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技术 | 危险废物焚烧配伍与燃烧反应分析

发布时间:
2019/03/18
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  危险废物,特别是危险化工废物,成分复杂,形态各异,且很少分门别类,给处置带来很大的困难,焚烧可以有效破坏废物中的有毒、有害的危险废物,是实现危险废物减量化、无害化的最快捷、最有效的技术,危险废物的集中处置要害是焚烧,焚烧的要害是针对高分子废物的完全燃尽。本文通过对危险废物焚烧机理与配伍方法和原则的分析,以期为同行提供借鉴。
 
  危险废物焚烧的机理分析
 
  高分子废物组分和结构相当复杂。它们在燃烧过程中连续不断地进行多级的热分解反应才能彻底分解成低分子可燃气体,最终转化为燃烧反应,并释放出燃烧热量。
 
  化工废物的化学式可用如下通式表示为:CaHbClcOdNe(其中Cl也可以是其他卤素或硫、磷、金属元素等,此中以氯为代表,是因为含氯危险废物焚烧解毒比较困难)。
 
  通过加入空气,这些废弃物在燃烧过程中将产生典型的燃烧产物CO2和H2O及一些腐蚀性或污染性的产物,这些污染性产物需要在随后的烟气处理中处理掉。因此在焚烧过程中,必须寻找合理的操作参数,使自由氯、一氧化碳等有害气体的产生量达到最小。
 
 
  危险废物焚烧反应的分析与探讨
 
  在空气中焚烧塑料、橡胶、油漆、沥青时,滚滚浓烟可以扩散到30~40m的高空。这是因为:一是完全气化不等于完全热解。固(液)态高分子废物可以很彻底地被气化,但是完全气化不等于有机污染的毒性可被无害化;二是热分解和燃烧,从概念上,热分解和热燃烧是两个完全不同的反应,热分解是吸热反应,燃烧是放热反应,只有比较完全的分解,才能做到比较完全的燃烧;三是高分子浓黑可燃气体完全分解后,才能进行放热的完全燃烧反应、比较彻底地对有机污染毒性进行无害化。滚滚黑烟的产生是因为热分解不彻底、燃烧供氧不均匀、燃烧不完全引起的。
 
  不完全燃烧的焚烧喷出的黑色浓烟,就是未完全燃尽的大分子可燃气,就是残留在烟气中的有机污染物。同时,不完全燃烧也是二恶英的主要产生源头。工业焚烧危废就是要解决这一问题,使得危废在工业焚烧炉内彻底的燃烧解毒。化学工业废物的完全燃烧(焚烧)是按以上方程的反应过程并辅以“3T”条件实现的:
 
  (1)稳定燃烧:含氯废物在一般条件下并不能稳定燃烧,其稳定燃烧条件是燃烧温度大于900℃。
 
  (2)均匀燃烧:合理的供氧、高温使废物得以充分燃烧,物质分子得到完全分解破坏,否则分子可能得不到完全燃烧,产生CO、自由氯等,易再次结合生成二恶英类物质。在炉膛内存在一个温度梯度将促使这种现象的发生,特别是靠近炉壁处,合理的供氧角度可以使得整个炉供氧均匀充分,呈湍流状态,燃烧均匀,整个焚烧炉应火光通透,废物应在炉内呈火红的熔融态均匀的燃烧和沿炉壁流淌,使得燃烧效率>99.9%,焚毁去除率>99.99%,焚烧残渣的热灼减率<5%;
 
  (3)平衡燃烧:为了维持废物燃烧的动力学平衡,废物在炉膛中的燃烧要保证有一定的停留时间,废物入炉焚烧需要适当的搭配。
 
  通过对上述燃烧的研究,可以得出工业含氯废物燃烧的化学机理:
 
  1)高温可以提供废物分子热解及由氯向HCL转化的条件。同时,也要考虑减少CO和NOx生成,因为CO和NOx生成也和燃烧温度有关。燃烧反应的平衡实质上决定于燃烧后烟气中氧气含量的多少,为了限制CO的生成,需要燃烧过程中提供过量的氧气。
 
