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烟气深度净化技术
 

生活垃圾焚烧发电厂烟气处理技术研究应用进展

[2014-12-06] 点击:

 焚烧作为无害化最彻底、减容化最显著、可资源化利用程度最高的一种处理技术已经成为当今国际社会生活垃圾处理的重要技术lI]。据统计,2006-2010年,城市生活垃圾焚烧处理设施由69座增加到104座2,预计到“十二五”末,垃圾焚烧厂将超过300座。然而,每吨垃圾焚烧后会产生5000~7000m的废气3,如何控制烟气中污染物的排放浓度也日益受到人们的广泛关注,笔者主要从烟气中污染物组分及相应的处理技术方面进行综述,总结在生活垃圾焚烧发电厂中烟气处理技术研究应用进展,从而提出了今后垃圾焚烧烟气处理的研究方向。

1、烟气中污染物组分

  垃圾焚烧烟气组成极其复杂,主要污染物有烟尘(飞灰)、酸性气体、重金属和二恶英类等。烟尘颗粒物主要是垃圾焚烧过程中烟气夹带的不可燃物质或燃烧过程产生的微小惰性无机颗粒状物质,如灰分、无机盐类、可凝结的气体污染物及有害的重金属氧化物l4]。酸性气体及氮氧化物主要来源于垃圾中特定组分的燃烧过程。研究表明,HC1的浓度受垃圾中含氯有机物的影响高于无机氯化物。

  重金属类污染物主要来源于生活垃圾中含有的废旧电池,主要包括铅、汞、铬、镉、砷及其化合物以及其他重金属及其化合物l4],当垃圾中有机氯化物含量高时,烟气中的重金属以铬为主要成分,当垃圾中无机氯化物高时,烟气中的重金属以铅为主要成分。有机污染物主要为二恶英类物质,有研究表明250~350℃的温度范围最易

  产生二噁英,李晓东等提出垃圾中氯含量超过2.1%时二恶英的增加量更为明显,R.Takeshita等提出控制高温烟气中HC1气体的含量有利于控制二恶英的生成量。

  我国2010年发布了《生活垃圾焚烧污染控制标准》征求意见稿,对垃圾焚烧烟气的排放标准作出了更为严格的限制,部分指标达到欧洲EU2000/76/EC标准,由此可见,合理有效的烟气处理技术是保障垃圾焚烧发电厂推广实施的必要条件。

2、烟尘、重金属及二恶英的脱除工艺

2.1烟尘的脱除

  烟尘脱除主要采用除尘器,根据CJJ90_-2009生活垃圾焚烧处理工程技术规范要求,生活垃圾焚烧厂烟气净化系统必须设置袋式除尘器。目前,采用机械炉排炉的垃圾焚烧厂除尘装置多采用袋式除尘器;采用循环流化床的垃圾焚烧厂由于含尘量高,多采用“旋风除尘器+袋式除尘器”组合工艺。

  袋式除尘器主要利用预涂粉尘、滤袋表面积附尘等技术,对有害有毒气体进行处理和过滤,除尘效率可达99.50%~99.99%,能长期稳定运行,适应工艺负荷变化引起的风量波动,有效捕集10tzm以下的微尘,粉尘排放浓度可稳定达到<50mg/m甚至5mg/m3以下。FE是目前国内外垃圾焚烧发电厂应用较为普遍的滤料,其水解稳定性、耐酸,碱性、耐磨性及氧化稳定性均为优,使用年限为3-4a,但其价格较高。其他滤料难以抵御垃圾焚烧炉烟气的腐蚀,使用寿命较短。

2.2重金属及二恶英的脱除

  传统的垃圾焚烧厂烟气中重金属和二恶英的常用脱除工艺为“活性炭喷射+袋式除尘器”。此工艺能有效吸附烟气中的重金属及二恶英,活性炭的添加量为100mg/m左右,脱除效率可达95%以上。

  GORE公司研制出的Remedia催化滤料,能有效分解脱除二恶英,脱除效率高达90%以上,烟气中二恶英浓度将小于0.1ng—TEQ/m3。Y.Ide等采用TiO2/V205/WO3催化剂在选择性催化还原(SCR)装置中研究了垃圾焚烧烟气中二恶英和相关化合物的分解,分解率高达90%。

