城市生活垃圾復雜成分焚燒過程解耦及重金屬定向固化

我國城市生活垃圾能源化利用因成分復雜導致熱利用技術復制性和規(guī)?；щy。另外，重金屬等污染物排放及安全處置等問題亟待解決。本研究旨在探索城市生活垃圾多組分在燃燒過程中的交互影響、重金屬轉化及富集機理、灰渣資源化利用方法。項目研究的主要結論如下： 城市生活垃圾中典型的可燃組分混合燃燒后，各組分揮發(fā)物質釋放影響較小，但混合焦樣的物理結構和化學結構相對于單組分焦樣的改變，使得混合焦樣的燃燒特性顯著提高。垃圾中的殘留水份促進熱解氣的生成，相比于自由水，結合水作用更明顯；低溫下促進熱解焦油中鏈狀、不飽和化合物生成，與高溫下揮發(fā)分反應使得焦孔隙率及比表面積增大，促使C-C鍵斷裂，加速焦C向氣態(tài)C轉化，增加H2產量。鑒于傳統(tǒng)垃圾物理屬性的分類方法對垃圾焚燒實際運行中燃燒過程的指導意義有限，本研究提出基于重量加權平均表觀活化能的概念，將不同的垃圾分成四類，實現了對垃圾各組成活化能的統(tǒng)計和分類。 以易揮發(fā)砷和難揮發(fā)的鉻為研究對象，探究了垃圾焚燒過程中重金屬形態(tài)遷移和轉化機理。焚燒過程中易揮發(fā)砷大部分以氣相釋放到煙氣，部分被固化到飛灰基質中，氣相中砷部分與多種無機礦物經化學氧化存在于飛灰中，生成不同形態(tài)的砷酸鹽（As(V)）；溫度更低時，部分通過物理吸附于飛灰中；CaO的噴入促進砷的物理吸附（As(III)）。研究發(fā)現，垃圾焚燒后游離CaO及堿金屬促進鉻氧化，生成毒性更高的Cr(VI)，爐內鉻的氧化主要受游離CaO的影響，在局部還原性氣氛下和Ca/Cr比例較小的情形下，Cr將轉化成CaCr2O4；相對于Cr2O3，CaCr2O4在CaO或堿金屬作用下氧化更容易生成Cr(VI)。 城市生活垃圾焚燒飛灰中重金屬的含量較低，不利于直接進行回收。通過熱處理技術，可以實現易揮發(fā)重金屬Zn和Pb在二次飛灰中富集，未揮發(fā)重金屬被固化在飛灰基質中，從而降低危害。飛灰中游離CaO的存在促進了熱處理過程中的鉻氧化，使得熱處理后飛灰中鉻的浸出量增加，通過合理調節(jié)飛灰中Ca與Fe、Al和Si等化合物比例，可有效抑制熱處理過程中鉻的氧化，進而降低熱處理飛灰中鉻對環(huán)境中的浸出。依據不同重金屬化合物的溶解特性，發(fā)明了二次飛灰中重金屬的濕化學回收方法。經熱處理后的飛灰可作為建筑材料的原料使用，制備水泥、陶粒等，實現飛灰無害化和資源化的利用。 2100433B

我國城市生活垃圾能源化利用因成分復雜導致熱處置方法的復制性和規(guī)?；щy，更為關鍵的是重金屬等污染物的安全處置。本研究針對我國城市生活垃圾多組分特性，從復雜成分中分離出單元成分出發(fā)，基于二次反應最小化的實驗手段，研究各單元成分中有機和無機成分的熱解、燃燒等熱化學轉化過程，跟蹤前驅物、中間產物及相變過程，定量描述各單元可燃成分的熱解、燃燒的化學反應動力學過程，對我國城市生活垃圾復雜成分的熱處置過程進行解耦，解析其可燃成分之間的交互影響規(guī)律；揭示高溫條件下重金屬在燃燒過程中/后的行為及其化學反應動力學；結合我國城市生活垃圾燃燒特性，定量描述重金屬及其化合物的蒸發(fā)、均相/非均相反應過程，同時闡明其它主要氣態(tài)污染物參與的化學動力學過程，分析灰渣中重金屬化學形態(tài)。合理調整城市生活垃圾熱處置過程，促使重金屬污染物定向富集與固化，尋求適合我國城市生活垃圾焚燒后灰、渣及重金屬的無害化、資源化處置思路和方法。

生活垃圾焚燒技術無害化

垃圾經焚燒處理后，垃圾中的病原體被徹底消滅，燃燒過程中產生的有害氣體和煙塵經處理后達到排放要求；

生活垃圾焚燒技術減量化

經過焚燒，垃圾中的可燃成分被高溫分解后，一般可減重80%、減容90%以上，可節(jié)約大量填埋場占地；

生活垃圾焚燒技術資源化

垃圾焚燒所產生的高溫煙氣，其熱能被廢熱鍋爐吸收轉變?yōu)檎羝?，用來供熱或發(fā)電，垃圾被作為能源來利用，還可回收鐵磁性金屬等資源；

生活垃圾焚燒技術經濟性

垃圾焚燒廠占地面積小，尾氣經凈化處理后污染較小，可以靠近市區(qū)建廠，既節(jié)約用地又縮短了垃圾的運輸距離，隨著對垃圾填埋的環(huán)境措施要求的提高，焚燒法的操作費用可望低于填埋；

