氯化氢（氢气不足有游离氯气产生） 有机溴化物、碘化物——HBr、Br2、I2 金属——卤化物、硫酸盐、磷酸盐、碳酸盐、氢氧化物和氧化物
有害有机废物焚烧后要求达到的三个标准 a)主要有害有机组成（POHC）的破坏去除率（DRE）要达到99.99%以上。 b)HCl的排放量应符合从焚烧炉烟囱排出的HCl量在进入洗涤设备之前小于1.8kg/h，若达不到该要求，则经过洗涤设备除去HCl的最小洗涤率应为99.0%。 c)烟囱的排放颗粒物应控制在183mg/m3，空气过量率为50%。如果空气过量率大于或小于50%，应折算成50%的排放量。
一、烟气组成 • 烟气中的主要成分：CO2、H2O、O2、N2，占烟气容积的99%，属无害成分。 • 烟气中的有害成分主要是：CO、NOx、H2S、HCl以及一些具有特殊气味的有机有害气体，如饱和烃和不饱和烃、烃类氧化物、卤代烃类、芳香族类物质等，包括多氯二苯二恶英. • 固体颗粒物：主要是碳黑、一些金属和盐类经蒸发凝聚而成的粉尘。
三.垃圾焚烧烟气的特性垃圾焚烧产生的烟气与其他燃料燃烧所产生的烟气在组成上相差较大，同其他烟气相比，垃圾焚烧烟气的特点是HCl和O2浓度特别高，粉尘中的盐分（氯化物和硫酸盐）特别高。三.垃圾焚烧烟气的特性垃圾焚烧产生的烟气与其他燃料燃烧所产生的烟气在组成上相差较大，同其他烟气相比，垃圾焚烧烟气的特点是HCl和O2浓度特别高，粉尘中的盐分（氯化物和硫酸盐）特别高。
1.二恶英的定义 • 二恶英(dioxins,简称DXN)——是指一类具有某种类似的化学结构且生物作用方式基本相同的化合物。 • 是一类多氯代三环芳烃类化合物的统称。 • 氯代二苯并二恶英(CDDs),有75种同类物; • 氯代二苯并呋喃(CDFs),有135种同类物; • 多氯联苯(PCBs),有209种同类物。 • 在这419种化合物中只有30种属于二恶英类化合物,其中多氯二苯二恶英(PCDDs)7种，多氯二苯呋喃(PCDFs)10种，多氯联苯(PCBs)13种。其中研究最多、毒性最强的化合物是2,3,7,8-TCDD。
3.二恶英的化学特性 • 二恶英在常温下呈固态,熔点为303～305℃。 • 容易生成的温度是180～400℃． • 一般在705℃以下非常稳定，705℃以上开始分解，不易燃烧； • 酸碱环境中稳定; • 难溶于水,常温下水中溶解度仅为7.2×10-6ｍｇ/ｌ; • 易溶于二氯苯，常温下在二氯苯中溶解度高达1400ｍｇ/ｌ,故二恶英易溶于脂肪，会在身体内积累，并难以排除。 • 附着于土壤的能力非常强，不易渗出，污染地下水的可能性很小；在土壤中的半衰期至少在1年以上。意大利的塞维招（Seveso）＿二恶英污染事件发生10年后，在被污染过的土壤中仍然残存有二恶英； • 在人体中的半衰期至少为7年，人体吸收的二恶英很难排除体外
一般来说，垃圾焚烧中二恶英的形成有下列途径： 垃圾中自身含有的二恶英类物质，大部分在高温燃烧时得以分解，但由于二恶英具有热稳定性，仍会有一部分在燃烧以后排放出来； 垃圾在燃烧过程中形成的含氯前驱体，如氯苯、氯酚、聚氯酚类物质（PCBs）通过重排、脱氯或其它分子反应等过程会生成二恶英,这部分二恶英在高温燃烧条件下大部分也会被分解。 小分子碳氢化合物通过聚合和环化形成多环烃化合物（PAH），这些化合物和氯反应形成二恶英； 在较低温度下（３００～５００℃），二恶英前驱体在飞灰催化作用——遇适量的触媒物质（主要为重金属,特别是铜等）,则在高温燃烧中已经分解的二恶英将会重新生成。 焚烧炉尾部净化温度在200～300 ℃下，HCl和单质氯在飞灰催化作用下与碳氢化合物反应生成二恶英。 7.垃圾焚烧厂中二恶英的生成途径
8.二恶英的生成机理（1） 目前被学术界基本接受的几种二恶英生成机理如下: • 直接释放机理：燃烧含有微量二恶英的固体废物,在未充分完全燃烧的条件下,其排出的烟气中必然含有残留的二恶英。 • 重新合成：反应载体为大分子的碳结构,包括:活性炭、碳、煤灰、焦炭、残留碳、飞灰等,这些反应载体在催化剂(主要是铜族化合物)作用下反应,生成二恶英。 (1)大分子的碳结构的边缘,以并列方式进行氯化反应,产生邻位氯代基的碳结构; (2)氧化破坏碳结构,进行重组生成二恶英; (3)在活性碳表面进行氧化降解(氧化铜为主要催化剂),产生芳香族氯化物(二恶英的中间产物);
8.二恶英的生成机理（2） • 前驱物的异相催化反应机理：发生在飞灰表面的异相催化反应,反应物质为有机小分子,其中包括:脂肪族(如丙烯)、单环无官能团芳香族(如苯)、单环官能团芳香族(如苯甲酸、甲苯、苯酚等)、氯芳香族(如氯酚、氯苯等)。 1)主要碳结构的降解作用,形成小分子物质,然后反应产生二恶英; 2)凝结两个前驱物,形成中间产物,再进行分子间的环化作用,形成二恶英。
