半干法煙氣凈化系統在城市生活垃圾焚燒中的應用
摘 要: 城市生活垃圾焚燒技術作為固體廢棄物無害化、資源化、減量化處理較為徹底的技術之一,已得到了廣泛的應用。但垃圾焚燒過程中產生的煙氣含有大量的酸性氣體、有機類污染物、顆粒物及重金屬等物質,對環境產生極大危害。介紹了半干法煙氣凈化系統在垃圾焚燒中的應用。
關鍵詞: 生活垃圾,煙氣污染,治理措施
1 城市生活垃圾焚燒煙氣污染物的形成
生活垃圾組分比較復雜,某區域生活垃圾具體的應用基成分見圖1 。
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由于燃料組分的特殊性,生活垃圾焚燒過程中產生的大氣污染物根據其性質不同,主要有顆粒物、酸性氣體、重金屬和有機污染物4 大類[1 ] 。
(1) 顆粒物。生活垃圾焚燒過程中,由于高溫熱分解及氧化作用,燃燒物及其產物的體積和粒度減小,其中的不可燃物大部分滯留在爐排上以爐渣的形式排出,一小部分與焚燒產生的高溫氣體形成含有顆粒物即飛灰的煙氣流,經余熱鍋爐熱交換后排出,煙氣含塵濃度約為3～6 g/ Nm3 。
(2) 酸性氣體。生活垃圾焚燒煙氣中的酸性氣體主要有HCl ,HF ,SOx ,NOx及CO 等,其主要來源于垃圾中某些特定成分的燃燒。其中, HCl 來源于垃圾中含氯塑料、廚浴、紙張、布等物質的燃燒,其濃度約為1～1. 5 g/ Nm3 ; HF 主要來自垃圾中氟炭化物的燃燒,其形成機理與HCl 類似,濃度約為1～ 20 mg/ Nm3 ;SOx來源于含硫生活垃圾的高溫氧化過程,以SO2 為主,在重金屬催化作用下,有少量 SO3生成,SOx濃度約為0. 3～1 g/ Nm3 ;NOx 主要來自高溫條件下N2 和O2 的氧化反應,另外,含氮有機物的燃燒也可生成NOx ,NOx 中NO 所占比例高達 95 %,NO2 僅占很少一部分;CO 是由于生活垃圾中有機可燃物不完全燃燒產生的,有機可燃物中的炭元素在焚燒過程中,絕大部分被氧化為CO2 ,但由于局部供氧不足及溫度偏低等原因,極小部分被氧化為CO[2 ] 。
(3) 重金屬。生活垃圾焚燒煙氣中的重金屬類污染物源于焚燒過程中垃圾所含重金屬及其化合物的蒸發,主要來自垃圾中的廢電池、日光燈管及含重金屬的涂料、油漆等的焚燒。該部分物質一部分以氣相的形式存在于煙氣中,如Hg ;另有一部分重金屬分子進入煙氣后被氧化,并凝聚成很細的顆粒物;還有一部分蒸發后附著在焚燒煙氣中的顆粒物上,以固相的形式存在于焚燒煙氣中。煙氣中重金屬的濃度約為60 mg/ Nm3 ,其中Hg 的濃度約為0. 2～ 0. 5 mg/ Nm3 ,Cd 的濃度約為0. 2～0. 3 mg/ Nm3 。
(4) 有機污染物。生活垃圾焚燒煙氣中的有機類污染物主要為二噁英類(包括二噁英及呋喃,簡稱二噁英類) 及多環芳香烴、氯苯和氯酚等,其中二噁英是目前已知化合物中毒性最強的一類物質,雖然含量極低,但危害巨大[ 2 ] 。
某項目鍋爐出口煙氣參數如表1 所示。
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2 垃圾焚燒煙氣污染在燃燒過程中的控制
垃圾焚燒生成的污染物來源于垃圾組分,其存在形式、數量與焚燒條件、凈化系統密切相關。從污染物的產生及其排放過程看,控制垃圾焚燒產生的二次污染可以采取以下措施。
