垃圾焚燒發電廠重金屬及二惡英強化吸附技術開發研究

張秀璋

(天津泰達環保有限公司 天津300350)

創新技術

垃圾焚燒發電廠重金屬及二惡英強化吸附技術開發研究

張秀璋

(天津泰達環保有限公司 天津300350)

中國的垃圾焚燒發電項目越來越多，國家對焚燒過程中產生的煙氣中所含重金屬及二惡英處理制定了嚴格的政策法規。為控制焚燒煙氣中的重金屬、二惡英類別性污染物，自主開發了一種活性炭再利用方法及設備，圍繞該設備對重金屬及二惡英的吸附效果進行了分析研究。

垃圾焚燒廠 重金屬 二惡英 強化吸附

0 引 言

據中國統計年鑒數據顯示，截至 2012年底，中國已投用垃圾焚燒廠總數達138座。而2012年4月國務院辦公廳在《“十二五”全國城鎮生活垃圾無害化處理設施建設規劃》中指出，將新增垃圾無害化處理能力58萬t/日，新增投資1,730億元，其中焚燒處理技術所占比例為 35%。[1]以此推算，“十二五”末期國內還將新增垃圾焚燒處理量 20萬 t/日，即仍需建設千噸級垃圾焚燒廠200座，屆時中國垃圾焚燒廠總數將超過300座，垃圾日處理能力達到30,t噸以上。因此，我國垃圾焚燒發電的市場容量仍然巨大。

垃圾等固體廢物焚燒通常指在高溫及供氧充足的條件下，將廢物在焚燒爐內充分進行燃燒并氧化成惰性氣態物和無機不可燃物。由于廢物中可能包含N、S、Cl、F及重金屬等多種元素，焚燒過程中上述元素將以一定比率轉化為強腐蝕性氣體(SO2、HCl、HF、NOx等)、高毒性物質(重金屬、二惡英、飛灰)并進入煙氣。[2]該強蝕高毒煙氣具有環境危害大、處理難度高等特點。國家專門制定了嚴格的法規政策，以確保環境安全及相關行業持續健康發展。

1 強化吸附工藝

半干式煙氣脫酸系統使用旋轉噴霧反應塔與布袋除塵器的組合工藝，可以有效去除 SO2、HCl等酸性氣體。但對于重金屬、二惡英等劇毒污染物，目前該工藝主要采用直接向反應塔出口煙道中噴入粉末狀活性炭作為吸附劑的方法進行吸附脫除，活性炭耗量巨大，且脫除效果欠佳，在滿足 0.1,ng/Nm3二惡英排放量的條件下，活性炭耗量超過 20,kg/h，運行成本高昂。活性炭再生的方法在部分項目中曾經投入使用，但是再生裝置費用高昂，運轉操作復雜，且活性炭的再生率也不充分，目前已放棄使用。

以天津某3×400,t/日垃圾焚燒電廠為例，其汞、二惡英脫除率隨活性炭耗量增加而增大，如圖1與圖2所示。

圖1 粉末活性炭的二惡英脫除效果Fig.1 Dioxin desorption efficiency of powdered activated carbon

圖2 粉末活性炭的汞脫除效果Fig.2 Mercury desorption efficiency of powdered activated carbon

如圖，隨著粉末活性炭噴入量的增加，系統出口煙氣中重金屬汞、二惡英濃度逐步降低，變化趨勢基本一致。在歐盟 2000標準中，二惡英煙氣含量需低于 0.1,ng/Nm3，汞煙氣含量需低于 0.05,mg/Nm3。由圖可知，當活性炭耗量達到 190,mg/Nm3時，二惡英可降至 0.1,ng/Nm3，汞可降至 0.03,mg/Nm3，此時排放指標方可滿足歐盟標準。由此推算，粉末活性炭耗量約 19,kg/h，若按 6,000元/t的保守價格計算，則該垃圾電廠的年活性炭消耗費用需達 200萬元以上方可滿足二惡英排放要求，企業財務負擔沉重。

鑒于現有工藝存在的主要問題，項目組自主開發了一種活性炭再利用方法及設備，首先利用粒狀活性炭吸附凈化二惡英污染物，之后將活性炭經移動床設備排入粉碎裝置破碎研磨，并作為粉末活性炭注入反應塔出口煙道，使活性炭吸附設備排出的活性炭即使不通過再生也能得到再利用，從而大幅度減少活性炭的使用量，降低運行成本和設備費用，使運行操作簡單易行。[3，4]該工藝流程示意圖如圖3所示。

由圖 4可知，吸附過程中，吸附床通常存在未吸附區，該區域內的活性炭吸附能力仍和新品一樣。為保證出口氣體的凈化效率，吸附床層厚度還存在一定余量，因而大量活性炭未獲充分利用即被排出設備。