  陈彤等对150t/d焚烧流化床锅炉不同工况下湿法除尘器前后烟气中二恶英的含量进行研究,得出不同工况下湿法除尘器对二恶英的脱除效率均达到85%以上。因而,在烟气净化处理装置的基础上进行低温催化技术研发是烟气处理的研究方向之一。

3、酸性污染物的脱除工艺

  国内外常用的垃圾焚烧烟气中酸性污染物的脱除工艺主要有干法、湿法和半干法3种。国外垃圾焚烧发电厂常采用湿法和机械旋转喷雾半干法烟气净化工艺,国内已建成的垃圾焚烧发电厂大多采用机械旋转喷雾半干法工艺或循环流化法和干法净化工艺。

3.1干法工艺

  干法脱酸工艺是将碱性脱酸物质直接喷射在烟道内,流程简单,设备投资约为半干法的80%,工艺过程不产生废水,设备故障率低,维护方便,但钙硫比偏高,脱酸剂耗量大,致使飞灰产生量大。

  E.Jannelli等在RDF(垃圾衍生燃料)焚烧模拟实验中,采用Ca(OH)2作为吸收剂处理HCI,脱除率可达到99%。姚宇平指出在用石灰或消石灰作为吸收剂进行干法脱酸时,更应该注重其Blaine比表面积。郭一鑫采用干法烟气净化系统进行烟气处理,HC1的脱除率可达到97%,SO2的脱除率>90%。吴立等研究表明,电石渣的脱酸效果与纯Ca(OH)相当,可替代纯Ca(OH):,降低处理成本。孙向军等提出碳酸氢钠的经济性较熟石灰差,但脱除效率更高。

  2008年,江苏科林集团引进了一种新的干法脱酸工艺——NSK工艺。从锅炉出来的烟气经双流雾化器喷出的水雾急速冷却到160℃左右后,在NSK混合器内与消石灰、活性炭充分混合,中和烟气中的酸性气体,吸附二恶英等有害成分,确保酸性气体达标排放。

3.2湿法工艺

  湿法脱酸工艺是利用碱性吸收剂(一般为NaOH溶液)在洗涤塔内吸收HC1和SO2等酸性气体。湿法净化工艺净化效率很高,国外多年的应用业绩均表明其对HC1的脱除效率可达99%以上,对SO2也可达到95%以上的脱除效率。但是湿法净化工艺后续需要配置废水处理设施,且处理后烟气温度一般为6O~70℃,为防止烟囱出口有“白烟”冒出,还需要配置烟气再加热装置,在国内还没有应用实例,可作为干法和半干法净化工艺之后的尾气深度净化措施。

3.3半干法工艺

  半干法介于干法和湿法之间,主要包括旋转雾化器半干法、固定喷嘴半干法和循环流化床半干法。

  旋转雾化器半干法是目前垃圾焚烧发电厂烟气处理的主流工艺,脱酸效率高,但其核心部件——雾化器制作精度高,主要由国外引进,如西格斯、NIRO及KS等厂家生产的雾化器应用较为广泛,但是雾化器易堵塞、磨损,需要经常清洗更换,投资维护费用高。解海卫等建立了垃圾焚烧烟气旋转喷雾干燥净化实验系统,采用型号为NIROF100的雾化器,得出HC1脱除效率高于SO2的脱除率,可以满足排放标准。

  固定喷嘴半干法主要采用双流体喷嘴对石灰浆液进行雾化,成本较低,但存在堵塞和磨损问题,且其脱酸效率低于旋转雾化半干法。李午申等对双流体喷嘴石灰浆液雾化特性进行了系列研究,得出喷雾液滴直径范围为40~130txm,但其雾化角较小,单孔喷嘴的雾化角一般为20~30。,多孔喷嘴的雾化角可达到55o。

  循环流化床脱硫工艺(CFB)脱硫技术是国外20世纪80年代后期开发的一种新的脱硫技术,属于半干法,脱酸剂采用消石灰粉。黄明星等对循环流化床半干法烟气脱酸进行了试验研究,在一定烟气量下,随着消石灰量的增加,污染物排放浓度明显降低。

  亚明等提出了双塔脱酸工艺,一级半干式反应塔顶部安装高速旋转喷雾器,喷射石灰浆浆液,二级半干式反应塔顶部安装固定喷嘴,喷射30%氢氧化钠溶液,脱酸效率高,但设备投资高,运行工艺复杂。

