生活垃圾焚燒發(fā)電時(shí),煙氣中產(chǎn)生的產(chǎn)要污染物有酸性氣體、煙塵、重金屬等物質(zhì),不同的污染物需要裝備不同的處理技術(shù)、工藝和設(shè)備。例如,針對(duì)煙氣中產(chǎn)生的酸性氣體,其主要成分由SOx(硫氧化物)、NOx(氮氧化物)、HCl(鹽酸)等組成,其中NOx的去除原理為化學(xué)還原反應(yīng)(SNCR或SCR技術(shù));而SOx、HCl的去除原理為酸堿中和反應(yīng)。本文重點(diǎn)介紹SOx、HCl的去除方法及工藝技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。
一.酸性氣體SOx、HCl的來源及含量
生活垃圾焚燒煙氣中的SOx主要由SO2構(gòu)成,產(chǎn)生于原生垃圾中含硫化合物焚燒氧化所致(主要為有機(jī)硫,也有部分源于無機(jī)硫)。HCl來源于原生垃圾中的氯化物含量,如塑料、橡膠、皮革、紙張(氯漂白所致)、餐廚垃圾含氯農(nóng)藥殘留、,廚余中的NaCl以及KCl等。與燃煤火力發(fā)電廠不同的是:垃圾焚燒煙氣中SOx的含量很低,一般為200-800mg/Nm3,質(zhì)量百分含量約為0.11%;而HCl的含量又較高,達(dá)200-1600mg/Nm3(在我國,由于塑料制品的大量應(yīng)用,致使煙氣經(jīng)處理后截留在飛灰中的氯元素含量甚至高達(dá)25%),一般生活垃圾產(chǎn)生的SOx是HCl的1/10以下,所以HCl是垃圾焚燒煙氣中主要的污染氣體。
二.反應(yīng)原理
1.氯化氫(HCl)
聚氯乙稀PVC的熱穩(wěn)定性較差,140℃時(shí)就開始分解出HCl,反應(yīng)溫度達(dá)600-800℃,反應(yīng)時(shí)間10-15min時(shí);化學(xué)反應(yīng)原理為:
CH2CHCl+5/2O2=2CO2+HCl+H2O
氯化鈉反應(yīng)溫度為430-540℃,反應(yīng)原理為:
2NaCl+SO2+1/2O2+H2O=Na2SO4+2HCl
2NaCl+2SiO2+H2O=Na2O(SiO2)2+2HCl
2NaCl+4SiO2+Al2O3+H2O=NaO2(SiO2)4 Al2O3+2HCl
2.硫氧化物(SOx)
燃燒過程中,當(dāng)過量空氣系數(shù)小于1時(shí),有機(jī)硫的反應(yīng)產(chǎn)物有SO2及H2S、SO等;當(dāng)過量空氣系數(shù)大于1時(shí)即完全燃燒條件下,95%以上生成物為SO2,約有0.5-2%的SO2進(jìn)一步反應(yīng)生成SO3。另外,研究表明:在1127℃的高溫燃燒條件下,幾乎不生成SO3,但過量空氣系數(shù)大于1的燃燒條件下,SO3的生成為迅速增加。
有機(jī)硫的反應(yīng)機(jī)理:
CxHyOzSp+O2=CO2+H2O+SO2+未完全燃燒物
2SO2+O2=2SO3
無機(jī)硫的反應(yīng)機(jī)理:S+O2=SO2
三.HCl的危害
HCl氣體對(duì)眼和呼吸道黏膜有較強(qiáng)的刺激作用,引起胸部窒息感,咳嗽、咯血、肺水腫、直至死亡;
HCl氣體會(huì)對(duì)余熱鍋爐受熱面和監(jiān)測儀表產(chǎn)生高低溫腐蝕,影響余熱鍋爐安全并限制了過熱蒸汽參數(shù)的提高;
