MVC耦合煙氣處理陽朔垃圾焚燒電廠滲濾液的分析

鄒龍生 唐 婧

（桂林航天工業(yè)學(xué)院，廣西 桂林 541004）

0 引言

垃圾滲濾液污染物含量高，對(duì)水體環(huán)境危害大，直接排放到水環(huán)境中會(huì)造成嚴(yán)重的后果，已經(jīng)有不少資料闡述如何治理滲濾液。有學(xué)者對(duì)于韓國垃圾滲濾液的治理，提出采用MBR+RO 工藝處理滲濾液，分析滲透膜的特性對(duì)滲濾液處理效果的影響程度［1］。有研究者闡述RO-NF 和NF-RO 兩種工藝在治理垃圾滲濾液的優(yōu)勢(shì)、工藝上存在的不足，以及治理技術(shù)未來的發(fā)展趨勢(shì)［2］。也有研究者闡述垃圾滲濾液治理的各種物理化學(xué)方法，分析滲濾液的來源，特別是滲濾液年齡對(duì)其成分含量的影響，并對(duì)各種滲濾液治理工藝進(jìn)行對(duì)比分析［3］。張軍等［4］闡述含鹽廢水的處理工藝，著重分析機(jī)械蒸汽再壓縮（MVR）技術(shù)處理廢水的整體工藝，分析濃縮倍數(shù)、壓縮機(jī)、機(jī)械蒸汽再壓縮（MVR）系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)處理效果的影響程度。也有科研工作者將多效蒸發(fā)與MVC 工藝進(jìn)行對(duì)比，建立數(shù)學(xué)模型，然后利用能量和熵的方程來具體分析相應(yīng)的作用效果［5］。越云凱等［6］依靠機(jī)械蒸汽再壓縮（MVR）海水淡化的熱力學(xué)模型，分析增壓比、蒸發(fā)溫度、進(jìn)料海水濃度及溫度等參數(shù)間的量效關(guān)系，指出其影響程度。李宜豪等［7］分析MVC-MEE 廢水處理系統(tǒng)中的蒸發(fā)器效數(shù)、多效蒸發(fā)系統(tǒng)總溫差、二次蒸汽溫度和MVC 等熵效率對(duì)整個(gè)體系比功耗的影響程度，等熵效率的提高將降低MVC 的功率。王凱波等［8］利用機(jī)械蒸汽壓縮技術(shù)對(duì)火電廠的脫硫廢水進(jìn)行治理，采用循環(huán)的工藝流程，能夠使系統(tǒng)產(chǎn)水全部作為水源回用，實(shí)現(xiàn)了全廠廢水的零排放，有助于解決水體環(huán)境的污染。同時(shí)，該技術(shù)節(jié)能效果顯著，能夠彌補(bǔ)多效蒸發(fā)能耗過高的難題，使用MVC 蒸發(fā)工藝可最大限度地降低系統(tǒng)的能耗，節(jié)約工藝的運(yùn)行費(fèi)用。沈九兵等［9］提出新工藝處理采油污水的方法，即以MVC 處理系統(tǒng)進(jìn)行治理，并闡述壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、一效進(jìn)水溫度和二效出水循環(huán)量等因素對(duì)系統(tǒng)能耗的影響程度，并得出合理的結(jié)論。

桂林市陽朔生態(tài)工業(yè)園區(qū)已經(jīng)建成了一座垃圾焚燒發(fā)電廠，年處理垃圾36.5 萬t。同時(shí)，陽朔是桂林山水景觀的核心區(qū)域，縣域擁有漓江景區(qū)、印象·劉三姐、碧蓮峰山水園、聚龍?zhí)丁⒑?、劉三姐水上公園、鑒山寺等營(yíng)業(yè)景點(diǎn)，可以說處處是風(fēng)景。2018年11月，陽朔縣榮登“2018中國幸福百縣榜”；2019 年9 月，陽朔縣入選首批國家全域旅游示范區(qū)。旅游資源是陽朔縣不可破壞的寶貴資源，在處理垃圾的同時(shí)也要保證美好的環(huán)境，特別是漓江的水。章程等［10］分析了漓江的水化學(xué)晝夜動(dòng)態(tài)變化、沿流程變化及其影響因素，闡述水化學(xué)晝夜循環(huán)的生物代謝過程與光合作用機(jī)理，以及對(duì)水質(zhì)影響的因素，同時(shí)，要求陽朔垃圾焚燒電廠不能污染水體環(huán)境。自然環(huán)境和有關(guān)部門對(duì)焚燒電廠提出的具體要求有：本項(xiàng)目排污口COD年入河量為3.12 t，標(biāo)準(zhǔn)要求小于50 mg/L；氨氮入河量為0.31 t，標(biāo)準(zhǔn)要求小于5 mg/L，確保水體質(zhì)量。垃圾焚燒電廠根據(jù)冬季和夏季用水量及排水量不同，分別進(jìn)行估算，夏季進(jìn)入滲濾液處理站的廢水量為305 m3/d，考慮留有10%的裕量，即廢水處理量為335.5 m3/d。因此，根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)規(guī)劃，生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的垃圾滲濾液可以達(dá)到約350 m3/d，要徹底處理這些滲濾液必須選擇合適的工藝，常用的廢水處理工藝不能徹底治理滲濾液，也不能滿足日益嚴(yán)格的環(huán)保要求。因此，本研究根據(jù)垃圾焚燒電廠的現(xiàn)狀，提出MVC耦合煙氣處理滲濾液的工藝，著重闡述各環(huán)節(jié)能源消耗的數(shù)量及工藝的特點(diǎn)。

