固体废物焚烧处理技术精品ppt.ppt

第七章 固体废物焚烧处理技术,计划课时：6学时。本章主要内容为：固体废物焚烧基本概念、焚烧反应动力学规律、焚烧计算、焚烧系统、焚烧工艺、焚烧设备，焚烧厂烟气、水、渣、恶臭等处理技术，建设及运行管理。了解固体废物焚烧的基本概念，焚烧设备，焚烧过程的环保标准。理解焚烧反应动力学规律、焚烧系统、焚烧工艺。掌握焚烧过程的计算及焚烧废气的治理。,1,重点内容：（1）焚烧过程干燥加热阶段，燃烧阶段，燃尽阶段；（2）影响焚烧过程的因素焚烧温度（Temperature）、停留（燃烧）时间（Time）、搅混强度（Turbulence）（常称3T）和过剩空气率合称为焚烧四大要素；（3）固体废物焚烧过程的宏观动力学规律。（4）焚烧废气处理,2,问题提出,1、垃圾焚烧厂进居住区引争议2009-11-09 09:45:35来源:北京晨报(北京)跟贴 0 条 手机看新闻 据中央人民广播电台报道近日，经过多年调研，广州番禺区生活垃圾焚烧厂的选址地点定在番禺区大石街会江村附近，这是一个人口非常稠密的居住区，如此选址结果引起强烈争议。从2003年起，番禺区开始着手垃圾焚烧厂的选址工作。2006年，有关部门历经3年多调研和选址论证，初步确定大石街会江村现大石简易垃圾处理厂作为新建生活垃圾焚烧发电厂的选址，并取得规划部门的项目选址意见书。番禺区是从2001年兴起的，之前那里只是农田，如今一个接一个高档小区在华南板块相继开发而成，已经成为了全中国最具知名度和最炙手可热的房地产开发区域。,3,规划在番禺大石街会江村附近、日处理2000吨垃圾的生活垃圾焚烧发电厂可能在国庆节后开工，明年亚运会前投入使用！番禺逾30万居民担心可能将产生一级致癌物二恶英。大多数业主明确表示，“将对这一项目抵制到底”。市容环卫局表示环评通过立即开工 预计明年建成 日处理2000吨垃圾,4,与众楼盘直线距离一览：金城花园 约 1 公里 丽江花园 约 3 公里太子花园 约 1 公里 祈福新邨 约 3 公里天龙山庄 约 1 公里 华南碧桂园 约6 公里雅典花园 约 1.5 公里 华南新城 约 8 公里香江动物园 约 2 公里 广州雅居乐 约8 公里南国奥园 约 2 公里,5,争议的热点主要是，周边市民认为在如此稠密的居住区建垃圾焚烧厂，气体排放等环保指标无法过关等。还有市民认为，焚烧厂周边居民的癌症发病率明显高于其他地区，并且认为用焚烧的方式处理垃圾是发达国家早已淘汰的处理方式，不应再在广州运用。最近，广东省省情调查研究中心针对这个项目对8公里以内的小区居民展开问卷调查。调查显示，高达97.1%的受访居民不赞成在番禺区大石街会江村附近建设垃圾焚烧发电厂，92.5%的受访居民对有关部门政务信息公开方面表示“很不满意”。如果垃圾焚烧发电厂通过环评，88.4%的受访居民表示不信任此结果。垃圾焚烧发电厂如果最终在番禺区大石街会江村附近开建，高达84.3%的受访居民表示会“收集有关资料，上访请愿”。另外，调查显示，21.4%的受访居民将会立即出售物业或换租。,6,城管委称，1999年至今，广州市生活垃圾产生量10年翻了一番。目前，全市每天产生的生活垃圾已高达1.2万吨。如果不尽快兴建新的垃圾处理设施，最多再过两年，广州市每天近万吨的生活垃圾将无处处理。目前，番禺生活垃圾焚烧发电项目仍处于环境影响评价阶段，政府将严格按照国家和广东省相关规定，依法推进生活垃圾焚烧发电项目建设。由于番禺区土地资源短缺，山体少，已无法找到可以建设大型卫生填埋场的地方，所以只能选择焚烧发电处理方式。城管委称将实时公布垃圾焚烧排放。,7,2、番禺垃圾焚烧发电厂环评承接者承诺开听证会,新快报11月5日讯 番禺垃圾焚烧发电厂将处理250万人的生活垃圾，有毒气体监测无法保证准确性。“我们会开听证会和座谈会。”承接了番禺垃圾焚烧发电项目环评工作的华南环境科研所海景博士昨天表示，参与环评工作十年来从未碰到反响如此大的项目，即使之前没安排，他们现在也会要求开听证会。在上月30日番禺区召开的情况通报会上出现的四位专家，因和垃圾焚烧厂项目有利益关联而广受质疑，海景证实，他们不在此次环评的专家组中。,8,（1）反对程度之强烈前所未有从上个月30日起，海景博士的办公电话、手机就每天响个不停，而公布的邮箱也几乎被反映情况的市民挤爆。“这就是为什么我呼吁你们用书面形式表达自己的声音，因为邮箱已经爆满了，没法收邮件了。”海景说。海景坦言，参与环评工作已有10年，但从未碰到反响如此大的项目。