半干法烟气净化系统在城市生活垃圾焚烧中的应用
摘 要: 城市生活垃圾焚烧技术作为固体废弃物无害化、资源化、减量化处理较为彻底的技术之一,已得到了广泛的应用。但垃圾焚烧过程中产生的烟气含有大量的酸性气体、有机类污染物、颗粒物及重金属等物质,对环境产生极大危害。介绍了半干法烟气净化系统在垃圾焚烧中的应用。
关键词: 生活垃圾,烟气污染,治理措施
1 城市生活垃圾焚烧烟气污染物的形成
生活垃圾组分比较复杂,某区域生活垃圾具体的应用基成分见图1 。
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由于燃料组分的特殊性,生活垃圾焚烧过程中产生的大气污染物根据其性质不同,主要有颗粒物、酸性气体、重金属和有机污染物4 大类[1 ] 。
(1) 颗粒物。生活垃圾焚烧过程中,由于高温热分解及氧化作用,燃烧物及其产物的体积和粒度减小,其中的不可燃物大部分滞留在炉排上以炉渣的形式排出,一小部分与焚烧产生的高温气体形成含有颗粒物即飞灰的烟气流,经余热锅炉热交换后排出,烟气含尘浓度约为3～6 g/ Nm3 。
(2) 酸性气体。生活垃圾焚烧烟气中的酸性气体主要有HCl ,HF ,SOx ,NOx及CO 等,其主要来源于垃圾中某些特定成分的燃烧。其中, HCl 来源于垃圾中含氯塑料、厨浴、纸张、布等物质的燃烧,其浓度约为1～1. 5 g/ Nm3 ; HF 主要来自垃圾中氟炭化物的燃烧,其形成机理与HCl 类似,浓度约为1～ 20 mg/ Nm3 ;SOx来源于含硫生活垃圾的高温氧化过程,以SO2 为主,在重金属催化作用下,有少量 SO3生成,SOx浓度约为0. 3～1 g/ Nm3 ;NOx 主要来自高温条件下N2 和O2 的氧化反应,另外,含氮有机物的燃烧也可生成NOx ,NOx 中NO 所占比例高达 95 %,NO2 仅占很少一部分;CO 是由于生活垃圾中有机可燃物不完全燃烧产生的,有机可燃物中的炭元素在焚烧过程中,绝大部分被氧化为CO2 ,但由于局部供氧不足及温度偏低等原因,极小部分被氧化为CO[2 ] 。
(3) 重金属。生活垃圾焚烧烟气中的重金属类污染物源于焚烧过程中垃圾所含重金属及其化合物的蒸发,主要来自垃圾中的废电池、日光灯管及含重金属的涂料、油漆等的焚烧。该部分物质一部分以气相的形式存在于烟气中,如Hg ;另有一部分重金属分子进入烟气后被氧化,并凝聚成很细的颗粒物;还有一部分蒸发后附着在焚烧烟气中的颗粒物上,以固相的形式存在于焚烧烟气中。烟气中重金属的浓度约为60 mg/ Nm3 ,其中Hg 的浓度约为0. 2～ 0. 5 mg/ Nm3 ,Cd 的浓度约为0. 2～0. 3 mg/ Nm3 。
(4) 有机污染物。生活垃圾焚烧烟气中的有机类污染物主要为二噁英类(包括二噁英及呋喃,简称二噁英类) 及多环芳香烃、氯苯和氯酚等,其中二噁英是目前已知化合物中毒性最强的一类物质,虽然含量极低,但危害巨大[ 2 ] 。
某项目锅炉出口烟气参数如表1 所示。
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2 垃圾焚烧烟气污染在燃烧过程中的控制