1 垃圾焚燒電廠滲濾液的分析

垃圾滲濾液一般都呈黑色，而且污染物含量高，不但有機(jī)污染物含量高，還有不少無機(jī)污染物，尤其是Ca2+、Mg2+、SO42-、CO3

2-等易結(jié)垢離子的存在，給熱法處理垃圾滲濾液帶來不小的麻煩。張燕燕等［11］闡述垃圾中轉(zhuǎn)站、焚燒廠、填埋場(chǎng)等地產(chǎn)生的垃圾滲濾液的現(xiàn)狀，特別是各類垃圾滲濾液的產(chǎn)量及污染特性。近年來，隨著經(jīng)濟(jì)和工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，生活垃圾的產(chǎn)量逐年增加。路芳菲［12］闡述垃圾滲濾液因含有高有機(jī)物、高氨氮、高鹽和重金屬的特性，給生態(tài)環(huán)境尤其是水體環(huán)境和人類健康帶來了極大的危害，若不能有效處理滲濾液，將會(huì)給人類帶來危害。表1 是陽朔生態(tài)工業(yè)園區(qū)產(chǎn)生的垃圾滲濾液成分的各項(xiàng)指標(biāo)。

表1 桂林陽朔垃圾滲濾液的水質(zhì)參數(shù)

由表1 可知，垃圾滲濾液中含有Pb、Cd、Cr、Hg等重金屬，也含有氨氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，CODCr、BOD5含量高，色度高達(dá)1.60×103倍，因此，必須要徹底處理滲濾液，否則會(huì)嚴(yán)重污染水體環(huán)境，危害自然環(huán)境。垃圾滲濾液的治理方法主要有生物法、生物化學(xué)法、物理法、熱法等，熱法能夠徹底治理滲濾液，該法不僅能夠滿足日益嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)要求，而且能夠使廢物合理利用，實(shí)現(xiàn)零排放，進(jìn)而徹底治理垃圾滲濾液。

2 工藝說明

本項(xiàng)目采用MVC 耦合煙氣處理垃圾滲濾液的工藝流程，詳細(xì)步驟如下。

①市政垃圾依靠車輛輸送到焚燒電廠的垃圾發(fā)酵池，發(fā)酵之后會(huì)產(chǎn)生不少滲濾液，其體積不少，而且污染嚴(yán)重，不能與市政廢水混合處理，常用的生物化學(xué)處理工藝不能實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。

②從發(fā)酵池來的滲濾液進(jìn)入換熱器一，通過與垃圾焚燒產(chǎn)生的煙氣在此交換能量，將滲濾液加熱，使其溫度上升到80 ℃左右。

③第一次加熱后的滲濾液被輸送至換熱器二，與冷凝水進(jìn)行換熱，將滲濾液第二次加熱，使溫度升至約90 ℃。

④第二次加熱的滲濾液被輸送至換熱器三，與濃縮液進(jìn)行換熱，將滲濾液又一次加熱，再次升高溫度。

⑤第三次加熱的滲濾液被輸送至換熱器四，并與原料混合與煙氣進(jìn)行換熱，將料液溫度加熱到約108 ℃，然后料液進(jìn)入降膜蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中被分配，然后蒸發(fā)。

