西農(nóng)林固體廢物處理與利用課件第4章固體廢物資源化技術(shù) 第3節(jié) 固體廢物的熱轉(zhuǎn)化技術(shù)

第三節(jié)固體廢物的熱轉(zhuǎn)化技術(shù)固體廢物熱轉(zhuǎn)化就是在高溫條件下使固體廢物中可回收利用的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為能源的過程，主要包括熱解、焚燒等技術(shù)，特別適合有機(jī)固體廢物的資源化。一、固體廢物的熱解技術(shù)熱解(pyrolysis)是指將有機(jī)物在無氧或缺氧狀態(tài)下進(jìn)行加熱蒸餾，使有機(jī)物產(chǎn)生裂解，經(jīng)冷凝后形成各種新的氣體、液體和固體，從中提取燃料油、油脂和燃料氣的過程。(一)熱解原理熱解在工業(yè)上也稱為干餾，是利用有機(jī)物的熱不穩(wěn)定性，在無氧或缺氧條件下，使有機(jī)物受熱分解成分子量較小的可燃?xì)狻⒁簯B(tài)油、固體燃料的過程。即：

無O2或缺O(jiān)2有機(jī)固體廢物+熱量可燃?xì)?液態(tài)油+固體燃料+爐渣1、熱解過程在熱解過程中，其中間產(chǎn)物存在兩種變化趨勢：由大分子變成小分子直至氣體的裂解過程；由小分子聚合成較大分子的聚合過程。分解是從脫水開始的：如兩分子苯酚聚合脫水；其次是脫甲基或脫氫、生成水與架橋部分的分解次甲基鍵進(jìn)行反應(yīng)生成CO和H2。溫度再高時(shí)，生成的芳環(huán)化合物再進(jìn)行裂解、脫氫、縮合、氫化等反應(yīng)。反應(yīng)沒有明顯的階段性，許多反應(yīng)是交叉進(jìn)行的，熱解總的反應(yīng)方程式可表示為：有機(jī)固體廢物加熱高中分子有機(jī)液體（焦油和芳香烴）+低分子有機(jī)液體+多種有機(jī)酸和芳香烴+炭渣+CH4+H2+H2O+CO+CO2+NH3+H2S+HCN2、熱解產(chǎn)物可燃?xì)庵饕–1-5的烴類、氫和CO氣體；液態(tài)油主要包括甲醇、丙酮、乙酸、C25的烴類等液態(tài)燃料。固體燃料主要含純碳和聚合高分子的含碳物。廢物類型不同，熱解反應(yīng)條件不同，熱解產(chǎn)物有差異。但產(chǎn)生可燃?xì)饬看螅貏e是溫度較高情況下，廢物有機(jī)成分的50%以上都轉(zhuǎn)化成氣態(tài)產(chǎn)物。熱解后，減容量大，殘余碳渣較少。3、熱解過程控制（1）溫度變化對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)量、成分比例有較大的影響。是最重要的控制參數(shù)。在較低溫度下，油類含量相對(duì)較多。隨著溫度升高，許多中間產(chǎn)物也發(fā)生二次裂解，C5以下分子及H2成分增多，氣體產(chǎn)量與溫度成正比增長，各種有機(jī)酸、焦油、碳渣相對(duì)減少。氣體成分：溫度升高，脫氫反應(yīng)加劇，H2含量增加，C2H4、C2H6減少；低溫時(shí)，CO2、CH4等增加，CO減少。高溫階段，CO逐漸增加。（2）加熱速率對(duì)產(chǎn)品成分比例影響較大。一般，在較低和較高的加熱速率下熱解產(chǎn)品氣體含量高。（3）廢料在反應(yīng)器中的保溫時(shí)間決定了物料分解轉(zhuǎn)化率。保溫時(shí)間長，分解轉(zhuǎn)化率高，熱解充分，但處理量少；保溫時(shí)間短，