对于番禺垃圾焚烧发电项目，海景表示，该项目中市民反对呼声的激烈程度在他们经历的省内类似项目中是史无前例的。她承诺：“这种在广东省前所未有的项目一定会开听证会，即使没有，我们也会要求开。”对于业主提出的环评进度等问题，海景均表示在环评工作进行期间不方便作出回答。在上月30日番禺区召开的情况通报会上出现的四位专家，由于有垃圾焚烧炉发明专利以及经营垃圾焚烧炉生产厂家背景而广受质疑。海景证实，他们都不会出现在此次环评的专家组中。,9,（2）公众参与不影响环评结果当一位业主提出客观公正地做环评的要求时，海景表示她会严格按照职业道德和国家规范去做技术性的测评，但垃圾焚烧发电厂建不建，“决策权不在我们这里”。业主们表示，非常关注公众参与情况会否影响环评结果。对此，海景表示，公众参与环节是按照国家规范进行的，但该环节较特殊，不能打分，环评单位只是搜集、整理、分类市民声音，并且将这些声音在环评报告中呈现。对于业主们提出的环评客观公正问题，海景表示由于立场不一样，不可能完全做到客观，“大家都不可能完全客观公正，因为大家站的角度不一样。”,10,（3）没有技术在线监测二恶英交谈中，业主再次提出，二恶英能否在线监测？对此，海景承认目前技术无法做到，“寻找二恶英相当于在一个堆满了白米的游泳池里找出一颗黑米一样困难。”在该所，从采样回来到最后找出共需22天，而这已经是最快的纪录了。海景称，目前他们主要通过在线监测与二恶英有关联度的其他气体，从而发出污染预警，但这个监测不保证准确。她表示，已经投入使用的李坑垃圾焚烧发电厂一期二恶英及系列的废气检测均是通过的，而由他们负责环评的二期工程也已经开工建设。,11,（4）垃圾分类短期内难以见效为什么不提倡垃圾分类，而花9.3亿元建一个有争议的项目？对于业主提出的这个问题，海景表示，垃圾分类要提倡，但不可能在短期内收到效果，“如果要做好（垃圾分类），9.3个亿加个零都不够。”她表示，这是长远利益和短期利益相矛盾的问题，番禺区垃圾焚烧发电厂要处理的是250万人的垃圾。海景称，奥运会之前，北京投入了近20亿元做垃圾分类的源头工作，但效果并不好。“垃圾分类是一个系统的东西，不是简单的分分类。”海景说，也许有很多市民开始垃圾分类，但短期内不可能有大效果。不过她也表示，“实现垃圾分类，一直是我们的理想。”,12,（5）专家声音国内“反焚烧派”领军人物赵章元教授：政府部门会听取民众意见的近日，有华南板块的业主代表给国家环保部评估中心组专家、国内“反焚烧派”领军人物赵章元教授发电子邮件，希望得到他的帮助。前日，赵章元复信，对番禺业主表示同情、支持和安慰。他在邮件中浅谈了我国目前环评报告的通病，并希望业主积极向政府反映意见。赵章元在回复中说，悲观消极无济于事，坐以待毙也是愚蠢表现，“我坚持认为，我国政府部门是会听取民众意见的”。赵章元指出，目前国内有些环评报告“把法律要求的独立环评，完全变成业主（单位）建设愿望的合理性论证，丧失了客观、公正、科学立场”，比如在江苏吴江垃圾焚烧发电厂的环评报告中，报告说危险废物可以“进行固化处理后安全填埋”，看似可以解决污染问题，但实际上吴江根本没有符合资质的安全填埋单位，这实际上是一种无法实现的搪塞应付。此外，报告只考虑了正常工况下的环境影响问题，没有预见到非正常工况下的环境风险问题，而对于这类极其敏感的环境项目，这是不应该忽略的。赵章元还表示，如果有番禺垃圾焚烧发电项目的环评报告，请发给他，以便继续支持。,13,3、苏泽群：番禺垃圾就应该在番禺处理,核心提示：广州常务副市长苏泽群说，最近，他要了李坑垃圾焚烧发电厂一个月的环保数据，看到底有没有问题，“至少我抽查到的所有都达到欧盟的标准”。他说，番禺的垃圾就应该在番禺就地处理，至于说具体放在番禺哪个地方，“可以广泛听听市民的意见。”,14,常务副市长苏泽群昨天就番禺垃圾焚烧发电厂之争表态，根据广州和兄弟城市的实践来看，“垃圾焚烧比填埋要先进”。苏泽群说，最近，他要了李坑垃圾焚烧发电厂一个月的环保数据，看到底有没有问题，“至少我抽查到的所有都达到欧盟的标准”。“广州每天产生这么多垃圾，别想着番禺的垃圾拿到其他区去消化。”他说，番禺的垃圾就应该在番禺就地处理，至于说具体放在番禺哪个地方，“可以广泛听听市民的意见。”他说，自己很理解市民的想法，“谁家都有垃圾，谁都不愿意垃圾发电厂放在自家附近；谁家都用电，谁都不愿意变电站建到自己所在的小区；谁家都会死人，谁都不愿意自己住的地方靠近殡仪馆。”他说，要尊重公众的选择，但同时也要考虑现实情况，选出一个对人影响最小、最合理的地点。