化工固废焚烧处理技术的国际比较

化工固废焚烧处理技术的国际比较

1城市生活垃圾处理现状固体残渣来自人类活动的所有方面，主要包括工业、采矿和城市居民的生活过程。固体废物的主要排放源是矿业、冶金、煤炭、火力发电厂、各类化工厂和城市垃圾与粪便。随着经济的发展、人口的增长和人民生活水平的提高,固体废物的产生量在不断增加。一般工业发达国家工业固体废物的年增长率为2%～4%,我国城市生活垃圾的年增长率在10%左右。目前,我国的固体废物污染控制已成为环境保护领域的突出问题之一。据统计,全国累积堆存废物量已达60亿t,占地5.4亿m2。全国城市垃圾年产生量达1亿以上,城市人均日产垃圾量已超过1kg,接近工业发达国家的水平。根据有关部门预测,2015年我国县及县以上企业固体废弃物产生量将达到93267万t,危险废物将达到1399万t。固体废弃物对环境潜在的污染特点:数量巨大、种类繁多、成分复杂;滞留期久、危害性强;处理过程产生新的污染源,如废水、废气等。1.1从弃地到产菌固体废物呆滞性大,扩散性小,它对环境的影响主要是通过水、气和土壤进行的。侵入人体的具体途径随废物的丢弃方式和污染物性质不同而异。工矿固体废物可形成化学物质型污染。其中有害的化学物质可从弃置堆存处随地表径流进入江、河、湖、海及地下水体之中,也可通过土壤进入食物链,粉尘则进入大气来危害人体健康。人畜粪便和生活垃圾是各种病源微生物的孳生地和繁殖场,能形成病原体型污染。它主要是进入水体和食物链危害人类健康。1.2固体污染固体废物对环境的危害主要表现在以下几方面。1.2.1粉煤灰灰场的利用水平固体废物如不加利用,就要占地堆放,如堆放一万t钢渣要占地一亩,堆放1万t粉煤灰要占地2亩。按我国目前粉煤灰利用水平,到2000年末,我国粉煤灰灰场总占地近60万亩(4.0万ha)。目前,许多国家都出现了固体废物与工农业生产和人民生活争地的矛盾。我国许多城市利用市郊设置垃圾堆场,也侵占了大量农田。1.2.2对土壤微生物的危害废物任意堆放,其中的有害组分会污染土壤。土壤是很多细菌、真菌等微生物的聚居地。这些微生物在自然界的物质循环中,担负着重要任务,有毒害的物质一旦渗入土壤,会杀害土壤中的微生物,破坏土壤内的生态平衡,严重的甚至导致草木不生。这种情况在20世纪六七十年代国外就已发生;80年代,我国内蒙古的某尾矿堆污染了大片土地,造成一个乡的居民被迫搬迁。据报道,我国受工业废渣污染的农田已达25万亩(1.675万ha)。1.2.3城市水体污染严重随意堆存的固体废物,随天然降水和地表径流汇入湖泊河流,或随风飘扬落入水体,使地面水受到污染;废物的渗滤液流入土壤,使地下水受到污染;如果将废物直接倾入河流、湖泊或海洋,则会造成更大水体的污染。据不完全统计,我国平均每年向江河湖海排放固体废物约1500万t,不仅使水质变坏,河床上升和运输受阻,甚至引起山洪爆发。由于向水体投弃废物,我国20世纪80年代水域面积比20世纪50年代减少二千多万亩(>134万ha)。我国某铁合金厂的铬渣堆场,由于缺乏防渗措施,六价铬污染了20多平方千米的土地,致使1800眼水井的水不能饮用,中心地区地下水含Cr6+离子质量浓度达55mg/L,超过饮水允许含量的一千余倍。1.2.4增加大气污染物含量固体废物是大气污染的主要污染源之一。它可通过多种途径污染大气。如尾矿、粉煤灰和干污泥等粉状废物容易随风飘扬,增加大气中粉尘和有毒物的含量。