則熱解不完全，但處理量高。（4）廢物成分：有機(jī)物成分比例大，熱值高，可熱解性較好，產(chǎn)品熱值高，可回收性好，殘?jiān)?；含水率低，干燥耗熱少，升溫到工作溫度時(shí)間短；較小的顆粒尺寸促進(jìn)熱量傳遞，保證熱解過程的順利進(jìn)行。（5）反應(yīng)器類型：一般固定燃燒床處理量大，而流態(tài)燃燒床溫度可控性好。氣體與物料逆流行進(jìn)，轉(zhuǎn)化率高，順流行進(jìn)可促進(jìn)熱傳導(dǎo)，加快熱解過程。（二）熱解工藝分類一個(gè)完整的熱解工藝包括進(jìn)料系統(tǒng)、反應(yīng)器、回收凈化系統(tǒng)、控制系統(tǒng)幾個(gè)部分。其中，反應(yīng)器部分是整個(gè)工藝的核心，熱解過程在其中發(fā)生，其類型決定了整個(gè)熱解反應(yīng)的方式以及熱解產(chǎn)物的成分。1、按反應(yīng)器的類型可分為：固定床反應(yīng)器、流化態(tài)燃燒床反應(yīng)器、反向物流可移動(dòng)床反應(yīng)器等。2、按供熱方式的分類：(1)直接加熱法：供給被熱解物的熱量是被熱解物部分直接燃燒或者向熱解反應(yīng)器提供補(bǔ)充燃料時(shí)所產(chǎn)生的熱。(2)間接加熱法：是將被熱解的物料與直接供熱介質(zhì)在熱解反應(yīng)器（或熱解爐）中分離開來的一種方法。可利用干墻式導(dǎo)熱或一種中間介質(zhì)來傳熱（熱砂料或熔化的某種金屬床層）。3、在實(shí)際生產(chǎn)中的分類方法（1）按照生產(chǎn)燃料的目的分：①熱解造油：一般采用500℃以下的溫度，在隔氧條件下使有機(jī)物裂解，生成燃油。②熱解造氣：將有機(jī)物在較高溫度下轉(zhuǎn)變成氣體燃料，通過對(duì)反應(yīng)溫度、加熱時(shí)間及氣化劑的控制，產(chǎn)生大量的可燃?xì)猓?jīng)凈化回收裝置加以利用或貯存于罐內(nèi)。（2）按熱解過程控制條件分①高溫分解：固體有機(jī)廢物在絕氧的條件下加熱分解的過程，是一種嚴(yán)格意義上的熱解過程。②氣化：指供給一定量空氣、氧、水蒸氣進(jìn)入反應(yīng)器，使有機(jī)廢物部分燃燒，整個(gè)熱解過程可以自動(dòng)連續(xù)進(jìn)行，而無需外熱供應(yīng)。氣化過程產(chǎn)物中氣體成分比例大，但熱值相對(duì)較低。（三）熱解反應(yīng)器1、固定床反應(yīng)器（固定燃燒床反應(yīng)器）熱量由廢物燃燒部分燃燒所提供；逆流式物流方向，停留時(shí)間長，保證了廢物最大程度地轉(zhuǎn)換成燃料；因氣體流速相應(yīng)較低，產(chǎn)生氣體中夾帶的顆粒物質(zhì)也比較少，減少了對(duì)空氣污染的潛在影響。但存在一些技術(shù)難題，如有粘性的燃料需要進(jìn)行預(yù)處理；使其燃燒時(shí)不結(jié)成餅狀。由于反應(yīng)器內(nèi)氣流為上行式，溫度低，含焦油等成分多，易堵塞氣化部分管道。典型的固定燃燒床反應(yīng)器2、流化床反應(yīng)器（流態(tài)化燃燒床反應(yīng)器）在流化床中，氣體與燃料同流向相接觸；反應(yīng)器中氣體流速高到可以使顆粒懸浮，使得固體廢物顆粒分散，反應(yīng)性能更好，速度快。此工藝要求廢物顆粒本身可燃性好；溫度應(yīng)控制在避免灰渣熔化的范圍內(nèi)，以防灰渣融熔結(jié)塊。

