论文部分内容阅读
摘要：国内投运较早的污泥焚烧厂，参照GB18485-2001标准选择焚烧烟气净化工艺，但随着我国环保要求的日益严格，GB18485-2014提高了排放控制要求，因此，应结合焚烧烟气污染特点，分析探讨出一套满足现行的GB18485-2014排放标准的烟气净化组合工艺。
关键词：污泥；焚烧；烟气；净化
1、污泥的焚烧处理
用于固体废物焚烧的炉型主要有：1、多级阶梯式链条炉排；2倾斜往复式炉排和反送式马丁炉排等炉排炉；2、流化床焚烧炉；3、旋转式燃烧回转炉。但是，由于污泥的含水率高、组分复杂、颗粒黏稠性高，如采用链条式或炉排式焚烧炉，易造成链条、炉排的堵塞，造成机械运转设备故障、物料燃尽度低、二次污染严重等问题。流化床炉内无转动的机械设备，通过炉膛下部布风板，使炉膛内可燃物料在流化状态下，与载热的惰性颗粒、与空气充分接触，高强度的进行传热和传质，物料在床层内几乎呈完全混合状态，具有燃烧效率高、负荷调节范围宽、污染物排放低、炉内燃烧强度高、单位炉床面积单位时间焚烧处理物料量大等优点。流化床采用惰性颗粒做载热体，热容量大，适合焚烧污泥、纸浆废液等低热值燃料，是污泥焚烧的最佳选择。
从污水处理厂的污泥浓缩池底排出的剩余污泥含水率约97%，焚烧处理前，首先要降低污泥含水率，进行脱水、干化的预处理，一方面浓缩污泥体量，减小焚烧设备运转负荷，另一方面通过降低污泥含水率，提高热值。经脱水处理后的剩余污泥含水率可下降至65%，体积可缩减90%，但熱值仅600kcal/kg左右，须再经过干化处理，污泥含水率可下降至45%，体积可再缩减30%，热值可达到1200-1500kcal/kg。理论上，通过干化处理污泥含水率可进一步降低，但会大幅增加干化处理费用，考虑到保证焚烧炉稳定燃烧的燃料热值至少要达到1500kcal/kg，因此，干化到含水率45%的污泥可入炉焚烧，但为保证焚烧炉的稳定运行，一般情况下需通过掺烧煤，提高混合物料的热值，可缓冲污泥热值波动变化造成炉内熄火、燃烧不彻底的影响，掺烧比例一般控制在5%-20%。
2、污泥焚烧烟气中污染物分析
污泥由有机残片、细菌菌体、无机颗粒、胶体等组成的极其复杂的非均质体，含有大量的病原菌、寄生虫、致病微生物，以及砷、铜、铬、汞等重金属和有毒有害物质。焚烧后烟气中污染物成分也极为复杂，主要特征污染物有：烟尘、SO2、HCI、NOx、重金属和二嗯英等，以及少量的重金属挥发物。
1）酸性气体
污泥中的硫、氯、氟过焚烧后都会转化为SO2、HCl、HF等酸性气体随烟气排出。
可通过污泥的元素分析计算酸性气体的理论产生量和初始浓度，城镇污水产生的污泥中测得的硫元素含量与一般的低硫煤相当，在1%以下，据此计算，烟气中S02初始浓度在800-1500mg/Nm3左右，氯元素含量一般较低，不到0.02%，烟气中HCl初始浓度在200-500mg/Nm3左右。
2）NOx
焚烧烟气中NOx的主要来源有两个，一是燃料中的含氮成份在炉内高温环境与空气中的氧化合而成，称为燃料型NOx，生成量主要依赖于燃烧温度；另一个是燃烧时空气中的氮在高温下与氧反应生成，称为热力型NOx，生成量主要与燃烧温度、氧气浓度、气体在高温区的停留时间有关；采用流化床焚烧炉污泥，炉内料层温度一般控制在850-950%之间，燃烧温度较低，几乎没有热力型NOx产生，燃料中的氮也只有10%～20%转化成燃料型NOx。可通过污泥的元素硫氮分析计算NOx理论产生量和初始浓度，也可通过类比同类炉型、处理能力相同或相近的烟气数据，大致估计NOx的初始浓度，一般在200～400mg/Nm3（按N02计）。
