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垃圾焚燒中對二惡英污染的控制和治理技術
時間:2015-03-05 16:01:50
一、政府的聲音和面臨的形勢與任務
         2012年3月國家發改委下發《通知》明確了生活垃圾焚燒發電項目的(上網電量為每噸生活垃圾折算280kw.h,上網電價0.65元/kw.h)。與此同時,國務院要求到2015年,城市生活垃圾無害化處理率達到90%以上。
         截至2013年底,全國已投入運行的城市生活垃圾焚燒發電廠已達168座。2014年7月1日開始實施的最新《生活垃圾焚燒污染控制標準》規定,垃圾焚燒廠二惡英排放標準為0.1ngTEQ/NM3(相當于吸煙或炒菜的水平)。比原標準(1.0ngTEQ/NM3)提高了10倍。
         生活垃圾焚燒容易帶來二次污染,其中危害最嚴重、百姓爭議最大的是二惡英污染。二噁英是工業生產及廢物焚化過程中產生的有害副產物,它是一種含氯的強毒性有機化學物質,性質穩定,熔點約為303-3050c,溫度高于7050c才開始分解,容易在生物體內積累,對人體危害嚴重。被公認為是“地球上毒性最強的毒物”,對我們賴以生存的環境如大氣和水等有著巨大的威脅。已經證實垃圾焚燒是目前二噁英類化合物最大的產生來源。近年來,由此而引發的民眾維權活動此伏彼起,多地垃圾焚燒廠的建立遭到了民眾的強烈反對,甚至個別已運行的垃圾焚燒廠被迫停產搬遷。成為影響社會和諧穩定的不利因素。         為應對最新《生活垃圾焚燒污染控制標準》要求及二惡英排放標準0.1ngTEQ/NM3的歐盟標準執行。相關環保行業需要從以下四個方面入手;
1.     整體運行工藝過程做到制度化管理措施實施到位。
2.     在焚燒階段采用能對二惡英進行有效控制的新技術,對原有老焚燒設備進行必要的技術改造
3.     在尾氣處理階段對二惡英的終端治理工藝的最優化篩選。
4.     監管到位——由于二惡英檢測的特殊性,在目前做不到在線監測的條件下,需要政府盡快建立嚴格甚至苛刻的監管機制
 