⑥降膜蒸發(fā)器產(chǎn)生的二次蒸汽經(jīng)過汽水分離器進(jìn)行分離，純凈的蒸汽送入壓縮機(jī)。利用電能將二次蒸汽壓縮加壓和升溫，約120 ℃的蒸汽再次送入降膜蒸發(fā)器，只需要壓縮機(jī)來維持MVC 系統(tǒng)的熱平衡，完成蒸發(fā)系統(tǒng)的循環(huán)。

⑦經(jīng)過換熱冷卻后的冷凝水和濃縮液通過相應(yīng)的換熱器予以降溫，在余熱利用的同時(shí)，也減輕了對(duì)環(huán)境的熱污染。

3 主要環(huán)節(jié)能量分析

本研究主要分析整個(gè)工藝流程能源消耗的參數(shù)，特別是由于煙氣的利用節(jié)約的能源，對(duì)主要環(huán)節(jié)的能量平衡進(jìn)行詳細(xì)的闡述和相應(yīng)的計(jì)算。

3.1 換熱器一

兩股流體是熱流體和冷流體，熱流體為煙氣，冷流體為滲濾液。熱流體傳熱給冷流體的熱效率假定為90%，根據(jù)能量守恒，則得到式（1）。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（1），可得到V17。

通過計(jì)算得V17= 42 647.07 m3/h。

3.2 換熱器二

兩股流體是熱流體和冷流體，熱流體為冷凝水，冷流體為滲濾液。熱流體傳熱給冷流體的熱效率假定為90%，根據(jù)能量守恒，則得到式（2）。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（2），可得到t3。

通過計(jì)算得t3= 89.64 ℃。

3.3 換熱器三

兩股流體是熱流體和冷流體，熱流體為濃縮液，冷流體為滲濾液。熱流體傳熱給冷流體的熱效率假定為90%，根據(jù)能量守恒，則得到式（3）。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（3），可得到t4。

通過計(jì)算得t4= 90.21 ℃。

3.4 換熱器四

兩股流體是熱流體和冷流體，熱流體為煙氣，冷流體為滲濾液。熱流體傳熱給冷流體的熱效率假定為90%，t4=t5，根據(jù)能量守恒，則得到式（4）。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（4），可得到V19。

通過計(jì)算得V19= 26 334.41 m3/h。

3.5 壓縮機(jī)

壓縮機(jī)的增壓比定義為壓縮機(jī)出口壓力與進(jìn)口壓力之比［13］，根據(jù)參考資料［14］可得到對(duì)應(yīng)溫度下相應(yīng)的飽和蒸汽壓，則二次蒸汽通過壓縮機(jī)的增壓比可表示為式（5）。

相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（5），可得到π。

壓縮機(jī)需要壓縮的是熱流體，即二次蒸汽，假設(shè)壓縮機(jī)的效率為η30=85%，絕熱指數(shù)ε=1.135，根據(jù)能量守恒，則得到式（6）。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（6），可得到W10。

通過計(jì)算得W10= 332.61 kW。

由上述過程可知，在處理垃圾滲濾液時(shí)利用了大量的煙氣，體積總量為68 981.48 m3/h，利用的能源達(dá)到6.19×106kJ/h。利用的能源的計(jì)算公式為式（7）。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（7），可得到Q22。

4 主要環(huán)節(jié)物料分析

根據(jù)工廠現(xiàn)狀，產(chǎn)生的垃圾滲濾液可以達(dá)到約350 m3/d，為了徹底消除垃圾滲濾液的影響，根據(jù)物料平衡原理，各主要環(huán)節(jié)的垃圾滲濾液流量變化如表2所示。

表2 主要環(huán)節(jié)垃圾滲濾液流量變化表 單位：m3/h

由表2 可知，煙氣消耗量為68 981.48 m3/h，冷凝水的量為12.6 m3/h，濃縮液的量占原料液的10%，約為1.4 m3/h。

5 結(jié)語

本研究設(shè)計(jì)了合理的工藝流程，將垃圾焚燒電廠產(chǎn)生的煙氣用于加熱垃圾滲濾液。升溫到108 ℃的垃圾滲濾液在降膜蒸發(fā)器中進(jìn)行處理。結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)可以充分利用煙氣的廢熱，主要參數(shù)有：煙氣體積流量為68 981.48 m3/h，可利用的余熱達(dá)到6.19×106kJ/h。該工藝不但為垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)實(shí)現(xiàn)了低碳生產(chǎn)，同時(shí)為蒸發(fā)處理垃圾滲濾液提供了一條合適的途徑。