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城市生活垃圾直接气化熔融焚烧过程应用基础研究

作　者: 胡建杭
导　师: 王华
学　校: 昆明理工大学
专　业: 冶金能源工程
关键词: 城市生活垃圾 气化 熔融 焚烧 动力学
分类号: X799.3
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要


城市生活垃圾直接气化熔融焚烧处理技术能有效控制焚烧灰渣中的重金属和二恶英类有机物潜在的污染,避免与控制焚烧过程中二恶英类有机物的合成,具有理想的减容化、无害化和资源化效果。该技术是一种垃圾处理终端技术,在科学界,自从提出其概念并进行工业化应用以来,受到环保专家们的广泛关注,被认为是21世纪垃圾处理的新型可行技术和垃圾环保最具发展前景的新技术。因此,城市生活垃圾直接气化熔融焚烧处理已经成为废物处理领域新的研究热点。本文结合我国城市生活垃圾的组份特性,系统地开展了城市生活垃圾直接气化熔融焚烧过程的应用基础研究,为探索和创新城市生活垃圾新型焚烧处理技术提供一定的理论参考。研究分析了升温速率和气氛含氧量对生活垃圾气化焚烧过程动态产气特性的影响。在不同温度段,反应特征的变化较为明显,各个温度段的反应产物（CO、CO2、H2和CH4）也都有很强的倾向性。温度和停留时间是决定气化燃烧过程气化率的主要因素。升温速率快慢影响瞬时产气量的多少,但是变化趋势基本相似;瞬时产气量因气化氧气浓度的增加而增加。干燥的混合垃圾在TG-DTG热分析过程主要可分为低温热分解气化阶段和高温热分解残留物燃烧阶段。升温速率不同,反应停留时间也不同,导致生活垃圾气化燃烧各阶段的温度范围有所变化,但是热失重最终趋势却不随升温速率的加快而改变。含氧量越高,燃烧反应就越剧烈,反应速率就越快。采用Doyle积分法依据TG-DTG数据建立了原生活垃圾气化燃烧动力学模型,拟合获得了生活垃圾气化燃烧第一阶段的反应机理方程均为f（a）=3/2（1-a）4/3(（1-a）1/3-1)-1,第二阶段对应于10%、21%和56%含氧量气氛下的反应机理方程分别为f（a）:3（1-a）2/3、f（a）=2（1-a）3/2和f（a）=（1-a）2,并求得了不同升温速率和不同气氛下的动力学参数。在灰渣熔融过程中,分析了灰渣中主要成份CaO-SiO2-Al2O3三元组份在熔融过程中可能发生玻璃体转化的各种复合反应,理论分析了各种反应的标准吉布斯自由能△Gθ和反应平衡常数K等热力学参数。研究分析了气氛、灰渣成分对灰渣熔融特性的影响。研究得出,为了降低灰渣的熔融温度,应控制灰渣中的CaO含量在33%和酸碱度在1左右,并实现在弱还原性的气氛下进行熔融处理。依据DSC曲线建立了焚烧灰渣熔融过程动力学模型,求出灰渣熔融过程的动力学参数。动力学模型为生活垃圾的直接气化熔融焚烧工艺设计提供了理论依据。实验研究了六种重金属（Hg、Pb、Cd、Zn、Cu、Cr）在直接气化熔融焚烧过程中的转化迁移特性。分析焚烧温度、熔融时间、气氛和含水率对重金属分布的影响。Hg、Pb和Cd是挥发性重金属,容易挥发转移到飞灰和烟气中;Cu和Cr是难熔性重金属,表现出很好的稳定性。Zn因氧化而不易挥发。灰渣的熔融对重金属的挥发有一定抑制作用,而HCl的存在却对重金属的挥发有促进作用。实验分析研究得出:焚烧炉内固硫剂固硫效果的好坏主要与反应温度、Ca/S、气体停留时间和固硫剂等有关。CaO的最佳固硫温度在800-900℃,最佳Ca/S是2.5～3左右。添加Fe2O3和草木灰有助于加强CaO的固硫效果。直接气化熔融焚烧处理可实现二恶英近零排放,熔渣中二恶英含量仅为0.001ng-TEQ/g,烟气中二恶英含量为0.072ng-TEQ/g。自行研发了半工业城市生活垃圾直接气化熔融炉焚烧系统（处理能力分别为1t/d和10t/d）并进行了批量试验。分析研究了处理能力对焚烧炉炉内温度和燃烧效率的影响,酸性气体（SO2、NOx和HCl）、二恶英类有机物和熔融渣的重金属浸出量等二次污染物的排放特性。试验表明,该焚烧炉系统在处理原生城市生活垃圾时,具有稳定高效的处理能力,可以实现二次污染物尤其是二恶英的低排放化和灰渣的回收利用资源化。研究表明,城市生活垃圾经过该直接气化熔融焚烧处理后,不仅可以实现垃圾燃烧热的利用,还可以降低二次污染物的排放和实现熔融渣的直接回收利用,具有理想的“三化”效果,应用前景广阔。