二、二惡英污染的控制技術提升和必要的設備改造優選
        現行新標準要求已運行和新建的垃圾焚燒項目尤其是普及率較高的爐排爐生產線對二惡英污染控制措施進行技術提升和必要的設備改造。
2.1.在燃燒段保證垃圾在爐膛更充分的燃燒
        國際上通用的“3T+1E”原則(即:爐膛( 二次燃燒室)內燃燒溫度不小于850; 停留時間不少于2. 0 s;充分較高的煙氣湍流度;以及合適的過量空氣系數)在我國得到了執行。但該原則在我國垃圾焚燒行業以往的工程實踐應用中雖然已經做了很多工作。但這些工作基本都停留在垃圾分類收集、貯池翻堆控水、發酵干燥脫水和破碎分選等垃圾原料入爐前的源頭控制提高垃圾熱值階段,一般屬垃圾入爐前預處理及管理范疇。需要指出;我們所面對的現實國情是實現生活垃圾分類遙遙無期、垃圾低位熱值有改變但還是普遍不高(5500~6500kj/kg)、化學材料工業的迅猛發展和生活用品的化學化使垃圾成份愈加復雜多變、受季節氣候等因素影響含水率高和導致二惡英生成的氯源、硫源垃圾成份含量只增不減。多年來,我國大多數尤其是較大型焚燒爐均依賴國外進口或國外技術,而這些先進國家的入爐垃圾在熱值和組份上與我國垃圾差距巨大。這些“洋式爐型”在中國運行是要接地氣的,要適應中國國情。環保行業面對新標準的執行,在加強管理的同時(主要是有針對性地選擇好垃圾源頭治理方法和提高垃圾熱值的技術措施),在垃圾焚燒生產線上對二惡英污染進行控制技術提升和改造也是十分必要的。
2.2.一種增加焚燒爐爐膛高度技術的可行性和實踐
        基于以上,垃圾爐排爐的生產運行要做到更進一步的提溫、實現更充分和穩定的達產燃燒是受多方面現實因素影響限制的。為此,業內人士在焚燒爐改造上做過不少有益的嘗試。有最新資料顯示[1],為應對歐盟標準,在余熱鍋爐設計上比原項目余熱鍋爐爐膛高度增加5米以上,使正常工況情況下,煙氣在850℃以上維持時間能由原設計2.5秒提高到3秒以上。這種技術改造設計是合理的且具有現實的可操作性,已經成功的應用到工程中。它的合理性在于;“3T+1E”要素是全部體現在二燃室燃燒工況能否保證。這種改造既從停留時間上提高到3秒以上,又從空間上保證了過量空氣與熱解氣體及殘碳顆粒物的充分攪拌混合,很輕松地實現了充分燃燒,并且對提高爐溫也會有很大幫助。我們知道;流化床爐不用關注二惡英污染的理由在于;流化床特有的焚燒工藝使其燃燒溫度都在1100℃以上,且爐膛高度一般都在20米以上,煙氣流速一般在5m/s以下,所以煙氣停留時間都可以維持在3s以上,能夠保證在燃燒段基本不產生二惡英。我們通過在立式爐二燃室改造中進行了相同的技改方法工程實踐,得到了很好的效果印證,不但燃燒穩定,停留時間有充分保障,而且溫度也提高了100℃以上。如能和以下焚燒工藝調整做到合理及時的配合,則焚燒爐燃燒工況實現“3T+1E”原則要求當無問題。
2.2.1.煙氣中CO濃度要求控制在40mg/m3c以下。過高說明燃燒不充分并且湍流度和煙氣停留時間不足,由此導致的煙氣中殘碳含量肯定也很高,其后果十分嚴重。工藝調整方法包括;1)進料量和料層厚度的及時調整,2)提高進風量加強燃燒。3)引風機速度的調整。4)爐排速率的適度調整。
2.2.2.煙氣中O2濃度要求控制在6~9%之間(國標6~12),煙氣中氧含量越高最后生成的二惡英就越多,氧含量過高將對抑制二惡英重新合成十分不利。再者說明過量空氣系數取大了,將會影響燃燒,降低爐溫,過低則表明助燃空氣供給不足也影響燃燒效果。由于二燃室是富氧燃燒,適度的過量空氣系數是確保高溫燃燒的重要一環。過量空氣系數一般在1.5—2.0之間,最高的達2.2(一~二燃室據實適度分配,二燃室約占35%)。
2.2.3. 由于生活垃圾組分復雜多變和未經分選破碎的性質,爐排焚燒爐的燃燒工況的反饋控制存在滯后、慣性大、負荷沖擊和干擾多的情況,所以在保證風溫恒定(尤其是二燃室)的同時對風量和風壓及料層的控制要適度,避免大起大落造成不穩定燃燒。為應對新標準,自動化控制系統也需要進一步升級更新。
2.3.避免二惡英二次合成對空預器和省煤器的整體改造
2.3.1.二惡英二次合成的條件;行業內普遍認為;二惡英的二次從頭合成反應機理是二惡英的主要生成途徑。固然提高爐膛燃燒段的燃燒溫度對二惡英的生成有極其重要的作用,但并不是影響二惡英排放的主要原因,一般認為,煙氣經凈化和換熱設備的降溫過程才是二惡英超標排放的主要原因;
