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生活垃圾焚烧发电烟气处理技术综述及其优化控制建议

发表时间:2018-12-11浏览次数:

  1 生活垃圾焚烧烟气净化工艺

  生活垃圾焚烧危废处理设备过程中产生的污染物包括废气、废水和废渣,文中主要讨论焚烧烟气中的污染物和控制。烟气中的污染物主要包括粉尘( 细小颗粒物)、酸性气体(HF、HCl 和SO2等)、氮氧化物、重金属和有机污染物( 主要为二噁英),其中二噁英受到广泛关注;其种类多,毒性大,在生活垃圾的焚烧过程中,由于垃圾成分比较复杂,高温下的反应多且相互影响,二噁英的成因相当复杂,目前的研究成果尚不能完全解释,已知的生成途径有如下几种:原始存在、高温气相合成、从头合成、前驱物合成。

  1.1 酸性气体净化装置

  酸性气体通常采用碱性介质吸收法,工业上普遍采用的是Ca(OH)2和NaOH,净化工艺有干法、半干法和湿法。

  1.1.1 干法脱酸工艺

  干法脱酸工艺一般使用碱性吸附剂以干基形式直接喷入位于省煤器与除尘装置之间的水平烟道内,或使吸附剂与酸性气体在干式反应塔内接触,吸附剂与酸性气体之间通过气固相接触并发生中和反应,来去除烟气中的酸性气体。干法工艺设备简单,投资较少;以干粉形式反应,但由于干法存在吸附剂与烟气接触面积小、反应时间短,因此干法脱酸效率低(50%~60%),一般喷入的吸附剂如消石灰会过量很多( 钙酸比大于3),因此会导致下游的除尘设备负荷增加。常规的干法脱酸工艺单独使用目前已经很难达到规定的排放要求,因此一般大型的生活垃圾焚烧厂已经很少采用该法。

  1.1.2 半干法脱酸工艺

  半干法脱酸工艺是危废处理设备目前应用广泛的。国内大型垃圾焚烧厂大都采用该工艺。半干法工艺一般吸收剂也采用Ca(OH)2,首先制成Ca(OH)2浆液,然后由安装在半干式反应塔顶部的雾化器把吸收剂浆液喷入反应塔,雾化器的高速产生剪切作用,使浆液形成极小粒径的液滴,然后与烟气充分接触,通过液滴中的水分挥发来降低烟气的温度,同时提高烟气湿度,石灰浆液滴与酸性气体进行反应,生成中性盐类,得以去除酸性气体。

  在半干法脱酸工艺中,一般反应塔安装在除尘装置(一般为袋式除尘器) 的前面,以便能够捕集含有少量消石灰的烟气;同时,部分未反应的消石灰将附着于袋滤器上,经过脱酸塔的烟气将会在袋滤器上与吸附剂进一步反应,以提高脱酸效率。碱性吸附剂与烟气的进入接触方式有两种,顺流方式和逆流方式,各有优缺点,吸附剂都由塔顶进入,烟气可选择由塔顶上部或下部进入。反应塔的结构包括导流叶片、直径等的设计主要考虑为反应提供足够的空间和反应时间,达到最佳的脱酸效率。

  半干法的脱酸效率和吸附剂的利用率要大大高于干法,正常情况下对烟气中HCl 的脱除效率可达90%以上;同时,半干法脱酸过程中也不产生废水,浆液中的水分主要用来冷却高温烟气,降低烟气温度,以提高反应效率;半干法工艺的操作温度一般在150~170℃左右,高于烟气的露点温度,因此烟气经过除尘器后可直接排放。

  1.1.3 湿法脱酸工艺

  湿法脱酸工艺一般使用湿式洗涤塔,烟气中的HCl 和SO2等酸性气体在洗涤塔内与喷入的碱性吸收剂( 一般为氢氧化钠溶液或消石灰溶液)接触并进行中和反应,以便脱除酸性气体。湿法工艺在欧美等发达国家应用较多,在工业装置上的运行数据证明,脱氯效率可达到95%以上,脱硫效率也可达到80% 以上;同时湿式洗涤塔在去除酸性气体的同时能够有效的降低二噁英和重金属的浓度;因此湿法工艺具有高效全面脱除污染物的优点,是以后发展的重点。