3）烟尘
由一般污水处理厂污泥的组分分析可知，污泥干基灰分含量达到了30-50%，可参照《火力发电厂除灰设计规程DL/T5142-2002》中的灰渣量计算公式，依据混合燃料的低位发热量、未完全燃烧的热损失、烟气带出的飞灰份额，计算得出烟尘产生量和初始浓度，一般在30～50g/Nm3。
4）二嗯英类
焚烧垃圾、污泥最受大众关注的污染物就是二嗯英，二嗯英类是多氯代二苯并对二嗯英（PCDDs）和多氯代二苯并呋喃（PCDFs）的总称。二嗯英主要由物质的不完全燃烧所导致，主要是以气态形式或吸附在烟尘上存在于烟气中的。当烟气温度达到850%，停留时间2s以上且O2浓度大于6%时，既可分解成CO2和水等物质。
5）重金属
污泥中含有的金属及含金属物质在燃烧过程中被熔化、挥发，而随烟气带出，但高温烟气在经过热交换等设施后，烟气温度逐渐降低，使烟气中的金属成份附着在烟尘、脱酸剂、循环灰上而被除尘器除下，只有少部分随烟气排入大气。
6）CO
污泥中的有机物不完全燃烧形成的，燃烧越完全，烟气中的CO浓度越低。
从以上分析可以看出，烟气中各类污染物浓度依据污泥元素量、燃烧工况等，存在波动变化，但能从理论上掌握大致规律性，在选择污泥焚烧烟气净化技术时，就需要运用理论规律，选择满足排放标准、经济合理的组合工艺。
3、污泥焚烧烟气的排放标准
污泥焚烧处理应执行《生活垃圾焚烧污染控制标准》（GB18485-2014），详见表1。
注：本表规定的各项标准限值，均以标准状态下含11%O2的干烟气为参考值换算；GB18485-2001中限值标有①代表为测定均值。
GB18485首次发布于2000年，2001年第一次修订，GB18485-2014是第二次修订，与GB18485-2001相比，本次修订将生活污水处理设施产生的污泥纳入到本标准中，并提高了各类型污染物的排放控制要求。但与EU2000/76/EC（欧盟2000）标准相比，考虑到经济技术条件，颗粒物、氮氧化物、氯化氢的排放限值还是略高，重金属和二恶英限值一致。 国内投运较早的生活垃圾或污泥焚烧厂，按照GB18485-2001选择烟气净化技术，控制污染物排放，多采用的烟气处理工艺为半干法（干法）+活性炭喷射+袋式除尘器，从运营情况看，能使烟气主要污染物排放达到GB18485-2001。但是难以满足现行的GB18485-2014的排放控制要求，因此，须探讨出一套能满足GB18485-2014、EU2000/76/EC（欧盟2000）排放标准的烟气净化处理组合工艺。
4、焚烧烟气的净化技术
4.1脱酸技術
干式脱酸有2种方式。一种是干性药剂（一般采用消石灰）和酸性气体在反应塔内进行反应；另一种是在进入除尘器前的烟气管道中喷入干性药剂，在此与酸性气体反应。消石灰与酸性气体发生中和反应要有合适温度（140-170℃），而余热锅炉出口的烟气温度往往高于这个温度，为提高脱酸效率，一般需通过喷水降低烟温。
半干法脱酸一般采用氧化钙或氢氧化钙为原料，制备成氢氧化钙溶液。利用喷嘴或旋转喷雾器将氢氧化钙溶液喷入反应器中，形成粒径极小的液滴，与酸性气体进行反应。反应过程中水分被完全蒸发，故无废水产生。
湿法脱酸的药剂一般采用烧碱，以提高除酸效率，配置好的烧碱溶液喷人湿式洗涤塔，与烟气中的酸性气体进行反应。洗涤塔产生的废水需经专门处理后排放，处理后的烟气需再加热。
烟气脱酸除尘工艺有袋式除尘器+湿式反应塔、半干式反应塔+袋式除尘器、干式反应塔+袋式除尘器3种组合形式，其酸性气体去除率及优缺点见表2。