垃圾焚烧生成的污染物来源于垃圾组分,其存在形式、数量与焚烧条件、净化系统密切相关。从污染物的产生及其排放过程看,控制垃圾焚烧产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强的一类物质,虽然其含量极低,但必须加以严格控制。 ①确保垃圾在焚烧炉充分燃烧,由于CO 浓度是衡量垃圾是否充分燃烧的重要指标之一,因此在炉膛中喷入适量二次空气,使之与烟气充分混合,降低 CO 浓度,同时控制二噁英的浓度[3 ] ; ②本项目循环流化床垃圾焚烧炉炉温控制在850～950 ℃之间,炉膛出口氧量控制在6 %～8 % ,烟气在炉内停留时间大于4 s ,同时通过分级配风,改善炉内流动结构来减少垃圾焚烧生成的二噁英,流化床焚烧炉内湍混强烈,符合“三T”( Time , Turbulence 和Temperature ) 原则; ③减少烟气在300～500 ℃区域的停留时间, 控制余热锅炉的排烟温度在170 ℃左右; ④控制进入袋式除尘器的烟气温度在150 ℃以下,烟气温度降低时,二噁英类极易吸附在烟气中的颗粒物上,通过袋式除尘器将其与颗粒物一起除去,同时在进入袋式除尘器的烟道内喷入活性炭粉,进一步吸附二噁英类。
3 半干法烟气净化工艺在工程中的应用
烟气净化一般主要有由脱酸、除尘、活性炭吸附3 个部分组成。目前,国内外普遍采用的工艺主要是半干法/ 干法+ 布袋除尘器+ 活性炭吸附,其中脱酸技术是垃圾焚烧烟气净化系统的核心。下面介绍半干法烟气净化工艺在某生活垃圾焚烧热电联产项目中的应用。
该技术根据循环流化床理论和喷雾干燥原理, 采用悬浮方式,使吸收剂在吸收塔内悬浮、反复循环,与烟气中的SO2 充分接触反应来实现脱硫的一种方法。烟气脱硫工艺分7 个步骤: ①吸收剂存储和输送; ②烟气雾化增湿调温; ③脱硫剂与含湿烟气雾化颗粒充分接触混合; ④二氧化硫吸收; ⑤增湿活化; ⑥灰循环; ⑦废渣排除。系统包括烟气净化塔系统、预除尘及灰循环系统、吸收剂存储和输送系统、布袋除尘器系统及控制系统、工艺水系统及辅助系统。半干法烟气净化系统流程图如图2 所示。
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3. 1 主烟气系统
半干法烟气系统主要包括净化塔、烟道、旁路烟道、烟道挡板门、布袋除尘器。来自锅炉的烟气大部分由净化塔下部通过布风装置进入净化塔。原烟气经过文丘里后,在反应塔中与熟石灰和循环物料进行湍流接触。同时,烟气中的酸性化合物按以下化学方程式进行反应。它们是反应温度在100 ℃以下的干法脱硫系统的关键反应方程式(累积方程式,并不代表实际反应过程按以下顺序进行) 。
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在反应塔的顶部,大部分的颗粒物沿反应塔壁下落。剩余部分则与烟气一同离开反应塔进入下游的低阻分离器和布袋除尘器,最终被分离并收集到其料斗内。料斗也同时起到了物料中间储存的作用,料斗内绝大部分物料通过流化斜槽和旋转给料阀回到反应塔。因此,由反应塔进入低阻分离器的烟气中颗粒物的含量可达到0. 6～1 kg/ Nm3 。通过物料循环,颗粒物在反应塔中的停留时间相当长,从而提高了污染物的去除率,也增加了吸收剂的使用率。
通过监测反应塔入口和出口的压差和烟气流量来调节循环物料回料量,以确保流化床的压差保持常量。雾化水由净化塔喉部的双流体雾化喷嘴喷入净化塔,以很高的传质速率在净化塔中与烟气混合,烟气中小液滴与氧化钙颗粒以很高的传质速率与烟气中的SO2 等酸性物质混合反应, 生成 CaSO4 和CaSO3 等反应产物。这些干态产物小部分从净化塔塔底排灰口排出,大部分经过预除尘器和布袋除尘器除尘。锅炉烟气经过净化塔、布袋除尘器净化后,达到国家和自治区的大气污染物排放标准。反应器中的平均烟速为8 m/ s。
3. 2 预除尘及灰循环系统
