垃圾焚烧发电厂重金属及二恶英强化吸附技术开发研究

张秀璋

(天津泰达环保有限公司 天津300350)

创新技术

垃圾焚烧发电厂重金属及二恶英强化吸附技术开发研究

张秀璋

(天津泰达环保有限公司 天津300350)

中国的垃圾焚烧发电项目越来越多，国家对焚烧过程中产生的烟气中所含重金属及二恶英处理制定了严格的政策法规。为控制焚烧烟气中的重金属、二恶英类别性污染物，自主开发了一种活性炭再利用方法及设备，围绕该设备对重金属及二恶英的吸附效果进行了分析研究。

垃圾焚烧厂 重金属 二恶英 强化吸附

0 引 言

据中国统计年鉴数据显示，截至 2012年底，中国已投用垃圾焚烧厂总数达138座。而2012年4月国务院办公厅在《“十二五”全国城镇生活垃圾无害化处理设施建设规划》中指出，将新增垃圾无害化处理能力58万t/日，新增投资1,730亿元，其中焚烧处理技术所占比例为 35%。[1]以此推算，“十二五”末期国内还将新增垃圾焚烧处理量 20万 t/日，即仍需建设千吨级垃圾焚烧厂200座，届时中国垃圾焚烧厂总数将超过300座，垃圾日处理能力达到30,t吨以上。因此，我国垃圾焚烧发电的市场容量仍然巨大。

垃圾等固体废物焚烧通常指在高温及供氧充足的条件下，将废物在焚烧炉内充分进行燃烧并氧化成惰性气态物和无机不可燃物。由于废物中可能包含N、S、Cl、F及重金属等多种元素，焚烧过程中上述元素将以一定比率转化为强腐蚀性气体(SO2、HCl、HF、NOx等)、高毒性物质(重金属、二恶英、飞灰)并进入烟气。[2]该强蚀高毒烟气具有环境危害大、处理难度高等特点。国家专门制定了严格的法规政策，以确保环境安全及相关行业持续健康发展。

1 强化吸附工艺

半干式烟气脱酸系统使用旋转喷雾反应塔与布袋除尘器的组合工艺，可以有效去除 SO2、HCl等酸性气体。但对于重金属、二恶英等剧毒污染物，目前该工艺主要采用直接向反应塔出口烟道中喷入粉末状活性炭作为吸附剂的方法进行吸附脱除，活性炭耗量巨大，且脱除效果欠佳，在满足 0.1,ng/Nm3二恶英排放量的条件下，活性炭耗量超过 20,kg/h，运行成本高昂。活性炭再生的方法在部分项目中曾经投入使用，但是再生装置费用高昂，运转操作复杂，且活性炭的再生率也不充分，目前已放弃使用。

以天津某3×400,t/日垃圾焚烧电厂为例，其汞、二恶英脱除率随活性炭耗量增加而增大，如图1与图2所示。

图1 粉末活性炭的二恶英脱除效果Fig.1 Dioxin desorption efficiency of powdered activated carbon

图2 粉末活性炭的汞脱除效果Fig.2 Mercury desorption efficiency of powdered activated carbon

如图，随着粉末活性炭喷入量的增加，系统出口烟气中重金属汞、二恶英浓度逐步降低，变化趋势基本一致。在欧盟 2000标准中，二恶英烟气含量需低于 0.1,ng/Nm3，汞烟气含量需低于 0.05,mg/Nm3。由图可知，当活性炭耗量达到 190,mg/Nm3时，二恶英可降至 0.1,ng/Nm3，汞可降至 0.03,mg/Nm3，此时排放指标方可满足欧盟标准。由此推算，粉末活性炭耗量约 19,kg/h，若按 6,000元/t的保守价格计算，则该垃圾电厂的年活性炭消耗费用需达 200万元以上方可满足二恶英排放要求，企业财务负担沉重。

鉴于现有工艺存在的主要问题，项目组自主开发了一种活性炭再利用方法及设备，首先利用粒状活性炭吸附净化二恶英污染物，之后将活性炭经移动床设备排入粉碎装置破碎研磨，并作为粉末活性炭注入反应塔出口烟道，使活性炭吸附设备排出的活性炭即使不通过再生也能得到再利用，从而大幅度减少活性炭的使用量，降低运行成本和设备费用，使运行操作简单易行。[3，4]该工艺流程示意图如图3所示。