HCl氣體的存在升高了煙氣露點(diǎn),導(dǎo)致排煙溫度升高,降低鍋爐熱效率 ;
氯源在一定條件下與重金屬反應(yīng)生成低沸點(diǎn)的金屬氯化物,從而加劇了重金屬的揮發(fā),導(dǎo)致重金屬在飛灰上的富集,增加飛灰毒性 ;
HCl氣體能促進(jìn)氯酚、氯苯、氯苯并呋喃等“三致”有機(jī)物的生成,而且PVC裂解后生成的HCl被認(rèn)為能促進(jìn)多環(huán)芳烴(paHs)的生成。因此,有效去除HCl氣體直接關(guān)系到焚燒系統(tǒng)的安全和環(huán)保運(yùn)行。
四.SOx、HCl的去除方法
酸性氣體SOx、HCl主要通過干法、半干法、濕法等凈化工藝加以去除:
1.干法脫酸:
干法脫酸的基本原理為:
CaO+SO2=CaSO3
CaO+2HCl=CaCl2+H2
干式脫酸有2種方式。一種是干性藥劑(一般采用消石灰)和酸性氣體在反應(yīng)塔內(nèi)進(jìn)行反應(yīng);另一種是在進(jìn)入除塵器前的煙氣管道中噴入干性藥劑,在此與酸性氣體反應(yīng)。消石灰與酸性氣體發(fā)生中和反應(yīng)要有合適溫度(140~170℃),而余熱鍋爐出口的煙氣溫度往往高于這個(gè)溫度,為提高脫酸效率,一般需通過噴水降低煙溫。
減溫塔:從鍋爐出來的溫度為190~200℃的煙氣進(jìn)入減溫塔。減溫塔由冷卻裝置與飛灰排出裝置組成。冷卻水由冷卻水供應(yīng)泵從水箱送至噴嘴,并被壓縮空氣霧化后噴入減溫塔內(nèi)與煙氣直接接觸。減溫塔的高度設(shè)置應(yīng)確保噴入的霧化水可以完全蒸發(fā),直徑設(shè)置應(yīng)能防止塔內(nèi)壁被霧化的水微粒接觸。煙氣經(jīng)減溫塔降溫至150℃左右后進(jìn)入后續(xù)設(shè)備。煙氣中部分粉塵落入塔底的料斗中,經(jīng)排灰閥、輸送機(jī)送至飛灰貯倉。減溫塔底部需配置加熱裝置,防止飛灰吸潮沉積在內(nèi)壁上腐蝕減溫塔。
2.半干法脫酸:
半干法脫酸的基本原理為:
2HCl+Ca(OH)2=CaCl2+2H2O
SO2+Ca(OH)2=CaSO3+H2O
半干法脫酸裝置一般設(shè)置在除塵器之前,主要包括給料系統(tǒng)、混合系統(tǒng)和反應(yīng)系統(tǒng)。脫酸劑CaO在給料系統(tǒng)制作成粉狀,再進(jìn)入制漿系統(tǒng)與水充分混合制成石灰漿,最后以噴霧狀進(jìn)入反應(yīng)系統(tǒng)。HCl、SOx等酸性成分被中和,生成中性的細(xì)小固體顆粒,隨煙氣進(jìn)入下一步凈化系統(tǒng)。
3.濕法脫酸:
濕法脫酸裝置設(shè)置在除塵器之后,從袋式除塵器出來的溫度約140℃的煙氣經(jīng)底部進(jìn)入濕式洗滌塔。洗滌塔分為冷卻部和吸收減濕部。燒堿稀釋槽中配制好的燒堿溶液通過燒堿輸送泵、冷卻液循環(huán)泵送至冷卻部上方的噴嘴,向下噴入與逆流的煙氣充分接觸,將煙氣溫度降至飽和溫度。同時(shí),在此過程中燒堿溶液與煙氣中的部分酸性氣體進(jìn)行反應(yīng)。塔底的吸收液一部分循環(huán)使用,一部分排出以降低溶液中的含鹽量以保證酸性氣體的吸收率。
煙氣經(jīng)冷卻和吸收后進(jìn)入洗滌塔上部的吸收減濕部。減濕水與燒堿溶液一并由減濕水循環(huán)泵輸送至減濕部上方噴嘴,向下噴入并均勻地經(jīng)過填料床與煙氣充分接觸,酸性氣體被進(jìn)一步去除。反應(yīng)后的減濕水從吸收減濕部下部排入減濕水槽。凈化后的煙氣經(jīng)塔頂除霧器除霧后進(jìn)入煙氣再加熱系統(tǒng)。
