Физико-химические процессы, протекающие при сжигании ТКО

В обычных условиях горение представляет собой процесс окисления или соединения горючего вещества и кислорода воздуха. Наибольшая скорость горения наблюдается в чистом кислороде, наименьшая - при содержании в воздухе 14 -15 % кислорода. Горение веществ происходит тем быстрее, чем больше их удельная поверхность; при хорошем перемешивании горючего вещества и кислорода (окислителя) скорость горения увеличивается. Для возникновения и развития процесса горения необходимы: горючее, окислитель и источник поджигания. При отсутствии любого из этих условий горение прекращается. При недостатке кислорода горение является неполным, обычно образуются едкие, ядовитые, горючие и взрывоопасные продукты.

При горении щелочных металлов: калия, натрия, магния, кальция и других элементов образующиеся окислы остаются на поверхности расплавленного металла и представляют собой пористую массу. Одновременно образуются густые белые облака окислов этих металлов. По мере горения жидкий металл, поднимаясь по капиллярам пористой массы, пропитывает ее и окисляется при выходе на поверхность этой массы. У поверхности горящего металла температура достигает 1100-1500 °С, а окислы создают светящийся ореол, похожий на пламя. В действительности горение этих металлов происходит в тонком слое паров над поверхностью жидкой массы. Частично окисление происходит на самой поверхности.

При сжигании топлива или твердых отходов, содержащих органические вещества, образуются различные соединения, которые могут быть безвредными или токсичными.

Основные окислительно-восстановительные реакции процесса горения органического топлива или твердых горючих отходов следующие:

C + O₂ = CO₂ + тепло

C + 1/2O₂ = CO + тепло

C + CO₂ = 2CO – тепло

C + H₂O = CO + H₂ – тепло

C + 2 H₂O = CO₂ + 2H₂ – тепло

C + 2H₂ = CH₄ – тепло

CO + 1/2O₂ = CO₂ + тепло

H + 1/2O₂ = H₂O + тепло

H₂ + 1/2O = H₂O + тепло

CH₄ + 2O₂ = CO₂ + 2H₂O + тепло

CO + H₂O = CO₂ + H₂ + тепло

C₂H₄ + 3O₂ = 2CO₂ + 2H₂O + тепло

S + O₂ = SO₂ + тепло

H₂S + 3/2O₂ = H₂O + SO₂ + тепло

H₂ + 2Cl = 2HCl + тепло

H₂ + 2F = 2HF + тепло

В начале нагревания угля или твердых отходов, содержащих серу, происходит испарение органических и частично неорганических соединений, причем образуются Н₂S, CS₂, COS и другие сложные соединения с серой. Механизм сгорания этих компонентов хорошо изучен. При сжигании СОS образуются окислы СO, SO₂ и СО₂. Продуктами сжигания H₂S и CS₂является вода, окислы СО, SO₂. Сжигание отходов пластмассового производства может привести к образованию коррозионно-активных и токсичных хлористых соединений, окислов азота и других веществ. Аналогично сжигание мусора или других отходов на воздухе чаще всего происходит при неполном сгорании органического вещества и поступлении в атмосферу химически вредных веществ.

Горение сложных органических веществ может приводить к образованию широкого набора промежуточных соединений, если реакция не может развиваться до завершения. Неполное сгорание опасных органических веществ может давать опасные промежуточные вещества.

Сжигание галогенсодержащих органических веществ усложняется образованием токсичных продуктов сгорания, таких как: свободные галогены, галогеноводородные кислоты, а в случае хлора, - смертельно опасной смеси окиси углерода с хлором – фосгена.

СНСl = CCl₂ + 2O₂ → 2CO₂ + HCl + Cl₂.

Молекула Cl₂ образуется в результате отсутствия водорода, который необходим для образования HCl. Неполное окисление дает СО, который, соединяясь с Cl₂, дает фосген CОCl₂. Если дополнительным источником тепла является такое топливо, как природный газ (метан), то появляется достаточно водорода для образования из свободных атомов хлора хлорида водорода.

Соединения, которые содержат органическую или неорганическую серу в виде сульфидов, при полном сгорании в воздухе дают SO₂. Например, реакция горения метилмеркаптана описывается следующей реакцией:

CH₃SH + 3O₂ →CO₂ + 2H₂O + SO₂.

Сжигание металлогранических отходов, которые содержат опасные тяжелые металлы, дает вторичные отходы – золу и жидкие шламы скрубберных установок, которые, в свою очередь, могут быть классифицированы как опасные. Более того, тяжелые металлы, которые испаряются в процессе сжигания (Hg, As, Se), могут проходить через систему очистки продуктов сгорания без задержки в достаточно большом количестве.