全文目录


摘要  3-5
Abstract  5-14
第一章 绪论  14-38
  1.1 我国城市生活垃圾的现状  14-17
    1.1.1 城市生活垃圾的产量  14-15
    1.1.2 城市生活垃圾的组成成份  15-17
  1.2 城市生活垃圾带来的危害  17-19
    1.2.1 侵占大量土地  18
    1.2.2 污染大气环境  18
    1.2.3 污染水资源  18
    1.2.4 污染土地资源  18-19
    1.2.5 影响环境卫生、传播疾病  19
  1.3 城市生活垃圾的无害化处理方式  19-23
    1.3.1 填埋  20
    1.3.2 堆肥  20-21
    1.3.3 焚烧  21-23
  1.4 城市生活垃圾焚烧技术的发展现状  23-28
    1.4.1 国外生活垃圾焚烧现状  23
    1.4.2 国内生活垃圾焚烧现状  23-26
    1.4.3 城市生活垃圾焚烧技术及设备  26-28
  1.5 城市生活垃圾气化熔融焚烧技术  28-33
    1.5.1 传统焚烧+灰渣熔融技术  28-29
    1.5.2 两步法气化熔融焚烧技术  29-30
    1.5.3 直接气化熔融焚烧技术  30-33
  1.6 城市生活垃圾直接气化熔融焚烧技术的研究意义、研究目标和主要研究内容  33-36
    1.6.1 研究意义  33-34
    1.6.2 研究现状和存在的问题  34-35
    1.6.3 研究目标  35
    1.6.4 主要研究内容  35-36
  1.7 本论文的主要特色与创新点  36-38
第二章 城市生活垃圾直接气化熔融焚烧原理  38-52
  2.1 城市生活垃圾直接气化熔融焚烧过程  38-43
    2.1.1 干燥过程  39-40
    2.1.2 热分解气化过程  40-42
    2.1.3 燃烧过程  42
    2.1.4 熔融过程  42-43
  2.2 城市生活垃圾直接气化熔融焚烧过程的影响因素  43-47
    2.2.1 焚烧过程的影响因素  43-45
    2.2.2 灰渣熔融过程的影响因素  45-47
  2.3 城市生活垃圾直接气化熔融焚烧过程的物质平衡  47-48
  2.4 城市生活垃圾直接气化熔融焚烧过程的能量平衡  48-49
  2.5 绝热火焰温度和临界热值  49-51
    2.5.1 绝热火焰温度  49-50
    2.5.2 临界热值  50-51
  2.6 本章小结  51-52
第三章 城市生活垃圾直接气化熔融焚烧—高温气化燃烧过程研究  52-78
  3.1 引言  52
  3.2 高温气化燃烧特性的实验研究  52-63
    3.2.1 实验原理与方法  53-55
    3.2.2 实验结果与分析  55-63
  3.3 高温气化燃烧热失重实验研究  63-73
    3.3.1 实验原理  64-65
    3.3.2 实验结果与分析  65-73
  3.4 高温气化燃烧动力学分析  73-76
    3.4.1 反应动力学方程  73
    3.4.2 计算原理  73-74
    3.4.3 反应机理的判断  74-76
    3.4.4 动力学参数的计算结果  76
  3.5 本章小结  76-78
第四章 城市生活垃圾直接气化熔融焚烧—焚烧灰渣熔融过程研究  78-98
  4.1 引言  78-79
  4.2 城市生活垃圾焚烧灰渣熔融过程的热力学分析  79-82
    4.2.1 基本反应  79
    4.2.2 标准吉布斯自由能变化  79-80
    4.2.3 平衡常数  80-82
  4.3 灰渣熔融特性的实验  82-91
    4.3.1 原料与方法  82-84
    4.3.2 结果与分析  84-91
  4.4 灰渣熔融动力学及反应模型  91-97
    4.4.1 熔融动力学理论依据  91-92
    4.4.2 灰渣熔融反应机制的判定  92-94
    4.4.3 动力学参数的求取  94-95
    4.4.4 焚烧灰渣熔融过程的模拟  95-97
  4.5 本章小结  97-98
第五章 城市生活垃圾直接气化熔融焚烧过程中二次污染物的排放与控制  98-127
  5.1 引言  98-99
  5.2 重金属的迁移及控制  99-108
    5.2.1 重金属及其化合物的热力学参数  99-100
    5.2.2 重金属的化合物  100-101
    5.2.3 重金属在直接气化熔融焚烧过程中的迁移特性  101-108
  5.3 SO_2的产生与控制  108-119
    5.3.1 SO_2的生成  108-109
    5.3.2 SO_2的脱除原理  109-110
    5.3.3 SO_2的脱除实验研究  110-119
  5.4 HCl的产生与控制  119-121
    5.4.1 HCl的来源与生成  119-120
    5.4.2 HCl的控制与脱除  120-121
  5.5 二恶英的生成与控制  121-125
    5.5.1 二恶英类的理化特性  121
    5.5.2 二恶英类的生成  121-123
    5.5.3 二恶英的控制  123-124
    5.5.4 直接气化熔融焚烧试验过程中二恶英的产生量  124-125
  5.6 本章小结  125-127
第六章 城市生活垃圾直接气化熔融焚烧过程半工业试验研究  127-148
  6.1 引言  127-128
  6.2 中试规模直接气化熔融焚烧炉的设计与试验研究  128-136
    6.2.1 直接气化熔融焚烧炉系统简介  128-129
    6.2.2 试验原料与成份  129-130
    6.2.3 试验方法  130
    6.2.4 试验结果与分析  130-136
  6.3 扩大化规模直接气化熔融焚烧炉的设计与试验研究  136-143
    6.3.1 扩大化规模直接气化熔融焚烧炉系统简介  136-139
    6.3.2 试验设备与原料  139
    6.3.3 试验工况  139-140
    6.3.4 试验结果与分析  140-143
  6.4 熔融渣的特性与回收利用  143-147
    6.4.1 熔融渣特性分析  143-145
    6.4.2 熔融渣资源化利用情况  145-147
  6.5 本章小结  147-148
第七章 总结与展望  148-152
  7.1 总结  148-151
  7.2 展望  151-152
参考文献  152-165
致谢  165-166
附录  166-167

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中图分类: > 环境科学、安全科学 > 废物处理与综合利用 > 其他 > 生活
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