適應(yīng)于含水量高或波動(dòng)較大的廢物燃料，且設(shè)備尺寸比固定床小，但熱損失大，氣體中帶走大量的熱量和較多地未反應(yīng)的固體燃料粉末。3、旋轉(zhuǎn)窯旋轉(zhuǎn)窯是一種間接加熱的高溫分解反應(yīng)器。其主要設(shè)備為一個(gè)稍微傾斜的圓筒，在它緩慢旋轉(zhuǎn)的過程中使廢料移動(dòng)通過蒸餾容器到卸料口。蒸餾容器由金屬制成，而燃燒室則是由耐火材料砌成。分解反應(yīng)所產(chǎn)生的氣體一部分在蒸餾器外壁與燃燒室內(nèi)壁之間的空間燃燒，這部分熱量用來加熱廢料。此類裝置要求廢物必須破碎較細(xì)，尺寸一般要小于5cm，以保證反應(yīng)進(jìn)行完全。4、雙塔循環(huán)式熱解反應(yīng)器包括固體廢物熱分解塔和固形炭燃燒塔。特點(diǎn)：將熱解與燃燒反應(yīng)分開在兩個(gè)塔中進(jìn)行。熱解所需的熱量，由熱解生成的固體炭或燃料氣在燃燒塔內(nèi)燃燒供給。惰性的熱媒體(砂)在燃燒爐內(nèi)吸收熱量并被流化氣鼓動(dòng)成流化態(tài)，經(jīng)聯(lián)絡(luò)管返回燃燒爐內(nèi)，再被加熱返回?zé)峤鉅t。二、固體廢物的焚燒處理技術(shù)被處理的廢物在焚燒爐內(nèi)與過量空氣進(jìn)行氧化燃燒反應(yīng)，廢物中的有害有毒物質(zhì)在800~1200℃的高溫下氧化、熱解而被破壞，燃燒產(chǎn)生的余熱用于供熱或發(fā)電，產(chǎn)生的廢渣作建材使用，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)廢物的無害化、減量化、資源化。適宜處理有機(jī)成分多、熱值高的廢物。(一)焚燒原理通常把具有強(qiáng)烈放熱效應(yīng)、有基態(tài)和電子激發(fā)態(tài)的自由基出現(xiàn)并伴有光輻射的化學(xué)反應(yīng)稱為燃燒。一般，可燃廢物可用CxHyOzNuSvClw表示，其完全燃燒的氧化反應(yīng)可表示為：CxHyOzNuSvClw+O2→CO2+H2O+NO2+SO2+HCl+余熱+灰渣實(shí)際燃燒過程中，通過加入足夠的氧氣、保持適當(dāng)溫度和反應(yīng)停留時(shí)間，控制燃燒反應(yīng)使之接近理論燃燒，不致產(chǎn)生有毒氣體。1、熱值計(jì)算熱值：單位質(zhì)量的固體廢物完全燃燒所放出的熱量，以kJ/kg或kcal/kg計(jì)，也稱為發(fā)熱量。一般情況下有害廢物的燃燒熱值需要18600kJ/kg。低于該值則需添加輔助燃料。粗(高位)熱值，HHV

:化合物在一定溫度下反應(yīng)到達(dá)最終產(chǎn)物的焓的變化。凈熱值(低位發(fā)熱量)，NHV:意義與粗熱值相同。不過粗熱值產(chǎn)物水為氣態(tài)。凈熱值產(chǎn)物水為液態(tài)。二者之差就是水的汽化潛熱。用氧彈熱量計(jì)測量的是高位發(fā)熱量。將粗熱值轉(zhuǎn)變成凈熱值可以通過下式計(jì)算：式中：WH2O—焚燒產(chǎn)物中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；WH、WCl、WF—廢物中氫、氯、氟含量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。若廢物的元素組成已知，可利用Dulong

方程式近似計(jì)算出低位熱值：若混合廢物中各組成物熱值已知，則可按下式計(jì)算出總熱值：焚燒后實(shí)際可利用熱量2、燃燒所需空氣量理論空氣量:根據(jù)廢物組分的氧化反應(yīng)方程式計(jì)算求得的空氣量。是廢物完全燃燒所需的最低空氣量，一般以A0表示。實(shí)際燃燒空氣量(A):