生活垃圾焚燒技術實用性

焚燒處理可全天候操作，不易受天氣影響。

垃圾焚燒技術在國外的應用和發(fā)展已有幾十年的歷史，比較成熟的爐型有熱解干餾氣化爐、脈沖拋式爐排焚燒爐、機械爐排焚燒爐、流化床焚燒爐、回轉式焚燒爐和CAO焚燒爐，下面對這幾種爐型作簡單的介紹。

熱解干餾氣化爐

熱解干餾氣化爐采用熱解、干餾、氣化等技術設計，垃圾在爐內溫度和水蒸氣的作用下發(fā)生化學反應，垃圾得到充分碳化，最終生成一氧化碳CO可燃氣體；整個反應過程均在厭氧環(huán)境下完成，有效避讓了重金屬和二噁英的生成條件和環(huán)境，各項排放指標均滿足GB18485、EU2000/76/EC等相關標準。

可燃氣經平底雙豎管、洗滌塔等凈化設備降溫、脫酸、除塵處理后可替代天然氣直接應用。

單臺處理能力：50-200噸/天（多臺并列可實現提高處理能力），適合中小型城市生活垃圾處理。

機械爐排焚燒爐

工作原理：垃圾通過進料斗進入傾斜向下的爐排（爐排分為干燥區(qū)、燃燒區(qū)、燃盡區(qū)），由于爐排之間的交錯運動，將垃圾向下方推動，使垃圾依次通過爐排上的各個區(qū)域（垃圾由一個區(qū)進入到另一區(qū)時，起到一個大翻身的作用），直至燃盡排出爐膛。燃燒空氣從爐排下部進入并與垃圾混合；高溫煙氣通過鍋爐的受熱面產生熱蒸汽，同時煙氣也得到冷卻，最后煙氣經煙氣處理裝置處理后排出。

流化床焚燒爐

工作原理：爐體是由多孔分布板組成，在爐膛內加入大量的石英砂，將石英砂加熱到600℃以上，并在爐底鼓入200℃以上的熱風，使熱砂沸騰起來，再投入垃圾。垃圾同熱砂一起沸騰，垃圾很快被干燥、著火、燃燒。未燃盡的垃圾比重較輕，繼續(xù)沸騰燃燒，燃盡的垃圾比重較大，落到爐底，經過水冷后，用分選設備將粗渣、細渣送到廠外，少量的中等爐渣和石英砂通過提升設備送回到爐中繼續(xù)使用。

回轉式焚燒爐

回轉式焚燒爐

工作原理：回轉式焚燒爐是用冷卻水管或耐火材料沿爐體排列，爐體水平放置并略為傾斜。通過爐身的不停運轉，使爐體內的垃圾充分燃燒，同時向爐體傾斜的方向移動，直至燃盡并排出爐體。

CAO焚燒爐

工作原理：垃圾運至儲存坑，進入生化處理罐，在微生物作用下脫水，使天然有機物（廚余、葉、草等）分解成粉狀物，其他固體包括塑料橡膠一類的合成有機物和垃圾中的無機物則不能分解粉化。經篩選，未能粉化的廢棄物進入焚燒爐的先進入第一燃燒室（溫度為600℃），產生的可燃氣體再進入第二燃燒室，不可燃和不可熱解的組份呈灰渣狀在第一燃燒室中排出。第二室溫度控制在860℃進行燃燒，高溫煙氣加熱鍋爐產生蒸汽。煙氣經處理后由煙囪排至大氣，金屬玻璃在第一燃燒室內不會氧化或融化，可在灰渣中分選回收。

脈沖拋式爐排焚燒爐

工作原理：垃圾經自動給料單元送入焚燒爐的干燥床干燥，然后送入第一級爐排，在爐排上經高溫揮發(fā)、裂解，爐排在脈沖空氣動力裝置的推動下拋動，將垃圾逐級拋入下一級爐排，此時高分子物質進行裂解、其它物質進行燃燒。如此下去，直至最后燃盡后進入灰渣坑，由自動除渣裝置排出。助燃空氣由爐排上的氣孔噴入并與垃圾混合燃燒，同時使垃圾懸浮在空中。揮發(fā)和裂解出來的物質進入第二級燃燒室，進行進一步的裂解和燃燒，未燃盡的煙氣進入第三級燃燒室進行完全燃燒；高溫煙氣通過鍋爐受熱面加熱蒸汽，同時煙氣經冷卻后排出。

以過量的空氣與被處理的生活垃圾在焚燒爐內進行氧化燃燒反應，在釋放出能量的同時，垃圾中的有毒有害物質在高溫下氧化、熱解、燃燒而被破壞。垃圾焚燒可同時實現垃圾的減量化、無害化、能源化；經過焚燒處理，一般可實現垃圾體積減少95%，并且可獲得部分能量。