烟气中SO2初始浓度在800-1500mg/Nm3左右，HCl初始浓度200-500mg/Nm3，要达到GBl8485-2014标准的SO2小时均浓度100mg/Nm3，HCl小时均浓度60mg/Nm3，除去率分别要达到93%和88%12上，须选择半干法或湿法工艺。如要达到EU2000H6/EC（欧盟2000）标准，则必须选择湿法脱酸工艺。
4.2脱硝技术
NOx的控制主要采用低NOx燃烧技术，相对简单，经济有效，通过控制过量空气系数、炉内料层温度等，NOx初始浓度一般可控制在200～400mg/Nm3，如按GBl8485-2001标准，一般不需进行单独的烟气脱硝处理，但标准提高后，GBl8485-2014标准中NOx小时浓度300mg/Nm3，日均浓度250mg/Nm3，须设置专门的脱硝装置。
脱硝工艺主要有选择性非催化还原法（SNCR）和选择性催化还原法（SCR）。
选择性非催化还原法（SNCR）以NH40H（氨水）或（NH2）2CO（尿素）作为还原剂，将其喷入焚烧炉内。NOx在850℃～1100℃下被还原为N2和H2O。SNCR法可将NOx排放浓度控制在200mg/m3以下，可达到GBl8485-2014标准和EU2000/76/EC（欧盟2000）标准。
选择性催化还原法（SCR）则是在催化剂的作用下，将NOx还原为Nz，SCR法发生还原反应所需要的温度为280℃～420℃，为达到这一温度，要对烟气进行升温。SCR法可将NOx的排放浓度降低到50mg/m3。
与SNCR法相比，SCR法脱氮效果更好，但需要消耗昂贵的催化剂，加热还需耗用大量热能，处理成本远大于SNCR法。因此，在满足现行标准的情况下，更适合应用SNCR工艺。
4.3颗粒物去除技术
GBl8485-2001明确规定生活垃圾焚烧炉除尘装置必须采用袋式除尘器，滤布应选择PTFE（聚四氟乙烯）覆膜，除尘效率可达99.99%。
烟气颗粒物初始浓度可达到50g/m3，如要达到GB18485-2014标准30mg/m3和EU2000H6/EC（欧盟2000）标准10mg/m3的排放限值，须设置旋风除尘器做预除尘。
4.4重金属及二嗯英去除技术
“活性炭吸附+袋式除尘器”的组合工艺可以满足重金属和二嗯英去除，完全可达到GB18485-2014标准和EU2000H6/EC（欧盟2000）标准。
焚烧烟气从锅炉出来时温度极高，重金属多为液态或者气态，当温度下降后会，气态重金属会转化成适合捕集的固态和液态微粒，二嗯英在高温条件下被分解去除，但温度降低会二次合成，二次合成的二嗯英可以被活性炭吸附和布袋除尘器捕集。
5、满足标准的烟气净化处理工艺组合
使用一种工艺并不能做到污染物的全部去除，烟气净化应采用组合式工艺，有以下几种：
工艺1为：SNCR+旋风除尘+减温塔+活性炭喷射+袋式除尘器+湿式洗涤塔+烟气再加热器。
工艺2为：SNCR+旋风除尘+半干法+活性炭喷射+袋式除尘器+烟气再加热器。
工艺3为：SNCR+旋风除尘+减温塔+干法+活性炭喷射+袋式除尘器+湿式洗涤塔+烟气再加热器。
工艺1为纯湿法脱酸，但由于脱酸完全在湿式洗涤塔内进行，造成洗涤塔的负荷过大，且废水的产生量也大。工艺2为半干法工艺脱酸，当烟气酸性气体浓度波动时，难以保证出口酸性气体的达标排放。工艺3为干法+湿法的组合脱酸，可不专设干式反应塔，结合活性炭喷射，采用在烟气管道中喷入干性药剂的方式，大大降低了系统的复杂性，还可降低后续湿式洗涤塔的负荷，减少废水产生量。
6、结语
结合排放标准的要求，综合分析各处理工艺的优缺点，能满足GBl8485-2014标准和EU2000H6/EC（欧盟2000）标准，并较适合我国当前阶段污泥焚烧的烟气处理工艺组合为：工艺3，即干法+湿法的组合脱酸工艺。