A=m·A0m為過?？諝庀禂?shù)，焚燒廢液、廢氣時(shí)，m=1.2~1.3；焚燒固體廢物時(shí)，m=1.5~1.9，有時(shí)在2以上，才能較完全燃燒。3、焚燒溫度焚燒溫度是指廢物中有害組分在高溫下氧化、分解直至破壞所需達(dá)到的溫度。當(dāng)燃燒系統(tǒng)處于絕熱狀態(tài)時(shí)，反應(yīng)物在經(jīng)化學(xué)反應(yīng)生成產(chǎn)物的過程中所釋放的熱量全部用來提高系統(tǒng)的溫度，系統(tǒng)最終所達(dá)到的溫度稱為理論燃燒溫度，也叫絕熱火焰溫度。單一燃料燃燒溫度可以根據(jù)化學(xué)反應(yīng)式及各物種的定壓比熱進(jìn)行推估。實(shí)際燃燒多采用較簡便的(半)經(jīng)驗(yàn)法進(jìn)行推估。由燃料性質(zhì)而定，應(yīng)考慮熱值、燃點(diǎn)、含水率綜合影響。4、焚燒停留時(shí)間指固體廢物從進(jìn)爐開始到焚燒結(jié)束爐渣從爐中排出所需的時(shí)間。包括燃燒室加熱至起燃與燃盡的時(shí)間之和。該時(shí)間受進(jìn)入燃燒室燃料的粒徑與密度的制約，粒徑越大，停留時(shí)間越長，而密度受粒徑的影響。為使燃燒停留時(shí)間縮短，投料前應(yīng)預(yù)先經(jīng)破碎處理。5、焚燒煙氣主要的污染物質(zhì)：（1）不完全燃燒產(chǎn)物(PIC)，碳?xì)浠衔锶紵涣籍a(chǎn)生的副產(chǎn)品，包括CO、炭黑、烴、有機(jī)酸及聚合物等；（2）粉塵，廢物中的惰性金屬鹽類、金屬氧化物或不完全燃燒物質(zhì)等；（3）酸性氣體，包括氯化氫及其他鹵化氫、SOx、NOx、H3PO4等；（4）重金屬污染物，包括鉛、汞、鉻等的元素態(tài)、氧化態(tài)和氯化物等；（5）有機(jī)污染物，主要為二惡英（PCDDs和PCDFs等）6、焚燒灰渣一般，灰渣的主要成分是金屬或非金屬的氧化物，俗稱礦物質(zhì)，其組成約為SiO235~40%、Al2O310~20%、Fe2O35~10%、CaO10~20%、MgO、Na2O、K2O各1~5%及少量的Zn、Cu、Pb、Cr等金屬及鹽類。減量化效果用減量比指標(biāo)來衡量，并用MRC表示：殘?jiān)胁豢扇嘉镔|(zhì)量=殘?jiān)鼰Я俊练贌龤堅(jiān)|(zhì)量殘?jiān)?00±25）℃3h灼燒后減少的質(zhì)量占原焚燒殘?jiān)|(zhì)量的百分?jǐn)?shù)。（二）焚燒過程從工程技術(shù)的觀點(diǎn)看，需焚燒的物料從送入焚燒爐起，到形成煙氣和固態(tài)殘?jiān)恼麄€(gè)過程，總稱為焚燒過程。它包括以下三個(gè)階段：1、干燥階段利用熱能使固體廢物中水分氣化并排出生成水蒸氣的過程。在此階段，物料的水分是以蒸汽形態(tài)析出的，因此需要吸收大量的熱量——水的汽化熱。廢物含水量越大，干燥階段越長，對(duì)爐內(nèi)溫度降低影響越大。水分過高，需投入輔助燃料；也可將干燥段與焚燒段分開。2、燃燒階段燃燒階段包括三個(gè)同時(shí)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)：強(qiáng)氧化反應(yīng)、熱解反應(yīng)和原子基團(tuán)碰撞反應(yīng)。（1）強(qiáng)氧化反應(yīng)固體廢物的直接燃燒反應(yīng)。（2）熱解焚燒過程不能提供足夠的氧而使固體廢物在高溫下發(fā)生的分解反應(yīng)。揮發(fā)分析出的溫度區(qū)間在200～800℃范圍內(nèi)；物料與溫度都會(huì)影響析出的成分和數(shù)量。（3）原子基團(tuán)碰撞形成火焰高溫下氣流富含(單、雙、多)原子基團(tuán)的電子能量躍遷，以及分子的旋轉(zhuǎn)和振動(dòng)產(chǎn)生量子輻射，包括紅外熱輻射、可見光以及波長更短的紫外線。