焚燒爐后段的煙氣在空預器和省煤器的換熱降溫時的450℃--250℃的溫度段(均認可、有裕度),因燃燒不充分產生的未燃盡殘碳與煙氣飛灰中氯、氫、氧在過渡性重金屬(主要是氯化銅/氯化鐵)的催化作用下會二次合成二惡英,同時大量資料證明300--350℃是二惡英二次生成最多的溫度段,其氣相隨溫度降低而驟減。因此,防止在煙氣換熱降溫過程中的二惡英再次合成是保證煙氣排放達標的重要措施.為此,采取技術手段實現煙氣在這一溫度段快速降溫(使其來不及合成)便成為降低二惡英含量的主要手段。
2.3.2.技改措施。筆者在某電廠焚燒爐后段煙道的換熱系統改造中,采取了將空氣預熱器和常規省煤器拆除,全部換成“整體型螺旋翅片管換熱器”的技術改造方案。工藝流程描述為;在換熱器系統中,螺旋翅片管內走水,管外走煙氣,從某級低加入口引冷凝水進入系統內充分快速換熱后,再在系統外給爐膛一、二次風提溫加熱,然后進入某級合適的低加母管入口。整體系統的入口和出口的長度和截面積及管的配置均以煙氣溫度450℃→250℃快速降溫段煙氣流速達到5米/秒以上的目標設計和實施。運行結果表明改造是成功的,檢測達標。
2.3.3.從材料角度比較。整體軋制型螺旋翅片管比常規無縫光管單位長度的受熱面積增加了4倍以上。依據換熱公式Q=K·F·△T,傳熱量與面積成正比,傳熱效率前者是后者的3.5倍以上。在使用壽命上前者是后者的2倍。流線型表面有導流自清潔作用不易積灰堵塞,煙氣通過快速流暢,在一定工況條件下煙氣側阻力小,抗高溫酸腐蝕效果好。
2.3.4.從換熱形式改變。一般情況下,煙氣→水介質的換熱效率要高于煙氣→空氣的換熱效率20-30倍。目前多數廠家設置減溫塔利用噴水在1秒鐘使煙氣溫度急劇下降。此種技術雖可行,但一是浪費了寶貴的熱能,并且還要抽汽為一、二次風加熱至200℃以上,減少了發電量。二是大量水份蒸發造成了煙氣和飛灰濕度加大,為后段的尾氣中和反應或活性炭吸附及布袋除塵器的運行造成了粘結、堵塞等不利影響。
2.3.5.換熱器的兩側面配置聲波吹灰器。在換熱器后煙氣出口配置煙氣灰塵分離沉降室或旋風除塵器(二選一)。在其底部安裝雙螺旋自動除灰槽。一般在250℃以下,煙氣中的重金屬和含氯有機物達到飽和而凝結成灰塵顆粒,將煙氣中分離下來且含有多種有毒有害包括二惡英的灰塵顆粒物及時排出系統外是非常必要的
三、焚燒煙氣排放前對二惡英的終端處理技術進展
       多年來,垃圾焚燒廠尾氣凈化和二惡英的終端處理技術很多,單一的或幾種方式組合各有優劣且已經形成常規(基本上都是中和反應、吸附/捕集/分離工藝),在技術上少有質的突破。行業內普遍存在的問題是;(1)工藝路線長,管理滯后(2)運行與耗材成本高(3)自控能力稍差。(4)在實際操作中,有煙氣凈化設備卻不開機運行的情況也不在少數。監管稍一放松,垃圾焚燒廠就濃煙滾滾。
近一、兩年,一種專門針對二惡英脫除的低溫催化劑治理技術逐漸走上環保市場,已實現了工廠化運行階段且效果良好,但此工藝由于剛剛在市場推廣,案例很少。
3.1.材料和脫除系統介紹
        脫除二惡英低溫催化劑不需要任何額外的反應劑和添加劑,適宜溫度150-350℃,可同時去除高達99.99%的二惡英和尾氣中的氮氧化物,,活性高,壽命長,壓降小,多孔結構比表面積大,在單層中一步完成二惡英的分解過程,一次性投入可用5-8年,整個反應器系統工藝路線簡單可靠,結構緊湊,可安裝在袋式除塵器后,引風機前。節省運行操作費用。但其價格不菲;進口和國產(剛有)的脫除二惡英低溫催化劑的市場價格不但都要比SCR工藝脫硝高溫催化劑成倍高出,且此進口產品比國產產品也是成倍高出。需要廠家在多方面綜合比較其性能價格比;包括同等條件下的用量、脫除效果、使用壽命、是否可再生成本、危廢的處理成本等。此技術如酌情與其他傳統工藝結合使用,效果會非常好,建議采用。

3.2. 圖例




四.結論
        本文是應客戶要求,針對一些垃圾焚燒廠面對國家新的苛刻的二惡英排放標準在執行中屢不達標的具體問題而作,都是處于前沿的最新技改工藝,均有工程范例可循。具有很好的可操作性,且減排效果顯著,投資較小。除了爐膛改造須要在大修期間完成外,其他項目都可以在不影響生產的情況下完成。
 
[1]諸冠華,垃圾焚燒中二噁英的減排措施—應對歐盟標準[J].城鄉與環境,2011( 1)

                                                                                                                                                           李慧義:18310230522
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