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1、(1) 热处理过程定义：在设备中以高温分解和深度氧化为主要手段热处理过程定义：在设备中以高温分解和深度氧化为主要手段, ,通过改变通过改变 废物的化学、物理或生物特性和组成来处理固体废物的过程。废物的化学、物理或生物特性和组成来处理固体废物的过程。 无论是城市垃圾中的有机物还是其他的有机废物，均可采用各种热处理方法无论是城市垃圾中的有机物还是其他的有机废物，均可采用各种热处理方法 去解决。去解决。7.1 概述概述7 固体废物热处理技术固体废物热处理技术(2) (2) 热处理技术种类热处理技术种类 焚烧焚烧 是一种最常用的热处理工程技术，它用加热氧化作用使有机物转换成无机废物，是一种最常用的热处
2、理工程技术，它用加热氧化作用使有机物转换成无机废物，同时减少废物体积。一般来说，只有有机废物或含有机物的废物适合于焚烧。焚同时减少废物体积。一般来说，只有有机废物或含有机物的废物适合于焚烧。焚烧缩减了废物的体积，完全灭绝了有害细菌和病毒的污染物，破坏了有毒的有机烧缩减了废物的体积，完全灭绝了有害细菌和病毒的污染物，破坏了有毒的有机化合物，提供了废热的利用。化合物，提供了废热的利用。 热解热解 是在氧气不足或无氧的气氛中进行的热处理过程，经过热解的有机化合物发生降是在氧气不足或无氧的气氛中进行的热处理过程，经过热解的有机化合物发生降解，产生多种次级产物形成可燃物，包括可燃气体、有机液体和固体残渣
3、等。解，产生多种次级产物形成可燃物，包括可燃气体、有机液体和固体残渣等。7.1 概述概述7 固体废物热处理技术固体废物热处理技术热解（热解（pyrolysispyrolysis）是物料在氧气不足的气氛中燃烧，并由此产生的热作用而引）是物料在氧气不足的气氛中燃烧，并由此产生的热作用而引起的化学分解过程。因此，也可将其定义为破坏蒸馏、干馏或炭化过程。热解技起的化学分解过程。因此，也可将其定义为破坏蒸馏、干馏或炭化过程。热解技术也称为热分解技术或裂解技术。术也称为热分解技术或裂解技术。关于热解的较严格而经典的定义是：关于热解的较严格而经典的定义是：“在不同反应器内通入氧、水蒸气或加热的在不同反应器内
4、通入氧、水蒸气或加热的一氧化碳的条件下，通过间接加热使含碳有机物发生热化学分解生成燃料（气体、一氧化碳的条件下，通过间接加热使含碳有机物发生热化学分解生成燃料（气体、液体和炭黑）的过程。液体和炭黑）的过程。”根据这一定义，严格讲来，凡通过部分燃烧热解产物以根据这一定义，严格讲来，凡通过部分燃烧热解产物以直接提供热解所需热量者，不得称为热解而应称做部分燃烧或缺氧燃烧。关于这直接提供热解所需热量者，不得称为热解而应称做部分燃烧或缺氧燃烧。关于这方面的问题，目前尚无统一的解释。方面的问题，目前尚无统一的解释。热分解：热气化和热裂解热分解：热气化和热裂解热解技术已作为一种传统的工业化作业，大量应用于木
5、材、煤炭、重油、油母页热解技术已作为一种传统的工业化作业，大量应用于木材、煤炭、重油、油母页岩等燃料加工处理。例如，木材通过热解干馏可得到木炭；以焦煤为主要成分通岩等燃料加工处理。例如，木材通过热解干馏可得到木炭；以焦煤为主要成分通过煤的热解炭化可得到焦炭；以气煤、半焦等为原料通过热解气化可得到煤气；过煤的热解炭化可得到焦炭；以气煤、半焦等为原料通过热解气化可得到煤气；还有重油，也可进行热解进行气化处理；而油母页岩的低温热解干馏则可得到液还有重油，也可进行热解进行气化处理；而油母页岩的低温热解干馏则可得到液体燃料产品。在以上诸多工艺中，要以焦炉热解炭化制造焦炭技术的应用最为广体燃料产品。在以上