9.影响二恶英生成的因素 • 碳源 • 氯源 • 温度 • 催化剂 • 氧 • 水 • 反应时间
10.焚烧厂二恶英防治措施(1) l）控制燃烧温度：二恶英的最佳生成温度为300℃，但是在400℃以上时，仍然有二恶英生成的可能。当温度达到900—1000℃时，二恶英将无法生成。因此，维持燃烧温度高于 1000 ℃是防止二恶英生成的首要条件； 2）提高燃烧效率：因为二恶英的生成与燃烧效率有直接的关系，CO中的碳可能参与二恶英的生成反应。因此，供氧充足，减少CO的生成，可以间接地减少二恶英的生成；烟气中比较理想的CO浓度指标是低于60mg/m3, O2浓度不少于6%,在炉膛及二次燃烧室内的停留时间不小于2s; 3）加强烟道气温度控制：一般新建的大型垃圾焚烧厂都有废热回收系统，烟道气自燃烧室进入该系统后，温度将逐渐降低至250—350℃左右，而此温度范围又恰巧是：二恶英生成反应（DeNovo合成反应）的最佳区域，因此，必须将焚烧炉出来的烟气在短时间内骤降至150℃以下，以确保有效遏止二恶英的再生成；
10.焚烧厂二恶英防治措施(2) • 化学加药：向烟道中喷入NH3或喷入CaO等吸收HCI，以抑制前驱物质的生成。 • 选用新型袋式除尘器,控制除尘器入口处的烟气温度低于200℃,并在进入袋式除尘器的烟道上设置活性碳等反应剂的喷射装置,进一步吸附二恶英; • 在生活垃圾焚烧厂中设置先进、完善和可靠的全套自动控制系统,使焚烧和净化工艺得以良好执行; • 通过分类收集或预分拣控制生活垃圾中氯和重金属含量高的物质进入垃圾焚烧厂; • 由于二恶英可以在飞灰上被吸附或生成,所以对飞灰应用专门容器收集后作为有毒有害物质送安全填埋场进行无害化处理,有条件时可以对飞灰进行低温（300～400℃）加热脱氯处理,或熔融固化处理后再送安全填埋场处置,以有效地减少飞灰中二恶英的排放。
Ⅱ、恶臭 1.恶臭（stench）的定义 垃圾厌氧发酵和有机物不完全燃烧产生的。多为有机硫化物或氮化物。 恶臭污染物——是指一切刺激嗅觉器官引起人们不愉快及损害生活环境的气体物质。从广义上说,我们把散发在大气中的一切有味物质统称为恶臭气体。 2.恶臭的危害 恶臭属于感觉公害,直接作用于嗅觉,给人们造成危害。轻者给人以不愉快的感觉;重者使人呼吸困难,恶心呕吐,流泪,甚至会引起中毒。其中有些是三致物质，有些会影响神经系统和造血系统，有些则会引起机体的变态反应。
3.恶臭的产生和组成 产生：未完全燃烧 一是含硫化合物,如硫化氢、硫醇类、硫醚类等; 二是含氮的化合物,如氨、胺类、酰胺、吲哚类等; 三是卤素及其衍生物,如氯气、卤代烃等; 四是烃类,如烷烃、烯烃、炔烃、芳香烃等; 五是含氧的有机物,如酚、醇、醛、酮、有机酸等。 4.恶臭的防治
Ⅲ.粉尘 粉尘——焚烧烟气中的粉尘（颗粒物）是垃圾焚烧过程中产生的微小无机颗粒物质。 • 物理原因产生的粉尘——燃烧空气卷起的微小不燃物，可燃物的灰分等。发生不完全燃烧时，未燃碳分、纸灰等也会成为粉尘的一部分。 • 热化学反应产生的粉尘——高温燃烧室内氮化的盐类，在烟气冷却后凝结成盐颗粒。
四、炉渣和飞灰 焚烧过程产生的灰渣（炉渣和飞灰）一般为无机物质，他们主要是金属的氧化物、氢氧化物和碳酸盐、硫酸盐以及硅酸盐。
焚烧灰渣是判定焚烧炉运行正常与否的最有力的数据，通过测定焚烧灰渣热灼减量，可以推算焚烧的完成状况。焚烧灰渣是判定焚烧炉运行正常与否的最有力的数据，通过测定焚烧灰渣热灼减量，可以推算焚烧的完成状况。 • 炉渣分类——按焚烧温度 • 焚烧残渣：1000以下焚烧炉、热分解炉产生的残渣。 • 烧结残渣：1500高温焚烧炉排出的熔融状态的残渣。 • 炉渣的利用 1）焚烧残渣回收金属、玻璃等（美国、苏联） 2）烧结残渣作为混凝土骨料 或与粘土结合制红砖（日）
第四节 固体废物焚烧系统 一、焚烧处理的典型流程（见图4-2） 二、垃圾焚烧厂概况 三、焚烧设备
二、垃圾焚烧厂概况 1.垃圾处理厂组成 • 储存及进料系统——垃圾储坑、抓斗、进料斗、故障排除及监视系统。（破碎机） • 焚烧系统——燃烧室、炉床 • 废热回收系统——锅炉路管、过热器、节热器、蒸汽导管安全阀、炉管吹灰设备等。 • 发电系统——发电机 • 饲水处理系统——饲水处理站 • 废水处理系统——废水处理站 • 废气处理系统——静电集尘器/滤袋集尘器、湿式洗烟塔/干式或半干式洗烟塔 • 灰渣收集及处理系统——固化底灰和飞灰。 2.垃圾焚烧厂的组成设备图（图4-3）及垃圾焚烧系统组成图（图4-4）