某些有机废物在适宜的温度和湿度下,被微生物分解后可释放出有毒气体;有些废渣本身或在焚烧时会散发出毒气和臭气污染大气。1.2.5环境安全威胁工业废渣和城市垃圾在城市中随意堆放,既影响市容,又传染疾病,特别是我国生活垃圾清运率还不高,无害化处理率低,部分垃圾堆存在城市的一些死角,严重影响环境卫生,对人的健康构成潜在的威胁。有些废物,如某些矿业废物,虽没有毒性,但如果堆置不当,就可能发生泥石流、塌方和滑坡等严重的自然灾害。目前由于固体废物引起的污染事件正在不断增加。据报道,日本在1977年发生的公害事件中,因固体废物造成的就有2489件,占公害事件总数的51.2%,而这一比例20世纪90年代已上升到84%。因此,防治固体废物的污染是环境保护中的一个重要任务。1.3废液中危险废弃物的定义化工行业产生固体废弃物主要特点是:产生量相对较大,几乎所有化工装置或多或少的都有废固产生;化工行业的固体废弃物成分复杂,多为危险废弃物,如废催化剂、污水处理污泥、含高浓度有机废物(液)等。我国《固体法》中规定:“危险废物是指列入国家危险废物名录或者根据国家规定的危险废物鉴别标准和鉴别方法认定的具有危险特性的废物”。所谓危险特性,通常包括急性毒性、易燃性、反应性、腐蚀性、浸出毒性和疾病传染性。2国家污水处理厂目前比较常用的处理固废的方法有:生物处理技术、热处理技术(包括焚烧技术和热解技术)、填埋技术等。在这些处理技术中,化工行业比较常用的方法是焚烧处理技术。焚烧是一种高温处理技术,即以一定量的过剩空气与被处理的有机废物在焚烧炉里进行氧化燃烧反应,废物中的有害物质在高温下氧化、热解而被破坏。所以焚烧法是一种同时实现废物无害化、减量化、资源化的处理技术,不但可以处理固体废物,而且还可以处理液体废物和气体废物;不但可以处理城市垃圾和一般工业废物,而且还可以处理危险废物。危险废物中的有机固态、液态和气态废物通常用焚烧来处理。在欧美国家,大部分有机危险废物(如PCBs、有机溶剂等)也采用焚烧法进行处理。西欧一些国家对填埋制定了严格的法律,如德国近年来规定:垃圾中总有机碳(TOC)超过3%～5%,不得进入填埋场进行填埋。焚烧法处理技术存在以下几个问题:(1)投资和运行费用高;(2)操作运行复杂,尤其是当废物成分变化较大时,对设备运行条件要求严格,往往导致运行稳定性难以控制;(3)可能发生二次污染和公众反应不佳,大部分热化学处理过程都会产生各种大气污染物,如SO2、NOx、HCl、飞灰和二口恶英/呋喃等,经常引起附近民众的担心和反对。这些问题随着技术的提高、设备的改进和管理的严格化,将逐渐得到解决。但是,无论是设计或是在使用这些技术时,都应对上述问题给予足够的重视,才能保证技术有效发挥。2.1焚烧处理的排放影响废物焚烧炉的排放和消耗量的主要因素包括:(1)废物成分和含量;(2)焚烧炉的技术措施;(3)烟气净化设备的设计和操作。2.1.1pcdd/f排放影响因素焚烧炉烟气中HCl、HF、SO2、NOx和重金属的排放主要取决于废物组成和烟气净化效果,CO和VOC的排放主要取决于焚烧炉技术参数和废物达到燃烧阶段时的异质化程度。焚烧炉设计和操作条件对NOX影响很大,烟气处理装置的性能对粉尘排放量影响很大,PCDD/F的排放取决于废物成分、焚烧炉的温度、停留时间、设备操作条件和烟气净化效果。一般情况下,焚烧(11%O2)1t危险废物产生的烟气量在6500～10000m3之间。