（作者身份证号码：130528198308300050）
关键词：污泥；焚烧；烟气；净化
1、污泥的焚烧处理
用于固体废物焚烧的炉型主要有：1、多级阶梯式链条炉排；2倾斜往复式炉排和反送式马丁炉排等炉排炉；2、流化床焚烧炉；3、旋转式燃烧回转炉。但是，由于污泥的含水率高、组分复杂、颗粒黏稠性高，如采用链条式或炉排式焚烧炉，易造成链条、炉排的堵塞，造成机械运转设备故障、物料燃尽度低、二次污染严重等问题。流化床炉内无转动的机械设备，通过炉膛下部布风板，使炉膛内可燃物料在流化状态下，与载热的惰性颗粒、与空气充分接触，高强度的进行传热和传质，物料在床层内几乎呈完全混合状态，具有燃烧效率高、负荷调节范围宽、污染物排放低、炉内燃烧强度高、单位炉床面积单位时间焚烧处理物料量大等优点。流化床采用惰性颗粒做载热体，热容量大，适合焚烧污泥、纸浆废液等低热值燃料，是污泥焚烧的最佳选择。
从污水处理厂的污泥浓缩池底排出的剩余污泥含水率约97%，焚烧处理前，首先要降低污泥含水率，进行脱水、干化的预处理，一方面浓缩污泥体量，减小焚烧设备运转负荷，另一方面通过降低污泥含水率，提高热值。经脱水处理后的剩余污泥含水率可下降至65%，体积可缩减90%，但熱值仅600kcal/kg左右，须再经过干化处理，污泥含水率可下降至45%，体积可再缩减30%，热值可达到1200-1500kcal/kg。理论上，通过干化处理污泥含水率可进一步降低，但会大幅增加干化处理费用，考虑到保证焚烧炉稳定燃烧的燃料热值至少要达到1500kcal/kg，因此，干化到含水率45%的污泥可入炉焚烧，但为保证焚烧炉的稳定运行，一般情况下需通过掺烧煤，提高混合物料的热值，可缓冲污泥热值波动变化造成炉内熄火、燃烧不彻底的影响，掺烧比例一般控制在5%-20%。
2、污泥焚烧烟气中污染物分析
污泥由有机残片、细菌菌体、无机颗粒、胶体等组成的极其复杂的非均质体，含有大量的病原菌、寄生虫、致病微生物，以及砷、铜、铬、汞等重金属和有毒有害物质。焚烧后烟气中污染物成分也极为复杂，主要特征污染物有：烟尘、SO2、HCI、NOx、重金属和二嗯英等，以及少量的重金属挥发物。
1）酸性气体
污泥中的硫、氯、氟过焚烧后都会转化为SO2、HCl、HF等酸性气体随烟气排出。
可通过污泥的元素分析计算酸性气体的理论产生量和初始浓度，城镇污水产生的污泥中测得的硫元素含量与一般的低硫煤相当，在1%以下，据此计算，烟气中S02初始浓度在800-1500mg/Nm3左右，氯元素含量一般较低，不到0.02%，烟气中HCl初始浓度在200-500mg/Nm3左右。
2）NOx
焚烧烟气中NOx的主要来源有两个，一是燃料中的含氮成份在炉内高温环境与空气中的氧化合而成，称为燃料型NOx，生成量主要依赖于燃烧温度；另一个是燃烧时空气中的氮在高温下与氧反应生成，称为热力型NOx，生成量主要与燃烧温度、氧气浓度、气体在高温区的停留时间有关；采用流化床焚烧炉污泥，炉内料层温度一般控制在850-950%之间，燃烧温度较低，几乎没有热力型NOx产生，燃料中的氮也只有10%～20%转化成燃料型NOx。可通过污泥的元素硫氮分析计算NOx理论产生量和初始浓度，也可通过类比同类炉型、处理能力相同或相近的烟气数据，大致估计NOx的初始浓度，一般在200～400mg/Nm3（按N02计）。
3）烟尘