由于二噁英是目前已知化合物中毒性最強的一類物質,雖然其含量極低,但必須加以嚴格控制。 ①確保垃圾在焚燒爐充分燃燒,由于CO 濃度是衡量垃圾是否充分燃燒的重要指標之一,因此在爐膛中噴入適量二次空氣,使之與煙氣充分混合,降低 CO 濃度,同時控制二噁英的濃度[3 ] ; ②本項目循環流化床垃圾焚燒爐爐溫控制在850～950 ℃之間,爐膛出口氧量控制在6 %～8 % ,煙氣在爐內停留時間大于4 s ,同時通過分級配風,改善爐內流動結構來減少垃圾焚燒生成的二噁英,流化床焚燒爐內湍混強烈,符合“三T”( Time , Turbulence 和Temperature ) 原則; ③減少煙氣在300～500 ℃區域的停留時間, 控制余熱鍋爐的排煙溫度在170 ℃左右; ④控制進入袋式除塵器的煙氣溫度在150 ℃以下,煙氣溫度降低時,二噁英類極易吸附在煙氣中的顆粒物上,通過袋式除塵器將其與顆粒物一起除去,同時在進入袋式除塵器的煙道內噴入活性炭粉,進一步吸附二噁英類。
3 半干法煙氣凈化工藝在工程中的應用
煙氣凈化一般主要有由脫酸、除塵、活性炭吸附3 個部分組成。目前,國內外普遍采用的工藝主要是半干法/ 干法+ 布袋除塵器+ 活性炭吸附,其中脫酸技術是垃圾焚燒煙氣凈化系統的核心。下面介紹半干法煙氣凈化工藝在某生活垃圾焚燒熱電聯產項目中的應用。
該技術根據循環流化床理論和噴霧干燥原理, 采用懸浮方式,使吸收劑在吸收塔內懸浮、反復循環,與煙氣中的SO2 充分接觸反應來實現脫硫的一種方法。煙氣脫硫工藝分7 個步驟: ①吸收劑存儲和輸送; ②煙氣霧化增濕調溫; ③脫硫劑與含濕煙氣霧化顆粒充分接觸混合; ④二氧化硫吸收; ⑤增濕活化; ⑥灰循環; ⑦廢渣排除。系統包括煙氣凈化塔系統、預除塵及灰循環系統、吸收劑存儲和輸送系統、布袋除塵器系統及控制系統、工藝水系統及輔助系統。半干法煙氣凈化系統流程圖如圖2 所示。
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3. 1 主煙氣系統
半干法煙氣系統主要包括凈化塔、煙道、旁路煙道、煙道擋板門、布袋除塵器。來自鍋爐的煙氣大部分由凈化塔下部通過布風裝置進入凈化塔。原煙氣經過文丘里后,在反應塔中與熟石灰和循環物料進行湍流接觸。同時,煙氣中的酸性化合物按以下化學方程式進行反應。它們是反應溫度在100 ℃以下的干法脫硫系統的關鍵反應方程式(累積方程式,并不代表實際反應過程按以下順序進行) 。
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在反應塔的頂部,大部分的顆粒物沿反應塔壁下落。剩余部分則與煙氣一同離開反應塔進入下游的低阻分離器和布袋除塵器,最終被分離并收集到其料斗內。料斗也同時起到了物料中間儲存的作用,料斗內絕大部分物料通過流化斜槽和旋轉給料閥回到反應塔。因此,由反應塔進入低阻分離器的煙氣中顆粒物的含量可達到0. 6～1 kg/ Nm3 。通過物料循環,顆粒物在反應塔中的停留時間相當長,從而提高了污染物的去除率,也增加了吸收劑的使用率。
通過監測反應塔入口和出口的壓差和煙氣流量來調節循環物料回料量,以確保流化床的壓差保持常量。霧化水由凈化塔喉部的雙流體霧化噴嘴噴入凈化塔,以很高的傳質速率在凈化塔中與煙氣混合,煙氣中小液滴與氧化鈣顆粒以很高的傳質速率與煙氣中的SO2 等酸性物質混合反應, 生成 CaSO4 和CaSO3 等反應產物。這些干態產物小部分從凈化塔塔底排灰口排出,大部分經過預除塵器和布袋除塵器除塵。鍋爐煙氣經過凈化塔、布袋除塵器凈化后,達到國家和自治區的大氣污染物排放標準。反應器中的平均煙速為8 m/ s。
3. 2 預除塵及灰循環系統