环卫部门有关负责人也表示，番禺垃圾焚烧厂的选址是比较合适的，目前暂无在别处选址的意向，环评报告也正在编制当中。,15,4、广州市垃圾处理实际情况,广州市环卫局副局长徐建韵向前往视察的人大代表透露：目前全市日产生活垃圾近11400吨，其中中心区7900多吨，番禺区1400多吨，花都区700多吨，南沙区330多吨，增城市330多吨，从化市550多吨，需要统收统运、日产日清。目前，广州的生活垃圾处理方式主要以填埋为主，全市每日填埋处理10400吨，焚烧处理1000吨。广州市十区，除番禺、花都区的生活垃圾自行处理外，其余的都集中在兴丰垃圾填埋场和李坑垃圾焚烧发电厂处理。,16,5、你的看法,（1）（2）（3）,17,7.1 概述（1）定义垃圾焚烧定义：垃圾焚烧是对垃圾进行高温处理的一种方法，它是指在高温焚烧炉内（800-1000），垃圾中的可燃成分与空气中的氧气发生剧烈的化学反应，转化为高温的燃烧气体和性质稳定的固体残渣，并放出热量的过程。,18,（2）处理工艺选择,19,城市人口规模城市经济实力土地资源条件,20,7.2 圾焚烧特性与焚烧过程7.2.1 垃圾的焚烧特性（1）垃圾的发热量根据经验，当垃圾的低位热值大于3350kJ/kg时，垃圾即可实现自燃而无需添加助燃剂。垃圾的发热量主要受垃圾的三成分，即水分（W），灰分（A）和可燃分（R）的影响,因此可通过“三成分”对垃圾的可燃性质进行定性的判断.垃圾焚烧组分三元图如图4-1所示。图中斜线覆盖的部分为可燃区，边界上或边界外为不可燃区。从图上可以看出其可燃区的界限值：W50%；A60%；R25%。,21,22,固体废物的热值：是指单位质量的固体废物完全燃烧时所释放出的热量，以kJ/kg表示。下表列出了我国几种典型废物的热值。几种典型废物的热值（kJ/kg）,23,（2）焚烧产物固体废物中的可燃成分主要是有机物，有机物由大量的碳，氢，氧元素组成，有时还含有氮，硫，磷和卤素等少量元素。这些元素在焚烧过程中与空气中的氧发生反应，生成各种氧化物或部分元素的氢化物。一个完全燃烧的氧化反应可表示为：CxHyOz NuSvClw+(x+v+0.25(y-w)-0.5z)O2xCO2+wHCl+0.5uN2+v SO2+0.5(y-w)H2O+Q,24,7.2.2 焚烧过程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焚烧过程。焚烧过程包括三个阶段：干燥加热阶段，燃烧阶段，燃尽阶段。（1）干燥阶段对机械送料的运动式炉排炉，从物料送入焚烧炉起，到物料开始析出挥发分和着火这一段时间，都认为是干燥阶段。（2）燃烧阶段在干燥阶段基本完成后，如果炉内温度足够高，且又有足够的氧化剂，物料就会很顺利地进入真正的焚烧阶段燃烧阶段。燃烧阶段包括了三个同时发生的化学反应模式。强氧化反应,25,物料的燃烧包括物料与氧发生的强氧化反应过程。热解热解是在缺氧或无氧条件下，利用热能破坏含碳高分子化合物元素间的化学键，使含碳化合物破坏或者进行化学重组的过程。原子基团碰撞在物料燃烧过程中，还伴有火焰的出现。燃烧火焰实质上是高温下富含原子基团的气流造成的。由于原子基团电子能量的跃迁、分子的旋转和振动等产生量子辐射，产生红外热辐射、可见光和紫外线等，从而导致火焰的出现。,26,（3）燃尽阶段物料在主燃烧阶段发生强烈的发热发光氧化反应之后，开始进入燃尽阶段。此时参与反应的物质的量大大减少了，而反应生成的惰性物质、气态的CO2、H2O和固态的灰渣则增加了。,27,28,7.2.3 影响焚烧过程的因素（1）焚烧温度废物的焚烧温度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。它比废物的着火温度要高得多。合适的焚烧温度是在一定的停留时间下由实验确定的。大多数有机物的焚烧温度范围在8001000，通常在800900左右为宜。我国生活垃圾焚烧污染控制标准(GB18485-2001)中规定烟气出口温度850。,29,（2）停留时间烟气停留时间：燃烧气体从最后空气喷射口或燃烧器到换热面（如余热锅炉换热器等）或烟道冷风引射口之间的停留时间。停留时间的长短直接影响废物的焚烧效果、尾气组成等，停留时间也是决定炉体容积尺寸和燃烧能力的重要依据。一般情况下，应尽可能通过生产模拟试验来获得设计数据。对缺少试验手段或难以确定废物焚烧所需时间的情况，可参阅经验数据。