从反应塔顶部出来的烟气通过低阻分离器和布袋除尘器,进行二级净化。一般除尘器内发生的化学反应与在反应器内发生的化学反应相同。布袋除尘器由12 个独立的腔室组成,每个腔室都设有挡板门隔开。因此,当1 个布袋出现故障的时候,可以在不停机的情况下完成检修和更换。为了保证烟气通过布袋除尘器的压降,布袋除尘器上设有脉冲清洗系统,将附在布袋上的滤饼清除。清扫介质为压缩空气,通过所设定的程序完成周期性自动清扫。清扫后的布袋除尘系统能在确保效率不变的前提下,使投入运行的布袋数量最少。在清扫的过程中,由于布袋表面的扩张,使得滤饼松动脱离布袋表面,落入底部料斗中。清扫装置配有自动控制系统。当某个腔室需检修时,清扫程序自动停止运行。底部储料器是一个中间储仓, 将收集的滤饼送回反应器。本系统设有灰再循环系统,根据反应器中灰的浓度和脱硫效率来调节循环倍率,达到提高Ca 的利用率及脱硫效率的目的, 循环灰一部分来自布袋除尘器,另一部分来自预除尘器分离下来的灰。布袋除尘器灰斗灰经螺旋输送机分2 路,一路经星型给料机落入空气斜槽回送至净化塔下部文丘里扩散段出口处,其余的灰经另一路直接由仓泵输送入灰库外排。
3. 3 吸收剂存储和输送系统
本系统设有Ca (OH) 2 存储、输送系统和活性炭加料储存、输送系统。设2 个储存仓, 分别储存 Ca (OH) 2和活性炭。在Ca (OH) 2 储仓锥底配有流化系统,采用压缩空气作为流化风,以避免消石灰的板结。反应所需的Ca (OH) 2 通过气力输送至反应塔。
活性炭主要用于吸附烟气中的重金属及二噁英。活性炭储仓与吸收剂储仓同区域布置,将其整合为一个完整的系统,同时也便于使用同一管路进行吸收剂与活性炭的输送。反应所需的活性炭通过气力输送至反应塔。
3. 4 工艺水系统
本烟气脱酸工艺须向反应塔内喷入适量的工艺水,烟气从底部进入反应塔并与喷入的雾化后的工艺水接触,起到了降低反应温度的作用,也使烟气中的水汽含量加大,有利于实现理想的污染物去除率。
工艺水通过高压水泵送至反应塔,在反应塔内经过一个高压回流式喷嘴形成细小的雾化颗粒。高压水泵采用多级离心泵, 将工艺水水压升至 4. 0 MPa左右,并通过安装在循环回水管上的控制阀调节喷入的水量。为保证工艺水喷嘴的正常工作,设有高压风机为喷嘴形成保护气膜(罩) ,以免喷嘴堵塞。
3. 5 辅助系统
辅助系统主要包括氮气保护系统和压缩空气系统。压缩空气系统主要用于控制阀、旋转加料阀等,清扫仓顶除尘器,布袋除尘器清灰,吸收剂和终产物储仓的通风,气力输送物料至储仓。
因本系统中使用了相当量的活性炭,活性炭在空气中会缓慢氧化生成易燃易爆的CO ,故在系统中特设置了氮气保护系统。停机时,在可能出现活性炭的部位进行充氮保护,以避免氧化反应的发生。
4 结 语
垃圾焚烧能够最大限度地实现生活垃圾的减量化、无害化、资源化,具有很好的应用前景,但焚烧不可避免带来二次污染,尤其是由飞灰、酸性气体、二噁英和重金属等组成的焚烧烟气的污染。采用适当的烟气净化处理技术,可对污染物的排放进行有效的控制。通过本文所述除尘及烟气净化系统处理后,本工程烟气污染物对外排放指标可完全符合国家环保标准。
参考文献
[1 ] 国家环境保护总局,国家质量监督检验检疫总局. 生活垃圾焚烧污染控制标准[ S] . GB 18485 —2001.
[2 ] 何晶晶,曹群科,冯军会,等. 生活垃圾焚烧副产物产生源特征[J ] . 环境工程,2005 ,25 (2) : 57259.
[3 ] 屠 进. 垃圾焚烧发电厂中各种二次污染的控制[J ] . 能源与环境,2002 ,21 (3) : 28230.
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