圖3 重金屬、二惡英強化脫除流程示意圖Fig.3 Schematic diagram of the enhanced desorption flow of heavy metals and dioxin

圖4 移動床的二惡英吸附量曲線Fig.4 Absorption capacity curve of the moving bed

除新鮮活性炭外，吸附飽和的粒狀活性炭經粉碎后比表面積大幅增加，也可重新獲得吸附能力，活性炭因而得到再利用，使用量大幅減少，運行費用顯著降低，工藝應用前景廣闊。

2 強化吸附設備

在上述工藝方法中，移動床式吸附裝置是整個系統的關鍵設備，如圖5所示。

圖5 移動床煙氣凈化設備示意圖Fig.5 Schematic diagram of a flue gas purification equipment of the moving bed

該設備包括通風管道及吸附器兩部分，活性炭在吸附器中形成垂直向下的移動層并與通風管道十字形交叉。吸附器與地面垂直，上部為存放活性炭的儲料區；通風管道內裝有氣體分布器，該分布器位于吸附區上游側；吸附器底部為卸料閥，可使接近飽和的粒狀活性炭連續移出設備并進入粉碎裝置。該設備實現了活性炭綜合利用過程的連續操作，使整個工藝流程得到大幅簡化。

3 實驗分析方法

對于有機污染物二惡英，天津泰達環保有限公司早在2005年就建立了天津市第1個二惡英檢測實驗室(見圖 6)，起草的《二惡英類污染物的測定酶免疫分析法》已被批準為天津市地方標準(DB12/T403-2008)。

該方法采用美國國家環境保護局“Method 4025”的技術路線，并將其檢測領域從土壤和沉積物延伸至固體廢物及廢氣，側重從采樣、提取、凈化、儀器分析到數據處理整個過程的質量保證和質量控制，同時兼顧良好的可操作性，在特異性、回收率、定性和定量分析的靈敏度、復現性、準確性等方面均具有明顯優勢。

圖6 二惡英生物檢測實驗室Fig.6 A biological detection laboratory for dioxin

煙氣中的汞含量測定采用蘇州市青安儀器有限公司生產的QM201A原子吸收測汞儀，見圖7。

圖7 原子吸收測汞儀Fig.7 Atomic absorption mercury analyzer

4 實驗結果分析

氣體吸附過程、停留時間及流速是影響吸附效果的主要因素，也是設備設計的重要依據。一方面，停留時間延長，流速降低，吸附劑上的吸附質捕集效率提高，但阻力降增大；另一方面，停留時間縮短，流速增大，吸附裝置能耗顯著降低，但吸附質無法有效截留，吸附效率下降。因此，有必要對上述工藝條件進行系統實驗分析后確定較佳取值，實驗過程則依托前文所述實驗平臺。

4.1 氣速對吸附效果的影響

圖8為煙氣溫度 180,℃條件下氣速對二惡英吸附效果的影響。由圖可知，隨著煙氣流速的增大，設備的壓降迅速升高，成本相應增大。就二惡英脫除效率而言，氣速低于 0.5,m/s時，脫除率超過 80%，且變化不大，若繼續增高，二惡英脫除率急劇下降至 50%以下。由此可知，較低的煙氣流速有利于提高二惡英脫除率并降低設備運行費用，考慮到煙氣流量等綜合因素，吸附床過濾氣速取0.25～0.5,m/s即可，實驗氣速選0.5,m/s。

圖8 氣速對二惡英吸附效果的影響Fig.8 Impact of gas velocity on dioxin absorption

4.2 停留時間對吸附效果的影響

圖9為氣速 0.5,m/s、煙氣溫度 180,℃條件下停留時間對二惡英吸附效果的影響。由圖可知，停留時間增大，二惡英脫除效率大幅升高。停留時間高于0.6,s后升高趨勢減緩，為減少床層厚度以降低活性炭耗量，吸附床停留時間取 0.6～1,s即可，實驗停留時間選0.6,s。

4.3 煙氣溫度對布袋除塵器脫除率的影響

圖10為氣速 0.5,m/s、停留時間 0.6,s條件下煙氣溫度對布袋除塵器二惡英脫除率的影響。

圖9 停留時間對二惡英吸附效果的影響Fig.9 Impact of residence time on dioxin adsorption

圖10 煙氣溫度對布袋除塵器二惡英脫除率的影響Fig.10 Impact of flu gas temperature on dioxin removal rate of the bag-type dust remover

由圖可知，隨著煙氣溫度的上升，布袋除塵器的二惡英去除率趨于下降。二惡英是具有高沸點及低蒸汽壓的化合物，因此，在煙氣低溫條件下，二惡英氣體很容易轉化為細小顆粒，因而能更有效地被布袋除塵器去除。考慮到濾袋的較佳耐受溫度，且較低的溫度有利于提高吸附效果，實際煙氣去除溫度可取為150,℃。