由一般污水处理厂污泥的组分分析可知，污泥干基灰分含量达到了30-50%，可参照《火力发电厂除灰设计规程DL/T5142-2002》中的灰渣量计算公式，依据混合燃料的低位发热量、未完全燃烧的热损失、烟气带出的飞灰份额，计算得出烟尘产生量和初始浓度，一般在30～50g/Nm3。
4）二嗯英类
焚烧垃圾、污泥最受大众关注的污染物就是二嗯英，二嗯英类是多氯代二苯并对二嗯英（PCDDs）和多氯代二苯并呋喃（PCDFs）的总称。二嗯英主要由物质的不完全燃烧所导致，主要是以气态形式或吸附在烟尘上存在于烟气中的。当烟气温度达到850%，停留时间2s以上且O2浓度大于6%时，既可分解成CO2和水等物质。
5）重金属
污泥中含有的金属及含金属物质在燃烧过程中被熔化、挥发，而随烟气带出，但高温烟气在经过热交换等设施后，烟气温度逐渐降低，使烟气中的金属成份附着在烟尘、脱酸剂、循环灰上而被除尘器除下，只有少部分随烟气排入大气。
6）CO
污泥中的有机物不完全燃烧形成的，燃烧越完全，烟气中的CO浓度越低。
从以上分析可以看出，烟气中各类污染物浓度依据污泥元素量、燃烧工况等，存在波动变化，但能从理论上掌握大致规律性，在选择污泥焚烧烟气净化技术时，就需要运用理论规律，选择满足排放标准、经济合理的组合工艺。
3、污泥焚烧烟气的排放标准
污泥焚烧处理应执行《生活垃圾焚烧污染控制标准》（GB18485-2014），详见表1。
注：本表规定的各项标准限值，均以标准状态下含11%O2的干烟气为参考值换算；GB18485-2001中限值标有①代表为测定均值。
GB18485首次发布于2000年，2001年第一次修订，GB18485-2014是第二次修订，与GB18485-2001相比，本次修订将生活污水处理设施产生的污泥纳入到本标准中，并提高了各类型污染物的排放控制要求。但与EU2000/76/EC（欧盟2000）标准相比，考虑到经济技术条件，颗粒物、氮氧化物、氯化氢的排放限值还是略高，重金属和二恶英限值一致。 国内投运较早的生活垃圾或污泥焚烧厂，按照GB18485-2001选择烟气净化技术，控制污染物排放，多采用的烟气处理工艺为半干法（干法）+活性炭喷射+袋式除尘器，从运营情况看，能使烟气主要污染物排放达到GB18485-2001。但是难以满足现行的GB18485-2014的排放控制要求，因此，须探讨出一套能满足GB18485-2014、EU2000/76/EC（欧盟2000）排放标准的烟气净化处理组合工艺。
4、焚烧烟气的净化技术
4.1脱酸技術
干式脱酸有2种方式。一种是干性药剂（一般采用消石灰）和酸性气体在反应塔内进行反应；另一种是在进入除尘器前的烟气管道中喷入干性药剂，在此与酸性气体反应。消石灰与酸性气体发生中和反应要有合适温度（140-170℃），而余热锅炉出口的烟气温度往往高于这个温度，为提高脱酸效率，一般需通过喷水降低烟温。
半干法脱酸一般采用氧化钙或氢氧化钙为原料，制备成氢氧化钙溶液。利用喷嘴或旋转喷雾器将氢氧化钙溶液喷入反应器中，形成粒径极小的液滴，与酸性气体进行反应。反应过程中水分被完全蒸发，故无废水产生。
湿法脱酸的药剂一般采用烧碱，以提高除酸效率，配置好的烧碱溶液喷人湿式洗涤塔，与烟气中的酸性气体进行反应。洗涤塔产生的废水需经专门处理后排放，处理后的烟气需再加热。
烟气脱酸除尘工艺有袋式除尘器+湿式反应塔、半干式反应塔+袋式除尘器、干式反应塔+袋式除尘器3种组合形式，其酸性气体去除率及优缺点见表2。
烟气中SO2初始浓度在800-1500mg/Nm3左右，HCl初始浓度200-500mg/Nm3，要达到GBl8485-2014标准的SO2小时均浓度100mg/Nm3，HCl小时均浓度60mg/Nm3，除去率分别要达到93%和88%12上，须选择半干法或湿法工艺。如要达到EU2000H6/EC（欧盟2000）标准，则必须选择湿法脱酸工艺。
