垃圾焚烧发电中烟气净化组合工艺的制定与分析

精选优质文档-----倾情为你奉上精选优质文档-----倾情为你奉上专心---专注---专业专心---专注---专业精选优质文档-----倾情为你奉上专心---专注---专业垃圾焚烧发电中烟气净化组合工艺的制定与分析胡德飞孙云生（河海大学机电工程学院,常州）摘要介绍了垃圾焚烧发电中烟气净化的典型工艺。结合我国垃圾焚烧发电中焚烧烟气污染物的组成，提出了垃圾焚烧发电中烟气净化的组合工艺及制定原则。对3种组合工艺作了经济分析与比较。关键词：生活垃圾焚烧发电烟气净化工艺1垃圾焚烧发电的工艺流程垃圾焚烧发电主要由垃圾焚烧、余热利用、烟气处理、排放污水处理、后处置、电气及仪表自动控制等系统组成，工艺流程见图1。垃圾由吊车抓斗送入垃圾料斗，经斜槽落到焚烧炉给料器上，由推料机将其推入焚烧炉干燥床烘干，在炉床上经高温干燥、裂解，产生的挥发物质和可燃物在高温下燃烧后成为炉渣，由炉渣滚筒送入装满水的推灰器内，经熄火降温后，被推送到振动输送带上，在传送中将灰渣中的金属分离外露，由磁选机将铁件吸出后再用。除渣装置将灰渣撒入灰坑内。垃圾池上部装有抽风口，燃烧用的空气由抽风机抽出，这样，既可以将受污染的空气送入炉内进行高温处理，又可以使垃圾池内保持负压，避免垃圾恶臭向外扩散。空气进入炉膛前，经过蒸汽、烟气预热器2级预热后送入炉内，作为燃烧炉的燃烧空气。燃烧产生的高温烟气，经锅炉各受热面吸热，降温后进入吸收塔。同时在吸收塔内喷入氢氧化钙及活性炭，将烟气中的氯化氢中和后，再将烟气送入除尘器除尘。处理后的烟气经引风机抽送至烟囱排入大气。吸收塔与除尘器下部的飞灰与石灰等混合物由排灰装置排除[1]。2烟气净化典型工艺烟气净化工艺应根据垃圾焚烧过程产生的污染物组成、浓度及需要执行的排放标准来确定。焚烧烟气中的污染物主要包括颗粒物、酸性气体（HCl、NOX、SOX、HF等）和重金属，通常情况下，烟气净化工艺主要根据烟气中酸性气体、颗粒物及重金属等污染物的含量进行选择。2.1半干式喷雾系统半干式喷雾系统按喷雾方式分为2类：双流体喷雾器和旋转喷雾器。旋转喷雾器工作时，喷嘴盘以高速转动将吸收剂溶液雾化成细滴，与烟气中的酸气发生反应，起到除酸作用。旋转喷雾器是该工艺的核心部件。双流体喷雾工艺流程见图2。未处理的烟气经烟气分配器进入反应塔，形成对称旋流场，与喷雾器喷出的Ca(OH)2雾状液滴混合。雾状的Ca(OH)2与烟气中的酸气发生化学反应，起到除酸作用。烟气离开反应塔之前，液滴水分全部蒸发，剩留的固体随烟气进入除尘器除尘。该系统与湿式净化系统比较，具有结构简单、高效、价廉的特点。2.2气体悬浮吸收（GSA）系统GSA系统工艺流程示意见图3。该系统主要由反应塔、文丘里管、除尘器等设备组成。工作时，将未处理的焚烧烟气引入文丘里管，借助文丘里管内喷嘴使石灰粉和水或石灰浆喷注于烟气中。在气流高紊流状态下，使气体和固体混合，达到均匀状态，然后进入反应塔高浓度物料区域。在体积扩容和烟气调制下，塔内的气流容积和流量降低，物料在塔内呈流化状翻滚，吸收剂不断吸收烟气中的污染物，生成的反应物外壳又被物料摩擦而剥落，新鲜的吸收剂继续进行吸收反应。固体物随烟气进入分离器分离，通过收集装置将捕集的粉粒再送回反应塔继续反应，维持浓相流化态工况。控制系统使塔内的烟气降压后，将粉粒分离后的烟气送入除尘器进行净化处理。GSA系统以循环流化技术为基础，系统组成简单、结构紧凑、净化显著。2.3干式净化系统干式净化系统工艺流程见图4（虚线框内所示）。该系统主要由烟气混合器（干式吸收塔）、除尘器、空压机等设备组成。