  2)H和Cl的结合是Cl2向HCl转化的过程中的一个重要参数。很明显,当H不足时,平衡不能朝Cl2分解的方向运动。在这样的情况下,Cl2分解所必须的H就必须从其它来源获得,例如添加水。
 
  3)在工业废物的燃烧中,氮氧化物NOx的生成有两个来源:一是来源于燃烧空气中氮气分子的氧化;另一来源就是废物中所含的有机氮。实际上空气中氮气的氧化产生的氮氧化物NOx的量很小,并不能产生现行排放标准中限制以外的排放指标,产生氮氧化物NOx主要根源是废物中所含的有机氮。
 
  危险废物焚烧配伍的方法与原则
 
  为了达到化工废物的稳定、均匀、平衡燃烧,必须对所收集的成分复杂,形态各异,且很少分门别类焚烧废物进行物化分析,分门别类,然后形成一个相对稳定数据的焚烧废物配伍菜单,这是一个极其复杂且计算工程量极大的作业,具体如下:
 
  (1)分析鉴别内容应包括:物理性质:物理组成、容重、粒径;工业分析:固定碳、灰分、挥发分、水分、灰熔点、低位热值;元素分析和有害物质含量(如S、Cl、F、Br、I、P、Hg及碱金属等等);特性鉴别(腐蚀性、浸出毒性、急性毒性、易燃易爆性);反应性;相容性、与水稳定性。
 
  (2)为了使焚烧炉的温度和烟气成分保持相对稳定,需要对各类废物进行配伍。危险废物配伍的前提是保证配伍废物的相容性,以保证焚烧处理的安全性:两种以上危险废物混合应避免:产生大量热量或高压、火焰、爆炸、易燃气体、有毒气体、剧烈的聚合反应:另外必须保证废物与容器和料仓及炉衬之间的相容性、安全性。
 
 
  物料配伍的主要原则:
 
  1)保证热值的稳定性:配伍应使进入焚烧炉的危险废物的热值尽可能介于设计规定的范围以减少辅助燃料的用量。热值太低,需要启动辅助燃料系统以使废物燃烧完全,造成运行费用增加;热值太高,需要用惰性物质(过量空气、水等)限制炉温,同时使处理能力下降。入炉废物的热值要保持稳定,使焚烧室热负荷控制设计规定的范围,保证系统运行的经济可靠。
 
  2)控制酸性污染物和重金属、碱金属含量:控制废物中酸性物含量,保证焚烧设备不受腐蚀和尾气达标排放。卤化有机物不仅影响废物的热值,也影响燃烧后烟气的酸性气体含量和烟气处理系统的运行效果,控制不当还易造成氯气的产生,其腐蚀性更大。危险废物中磷主要是有机磷化物,焚烧产生的P2O5在400~700℃会对金属及耐火材料产生加速腐蚀,此温度区域为余热锅炉区域,如果不控制好磷的含量,则余热锅炉使用寿命会大大缩短。碱金属是以无机或有机盐的形式在于危险废物中,燃烧后变成碱金属氧化物,出渣时易遇水爆炸。入炉酸性物含量一般宜控制在:Cl:<1%,P、F:<0.2%,S<1%,碱金属K、Na、Ca等<0.1%。农药等剧毒危险废物,含有机重金属类物质,应均匀限制数量入炉焚烧。
 
  3)适当混合处理保持焚烧的持续性、稳定性:根据分析、实验结果,科学搭配焚烧菜单,使得一些易混合发生反应的、爆炸的、高腐蚀性的得到预处理,和惰性的泥状物混合,控制适当的水分,以利于燃烧;含钾等碱金属废物和含氯等卤素废物可以反应生成稳定化合物的应适当搭配;快速分解燃烧的和缓慢分解燃烧的适当搭配,使得在炉内均匀燃烧等等。
 
 
  一个好的焚烧配伍可以使得燃烧稳定、解毒彻底,同时还可以节约助燃燃料、保护耐火材料、延长焚烧设施的使用寿命。