  湿法工艺中的湿式洗涤塔一般安装在袋式除尘器的后面,以避免高湿度饱和烟气中的颗粒物堵塞滤布;同时由于烟气先经过袋式除尘器,所以在除尘器前应安装降温塔,使从省煤器出来的高温烟气经过降温后进入除尘器,提高滤布的寿命。

  湿法工艺最大的优点是对酸性气体去除的比较彻底,但也有一些不足之处,主要包括:(1) 将产生大量的高浓度的无机盐和重金属的废水,容易造成二次污染,增加污水处理的负荷和运行费用。(2)经湿式洗涤塔后的烟气一般温度在60~70℃左右,在烟气露点以下,需在系统中增加再加热器,提高烟气的温度后才能排放,否则烟囱出口会造成白烟现象。(3)湿法工艺一次性投资额高,工艺路线复杂,运行费用也较高。

  1.2 除尘工艺

  经过烟气脱酸工艺后还含有大量的细小颗粒,需要通过除尘设备加以去除。垃圾焚烧厂一般采用静电除尘器和袋式除尘器两种。

  1.2.1 静电除尘器

  静电除尘器是在高压电场的作用下使粉尘带电被吸附从而实现气固相分离。静电除尘器除尘效率较高,脱除重金属化合物效果好、可以在高温下使用等优点,但对于粒径在1. 0 μm 以下的颗粒物的捕集效率却不如袋式过滤器,而且静电除尘器的一次性投资较大,占地面积也大,所以在垃圾焚烧烟气处理工艺中使用并不经济。同时还因为经过脱酸系统后的烟气在经过静电除尘器时,本来已经被高温破坏分解的二噁英会经静电除尘器极板的催化,重新生成二噁英类物质,即发生所谓的“再合成现象”。生活垃圾焚烧电厂的粉尘捕集设施必须采用袋式过滤器。

  1.2.2 袋式除尘器

  袋式除尘器的工作原理是当含尘烟气通过过滤器时,烟气中的微小颗粒被滤料形成的滤层和滤袋上形成的粉尘层捕集而拦截下来,从而达到气固分离。“半干法+ 袋式过滤器”的组合工艺目前在垃圾焚烧的烟气处理上使用最广,袋式过滤器在捕集粒径在0.1 ~ 1.0 μm 的细小颗粒物时的效果要好于静电除尘器;而且袋式过滤器通常安装在干法或半干法脱酸系统后,进入过滤器的烟气温度已低于200℃,不存在二噁英的再合成现象。

  袋式除尘器最大的缺点是滤袋材质的质量要求较高,滤袋受烟气温度、含水率和酸性气体的腐蚀等影响较大。如何选择合适的滤袋材质是决定袋式过滤器稳定高效运行的关键。目前随着PTFE滤料材质的开发和使用,可极大改善袋式过滤器的缺陷,由于其运行阻力小、透气过滤性好等优点,有些老装置在改造时选用PTFE 替代原先的滤料后,大大提高了颗粒物的拦截效果,而目前新建的垃圾焚烧电厂更是广泛应用。

  1.3 氮氧化物的去除工艺

  根据NOx的生成机理,危废处理设备其控制包括两方面:一是通过对垃圾焚烧过程的控制,减少NOx的生成;二是在后处理中,通过化学或物理的方法对已经生成的NOx进行去除。在废弃物的燃烧控制,主要要遵循“3T+E”原则,即燃烧温度、停留时间、较大的湍流度和过量的空气。要综合平衡各因素的影响,选择最佳的运行参数。譬如温度,高温对去除二噁英有利,但会增加热力型NOx的浓度,因此一般炉排炉焚烧系统炉温控制在900℃;在实际燃烧过程中还要控制一二次空气的配风比例、控制燃烧过程的低含氧量等,来降低NOx的生成。垃圾焚烧烟气中的NOx以NO为主,目前在后处理中通过反应脱除NOx的方法按有无使用催化剂分为两种,即选择性非催化还原法( SNCR) 和选择性催化还原法(SCR)。