主要用于吸收烟气中的二恶英等污染物。吸收剂通常采用活性炭或消石灰。为使二恶英排放量控制在标准状态下，通常该系统与可靠性高的袋式除尘器组合及催化分解。其工艺流程为吸收剂由给料机送出，用压缩空气输送到干式吸收塔内，并随烟气均匀地聚集在布袋过滤器布袋外壁的滤饼上，吸收剂粉末越细，除尘、脱硫、脱氯的效果越好。干式净化系统设备简单。2.4湿式烟气净化系统湿式烟气净化系统由引风机、热交换器、前置烟气预热器、喷射泵、再循环泵、洗涤塔等部件组成。其工艺流程为：烟气经除尘器除尘，进入洗涤塔，在吸收剂溶液的喷淋下，去除HCl、SO2、HF、重金属等污染物。投入液体螯合物，可去除汞化合物。湿式烟气净化工艺成熟，吸收剂品种多，污染物去除率高，吸收剂消耗量低，经济发达国家使用较多。但湿式烟气净化系统工艺复杂，投资费用高，一定程度上影响了它的推广应用。上述几种典型烟气净化工艺大致可归纳为湿法工艺、干法工艺及半干法工艺，其中气体悬浮吸收系统（GSA）可归入半干法工艺。湿法净化工艺因其对污染物的高效去除而在发达国家广泛应用，但工程投资和运行费用很高，发展中国家难以承受。干法净化虽然去除率偏低，但工程投资和运行费用低，适合于大气污染物排放标准相对较宽、经济不太发达的国家和地区。随着新设备的开发应用，该工艺仍有较大的发展前途。半干法是介于干法和湿法之间的工艺，不但能达到较高的污染物去除效率，而且运行费用较低。3静电除尘器与袋式除尘器的比较垃圾焚烧烟气处理工艺中的另一种重要设备是除尘器，有旋风式、水膜式、布袋式和静电除尘器等类型，并有干湿之分。对焚烧后的烟气，主要控制对象为颗粒物、HCl，并减少有机氯化物、重金属的排放。湿式洗涤工艺净化率不高，又会产生废水需处理，故不适于垃圾焚烧烟气中颗粒物的净化。目前较适用的净化设备为静电除尘器与袋式除尘器。静电除尘器除尘效率通常>95%，其耐热性和耐酸碱性较好，但脱除二恶英能力较差，除尘效率受气体流量、湿度、电场强度、气体在电场的滞留时间、气体含尘浓度、烟尘的比电阻等诸多因素的影响[2]。2种除尘器技术性能的比较见表1。表1静电除尘器与袋式除尘器性能比较1）项目静电除尘器袋式除尘器烟尘质量浓度（mg/m3）30～5010～25＜1m的除尘效率（%）～20＞901～10m的除尘效率（%）＞95＞99＞10m的除尘效率（%）＞99＞99风速（m/s）＜1＜0.02压力损失（Pa）200～300～1000耐热性耐热性能佳，一般可达350℃一般耐热性较差对烟气化学成分变化的应性差好脱除二恶英的情况差，有二恶英再合成现象较好耐酸碱性好需选择适当滤布动力费用略低略高维护费用较低较高使用年限（a）30301）表中烟气量均指标准值。4烟气净化组合工艺的制定与分析实施严格的环保标准，需要多种净化设备的组合。根据我国生活垃焚烧烟气的重点控制对象，在净化焚烧烟气时应选择净化效率高、运行可靠的除尘设备。目前国外净化垃圾焚烧烟气颗粒物的主要设备为电除尘和袋式除尘器，袋式除尘器易受高温气体及颗粒物粘性的影响，使滤袋堵塞，而导致滤袋费用的增加和清灰的困难，但净化效率稳定，不受颗粒物比电阻和原始浓度的影响。对于我国新建垃圾焚烧发电厂烟气中颗粒物的净化，建议多采用袋式除尘器，而少采用静电除尘器。首先，袋式除尘器有利于烟气中有机氯化物和某些重金属的去除；其次附着在袋式除尘器表面的吸收剂颗粒仍会继续与烟气中的污染物反应，相对而言，扩大了吸收塔反应器的尺寸，提高了吸收剂的反应效率。气态污染物主要是HCl气体和少量SO2，干式喷射吸收法（干法）、喷雾干燥法（半干法）、湿式洗涤法（湿法）等工艺对HCl和SO2均有良好的净化效果。