典型危险废物在两段式回转窑焚烧系统内的热处置和结渣特性研究及其应用

摘要

我国2009年的危险废物产生量达到1430万吨，由于危险废物形态复杂，回转窑焚烧是一种比较适宜的安全处置方式。目前对危险废物焚烧特性、灰渣特性的研究尚不深入，回转窑焚烧系统在运行过程中缺乏必要的指导，在实际应用中出现了危险废物焚烧效果不佳、回转窑内结渣、耐火材料腐蚀、污染物排放不达标等问题。依托国家高技术研究发展计划(863计划)重点项目课题“危险废物焚烧系统关键技术与示范”(2007AA061302)和浙江省重大科技专项“工业危险废物新型回转窑集成系统处置技术示范工程”(2007C13084)，本文对几种典型危险废物的热解、燃烧特性开展了基础研究工作，并对危险废物焚烧处置工程应用进行试验研究，为现有的危险废物热处置研究提供有益的补充，为回转窑危险废物焚烧系统的运行优化提供支持。
　　 本文首先运用化学热力学平衡模拟和试验研究对危险废物在不同热处置条件下的气体生成特性进行了研究。研究发现，危险废物热解产物主要是H2O、C2H4、C2H2、H2和CO，随着温度的升高，热解气态产物出现进一步分解。在较低的过量空气系数条件下，危险废物的气化产物主要是CO、H2O、H2、和CH4，研究发现，少量O2有利于危险废物在热分解过程中CH4、H2和CO的生成。在危险废物热处置过程中，绝大部分Cl元素在300-600℃之间以HCl的形式释放析出，危险废物焚烧过程中，SO2是最主要的含S污染物。利用热重-红外分析方法进行实验研究和动力学分析表明，危险废物燃烧过程的挥发份析出阶段与其热解过程的挥发份析出阶段具有相似的热分解特性，而氧气对危险废物的热分解具有明显的促进作用，使热分解温度提前，表观活化能降低。研究发现，危险废物热解气态产物的析出主要集中在200-500℃之间，大部分危险废物在700℃之前燃烬。高挥发份危险废物的热解气态产物析出较为集中，析出气体具有较高的浓度；高氮含量有机危险废物热解气中含有大量的HNCO，高硫危险废物热处置过程中的主要气态污染物是SO2。有机化工污泥的固定碳燃烧阶段持续时间相对较长，且大部分失重都在固定碳燃烧阶段完成。实验研究发现，升温速率的提高对危险废物热解产物成分的影响较小。针对较高重金属含量的制革污泥的研究发现，其具有较好的燃烧特性。制革污泥在挥发份燃烧初期有少量有机酸析出，800℃时基本燃烬，超过900℃以后，制革污泥燃烧灰渣开始出现粘结现象。为避免制革污泥焚烧过程中出现结渣，并有效减少重金属的挥发，可以选择800℃为制革污泥的最佳燃烧温度。
　　 本文利用计算流体软件，对危险废物在两段式回转窑焚烧系统内的燃烧过程进行了不同运行工况条件下的模拟。研究发现，在回转窑的后部区域，烟气流速存在明显的分层现象。在额定负荷和配风条件下，危险废物在回转窑内能够实现较为充分的燃烧，增加窑头部位的送风量以后，窑内烟气流速分层现象提前，窑内高温区域前移，危险废物在回转窑内的燃烧完全程度提高，二燃室的燃烧现象明显减弱。模拟研究表明，投用窑头助燃燃烧器可以在回转窑内部形成一个稳定的沿着回转窑轴向分布的高温区域，有助于促进窑内温度的稳定和危险废物在窑内的燃烧。对危险废物焚烧处置工程应用的研究发现，两段式回转窑焚烧系统完全可以满足危险废物焚烧和污染物排放控制要求，稳定运行期间二噁英排放浓度只有0.016-0.035 TEQ ng/m3，但回转窑内存在较大程度的结渣隐患。危险废物焚烧飞灰呈现明显的小颗粒团聚特征，底渣质地致密，具有明显的烧结迹象，灰渣中部分重金属含量较高。通过对不同部位灰渣采样的分析，研究了危险废物在高温焚烧条件下的灰渣特性，以及烟气流动方向飞灰的形成过程和小颗粒的团聚过程，以及小颗粒在大颗粒表面富集的过程，为危险废物焚烧应用及污染物排放控制提供借鉴。