6、诸多工艺中，要以焦炉热解炭化制造焦炭技术的应用最为广泛而且成熟。泛而且成熟。热分解：热气化和热裂解热分解：热气化和热裂解对于城市固体废物进行的热解技术研究，直到对于城市固体废物进行的热解技术研究，直到2020世纪世纪6060年代才开始引起关注和重年代才开始引起关注和重视，到了其后的视，到了其后的7070年代初期，固体废物的热解处理才达到实际应用。固体废物经年代初期，固体废物的热解处理才达到实际应用。固体废物经过此种热解处理除可得到便于贮存和运输的燃料及化学产品外，在高温条件下所过此种热解处理除可得到便于贮存和运输的燃料及化学产品外，在高温条件下所得到的炭渣还会与物料中某些无机物与金属成分构成硬
7、而脆的惰性固态产物。得到的炭渣还会与物料中某些无机物与金属成分构成硬而脆的惰性固态产物。热分解：热气化和热裂解热分解：热气化和热裂解热分解：热气化和热裂解热分解：热气化和热裂解热解产物的产量及成分与热解原料成分、热解温度、加热速率和反应时间等参数热解产物的产量及成分与热解原料成分、热解温度、加热速率和反应时间等参数有关。以城市垃圾为流，其热解产品成分随热解温度不同而异。有关。以城市垃圾为流，其热解产品成分随热解温度不同而异。1 1 可燃性气体可燃性气体 可燃性气体按产物中所含成分的数量多少排序为：可燃性气体按产物中所含成分的数量多少排序为：H H2 2、COCO、CHCH4 4和和其他少量高分
8、子碳氢化合物气体。这种气体混合物是一种很好的燃料，其热值可其他少量高分子碳氢化合物气体。这种气体混合物是一种很好的燃料，其热值可达达6390639010230kJ/kg10230kJ/kg固体废物，在热解过程中维持分解过程连续进行所需要的热固体废物，在热解过程中维持分解过程连续进行所需要的热量约为量约为2560kJ/kg2560kJ/kg固体废物，剩余的气体变成热解过程中有使用价值的产品。固体废物，剩余的气体变成热解过程中有使用价值的产品。2 2 有机液体有机液体 有机液体是一复杂的化学混合物常称为焦木酸（即木醋酸），此外有机液体是一复杂的化学混合物常称为焦木酸（即木醋酸），此外尚有焦油和其他
9、高分子烃类油等，也都是使用有价值的燃料。尚有焦油和其他高分子烃类油等，也都是使用有价值的燃料。3 3 固体残渣固体残渣 主要是炭黑。炭渣是轻质碳素物质，其发热值约为主要是炭黑。炭渣是轻质碳素物质，其发热值约为12.812.821.7MJ.kg21.7MJ.kg，含硫量很低，这种炭渣在制成煤球后也是一种好燃料。，含硫量很低，这种炭渣在制成煤球后也是一种好燃料。热分解：热气化和热裂解热分解：热气化和热裂解实践证明，热解处理是一种有发展前景的固体废物处理方法。其工艺适宜于包括实践证明，热解处理是一种有发展前景的固体废物处理方法。其工艺适宜于包括城市垃圾、污泥、废塑料、废树脂、废橡胶等工业以及农林废物
10、、人畜粪便等在城市垃圾、污泥、废塑料、废树脂、废橡胶等工业以及农林废物、人畜粪便等在内的具有一定能量的有机固体废物采用。内的具有一定能量的有机固体废物采用。随着各国经济生活的不断改善，城市垃圾中的有机物含量越来越多，其中废塑料随着各国经济生活的不断改善，城市垃圾中的有机物含量越来越多，其中废塑料等高热值废物的增加尤为明显。城市垃圾中的废塑料成不不仅会在焚烧过程中产等高热值废物的增加尤为明显。城市垃圾中的废塑料成不不仅会在焚烧过程中产生炉膛局部过热，从而造成炉排及耐火衬里的烧损，同时也是二生炉膛局部过热，从而造成炉排及耐火衬里的烧损，同时也是二噁噁英等的主要发英等的主要发生源。由于各国对焚烧过程
11、中二生源。由于各国对焚烧过程中二噁噁英排放限制的严格化，废塑料的焚烧处理越来英排放限制的严格化，废塑料的焚烧处理越来越成为关注的焦点问题，在此背景下，废塑料的热解处理技术已成为各国研究开越成为关注的焦点问题，在此背景下，废塑料的热解处理技术已成为各国研究开发的热点。发的热点。7.2.1 7.2.1 焚烧技术的定义及特点焚烧技术的定义及特点 焚烧技术的定义焚烧技术的定义固体废物的焚烧（固体废物的焚烧（incerationinceration或或bustionbustion）是一种高温热处理技术，即以一定量）是一种高温热处理技术，即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化燃烧反应，废