從反應塔頂部出來的煙氣通過低阻分離器和布袋除塵器,進行二級凈化。一般除塵器內發生的化學反應與在反應器內發生的化學反應相同。布袋除塵器由12 個獨立的腔室組成,每個腔室都設有擋板門隔開。因此,當1 個布袋出現故障的時候,可以在不停機的情況下完成檢修和更換。為了保證煙氣通過布袋除塵器的壓降,布袋除塵器上設有脈沖清洗系統,將附在布袋上的濾餅清除。清掃介質為壓縮空氣,通過所設定的程序完成周期性自動清掃。清掃后的布袋除塵系統能在確保效率不變的前提下,使投入運行的布袋數量最少。在清掃的過程中,由于布袋表面的擴張,使得濾餅松動脫離布袋表面,落入底部料斗中。清掃裝置配有自動控制系統。當某個腔室需檢修時,清掃程序自動停止運行。底部儲料器是一個中間儲倉, 將收集的濾餅送回反應器。本系統設有灰再循環系統,根據反應器中灰的濃度和脫硫效率來調節循環倍率,達到提高Ca 的利用率及脫硫效率的目的, 循環灰一部分來自布袋除塵器,另一部分來自預除塵器分離下來的灰。布袋除塵器灰斗灰經螺旋輸送機分2 路,一路經星型給料機落入空氣斜槽回送至凈化塔下部文丘里擴散段出口處,其余的灰經另一路直接由倉泵輸送入灰庫外排。
3. 3 吸收劑存儲和輸送系統
本系統設有Ca (OH) 2 存儲、輸送系統和活性炭加料儲存、輸送系統。設2 個儲存倉, 分別儲存 Ca (OH) 2和活性炭。在Ca (OH) 2 儲倉錐底配有流化系統,采用壓縮空氣作為流化風,以避免消石灰的板結。反應所需的Ca (OH) 2 通過氣力輸送至反應塔。
活性炭主要用于吸附煙氣中的重金屬及二噁英。活性炭儲倉與吸收劑儲倉同區域布置,將其整合為一個完整的系統,同時也便于使用同一管路進行吸收劑與活性炭的輸送。反應所需的活性炭通過氣力輸送至反應塔。
3. 4 工藝水系統
本煙氣脫酸工藝須向反應塔內噴入適量的工藝水,煙氣從底部進入反應塔并與噴入的霧化后的工藝水接觸,起到了降低反應溫度的作用,也使煙氣中的水汽含量加大,有利于實現理想的污染物去除率。
工藝水通過高壓水泵送至反應塔,在反應塔內經過一個高壓回流式噴嘴形成細小的霧化顆粒。高壓水泵采用多級離心泵, 將工藝水水壓升至 4. 0 MPa左右,并通過安裝在循環回水管上的控制閥調節噴入的水量。為保證工藝水噴嘴的正常工作,設有高壓風機為噴嘴形成保護氣膜(罩) ,以免噴嘴堵塞。
3. 5 輔助系統
輔助系統主要包括氮氣保護系統和壓縮空氣系統。壓縮空氣系統主要用于控制閥、旋轉加料閥等,清掃倉頂除塵器,布袋除塵器清灰,吸收劑和終產物儲倉的通風,氣力輸送物料至儲倉。
因本系統中使用了相當量的活性炭,活性炭在空氣中會緩慢氧化生成易燃易爆的CO ,故在系統中特設置了氮氣保護系統。停機時,在可能出現活性炭的部位進行充氮保護,以避免氧化反應的發生。
4 結 語
垃圾焚燒能夠最大限度地實現生活垃圾的減量化、無害化、資源化,具有很好的應用前景,但焚燒不可避免帶來二次污染,尤其是由飛灰、酸性氣體、二噁英和重金屬等組成的焚燒煙氣的污染。采用適當的煙氣凈化處理技術,可對污染物的排放進行有效的控制。通過本文所述除塵及煙氣凈化系統處理后,本工程煙氣污染物對外排放指標可完全符合國家環保標準。
參考文獻
[1 ] 國家環境保護總局,國家質量監督檢驗檢疫總局. 生活垃圾焚燒污染控制標準[ S] . GB 18485 —2001.
[2 ] 何晶晶,曹群科,馮軍會,等. 生活垃圾焚燒副產物產生源特征[J ] . 環境工程,2005 ,25 (2) : 57259.
[3 ] 屠 進. 垃圾焚燒發電廠中各種二次污染的控制[J ] . 能源與環境,2002 ,21 (3) : 28230.
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