4.2脱硝技术
NOx的控制主要采用低NOx燃烧技术，相对简单，经济有效，通过控制过量空气系数、炉内料层温度等，NOx初始浓度一般可控制在200～400mg/Nm3，如按GBl8485-2001标准，一般不需进行单独的烟气脱硝处理，但标准提高后，GBl8485-2014标准中NOx小时浓度300mg/Nm3，日均浓度250mg/Nm3，须设置专门的脱硝装置。
脱硝工艺主要有选择性非催化还原法（SNCR）和选择性催化还原法（SCR）。
选择性非催化还原法（SNCR）以NH40H（氨水）或（NH2）2CO（尿素）作为还原剂，将其喷入焚烧炉内。NOx在850℃～1100℃下被还原为N2和H2O。SNCR法可将NOx排放浓度控制在200mg/m3以下，可达到GBl8485-2014标准和EU2000/76/EC（欧盟2000）标准。
选择性催化还原法（SCR）则是在催化剂的作用下，将NOx还原为Nz，SCR法发生还原反应所需要的温度为280℃～420℃，为达到这一温度，要对烟气进行升温。SCR法可将NOx的排放浓度降低到50mg/m3。
与SNCR法相比，SCR法脱氮效果更好，但需要消耗昂贵的催化剂，加热还需耗用大量热能，处理成本远大于SNCR法。因此，在满足现行标准的情况下，更适合应用SNCR工艺。
4.3颗粒物去除技术
GBl8485-2001明确规定生活垃圾焚烧炉除尘装置必须采用袋式除尘器，滤布应选择PTFE（聚四氟乙烯）覆膜，除尘效率可达99.99%。
烟气颗粒物初始浓度可达到50g/m3，如要达到GB18485-2014标准30mg/m3和EU2000H6/EC（欧盟2000）标准10mg/m3的排放限值，须设置旋风除尘器做预除尘。
4.4重金属及二嗯英去除技术
“活性炭吸附+袋式除尘器”的组合工艺可以满足重金属和二嗯英去除，完全可达到GB18485-2014标准和EU2000H6/EC（欧盟2000）标准。
焚烧烟气从锅炉出来时温度极高，重金属多为液态或者气态，当温度下降后会，气态重金属会转化成适合捕集的固态和液态微粒，二嗯英在高温条件下被分解去除，但温度降低会二次合成，二次合成的二嗯英可以被活性炭吸附和布袋除尘器捕集。
5、满足标准的烟气净化处理工艺组合
使用一种工艺并不能做到污染物的全部去除，烟气净化应采用组合式工艺，有以下几种：
工艺1为：SNCR+旋风除尘+减温塔+活性炭喷射+袋式除尘器+湿式洗涤塔+烟气再加热器。
工艺2为：SNCR+旋风除尘+半干法+活性炭喷射+袋式除尘器+烟气再加热器。
工艺3为：SNCR+旋风除尘+减温塔+干法+活性炭喷射+袋式除尘器+湿式洗涤塔+烟气再加热器。
工艺1为纯湿法脱酸，但由于脱酸完全在湿式洗涤塔内进行，造成洗涤塔的负荷过大，且废水的产生量也大。工艺2为半干法工艺脱酸，当烟气酸性气体浓度波动时，难以保证出口酸性气体的达标排放。工艺3为干法+湿法的组合脱酸，可不专设干式反应塔，结合活性炭喷射，采用在烟气管道中喷入干性药剂的方式，大大降低了系统的复杂性，还可降低后续湿式洗涤塔的负荷，减少废水产生量。
6、结语
结合排放标准的要求，综合分析各处理工艺的优缺点，能满足GBl8485-2014标准和EU2000H6/EC（欧盟2000）标准，并较适合我国当前阶段污泥焚烧的烟气处理工艺组合为：工艺3，即干法+湿法的组合脱酸工艺。
（作者身份证号码：130528198308300050）