12、物中的有害物的过剩空气与被处理的有机废物在焚烧炉内进行氧化燃烧反应，废物中的有害物质在高温下氧化、热解而被破坏，是一种可实现废物减量化的处理技术，其产物质在高温下氧化、热解而被破坏，是一种可实现废物减量化的处理技术，其产物主要是主要是COCO2 2和水。焚烧法不但可以处理固体废物，而且还可以处理液体废物和气和水。焚烧法不但可以处理固体废物，而且还可以处理液体废物和气体废物；不但可以处理城市垃圾和一般工业废物，而且可以用于处理危险废物；体废物；不但可以处理城市垃圾和一般工业废物，而且可以用于处理危险废物；危险废物中的有机固态、液态和气态废物，常用焚烧来处理、在采用焚烧技术处危险废物中的有机固态、
13、液态和气态废物，常用焚烧来处理、在采用焚烧技术处理城市生活垃圾时，也常将垃圾焚烧处理前暂时贮存过程中产生的渗滤液和臭气理城市生活垃圾时，也常将垃圾焚烧处理前暂时贮存过程中产生的渗滤液和臭气引入焚烧炉进行焚烧处理。引入焚烧炉进行焚烧处理。7.2 焚烧技术焚烧技术7.2.1 7.2.1 焚烧技术的定义及特点焚烧技术的定义及特点焚烧技术的特点焚烧技术的特点焚烧技术的最大优点在于大大减少了需最终处置的废物量，具有减容作用、去毒焚烧技术的最大优点在于大大减少了需最终处置的废物量，具有减容作用、去毒作用、能量回收作用；另外，还具有副产品、化学物质回收及资源回收等优点。作用、能量回收作用；另外，还具有副产品
14、、化学物质回收及资源回收等优点。焚烧技术的缺点主要有费用昂贵、操作复杂、严格；要求工作人员技术水平高；焚烧技术的缺点主要有费用昂贵、操作复杂、严格；要求工作人员技术水平高；产生二次污染物如产生二次污染物如SOSO2 2、NOxNOx、HClHCl、二、二噁噁英和焚烧飞灰等。英和焚烧飞灰等。7.2 焚烧技术焚烧技术 焚烧技术的特点焚烧技术的特点焚烧技术在处理城市垃圾方面得到广泛的应用，是因为它有许多独特的优点：焚烧技术在处理城市垃圾方面得到广泛的应用，是因为它有许多独特的优点：1 1 垃圾经焚烧处理后，垃圾中的病原体被彻底消灭，燃烧过程中产生的有害气体垃圾经焚烧处理后，垃圾中的病原体被彻底消灭，
15、燃烧过程中产生的有害气体 和烟尘经处理后达到排放要求；和烟尘经处理后达到排放要求；2 2 经过焚烧，垃圾中的可燃成分被高温分解后，一般可减重经过焚烧，垃圾中的可燃成分被高温分解后，一般可减重60 - 70%60 - 70%和减容和减容80 80 90% 90%以上，减量效果好，可节约大量埴埋场占地；以上，减量效果好，可节约大量埴埋场占地；3 3 垃圾焚烧所产生的高温烟气，其热能被废热锅炉吸收转变为蒸汽，用来供热或垃圾焚烧所产生的高温烟气，其热能被废热锅炉吸收转变为蒸汽，用来供热或 发电，垃圾被作为能源来利用，还可回收铁磁性金属等资源；发电，垃圾被作为能源来利用，还可回收铁磁性金属等资源；4 4
16、 垃圾焚烧厂占地面积小，尾气经净化处理后污染较小，可以靠近市区建厂。既垃圾焚烧厂占地面积小，尾气经净化处理后污染较小，可以靠近市区建厂。既 节约用地又缩短了垃圾的运输距离，对于经济发达的城市，尤为重要；节约用地又缩短了垃圾的运输距离，对于经济发达的城市，尤为重要；5 5 焚烧处理可全天候操作，不受天气影响；焚烧处理可全天候操作，不受天气影响；6.6.随着城市垃圾填埋的环境措施要求随着城市垃圾填埋的环境措施要求, , 焚烧法的操作费用可望低于填埋焚烧法的操作费用可望低于填埋? ?7.2.2 焚烧技术的发展焚烧技术的发展焚烧的实践应用起源于火的发现和可燃性物质的产生，现代垃圾焚焚烧的实践应用起源于