对于垃圾焚烧，如温度维持在8501000之间，并有良好的搅拌和混合时，燃烧气体的燃烧室的停留时间约为12s。,30,（3）搅混强度要使废物燃烧完全，减少污染物形成，必须使废物与助燃空气充分接触、燃烧气体与助燃空气充分混合。焚烧炉所采用的搅动方式有空气流搅动、机械炉排搅动、流态化搅动及旋转搅动等，其中以流态化搅动效果最好。中小型焚烧炉多属于固定炉床式，常通过空气的流动来进行搅动，其主要方式有：炉床下送风助燃空气自炉床下送风，由废物层孔隙中窜出，这种搅动方式易将不可燃的底灰或未燃炭颗粒随气流带出，形成颗粒物污染，废物与空气接触机会大，废物燃烧较完全，焚烧残渣热灼减量较小。,31,炉床上送风助燃空气由炉床上方送风，废物进入炉内时从表面开始燃烧，优点是形成的粒状物较少，缺点是焚烧残渣热灼减量较高。一般来说，二次燃烧室气体速度在37m/s即可满足要求。气体流速过大时，混合强度加大，但气体在二次燃烧室的停留时间会降低，反而不利于燃烧的完全进行。,32,（4）过剩空气率过剩空气系数过剩空气系数（m）用于表示实际供应空气量与理论空气量的比值，定义为：mA/A0式中；A0为理论空气量；A为实际供应空气量。过剩空气率过剩空气率由下式求出：过剩空气率（m-1）100%根据经验，过剩空气系数一般需大于1.5，常在1.51.9之间；但在某些特殊情况下，过剩空气系数可能在2以上，才能达到较完全的焚烧效果。,33,34,焚烧（燃烧）效果,（1）目测法：黑度（2）热灼减量法：Es=(1-WL/Wf)100%其中Es为焚烧效果，%；WL为单位质量炉渣中热灼减量，kg；WL为单位质量废物中可燃物量，kg；（3）CO法：EgCCO2/(CCO2+CCO)100%,35,课堂讨论：什么是化学热力学？什么是化学动力学？,36,化学热力学是物理化学和热力学的一个分支学科，它主要研究物质系统在各种条件下的物理和化学变化中所伴随着的能量变化，从而对化学反应的方向和进行的程度作出准确的判断。化学热力学的核心理论有三个：所有的物质都具有能量，能量是守恒的，各种能量可以相互转化；事物总是自发地趋向于平衡态；处于平衡态的物质系统可用几个可观测量描述。化学热力学是建立在三个基本定律基础上发展起来的。热力学第一定律就是能量守恒和转化定律，它是许多科学家实验总结出来的。热力学第一定律给出了热和功相互转化的数量关系。为了提高热机效率，1824年卡诺提出了著名的卡诺定理。为了进一步阐明卡诺定理，1850年克劳修斯提出热力学第二定律，他认为：“不可能把热从低温物体传到高温物体而不引起其他变化”，相当于热传导过程的不可逆性。1851年开尔文认为：“不可能从单一热源取热使之完全变为有用的功而不引起其他变化”，相当于摩擦生热过程的不可逆性。,37,1912年，能斯脱提出热力学第三定律，即绝对温度的零点是不可能达到的。其他科学家还提出过几种不同表述方式，其中1911年普朗克的提法较为明确，即“与任何等温可逆过程相联系的熵变，随着温度的趋近于零而趋近于零”。这个定律非常重要，为化学平衡提供了根本性原理。吉布斯给出了热力学原理的更为完美的表述形式，用几个热力学函数来描述系统的状态，使化学变化和物理变化的描述更为方便和实用。他发表了著名的“相律”，对相平衡的研究起着重要的指导作用。但实际系统常常是开放的、非平衡的，所涉及的物理化学过程通常是不可逆的。热力学三个基本定律是无数经验的总结，至今尚未发现热力学理论与事实不符合的情形，因此它们具有高度的可靠性。热力学所根据的基本规律就是热力学第一定律、第二定律和第三定律，从这些定律出发，用数学方法加以演绎推论，就可得到描写物质体系平衡的热力学函数及函数间的相互关系，再结合必要的热化学数据，解决化学变化、物理变化的方向和限度，这就是化学热力学的基本内容和方法。,38,热力学是热学理论的一个方面。热力学主要是从能量转化的观点来研究物质的热性质，它揭示了能量从一种形式转换为另一种形式时遵从的宏观规律。热力学是总结物质的宏观现象而得到的热学理论，不涉及物质的微观结构和微观粒子的相互作用。因此它是一种唯象的宏观理论，具有高度的可靠性和普遍性。热力学三定律是热力学的基本理论。热力学第一定律反映了能量守恒和转换时应该遵从的关系，它引进了系统的态函数内能。热力学第一定律也可以表述为：第一类永动机是不可能造成的。热学中一个重要的基本现象是趋向平衡态，这是一个不可逆过程。例如使温度不同的两个物体接触，最后到达平衡态，两物体便有相同的温度。但其逆过程，即具有相同温度的两个物体，不会自行回到温度不同的状态。