湿式洗涤的净化效率最高，喷雾干燥和干式喷射吸收法依次较差，但对HCl而言，差别不如净化SO2时那样大。湿式洗涤往往产生废水，需进一步处置，整个系统较复杂，运行费用高。喷雾干燥法则要求喷雾设备稳定可靠，对控制系统要求也较高，增加了实际工程的难度。根据国内现有的城市生活垃圾焚烧烟气的净化系统，我们组合了有关净化设备。4.1干式喷射吸收+袋式除尘器工艺干式喷射吸收+袋式除尘器工艺流程见图4。被余热锅炉吸收热量后的烟气首先进入调节塔，在雾状水滴喷淋下进行调节，将其温度降至120℃左右，经调节后的烟气再进入干式喷射吸收塔。另外用压缩空气将Ca(OH)2粉末喷入吸收塔内，使Ca(OH)2与HCl、SO2及二恶英等污染物在吸收塔内反应生成固态产物，经反应后的烟气进入袋式除尘器，经滤除颗粒物后排入大气。该工艺综合净化效果要差一些，但设备投资最少。4.2喷雾干燥吸收+袋式除尘器工艺喷雾干燥吸收+袋式除尘器工艺流程见图5。该工艺主要有旋转喷雾器、喷雾吸收反应塔、浆液贮存箱、袋式除尘器等设备组成。工作时，被余热锅炉吸收热量后的烟气首先进入喷雾吸收反应塔。同时，高速喷雾器向反应塔内喷入雾状Ca（OH）2（石灰浆液），雾状的Ca（OH）2细颗粒与烟气中的HCl、HF及SO2发生反应，反应后的烟气进入除尘器去除颗粒物后排入大气。反应的生成物和飞灰一起从反应器落灰口或除尘器落灰口排出。此工艺除尘设备应优先选用袋式除尘器。工艺特点：（1）雾化的细颗粒既进行着酸性气体从气相向雾滴表面的传质，又进行着酸与液滴上Ca（OH）2的反应，同时雾滴水分被蒸发；（2）HCl、HF及SO2的气膜传质效率和酸性气体通过反应生成物层的扩散效率，影响和决定HCl、HF及SO2的净化效率。为确保污染物有效净化，烟气在反应塔中的停留时间不应小于12s[3,4]。与4.1工艺比较，喷雾干燥吸收+袋式除尘器工艺综合净化效果好，设备投资相对多一些。4.3喷雾干燥+袋式除尘+湿式洗涤工艺喷雾干燥+袋式除尘+湿式洗涤工艺流程见图6。该工艺主要由喷雾干燥塔、袋式除尘器、湿式洗涤吸收塔、吸收液贮存仓、废水处理池等设备组成。烟气首先进入喷雾干燥塔，用清水喷雾，对烟气进行调节及预洗涤。冷却后的烟气经除尘器除尘后，进入湿式洗涤吸收塔。高速喷雾器向吸收塔内喷入雾状Ca（OH）2（石灰浆液），雾状的Ca（OH）2细颗粒与烟气中的HCl、HF及SO2发生反应，经过反应后的洁净烟气排入大气。反应后的固态物与废水流入废水池，固态物沉淀后，由清渣装置排除。废水经浓缩处理后，溢流循环使用。在此工艺中，需要指出：（1）烟气进入喷雾干燥塔进行降温、调节及预洗涤，目的是为了避免多氯二苯并二恶英(PCDDs)和多氯二苯并呋喃（PCDFs）的再生成[1,4]；（2）利用湿式洗涤系统所产生的废水底流作为喷雾干燥系统配制Ca（OH）2浆液的用水，在回用废水前需加入化学药剂，使废液中的重金属生成螯合物以防止其在干燥过程中挥发；（3）细颗粒在干燥过程中凝结或粘附在湿颗粒的表面，有利于后续的除尘；（4）从除尘器出来的烟气再通过湿式洗涤系统进一步深度净化处理，产生的废水经浓缩后，溢流循环使用。由于该工艺有效利用了烟气的余热，用蒸发方式处理系统中产生的废水，从而避免使用专门的废水处理设备与工艺。与4.1、4.2工艺比较，该工艺综合净化效果最好，但设备投资最大。3种工艺的净化效率和排放浓度见表2、3。