17、火的发现和可燃性物质的产生，现代垃圾焚烧技术的历史可以追溯到烧技术的历史可以追溯到19实际的英国和美国，最早的固体焚烧装实际的英国和美国，最早的固体焚烧装置是置是1874年和年和1885年分别建于英国和美国的间歇式固定床垃圾焚烧年分别建于英国和美国的间歇式固定床垃圾焚烧炉。随后，德国（炉。随后，德国（1896）、法国（）、法国（1898）、瑞士（）、瑞士（1904）也相继建）也相继建成。成。20世纪初，欧美一些工业发达国家开始建造较大规模的连续式世纪初，欧美一些工业发达国家开始建造较大规模的连续式垃圾焚烧炉。垃圾焚烧炉。7.2.3 固体废物的焚烧特性固体废物的焚烧特性7.2.3.1 7.2.3
18、.1 固体废物的三组分固体废物的三组分固体废物的三组分，即水分、可燃分和灰分，是废物焚烧炉设计的关键因素。固体废物的三组分，即水分、可燃分和灰分，是废物焚烧炉设计的关键因素。 水分水分 水分含量是指干燥某固体废物样品时失去的质量，它与当地气候条件有密切关系。水分含量是指干燥某固体废物样品时失去的质量，它与当地气候条件有密切关系。水分含量是一个重要的燃料特性，因为物质含水率太高就无法点燃。与一般水分含量是一个重要的燃料特性，因为物质含水率太高就无法点燃。与一般燃料相比，家庭垃圾的水分含量高达燃料相比，家庭垃圾的水分含量高达40404040。不同地区的城市生活垃圾。不同地区的城市生活垃圾水分含量不
19、一样，例如：美国和西欧的城市垃圾含水率可达水分含量不一样，例如：美国和西欧的城市垃圾含水率可达25254040；日；日本和地中海的城市垃圾含水率可达本和地中海的城市垃圾含水率可达5050甚至更高，而无烟煤和烟煤的含水率甚至更高，而无烟煤和烟煤的含水率仅为仅为1.01.02.22.2和和3.53.512.412.4。 可燃分可燃分 通常，固体废物的可燃分包括挥发分和固定碳。挥发分定义为标准状态下加热通常，固体废物的可燃分包括挥发分和固定碳。挥发分定义为标准状态下加热废物所失去的质量分数，剩下部分为炭渣或固定碳。挥发分含量与燃烧时的废物所失去的质量分数，剩下部分为炭渣或固定碳。挥发分含量与燃烧时的
20、火焰有密切关系，焦炭和无烟煤含挥发分少，燃烧时没有火焰；相反，煤气火焰有密切关系，焦炭和无烟煤含挥发分少，燃烧时没有火焰；相反，煤气和烟煤挥发分含量高，燃烧产生很大的火焰。和烟煤挥发分含量高，燃烧产生很大的火焰。7.2.3 固体废物的焚烧特性固体废物的焚烧特性7.2.3.1 7.2.3.1 固体废物的三组分固体废物的三组分固体废物的三组分，即水分、可燃分和灰分，是废物焚烧炉设计的关键因素。固体废物的三组分，即水分、可燃分和灰分，是废物焚烧炉设计的关键因素。 灰分灰分 固体废物灰分成分的变化很大，多含有惰性物质，如玻璃和金属。一般说来，固体废物灰分成分的变化很大，多含有惰性物质，如玻璃和金属。一
21、般说来，灰分熔点介于灰分熔点介于1050105020002000化合物的溶化又是也会发生在低温阶段。化合物的溶化又是也会发生在低温阶段。根据固体废物三组分的定义，三组分之和在任何情况下都应为根据固体废物三组分的定义，三组分之和在任何情况下都应为100100，其关系可，其关系可以用一个三元关系图来表示（见图以用一个三元关系图来表示（见图7 72 2），在斜线覆盖区近似为不用辅助燃），在斜线覆盖区近似为不用辅助燃料而能维持燃烧的废物组分，在这个区域界限上或以外的区域，表示废物水料而能维持燃烧的废物组分，在这个区域界限上或以外的区域，表示废物水分太多或灰分含量太高，其燃烧必须掺加辅助燃料。分太多或灰
22、分含量太高，其燃烧必须掺加辅助燃料。7.2.3.2 7.2.3.2 固体废物的热值固体废物的热值生生活活垃垃圾圾的的热热值值是是指指单单位位质质量量的的生生活活垃垃圾圾燃燃烧烧释释放放出出来来的的热热量量，以以kJ/kgkJ/kg或或kcal/kgkcal/kg）计）计. .要使生活垃圾维持燃烧，就要求其燃烧释放出来的热量足以提供加热垃圾要使生活垃圾维持燃烧，就要求其燃烧释放出来的热量足以提供加热垃圾到达燃烧温度所需要的热量和发生燃烧反应所必须的活化能。否则，便要到达燃烧温度所需要的热量和发生燃烧反应所必须的活化能。否则，便要添加辅助燃料才能维持燃烧。添加辅助燃料才能维持燃烧。热值有两种表示法