2.1.2废气焚烧排放废水根据所采取的烟气净化类型,可能产生水体排放。贮存和锅炉等也可能产生其他废水排出。废物焚烧潜在的废水源有:(1)工艺废水,在湿式烟气净化系统中出现;(2)底灰的收集、处理、贮存产生的废水;(3)其他工艺排水,如锅炉给水、排水等;(4)生活污水;(5)污染雨水;(6)冷却水排水。2.1.3不燃性废弃物整理可能产生的固体残渣包括:(1)底灰或底渣,主要是不燃性废物碎片;(2)锅炉灰,锅炉中积累和去除的灰;(3)飞灰,与烟气一起移动的,被FGT设备去除的轻灰;(4)大气污染控制残渣;(5)废水处理残渣。2.2产生和输出的能源焚烧过程中的能量输入可能包括:废物本身、辅助燃料和输入电力。产生和输出的能源可能包括:热量(蒸汽或热水)、电能。在化工企业生产过程中产生的废物量相对较少,因此企业自建的焚烧装置规模相对较小,产生的能量多采用废热锅炉的形式回收。2.2.1蒸汽参数为大热能源发电提供空间和高温高压的最佳条件是以.电量生产被以下因素制约:(1)因为废物中包含有了某些含氧物质,锅炉或烟气预热器等等热转换区可能高温腐蚀;(2)锅炉结垢,在温度高于大约600～800℃时,由于一些熔化物的存在,灰会变得很粘。因此,焚烧的蒸汽参数(包括电效率)是受限的。目前可把最大限制认定为6MPa的蒸汽压和520℃的温度,当达到这个限制后需要采用特殊的方法限制腐蚀。对于焚烧城市固体废弃物发电而言,典型的过热蒸汽条件是4.0～4.5MPa的气压,380～400℃。危险废弃物发电时,这个数据通常利用更低,小于3.0MPa压力和300℃。这是因为酸性烟气在高蒸汽参数条件下存在较高的腐蚀风险(导致运作上的困难和高成本等)。在只供热量和蒸汽的时候,更多的使用者倾向于采用较低的锅炉压力和温度以避免额外投资、维护及与较高参数相关的更复杂的操作条件。热量供应优先的情况下,没有必要高温高压,典型的供热条件,可以选择生产蒸汽在2.5～3.0MPa气压,温度在250～300℃。在欧洲,大多数大型废物焚烧炉回收能量。有一些无热利用的焚烧厂。这种运营一般涉及到是特殊设计或者小、旧的焚烧厂,例如:使用烟气急冷以降低PCDD/PCDF再合成的危险废物焚烧厂。在这种情况下,一些热量仍可以从急冷洗涤器冷却水中回收。据报道,已经达到的锅炉效率:排出烟气温度大约在160℃的流化床可以达到大概90%的锅炉效率;层燃炉的锅炉效率可达到80%。在这种锅炉效率(80%～90%)和高于常规蒸汽参数的情况下,可能会有以下近似电效率:60个大气压(6.78MPa)和420℃的蒸汽参数下,蒸汽发电机的转化能量大约25%会被回收为电量,即在炉排焚烧时整体点效率为20%和烟气处理时为22.5%;如果蒸汽参数再提高到80大气压(9.04MPa)和500℃,就可以达到30%的点效率,即烟气处理整体发电效率为27%。如果焚烧的蒸汽循环系统和相邻发电厂的蒸汽循环系统连接在一起,整体的电效率则可以达到35%。2.2.2城市固废焚烧的能量一般情况下,焚烧1t城市固体废弃物可以产生约400～700kWh的电力,可供输出的能量总量通常取决于产出的能量总量和焚烧自身消耗的程度。一般情况下,焚烧运行所需要的能量是外部供应的,同时焚烧产生的能量全都用于输出。2001年由废物处理技术工作组(TWG)能量小组对8家城市固体废弃物焚烧厂展开的调查示于表1。