表23种净化工艺的净化效率和排放浓度1）污染物原始浓度2）干式+袋式工艺半干式+袋式工艺半干式+袋式+湿式工艺净化效率（%）排放浓度（mg/m³）净化效率（%）排放浓度（mg/m³）净化效率（%）排放浓度（mg/m³）颗粒物3000＞99＜30＞99＜30＞99＜30HCl8009080＞95＜40＞95＜40SOx5040306020＞80＜10NOx40040240Hg0.2900.02950.01＞95＜0.01PCDDs+PCDFs580＜197＜0.0599＜0.053种工艺均选用袋式除尘器，且净化过程为低温操作；各工艺的净化效率的平均值参考了国外研究成果和工程实践经验确定；未列数值项为暂不考虑。2）各种污染物的原始浓度参照国外发达国家的经验确定，颗粒物取3000mg/m3，HCl取800mg/m3，SOx取50mg/m3；NOx取400mg/m3，Hg的原始浓度取0.2mg/m3,“PCDDs+PCDFs”取5ng/m3。5经济指标分析烟气净化是涉及技术、经济、资源、环境等多因素、多目标的复杂问题，对组合工艺的经济分析包括设备投资及运行费用等方面的内容，限于篇幅，本文仅对3种组合工艺的设备投资进行分析比较。烟气净化设备包括主体设备及辅助设备，要对3种净化组合工艺的设备投资费用进行精确比较是很困难的，在此采用相对比价法进行分析，以处理生活垃圾20.8t/h的焚烧炉为例，该炉排烟量约m3/h，每种工艺采用的主要设备见表3，假如3种工艺均采用袋式除尘器，设袋式除尘器相对比价为10，则3种工艺的设备投资相对比价比较结果见表3。其中，“干式+袋式”工艺设备投资最少，“半干式+袋式”工艺，设备投资较大，“半干式+袋式+湿式”工艺设备投资最大。序号设备名称干式+袋式工艺半干式+袋式工艺半干式+袋式+湿式工艺设备采用相对比价采用设备相对比价采用设备相对比价袋式除尘器（含飞灰输送系统、清灰贮灰装置等）采用10采用10采用10调节塔（含泵、水箱等）采用0.6干式喷射吸收塔（含送风设备、回流装置等）采用1喷雾吸收反应塔（含喷嘴等装置）采用6.5喷雾干燥塔（含喷嘴、飞灰输送系统等装置）采用4.5洗涤吸收塔（含泵、吸收液循环装置等）采用4吸收液配置及输送设备（含贮存、泵、水箱及加料、搅拌等装置）采用2采用2石灰罐仓（包括进出料装置）采用0.4采用0.3采用0.2废水处理设备（含旋流器、泵、絮凝沉淀、污泥箱废水池等装置）采用2自动监测及控制设备（含烟气采样、烟气分析仪、微机处理及反馈控制系统等装置）采用6采用7采用7合计1825.829.7表33种组合工艺设备投资相对比价比较1)1）表中的相对比价以袋式除尘器为基准，其它设备装置或系统的相对比价是根据国内外有关资料和专家咨询确定的。因设备的造价与多种因素有关，表中提供的数据只能大致反映3种工艺设备投资费的差异，与实际情况会有一定的差别，故该结果仅供参考。表中空项表示无此设备与相对比价。6生活垃圾焚烧污染物控制标准根据国家环保总局颁布的生活垃圾焚烧污染物控制标准（GKWB3—2000），焚烧烟气污染物浓度排放限值见表4。二恶英类污染物的排放限值自2000年6月1日起在北京、上海、广州、深圳4个城市试行，2003年6月1日起在全国范围内实行。表4焚烧炉大气污染物排放限值1）序号项目数值含义限值1烟尘(mg/m3)测定均值802烟气黑度(林格曼黑度，级)测定值13一氧化碳(mg/m3)小时均值1504氮氧化物(mg/m3)小时均值4005二氧化碳(mg/m3)小时均值2606氯化氢(mg/m3)小时均值757汞(mg/m3)测定均值0.28镉(mg/m3)测定均值19铅(mg/m3)测定均值1.610二恶英类(ng/m3)测定均值11）表中各项标准限值，均以标准状态下11