23、，高位热值和低位热值。高位热值是指化合物在一定温热值有两种表示法，高位热值和低位热值。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。低位热值与高位热值的意义相同，只度下反应到达最终产物的焓的变化。低位热值与高位热值的意义相同，只是产物的状态不同。二者之差就是水的汽化潜热。是产物的状态不同。二者之差就是水的汽化潜热。7.2.3 固体废物的焚烧特性固体废物的焚烧特性用氧弹量热计测量的是高位热值。将高位热值转变成低位热值可以用氧弹量热计测量的是高位热值。将高位热值转变成低位热值可以通过下式计算：通过下式计算：LHV = HHV LHV = HHV 2420 H 2420 H2 2O +
24、9(H O + 9(H Cl/35.5 Cl/35.5 F/19) F/19)式中式中LHVLHV低位热值，低位热值，kJ/kgkJ/kg；HHVHHV高位热值，高位热值，kJ/kgkJ/kg；H H2 2O O 焚烧产物中水的质量百分率，焚烧产物中水的质量百分率，% %；H H、CICI、FF分别为废物中氢、氯、氟含量的质量百分率，分别为废物中氢、氯、氟含量的质量百分率，% %。7.2.3 固体废物的焚烧特性固体废物的焚烧特性若若废废物物的的元元素素组组成成已已知知，则则可可利利用用DulongDulong方方程程式式近近似似计计算算出出低低位位热热值：值：LHV = 2.32 LHV =
25、2.32 1400m1400mC C + 4500(m + 4500(mH H 1/3m 1/3mO O) 760m) 760mClCl+ 4500m+ 4500mS S 式中式中m mC C、m mo o、m mH H、mCImCI、m mS S分别代表碳、氢、氧、氯和硫的摩分别代表碳、氢、氧、氯和硫的摩 尔尔质量。质量。7.2.3 固体废物的焚烧特性固体废物的焚烧特性7.2.3.3 7.2.3.3 固体废物焚烧和燃烧的关系固体废物焚烧和燃烧的关系可燃性固体物质地燃烧是一个复杂地过程，它通常由传热、传质、热分解、蒸发、可燃性固体物质地燃烧是一个复杂地过程，它通常由传热、传质、热分解、蒸发、气
26、相化学反应和多相化学反应等组成。一般认为，固体物质地燃烧可以有以下几气相化学反应和多相化学反应等组成。一般认为，固体物质地燃烧可以有以下几种形式：种形式：（1）蒸发燃烧蒸发燃烧 指类似石蜡地固体物质，受热后先融化为液体，进一步受热产生燃料蒸气，再与指类似石蜡地固体物质，受热后先融化为液体，进一步受热产生燃料蒸气，再与空气混合燃烧。这种燃烧地速度受物料地蒸发速度和空气中的氧与燃料蒸气之间空气混合燃烧。这种燃烧地速度受物料地蒸发速度和空气中的氧与燃料蒸气之间的扩散速度控制。的扩散速度控制。（2）分解燃烧分解燃烧 指木材、纸张等纤维素类物质，受热后分解为挥发性组分和固定碳，挥发性组分指木材、纸张等纤
27、维素类物质，受热后分解为挥发性组分和固定碳，挥发性组分中可燃气体进行扩散燃烧，而碳则中可燃气体进行扩散燃烧，而碳则 进行表面燃烧。在分解燃烧过程中，需要一定进行表面燃烧。在分解燃烧过程中，需要一定的热量和温度，燃料中的传热速度是影响这种燃烧速度的主要因素。的热量和温度，燃料中的传热速度是影响这种燃烧速度的主要因素。（3）表面燃烧表面燃烧 指类似木炭、焦炭的固体物料，受热后不经过融化、蒸发、分解等过程，而直接指类似木炭、焦炭的固体物料，受热后不经过融化、蒸发、分解等过程，而直接燃烧。这种方式的燃烧速度受燃料表面的扩散速度和化学反应速度控制。表面燃燃烧。这种方式的燃烧速度受燃料表面的扩散速度和化学反应速度控制。表面燃烧又称为多相燃烧或置换燃烧。烧又称为多相燃烧或置换燃烧。