表1显示,每吨城市固体废物不同的输出率产生和输出的电力,由此也可以作为化工固废焚烧产生能量的参考。虽然化工固体废弃物的成分比较复杂,废物的热值相差很大,但加注了辅助燃料后,总的热值差别不大。去除工艺技术和管理操作的因素影响,同样的输出率下,输出的能量应差别不大。2.2.3热回收数据表2是根据来自法国统计的数据。2.2.4城市固体焚烧烧烧系统的热电联产分析在热电联产的情况下,满负荷运转时,每吨废物可以产生大约1250kWh的热量供焚烧系统使用。如果满足基本负荷所需要的供应,能源的总利用率可以增加到输入能量(热值)的75%。根据调查结果,50家城市固体废物焚烧厂平均热电联产百分效率为:产出量平均效率为59.4%;输出量平均效率为49.3%。2.2.5锅炉转化率数据根据对城市固体废物焚烧厂焚烧锅炉效率的调查数据显示:锅炉效率的最小值为75.2%;平均值为81.2%;最大值为84.2%。2.2.6垃圾焚烧危险废物焚烧过程自身运行需要能量,如泵和风机,能量的需求量变化受焚烧厂的结构影响很大。对于焚烧危险废物的工厂,每吨废物耗电132～476kWh。对50家城市固体废物焚烧厂具体能量需求调查结果示于表3。2.2.7单位水消耗的水这些消耗主要指用于烟气处理的消耗。对于危险废物焚烧厂烟气处理,每吨废物处理的水消耗是1～6m3;轻质燃油(柴油)、重燃油0.03～0.06m3;天然气4.5～20m3。各种添加剂的消耗列于表4。3废物燃烧成本的估计3.1残灰的处置和运输废物焚烧的投资和运行成本除了与工艺技术水平、管理和操作水平、所在地地区及国家差异等因素有关外,主要影响其变化的关键因素为:处理量;利用率;能量回收类型(电、热、热电联供)以及残渣的处置和运输类型。以法国对焚烧工厂的调查结果为例。来自法国对一家2000年新建成的焚烧厂进行的评估结果:(1)投资成本360万欧元/(t·h);(2)运行成本平均32欧元/t(但是这些费用都是非常容易变化的,范围是18～42欧元/t)。可能获得的运行成本数据:33欧元/t的固定成本(人员、保险等);13欧元/t的废物(底灰、飞灰)处置费;14欧元/t的收益(来源于能源或残渣的销售)。最终,每吨废物处理费用与78欧元相当(成本回收时间15年,投资成本100%由银行贷款(利率为6%),工厂运行时间8000h/a)。3.2根据城市固体焚烧技术的经济数据研究3.2.1废弃物加热锅炉设计燃烧系统和锅炉包括以下组成:(1)废物进料设施;(2)燃烧供气;(3)有燃烧室的炉排焚烧炉;(4)灰和底灰的运输和存贮设施;(5)给水预热器前的烟气输送管道;(6)废物加热锅炉包括供水和一次蒸汽传送。燃烧系统和锅炉的费用决定因素是:炉排系统的类型;锅炉效率要求;废物加热锅炉设计。如果安装的冷却水炉排和在废物加热炉里的烟气温度是160℃(这将增加锅炉效率到90%),并且如果提供了高蒸汽参数,那么平均投资成本可能上升20%或者更高。根据调查统计,一条处理量约为15万t/a的处理线,不包括建筑和电子设备、检测设施、控制设备成本,燃烧系统和锅炉的投资成本大约是1600万欧元;10万t/a的处理线成本是1160万欧元。表面加热费用是与工厂规模成比例的,其他设备的费用也取决于工厂规模,因此平均投资成本通常取决于规模的0.8次方这个因子。燃烧系统的运行成本(它与废物处理量成正比)来源于:空气和烟气传送工艺的能源消耗和供水的能源消耗;底灰的处理或者回收费用。