目录

文摘

英文文摘

致谢

第1章 绪论

1.1 危险废物的定义和鉴定

1.1.1 危险废物的定义

1.1.2 我国危险废物鉴别体系

1.1.3 国外危险废物鉴别体系

1.2 我国危险废物管理

1.2.1 危险废物管理法规建设

1.2.2 危险废物管理规划

1.3 我国危险废物产生现状

1.3.1 工业固废产生现状

1.3.2 危险废物产生现状

1.3.3 我国危险废物管理

1.3.4 国外危险废物管理

1.4 危险废物处置工艺和焚烧处理

1.4.1 我国危险废物处置设施建设

1.4.2 危险废物焚烧处置研究

1.4.3 我国危险废物焚烧处置管理体系

1.4.4 危险废物焚烧工艺比较

1.4.5 国外危险废物焚烧炉运行及污染物排放

1.5 本文的研究内容及目标

第2章 化学热平衡分析方法研究危险废物热处置特性

2.1 引言

2.2 自由能最小化方法的基本原理

2.3 危险废物组成分析

2.4 化学热力学平衡计算分析

2.4.1 模拟工况

2.4.2 不同过量空气系数下危险废物热处置气体产物分析

2.5 本章小结

第3章 典型危险废物燃烧和热解特性研究

3.1 引言

3.2 热重-红外分析技术

3.3 实验仪器及方法

3.3.1 实验仪器

3.3.2 实验方法

3.3.3 实验物料

3.4 实验结果分析

3.4.1 热重分析

3.4.2 红外光谱结果分析

3.5 动力学分析

3.5.1 危险废物热处置动力学及机理分析

3.5.2 危险废物热解/燃烧过程动力学补偿效应分析

3.6 本章小结

第4章 制革污泥燃烧特性研究

4.1 引言

4.2 制革污泥燃烧特性实验研究

4.2.1 实验方法与样品

4.2.2 实验结果与分析

4.3 不同污泥燃烧特性分析比较研究

4.3.1 热重实验结果分析

4.3.2 污泥燃烧特性分析

4.4 制革污泥燃烧灰渣特性分析

4.4.1 实验装置及方法

4.4.2 实验结果分析

4.5 制革污泥燃烧过程重金属迁移特性分析

4.5.1 实验方法

4.5.2 实验结果分析

4.5.3 重金属挥发特性

4.6 本章小结

第5章 危险废物焚烧飞灰及底渣特性研究

5.1 引言

5.2 危险废物焚烧灰渣特性分析

5.2.1 焚烧系统及灰渣采样

5.2.3 灰渣特性分析

5.3 不同回转窑焚烧系统灰渣特性分析比较

5.4 回转窑内结圈特性分析

5.4.1 灼减率及熔点分析

5.4.2 微观结构分析

5.4.3 元素组成分析

5.4.4 物相分析

5.5 回转窑结圈分析

5.5.1 回转窑结圈原因

5.5.2 回转窑自熔融措施

5.6 本章小结

第6章 危险废物回转窑焚烧模拟研究

6.1 引言

6.2 流体计算软件和计算方法

6.3 数学模型

6.3.1 守恒方程

6.3.2 气相湍流流动模型

6.3.3 流场计算方法

6.4 物理模型及边界条件

6.4.1 物理模型

6.4.2 边界温度

6.5 模拟结果分析

6.5.1 模拟工况

6.5.2 模拟结果与分析

6.5.3 配风调整对焚烧系统的影响

6.5.4 投用窑头燃烧器对焚烧系统的影响

6.5.5 投用二燃室燃烧器对焚烧系统的影响

6.6 本章小结

第7章 危险废物回转窑焚烧的工程应用

7.1 引言

7.2 项目背景

7.3 焚烧系统介绍

7.4 焚烧物料

7.5 运行工况

7.6 监测结果分析

7.6.1 监测方法

7.6.2 监测结果

7.6.3 二噁英排放测定结果

7.6.4 重金属排放测定结果

7.7 本章小结

第8章 全文总结和展望

8.1 本文主要研究内容和工作总结

8.2 本文主要创新点

8.3 研究展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文