火焰性狀取決于溫度和氣流組成。通常溫度在1000℃左右就能形成火焰。廢物組分上的原子基團(tuán)碰撞，還易使廢物分解。3、燃盡階段生成固體殘?jiān)碾A段。特點(diǎn)：可燃物濃度減少，惰性物增加，氧化劑量相對(duì)較大，反應(yīng)區(qū)溫度降低。要改善燃盡階段的工況，一般常采用的措施如翻動(dòng)、撥火等辦法來有效地減少物料外表面的灰層，控制稍多一點(diǎn)的過?？諝饬浚黾游锪显跔t內(nèi)的停留時(shí)間等。燃燒過程的三個(gè)階段沒有界限，不同物料可能處于不同階段，同一物料的表面和內(nèi)部也可能處在不同的階段。三個(gè)階段僅是焚燒過程的必由之路，實(shí)際的過程更為復(fù)雜。（三）焚燒爐按燃燒方式分為：爐排型、爐床型、沸騰流化床。1、爐排型焚燒爐

將廢物置于爐排上進(jìn)行焚燒的爐子，有固定爐排和活動(dòng)爐排兩種焚燒爐固定爐排：只能手工操作、間歇運(yùn)行，勞動(dòng)條件差、效率低，撥料不充分時(shí)焚燒不徹底。只適用于焚燒少量的易燃性廢物。實(shí)際應(yīng)用較多的是活動(dòng)式爐排焚燒爐，即機(jī)械爐排焚燒爐?；顒?dòng)式爐排有：（1）并列搖動(dòng)式一系列扇形爐排有規(guī)律地橫排在爐體中。爐排上下運(yùn)動(dòng)，使物料向前運(yùn)動(dòng)，對(duì)固體廢物適應(yīng)性強(qiáng)，可用以含水量較高的垃圾和以表面與分解燃燒形態(tài)為主的固體廢物燃燒。（2）逆動(dòng)式爐排長度固定、寬度可依爐床所需面積進(jìn)行調(diào)整，可由數(shù)個(gè)爐床橫向組合而成。固定爐條和可動(dòng)爐條交錯(cuò)配置，可動(dòng)爐條逆向移動(dòng)，廢物因重力而滑落。大型垃圾焚燒。（3）臺(tái)階式為傾斜床面，其中固定和可動(dòng)爐排縱向交錯(cuò)配置，有階段落差。（4）履帶式爐排由連續(xù)不斷地運(yùn)動(dòng)著的履帶組成。較少使用。（5）滾筒式爐排為5~7個(gè)圓筒形滾輪，成傾斜排列，相鄰圓桶間旋轉(zhuǎn)方向相反，有獨(dú)立的一次空氣導(dǎo)管，由圓桶底部經(jīng)滾筒表面的送氣孔到達(dá)廢物層。2、爐床型焚燒爐采用爐床盛料，燃燒在爐床上物料表面進(jìn)行，適于處理顆粒小或粉末狀固體廢物以及泥漿狀廢物，分為固定爐床和活動(dòng)爐床兩大類。（1）固定爐床－多段爐又叫多膛爐或機(jī)械爐，是一種有機(jī)械傳動(dòng)裝置的多膛焚燒爐，可以長期連續(xù)運(yùn)行、可靠性相當(dāng)高的焚燒裝置，廣泛應(yīng)用于污泥的焚燒處理。缺點(diǎn)：機(jī)械設(shè)備較多，需要較多維修與保養(yǎng)；需要二次燃燒除臭。固定床。（2）活動(dòng)爐床－旋轉(zhuǎn)窯焚燒