燃烧系统和锅炉在大约5MPa气压下的单位能源消耗约为27kWh。如果大气压上升到7.5MPa,需求的能源将上升约4kWh。处理每吨废物产生了大约3.2t蒸汽。蒸汽产生收益。3.2.2系统组成及投资成本一个废物焚烧场的水-蒸气循环包括以下部分:水处理厂、水冷凝系统、涡轮冷却系统和热解耦系统。不同的废物焚烧厂安装了不同的系统。在许多工厂大部分能量输送到区域供热网络,还有一些工厂的重点放在电力生产上。工厂的种类以及能源传送的方式决定了能量生产工艺。不同的能量生产工艺,系统组成及投资额也不同。(1)纯热解耦:如果只有热量产生,则投资成本中只包括水、冷凝处理和热转换的费用,如果没有其他基础设施存在的话,就必须安装冷却系统以供紧急情况使用。带热耦系统和区域供热系统的水-蒸汽循环系统的投资数据,以10万t/a的废物处理量为例,投资成本为450万欧元。(2)蒸汽参数为2MPa和400℃的抽汽式涡轮机:在这种情况下,投资成本由水和冷凝处理、热解耦、涡轮机和冷却系统组成,如果没有其他基础设施存在的话,紧急情况就必须安装再冷却系统。抽汽式涡轮机组成的水-蒸汽循环系统的投资数据,以10万t/a的废物处理量为例,投资成本为1200万欧元。(3)蒸汽参数为5MPa和400℃的热电联产:仍以10万t/a的废物处理量为例,投资额为900万欧元。3.2.3全气体处理系统3.2.3.运行费用的计算为了净化干燥烟气,假定原烟气(标准状态)中含尘量是5g/m3,烟气量是5500m3/t。除尘设备的投资成本包括除尘器自身、储仓、粉尘传送机和药剂设备(如果安装的话)的费用。运营成本主要包括电费、除尘灰的处理费用和吸附剂费用。吸附介质费用也包括累积废物的处置费用。除尘采用一台静电除尘器并与一台下游湿式静电除尘器或者一个下游活性炭处理厂组合使用。静电除尘器的典型操作温度范围是180～230℃。以处理量为10万t/a的装置为例,一台静电除尘器的投资为200万欧元;折合人民币约2000万元,湿式除尘系统的投资为250万欧元,折合人民币约2500万元;布袋除尘的投资为120万欧元,折合人民币约1200万元。3.2.3.洗涤器及回收废水系统投资成本包括烟气运输管道、洗涤器、分滴器、热交换器和反应器以及水、废水、化学试剂和残渣处理整体基础设施所有的费用。假定烟气(标准状态)中SO2为600mg/m3和HCl为1000mg/m3,NaOH洗涤器的单位成本大约为11欧元/t,沉淀洗涤器的单位成本大约为8～9欧元/t,石膏洗涤器成本大约5～6欧元/t。(1)有吸附剂干烟气净化系统:处理量按照10万t/a计,投资约为217.5万欧元,折合人民币约2175万元。(2)石膏洗涤器:处理量按照10万t/a计,投资约为300万欧元,折合人民币约3000万元。3.2.3.其他烟气处理的费用投资成本包括有热传递系统的烟气系统、烟气管道、催化盒和旁路管道的整个氨水系统,包括卸罐车设备、贮存、定量进料站、蒸发和混合系统。除了投资成本,SCR的成本一般还包括:维护、烟气重新加热、催化剂交换、氨/尿素和电的费用。SCR方法通常用于烟气排放浓度(折合标准状态)要求低于100mg/m3的地区,SNCR方法的排放浓度在120～180mg/m3。如果催化剂也用于氧化除尘和二口恶英,催化剂用量和损失都会增加,但整体的投资差异不是很大。(1)SCR法:处理量按照10万t/a计,投资约为150万欧元,折合人民币约1500万元。(2)SNCR法