这说明，不可逆过程的初态和终态间，存在着某种物理性质上的差异，终态比初态具有某种优势。1854年克劳修斯引进一个函数来描述这两个状态的差别，1865年他给此函数定名为熵。1850年，克劳修斯在总结了这类现象后指出：不可能把热从低温物体传到高温物体而不引起其他变化，这就是热力学第二定律的克氏表述。几乎同时，开尔文以不同的方式表述了热力学第二定律的内容。用熵的概念来表述热力学第二定律就是：在封闭系统中，热现象宏观过程总是向着熵增加的方向进行，当熵到达最大值时，系统到达平衡态。第二定律的数学表述是对过程方向性的简明表述。1912年能斯脱提出一个关于低温现象的定律：用任何方法都不能使系统到达绝对零度。此定律称为热力学第三定律。热力学的这些基本定律是以大量实验事实为根据建立起来的，在此基础上，又引进了三个基本状态函数：温度、内能、熵，共同构成了一个完整的热力学理论体系。此后，为了在各种不同条件下讨论系统状态的热力学特性，又引进了一些辅助的状态函数，如焓、亥姆霍兹函数(自由能)、吉布斯函数等。这会带来运算上的方便，并增加对热力学状态某些特性的了解。从热力学的基本定律出发，应用这些状态函数，利用数学推演得到系统平衡态各种特性的相互联系，是热力学方法的基本内容。,39,化学动力学：是研究化学反应的速率和机理的科学,是物理化学的一个重要组成部分。在化学动力学中，要研究化学反应的速率(reaction rate)以及反应条件(例如浓度,压力,温度,辐射,介质,催化剂等)对反应速率的影响，揭露反应的具体过程，即反应机理(reaction mechanism)。,40,7.3燃烧反应过程的动力学规律固体废物燃烧的异相反应特性固体废物与氧化剂（O2）的反应为气固相反应，为非均相反应或异相反应。例如固体废物与O2反应通常包括以下几个步骤：(1)O2自气相主体向反应表面的传递（扩散）；(2)O2被反应表面吸附；(3)发生表面化学反应；(4)反应产物的脱附；(5)气相产物向表面气相主体的扩散。,41,上面各步骤串联进行，稳态时，各步速率相等，即：,（1）异相燃烧反应的动力区和扩散区 若O2的气相主体浓度为cb，表面浓度为ci，则根据膜扩散理论，扩散通量为：,42,反应的物质量：,稳态时：,ri为表面反应速率；ki为表面反应速度常数 rG为总的表面反应速率（包括反应和扩散）将两式变换,得到:,43,消去未知的Ci,得到,若为一级反应，n=1，则：,或：,44,该式即为同时考虑扩散和反应规律的表面反应速率表达式，且化学反应为一级 将上式写成：,kG称为“综合速率常数”1)当 时，如当温度很低时，则：,此时，总体反应速率取决于化学动力学因素，称为异相反应处于“动力区”。,45,2)当 时，例如高温区，则：,这种情况下，异相反应速率取决于气相反应介质（O2）向反应表面的扩散传质速度，称反应处于“扩散区”。由此可见：若反应处于动力区，则强化燃烧过程的主要手段是提高系统的反应温度；若反应处于扩散区，则为了强化燃烧过程则应设法增大传质系数，这可通过增加流体（气体）的流速，减少颗粒直径而达到。,46,固体废物焚烧过程的宏观动力学规律在固体废物的焚烧过程中，气体反应物（O2）向颗粒表面扩散并进入内部，然后进行反应，随着反应就进行，颗粒不断变小。反应物的产物有两种情况：一种无固体产物生成，一种有固体产物生成。而对固体反应物（固体废物）而言，有无孔颗粒和多孔颗粒之分。因此，针对固体废物本身的特点和焚烧过程有无固体产物生成，可将垃圾与O2的反应分成：（1）无固体产物层的无孔颗粒与气体O2间的反应；（2）有固体产物层的无孔颗粒与气体O2间的反应；（3）无固体产物层的有孔颗粒与气体O2间的反应；（4）有固体产物层的有孔颗粒与气体O2间的反应；若有固体产物层生成，则O2与固体废物进行反应，必须通过产物层。但无论有无固体产物层生成，反应区总是向内推移，未反应的内核逐渐缩小，直至反应终了。下面介绍不同情况下，固体废物与O2反应的宏观动力学规律。,47,无固体产物层的无孔固体与气体（O2）的反应反应机理如图4-2所示。,48,反应通式可写成：A(g)+bB(s)=pP(g)（4-31）则：反应物A向固体表面的传质速率nA(mols-1)为：nA=kgAAc(cAb-cAi)（4-32）式中，kgA为A的传质系数，ms-1。气固间的反应速率rAr(mols-1)为：,49,当反应达到平衡时，nA=rAr=RA=rG,A，因此：,式子中：RA为总体反应速率；rG,A为气相表面反应速率。