煙氣再加熱器:從濕式洗滌塔出來的煙氣溫度約有70℃,為防止低溫腐蝕及煙囪出口冒白煙,需將煙氣加熱至150~160℃才能排放。再加熱方式可選擇蒸汽加熱或電加熱(一般選用蒸汽加熱)。從煙氣再加熱器出來的煙氣通過引風(fēng)機(jī)經(jīng)煙囪排入大氣。
采用消石灰Ca(OH)2作為溶劑時(shí),濃度為10-30%,具有價(jià)格低、溶解度低的特征,但生成的石膏容易導(dǎo)致填料及管道堵塞與結(jié)垢,因此,濕法工藝更多采用NaOH溶劑,濃度為10-20%。與消石灰相比,苛性鈉價(jià)格高,但與酸性氣體的反應(yīng)速率高,吸收效果好且用量小,因此目前較多采用苛性鈉溶劑,主要反應(yīng)過程為:
HCl+NaOH=NaCl+H2O
SO2+2NaOH=Na2SO3+H2O
Na2SO3+O2=Na2SO4
SO3+2NaOH=Na2SO4+H2O
歐洲采用濕法煙氣凈化的焚燒廠實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)調(diào)查表明:PH值為5-6的SO2吸收階段,NaOH所吸收SO2的量遠(yuǎn)高于預(yù)期值。
需要說明的是:濕法去除率雖然較高,但流程復(fù)雜,配套設(shè)備較多,投資較高;產(chǎn)生高濃度無機(jī)氯鹽及重金屬的廢水,需經(jīng)處理后才能排放;處理后的廢氣因溫度降低至露點(diǎn)以下,需再加熱以防止煙囪腐蝕及形成白煙現(xiàn)象。
五.脫酸凈化工藝特性綜合比較
注:1.去除率以HCl去除率為基準(zhǔn);2.藥劑種類:干式為Ca(OH)2粉(95%純度);半干式為Ca(OH)2乳液(15%純度)。
六.幾種工藝煙氣脫酸綜合比較結(jié)果
1.脫酸效率:濕法>半干法>干法;
2.水消耗:濕法>半干法>干法;
3.原料消耗(按消石灰計(jì)):干法>半干法>濕法;
4.電耗:濕法>半干法>干法;
5.投資:濕法>半干法>干法;
6.維護(hù)費(fèi):濕法>半干法>干法。
七.倡議
生活垃圾焚燒時(shí)煙氣中的主要酸性污染物為鹽酸,鹽酸來源于原生垃圾中含氯物質(zhì)或材料,其中每個(gè)家庭、單位、團(tuán)體等日常用于裝載垃圾的一次性塑料袋占據(jù)了含氯材料的大部分比例(其它具備回收價(jià)值的含氯包裝品、紙張等被“垃圾分類”或是拾荒者提前撿走)。那么,有沒有能夠代替一次性塑料垃圾袋的、價(jià)格低廉的、無氯或低氯的物品用于裝載家庭日常生活垃圾?為此提出一種技術(shù)研發(fā)的思路和方向:利用田間每年產(chǎn)生的、無法充分消納掉的農(nóng)作物秸稈,例如玉米秸稈、小麥秸稈、稻米秸稈等,通過簡單的加工、制膜過程,制作成適于使用的一次性垃圾袋,用于代替?zhèn)鹘y(tǒng)的一次性塑料袋?如果這一技術(shù)得到突破,不僅能夠大面積避免田間露天焚燒秸稈、污染環(huán)境的現(xiàn)象,而且能夠提高垃圾熱值、大幅降低焚燒后煙氣中的氯產(chǎn)生量、從而降低煙氣脫酸處理成本。。。。。。我們拭目以待,并希望有識(shí)之士能在這個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行有益的探索。