圖11為氣速 0.5,m/s，停留時間 0.6,s條件下煙氣溫度對布袋除塵器汞脫除率的影響。

圖11 煙氣溫度對布袋除塵器汞脫除率的影響Fig.11 Impact of flu gas temperature on mercury removal rate of the bag-type dust remover

由圖可知，隨著煙氣溫度的上升，布袋除塵器的汞去除率同樣趨于下降。當煙氣溫度降至 130,℃時，布袋除塵器的汞去除率可超過 90%。據初步測算，煙氣中的汞大多以蒸汽形式存在，隨著溫度的降低，汞蒸汽發生凝結，繼而被布袋除塵器濾袋表面的粉塵層去除。[5]

4.4 強化去除重金屬及二惡英的效果分析

圖12與圖13分別為煙氣溫度150,℃、吸附氣速0.5,m/s、吸附床停留時間 0.6,s的實驗條件下粒狀活性炭對二惡英及重金屬汞的脫除效果。如圖所示，在新工藝研究條件下，重金屬汞、二惡英依次在反應塔出口經粉末活性炭噴射、布袋除塵器過濾及粒狀活性炭吸附處理，含量相應大幅降低。隨著活性炭投料量的增加，重金屬汞、二惡英濃度逐步降低，變化趨勢基本一致。在粒狀活性炭耗量為 100,mg/Nm3時，二惡英含量可降至 0.07,ng/Nm3，重金屬汞含量可降至0.04,mg/Nm3，排放指標能夠達到甚至超過歐盟 2,000標準。由此推算，粒狀活性炭耗量為 10,kg/h，若按照5,000元/t的保守價格計算，則垃圾電廠的年活性炭消耗費用與原工藝相比可節約100萬元以上，重金屬汞及二惡英的脫除效果更佳。

圖12 強化吸附工藝的二惡英脫除效果Fig.12 Dioxin removal efficiency of the enhanced absorption technology

圖13 強化吸附工藝的汞脫除效果Fig.13 Mercury removal efficiency of the enhanced absorption technology

5 結 語

對于焚燒煙氣中的重金屬、二惡英類劇毒性污染物，目前主要采用向煙道中噴入粉末狀活性炭的方法進行吸附脫除。在歐盟 2,000標準中，已將二惡英煙氣含量嚴格要求至低于 0.1,ng/Nm3，隨著國內環保呼聲的日益升高及二惡英的危害性深入人心，我國也已明確規定廢物焚燒廠的二惡英煙氣含量必須滿足該標準。[6]根據某垃圾焚燒電廠的實測數據，粉末活性炭耗量接近 20,kg/h方可實現二惡英含量達標排放，若按 6,000元/t的保守價格計算，則該垃圾電廠的年活性炭消耗費用超過200萬元，企業財務負擔沉重。上述實驗顯示，該自主開發的活性炭再利用方法及設備在吸附重金屬及二惡英方面效果明顯，經濟實用，具有較強的推廣應用價值。

［1］ 中華人民共和國國家統計局. 中國 2012統計年鑒[EB/OL]. http：//www.stats.gov.cn/tjsj/ndsj/2012/indexch.htm.

［2］ 周宏倉，仲兆平，金保升. 城市固體廢物焚燒過程中二惡英的生成和控制[J]. 能源研究與利用，2002(4)：15-19.

［3］ 天津泰達環保有限公司. 一種垃圾焚燒煙氣中二惡英的脫除方法及設備：中國，200910250258. 6[P].2010-05-19.

［4］ 天津泰達環保有限公司. 一種垃圾焚燒煙氣中二惡英的脫除設備：CN200920218990. 0[P]. 2010-05-19.

［5］ 金宜英，聶永豐，田洪海，等. 布袋除塵器和活性炭濾布對煙氣中二惡英類的去除效果[J]. 環境科學，2003，24(2)：143-146.

［6］ 環境保護部. 關于加強二惡英污染防治的指導意見[EB/OL]. http：//www.zhb.gov.cn/gkml/hbb/bwj/201011/t20101104_197138. htm. 2010-10-19.

Development of Enhanced Absorption Technology of Heavy Metals and Dioxin in Waste Incineration Power Plants

ZHANG Xiuzhang
(Tianjin TEDA Environmental Protection Co.，Ltd.，Tianjin 300350，China)

Along with China’s growing numbers of MSW incineration power generation projects，strict policies and regulations are promulgated by the state to deal with heavy metals and dioxin in gas fumes generated in the incineration process. In the paper，an independently developed activated carbon recycling method，as well as relative equipment was analyzed in the respect of absorption efficiency of heavy metals and dioxin.

waste incineration plant；heavy metals；dioxin；enhanced adsorption

X799.3

A

1006-8945(2014)06-0005-04

2014-05-09