设 为固体B的摩尔密度（molm-3），而固体颗粒B的减少表现为未反应核的缩小，则根据式（4-31），可写出：,50,式中，RB为固体B消耗的总反应速率，mols-1 将式中（4-34）代入式（4-35），得：,式（4-36）右端除 外，均与 无关，分离变量并利用初始条件：t=0时，=R0积分得到：,51,式（4-37）中的（传质系数），与气体流速ug，颗粒的大小和形状、气体的特性等有关。如前所述：,52,Sh 舍伍德数反映传质特征的参数；Re 雷诺数反映流体湍动程度的参数；Sc 斯密特数反映流体扩散性能的参数。当气体流动处于层流区时，Sh=2，,将式（4-38）代入式（4-37），并积分，得到,53,又因为B的转化率可写成：,因此：,当固体B完全转化，即X=1，=0时，则该过程所需的时间以表示，有：,54,令:,上式表示边界层传质阻力与化学反应阻力的比值（无量纲数）。因此，可用它来判断过程的控制步骤：当 时，为化学反应控制；当 时，为扩散传质控制；当 时，混合控制。,55,(1)当为反应控制时：,(2)当为传质控制时：,56,【例7-1】900和1105Pa，半径为1mm的球形碳颗粒在含10%氧气的静止气体中燃烧。试计算完全燃烧所需的时间，并确定过程的控制步骤。若颗粒的半径改为0.1mm，其他条件不变时，结果会有何变化？已知该条件下，kr=0.2ms-1；D=210-4m2s-1，B=1.88105molm-3。解：（1）气相主体O2的浓度（2）完全燃烧所需时间,57,由于 故为混合控制。,由于 故为混合控制。,58,(3)当碳颗粒的半径为0.1mm时的,故控制步骤为反应过程。,59,7.4燃烧反应计算空气需要量的计算理论空气需要量（完全燃烧空气量）的计算已知燃料成分为（质量分数）C%+H%+O%+N%+S%+A%+W%=100%每千克燃料完全燃烧时所需要的氧气量为：标准状态下，氧气的密度为32/22.4=1.429（kgm-3）,则换算成氧气的体积需要量为：,60,至此，氧气的需要量完全按化学式计算而来，并未估计任何其他因素的影响，称为“理论氧气需要量”。一般干空气的成分，以质量分数表示，O2为23.2%；N2为76.8%；按体积，O2为21%；N2为79%。故可得：,61,实际空气需要量在实际操作中，要保证炉内燃料完全燃烧，通常供给比理论值多一些的空气（过理空气量），而需要炉内处于还原性气氛中，便供给少一些空气。实际空气需要量Vn可表示为：Vn=n V0式中，n为空气消耗系数；当n1时，被称为“空气过剩系数”。上面计算中未计入空气中的水分，若计水分，按下面方法换算。空气中的水分含量GgH2O，通常为1m3干气体中水分含量，以gm-3表示，可以查到。将GgH2O换算成体积含量则为：,62,则湿空气的需要量为：Vn=n V0+0.00124 GgH2O V0=(1+0.00124 GgH2O)n V0 由以上计算可知：V0只决定于燃料的成分，燃料中可燃物含量越高，则V0就越大；实际空气需要量V0与空气消耗系数n有关，而n与燃料条件有关。,63,空气温度的计算热平衡法燃料燃烧时产物达到的温度，即是燃烧温度。（1）热量收入燃料的化学热，即燃料发热量：QL 空气带入的物理热：Qair=VnCairtair燃料带入的物理热：Qfuel=Cfueltfuel（2）热量支出燃烧产物含有的物理热Qp=Vn,pCptp由燃烧产物传给周围物质的热量：Qtransfer或Qt因燃烧条件变化而造成的不完全燃烧的热损失：Qun。燃烧产物中某些气体高温热分解所消耗的热量：Qd,64,根据热平衡原理，当Q收=Q支时，燃烧产物达到一个相对稳定的燃烧温度，则：QL+Qair+Qf=Vn,pCptp+Qt+Qun+Qd那么：tp=(QL+Qair+Qf-Qt-Qun-Qd)/(Vn,pCp)tp为实际条件下的燃烧产物温度，称为实际燃烧温度.理论燃烧温度若在绝热系统中完全燃烧，则Qt=0，Qun=0，按上式计算出的温度称“理论燃烧温度”。t0,p=(QL+Qair+Qf-Qd)/(Vn,pCp)（4-73）理论燃烧温度是某种成分在某一燃烧条件下所能达到的最高温度。,65,量热计温度热分解所消耗的热量Qd在高温下，才有估计的必要，如果忽略Qd不计，便得到不计入热分解的理论燃烧温度，也称为“量热计温度”。发热温度若燃烧过程中空气和燃料均不预热，即Qair=0，Qf=0，且空气消耗系数n=1.0，则燃烧温度只与燃料性质有关。