  选择性非催化还原法(SNCR) 是在烟气温度850~1100℃的炉膛区域,喷入含有氨基的还原剂,烟气中的NOx在还原剂和氧的作用下生成N2,以脱除烟气中的NOx。选择性催化还原法(SCR)是在烟气温度200 ~400℃区间,在烟气通过TiO2 - V2O5等催化剂层时,其中的氮氧化物与喷入的NH3在氧气的作用下发生化学反应生成N2,从而达到净化目的。SCR 对NOx的脱除效率高,缺点是一次性投资和运行费用均较高,但对于日趋严格的烟气排放要求,SCR 的运用将是未来的发展趋势。

  1.4 烟气二噁英控制方法

  垃圾焚烧控制二噁英的技术措施主要有3 种。

  1.4.1 燃烧控制

  通过焚烧炉内合理地组织燃烧,维持炉内高温(Temperature)、延长气体在高温区的停留时间(Time)、加强炉内垃圾湍动,促进空气与烟气的扩散、混合(Turbulence)。要求炉内温度保持在850℃~950℃,烟气在超过850℃温度下停留时间大于2s,让垃圾充分燃烧。欧盟标准为原始排放浓度小于0. 1ng /Nm3。使含二噁英类的未燃气体完全燃烧,从而把二噁英的生成抑制到最低水平。

  1.4.2 除尘器

  袋式除尘器对固体颗粒具有高效的拦截效果,可拦截烟气中固相的二噁英。

  1.4.3 活性炭喷射吸附去除

  通过燃烧管理和袋式除尘器的配合使用,能够使烟气中的二噁英含量降到≤0.1ng /Nm3。这是因为通过焚烧炉和自动燃烧控制系统的配合实现了焚烧炉的完全燃烧,确保烟气在850℃以上滞留2s 以上。袋式除尘器可以拦截固相二噁英,去除率可达90% 以上。最后,向袋式除尘器的前面烟气中喷射少量的活性炭能够高效率地吸附二噁英类物质。3 种方式相结合,可以有效控制二噁英的排放。

  2 国外生活垃圾焚烧烟气处理现状

  在欧洲发达国家,处理垃圾焚烧比例较高,可达25%以上。欧洲符合现代化水平的规模化的生活垃圾焚烧处理装置建设较早,无论是在焚烧关键设备(焚烧炉)的制造、焚烧技术的管理上,还是烟气处理的技术上都处于世界前列。在欧洲发达国家中,目前运行的生活垃圾焚烧厂多达400 家,还有多套装置在建设中。由于土地资源紧张,日本焚烧发电一直在垃圾处理方式中占有主导地位,垃圾焚烧的比例高达80%,大约有一千多座垃圾焚烧发电厂。

  随着人们对垃圾焚烧的认识,生活垃圾焚烧烟气排放标准日趋严格。严格的排放标准就要求新的烟气处理技术和不同工艺的组合使用。譬如SCR(催化脱硝技术) 在欧美等发达国家的垃圾焚烧装置上应用较广泛;在日本普遍采用有机螯合剂对焚烧过程中产生的飞灰进行固化处理。在二噁英的处理上,欧美日等发达国家应用催化法去除二噁英技术(SDDS) 已达十多年,最大限度地减少了二噁英向环境的排放。SDDS 技术的主要优点包括:二噁英排放控制可达0.01 ~ 0.001TEQng /Nm3;可在低温下使用,即160℃~180℃区间;不需要额外的添加剂和反应剂,可同时去除氮氧化物,因此可减少运行成本。

  在脱酸工艺应用上,发达国家目前多采用湿法工艺对烟气进行处理,还有较先进的EDV 技术,可以达到非常满意的排放效果。而由于干法工艺的投资少且无额外的废水污染,因此干法处理工艺还在持续提升和进步,如采用更细粒度的石灰和经改性的石灰,采用更先进的喷射装置等,干法工艺在国外的应用有所增加。

  目前在烟气处理上应用较多的是多种工艺的组合,如“干法+ 半干法”、“干法+ 湿法”等;在日本的垃圾焚烧厂,“SNCR + 干法+ 布袋除尘器+湿式洗涤塔+ 烟气再加热器”的烟气处理工艺得到了普遍的应用,能够完全满足欧盟烟气排放标准。