3.4组合工艺

  近年来烟气脱酸的组合工艺不断涌现并付诸工程实践。蹇瑞欢等提出“半干法+干法”烟气脱酸组合工艺,净化后的烟气各项指标达到欧盟2000标准。李军等[35提出“干法+湿法”烟气脱酸组合工艺,此工艺脱酸效率高,但工艺较复杂,并伴随污水处理问题。上海江桥垃圾焚烧处理厂2008年的扩建工程中,烟气处理要求采用“干法+湿法”组合工艺,明确要求净化处理后烟气品质须达到欧盟2000标准。

3.5其他脱除工艺

  干法、湿法及半干法工艺主要是低温(<250℃)烟气净化工艺,考虑酸性污染物的高温腐蚀作用,w.J.Hall等在850℃下,采用醋酸钙镁对HC1进行脱除试验,脱除率为60%~65%,并指出提高氧浓度有利于其脱酸效率的增加。B.Shemwell等提出在700℃左右,甲酸钙、醋酸钙镁和丙酸钙也能有效脱除HC1。高温条件下脱除酸性气体能耗较高,因而开发廉价高效的高温脱除技术还尚待研究。

  综上所述,酸l生气体的脱除工艺各有优缺点,因此在确定烟气脱酸工艺时应综合权衡工程的烟气排放指标、垃圾成分、设备初投资及运行成本、系统稳定性等因素。

4、NOx的脱除工艺

  目前,垃圾焚烧烟气中NOx控制技术主要有低NOx燃烧控制技术、选择性非催化还原技术(SNCR)和选择性催化还原技术(SCR)。GB18485-2001生活垃圾焚烧污染控制标准要求NO排放限值为400mg/m,主要依靠低NO燃烧控制技术即可达标排放。NO燃烧控制技术主要依靠燃烧过程中采取一定的措施来降低NO的排放浓度,如降低焚烧炉过量空气系数、调整一次风布风位置、分级燃烧或者烟气再循环等方法SCR技术是在一定温度和催化剂作用下有选择的将烟气中的NO还原成N2,该技术的关键在于选择优良的催化剂,M.Goemans等在NH3一SCR反应装置中使用KWH生产的商业催化剂TiO2/V2O5/WO3,,在230℃下,同时实现脱除NOx和二恶英的目的。M.Wallin发现Mn在低温条件下有较好的活性,而cr在较高温度下有高活性且有较高的抗硫性能。Fe在高温区有相对较高的NOx还原活性且生成N20量很少。含Rh样品在低温下气体中有NO2存在时相对来说有显著的高活性。

  SNCR技术是在不使用催化剂的条件下,通过在炉膛适宜温度内(850~l050℃)喷射还原剂直接还原NOx,常用还原剂为尿素和NH3,脱氮效率只有40%左右。林瑜研究表明,在450~650℃、13%~17.5%的氧含量下,水合肼和硫酸肼对NO有一定的脱除效果,同样条件下喷人的氨水却易被氧化成NO。

5、结束语

  焚烧烟气中污染物成分复杂,国内外学者对其脱除技术进行了不少研究,目前,国内垃圾焚烧发电厂比较常见的烟气处理组合工艺有“SNCR+半干法+活性炭喷射+布袋除尘器”工艺,能满足现行的污染物排放标准,但随着环保要求的提高,此工艺还有待继续研究,另外半干法常用的机械旋转雾化器主要依靠国外进口,造成烟气处理成本高的问题,在以后的研究方向中,可从以下几个方向进行探讨。

  1)控制垃圾源头处理,加强垃圾分类收集运输系统,尽量减少含金属类及含氯类垃圾进入焚烧炉,从而减少烟气中重金属及二恶英的生成。

  2)加强综合降解,开发新型设备,如开发高效袋式除尘器,除尘的同时,有效降解二恶英及NOx;开发新型SCR装置,同时降解二恶英及NOx等。

  3)开发合适的双流体喷嘴替代旋转雾化器,降低投资成本。

  4)针对垃圾焚烧厂烟气特性,开发合理的组合工艺(如半干法+干法、干法+湿法),选择合适的脱酸剂可有效降低烟气中污染物的浓度。

  5)SCR法目前使用的催化剂主要是铂和钯,而催化剂的活性随金属含量的增加而增加,成本较高,因而开发经济适用的催化剂需进一步研究。

美田烟气处理

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