即：t0,h=QL/(V0,pCp)（4-74）式中，t0,h称为“燃料理论发热温度”或“发热温度”。理论发热温度是评价燃料性质的一个指标，它可以根据燃料的性质和燃烧条件计算。,66,工程简算法若空气没有预热，则热平衡方程可写成：,右端第一项中的FwQL为单位时间的供热量，而FwQL(1-)为辐射散热后可用的热量；右端的第二项CwFwtw(kJh-1)为废物原有的热焓；右端第三项Cp,an V0 Fwt0为助燃空气带入的热焓；左端为废物燃烧后废气的热焓。,67,Cw可用下式求算：Cw=1.05（A+B）+4.2W式中，A为灰分阶段，%；B为可燃分，%；W为水分，%。停留时间的计算分批（间歇）全混流反应器特点：反应器内的物料具有完全相同的温度和浓度，且等于反应器出口物料的温度和浓度；理想混合反应器内的返混为无限大。具有良好的搅拌的釜式反应器可近似地按理想混合反应器处理。,68,就整个反应器在单位时间内对组成A作物料衡算：,恒容时,恒容时,积分:,69,连续操作全混流反应器在这种操作中，反应物料连续不断地以恒定流速流入全混流反应器，而产物也以恒定的速率不断地从反应器内排出。当反应流体的密度恒定时，则流出和流入反应器的容积流速是一致的。则对组分A就整个反应器作物料衡算，有：,70,(1)空时：反应器的有效容积V与进料容积流速 之比，称为空时。(2)反应时间t：反应物料进入反应器后从实际发生反应的时刻起到反应达到某一程度（如某个转化率或出口浓度）时所需的时间。(3)停留时间：反应物自进入反应器的时刻算起到它们离开反应器时刻止，在反应器共停留了多少时间。,71,平推流操作反应器所谓平推流是指反应器内反应物料以相同的流速和一致的方向移动，完全不存在不同停留时间物料的混合，即返混为0。因此，所有物料在器内具有相同的停留时间。对于管径较小，管子较长，即长径比L/D较大，流速较快的管式反应器，可按平推流处理。特点：(1)与流动方向垂直的截面上无流速分布；(2)在流动方向上不存在流体质点间的混合，即无返混现象；(3)离开平推流反应器的所有流体质点，均具有相同的停留时间，因而就等于反应时间t。若以u表示流体在反应器中的流速，表示管内离入口处的轴向距离，则：,72,若流体密度恒定，则u=u0（u0入口流速）有：,如图7-6对组分A作物料衡算，因沿流动方向反应物组成是变化的，所以必须对微元dV作衡算。,73,积分得,74,由此可知，恒容过程的平推流反应器与分批全混流反应器的设计方程一致。讨论可知：对于分批式操作的全混流反应器和连续操作的平推流反应器来说，反应时间和停留时间一致；而对于具有返混的反应器，因器内流体的流动状况极为复杂，可能短路，也可能有死区和循环流。所以出口物料中有些微团可能在器内停留很短时间，而有的可能停留很长时间。所以出口物料是各种不同停留时间的混合物，即具有停留时间分布。因此常用平均停留时间 来表示。其定义为反应器的有效容积与器内物料的体积流速之比，即。因此，平均停留时间与空时之间具有不同的含意，只有在恒容过程（此时），两者才一致。,75,燃烧过程的平均停留时间假设燃烧为一级反应，则：,对于平推流：,76,【例7-4】试计算在800的焚烧炉中焚烧氯苯，当DRE（破坏去除率）分别为99%、99.9%、99.99%时的停留时间。已知：A=1.341017s-1；E=76600calg-1。解：（1）求800时的速率常数 代入已知数据，得到（2）求不同转化率的停留时间假设为平推流，则,77,78,7.5 垃圾焚烧工艺系统实际上，垃圾焚烧系统应包括整个垃圾焚烧厂，即从垃圾的前处理到烟气处理整个过程。这里所指的焚烧系统又指垃圾进入焚烧炉内燃烧生成产物（气和渣）排出的过程，即焚烧系统只涉及垃圾的接收、燃烧、出渣、燃烧气体的完全燃烧以及为保证完全燃烧助燃空气的供应（一次和二次）等（图4-4）。,79,80,焚烧系统与前处理系统、余热利用系统、助燃空气系统、烟气处理系统、灰渣处理系统、废水处理系统、自控系统等密切相关。其中焚烧系统或焚烧炉是焚烧过程的关键和核心，它为垃圾燃烧提供了场所和空间，其结构和形式将直接影响固体废物的燃烧状况和效果。通常固体废物在焚烧炉中燃烧过程包括：固体表面的水分蒸发；固体内部的水分蒸发；固体中挥发性成分的着火燃烧；固体碳的表面燃烧；完成燃烧（燃烬）。和为干燥过程；为燃烧过程。,81,燃烧又可分为一次燃烧和二次燃烧。一次燃烧是燃烧的开始，二次燃烧则是完成整个燃烧过程的重要阶段。以分解燃烧为主的固体废物的焚烧，仅靠一次助燃空气难以完成燃烧反应。一次燃烧仅使容易挥发成分中的易燃部分燃烧并使高分子成分分解，而且，一次燃烧产生的CO2也可能会还原。二次燃烧是将一次燃烧中产生的可燃气体和颗粒炭进一步燃烧，多为气态燃烧，因此合适的燃烧室容积大小，燃烧气体和二次助燃空气的良好混合等至关重要。一次燃烧和二次燃烧所起作用如图4-5所示。,82,图7-5一次燃烧和二次燃烧,83,焚烧炉,焚烧炉从不同角度可对焚烧炉进行分类。按焚烧室的多少可分为：单室焚烧炉和多室焚烧炉；按炉型可分为固定炉排炉、机械炉排炉、流化床炉、回转窑炉和气体熔融炉等。单室焚烧炉单室焚烧炉要求在一个燃烧室中完成：供氧（空气）；热分解、表面燃烧；垃圾挥发组分、固定碳素、臭气成分、有害气体的完全燃烧等过程。此焚烧炉处理挥发性成分含量高，热解速率快且在干燥过程中易产生有害气体时，会产生不完全燃烧现象。因此，除少数工业垃圾外，单室炉在生活垃圾处理中几乎不用。,84,图7-6 单室固定排炉,85,多室焚烧该炉指在一定燃烧过程中，不供给全部所需空气，只供应将固定碳素燃烧的空气，依靠燃烧气体的辐射、对流传热等将垃圾热解气化，而在二次甚至三次燃烧过程中将热解气体（包括臭气、有害气体等）完全燃烧的设备。该炉适于处理燃烧气体量较多的物质，如生活垃圾的处理一般都为多室焚烧炉型。固定炉排炉造价低廉，但因对垃圾无搅拌作用等，故燃烧效果较差，易溶融结块，所以焚烧炉渣的热灼减率较高。在早期有使用固定炉排炉来焚烧生活垃圾的实例，但近期很少应用。,86,图7-7 多室固定炉排炉,87,活动炉排（机械炉排）焚烧炉 活动炉排焚烧炉的特点是其炉排是活动的。炉排是活动炉排焚烧炉的核心部分，其性能直接影响垃圾的焚烧处理效果。机械炉排焚烧炉是最典型的活动炉排焚烧炉，这种焚烧炉可实现焚烧操作的连续化、自动化，是目前城市垃圾处理中使用最为广泛的焚烧炉型式。按炉排构造不同，机械炉排常分为链条式、阶梯往复式、多段滚动式等。我国目前制造的中小型焚烧炉大都为链条式或阶梯往复式的。,88,图7-8链条式机械炉排焚烧炉,89,图7-9 机械炉排炉燃烧的概念图,90,机械炉排炉可大致分为三段：干燥段、燃烧段、燃烬段。各段的供应空气量和运行速度可以调节。（1）干燥段利用炉壁和火焰的辐射热，垃圾从表面开始干燥，部分产生表面燃烧。干燥垃圾的着火温度一般为200左右。如果提供200以上的燃烧空气，干燥的垃圾便会着火，燃烧便从这部分开始。垃圾在干燥段上的停留时间约为30min。（2）燃烧段这是燃烧的中心部分。在干燥段垃圾干燥、热分解产生还原性气体，在此段产生旺盛的燃烧火焰，在后燃烧段进行静态燃烧（表面燃烧）。燃烧段和后燃烧段界线称为“燃烧完了点”。即使垃圾特性变化，但也应通过调节炉排速度而使燃烧完了点位置尽量不变。,91,垃圾在燃烧段的停留时间为30min。总体燃烧空气的60%80%在此段供应。（3）燃烬段将燃烧段送过来的固定碳素及燃烧炉渣中未燃烬部分完全燃烧。垃圾在燃烬段上停留约1h。保证燃烬段上充分的停留时间，可将炉渣的热灼减率降至1%2%。,92,流化床焚烧炉 流化床以前用来焚烧轻质木屑等，但近年来开始用于焚烧污泥、煤和城市生活垃圾。其特点是适用于焚烧高水分的物质等。流化床焚烧炉的流态化原理对选择流化床的结构和形式至关重要，根据风速和垃圾颗粒的运动而处不同流区的流态化可分为：固定床、沸腾流化床（鼓泡流化床）、湍动流化床和循环流化床（快床）（见图4-10）。,93,图7-10 流化床的原理,94,固定床：气体流速u较低，则垃圾颗粒保持静态，而气体从垃圾颗粒间通过（如炉排炉）。沸腾流化床：气体流速u超过临界流化速度umf，颗粒中产生气泡，颗粒被气泡搅拌形成鼓气泡或沸腾状态。循环流化床：气体流速u超过极限速度（颗粒终端速度）ut，气体和颗粒激烈碰撞混合，颗粒被气体带着飞散（如燃煤发电锅炉）。,95,流化床垃圾焚烧炉主要处于沸腾（鼓泡）流化状态。图7-11所示为流化床的结构，一般将垃圾粉碎到20mm以下再投入到炉内，垃圾和炉内的高温流动砂（650800）接触混合，瞬时间汽化到燃烧。未燃烬成分和轻质垃圾一起飞到上部燃烧室继续燃烧。一般认为上部燃烧室的燃烧占40%左右，但容积却为流化床层的45倍，同时上部的温度也比下部流化床层高100200，通常也称其为二燃室。,96,图7-11 流化床焚烧炉的结构,97,流化床优点：炉体较小，焚烧炉渣的热灼减率低（约1%），炉内可动部分设备少。但与机械炉排