由图 4可知，吸附过程中，吸附床通常存在未吸附区，该区域内的活性炭吸附能力仍和新品一样。为保证出口气体的净化效率，吸附床层厚度还存在一定余量，因而大量活性炭未获充分利用即被排出设备。

图3 重金属、二恶英强化脱除流程示意图Fig.3 Schematic diagram of the enhanced desorption flow of heavy metals and dioxin

图4 移动床的二恶英吸附量曲线Fig.4 Absorption capacity curve of the moving bed

除新鲜活性炭外，吸附饱和的粒状活性炭经粉碎后比表面积大幅增加，也可重新获得吸附能力，活性炭因而得到再利用，使用量大幅减少，运行费用显著降低，工艺应用前景广阔。

2 强化吸附设备

在上述工艺方法中，移动床式吸附装置是整个系统的关键设备，如图5所示。

图5 移动床烟气净化设备示意图Fig.5 Schematic diagram of a flue gas purification equipment of the moving bed

该设备包括通风管道及吸附器两部分，活性炭在吸附器中形成垂直向下的移动层并与通风管道十字形交叉。吸附器与地面垂直，上部为存放活性炭的储料区；通风管道内装有气体分布器，该分布器位于吸附区上游侧；吸附器底部为卸料阀，可使接近饱和的粒状活性炭连续移出设备并进入粉碎装置。该设备实现了活性炭综合利用过程的连续操作，使整个工艺流程得到大幅简化。

3 实验分析方法

对于有机污染物二恶英，天津泰达环保有限公司早在2005年就建立了天津市第1个二恶英检测实验室(见图 6)，起草的《二恶英类污染物的测定酶免疫分析法》已被批准为天津市地方标准(DB12/T403-2008)。

该方法采用美国国家环境保护局“Method 4025”的技术路线，并将其检测领域从土壤和沉积物延伸至固体废物及废气，侧重从采样、提取、净化、仪器分析到数据处理整个过程的质量保证和质量控制，同时兼顾良好的可操作性，在特异性、回收率、定性和定量分析的灵敏度、复现性、准确性等方面均具有明显优势。

图6 二恶英生物检测实验室Fig.6 A biological detection laboratory for dioxin

烟气中的汞含量测定采用苏州市青安仪器有限公司生产的QM201A原子吸收测汞仪，见图7。

图7 原子吸收测汞仪Fig.7 Atomic absorption mercury analyzer

4 实验结果分析

气体吸附过程、停留时间及流速是影响吸附效果的主要因素，也是设备设计的重要依据。一方面，停留时间延长，流速降低，吸附剂上的吸附质捕集效率提高，但阻力降增大；另一方面，停留时间缩短，流速增大，吸附装置能耗显著降低，但吸附质无法有效截留，吸附效率下降。因此，有必要对上述工艺条件进行系统实验分析后确定较佳取值，实验过程则依托前文所述实验平台。

4.1 气速对吸附效果的影响

图8为烟气温度 180,℃条件下气速对二恶英吸附效果的影响。由图可知，随着烟气流速的增大，设备的压降迅速升高，成本相应增大。就二恶英脱除效率而言，气速低于 0.5,m/s时，脱除率超过 80%，且变化不大，若继续增高，二恶英脱除率急剧下降至 50%以下。由此可知，较低的烟气流速有利于提高二恶英脱除率并降低设备运行费用，考虑到烟气流量等综合因素，吸附床过滤气速取0.25～0.5,m/s即可，实验气速选0.5,m/s。

图8 气速对二恶英吸附效果的影响Fig.8 Impact of gas velocity on dioxin absorption

4.2 停留时间对吸附效果的影响

图9为气速 0.5,m/s、烟气温度 180,℃条件下停留时间对二恶英吸附效果的影响。由图可知，停留时间增大，二恶英脱除效率大幅升高。停留时间高于0.6,s后升高趋势减缓，为减少床层厚度以降低活性炭耗量，吸附床停留时间取 0.6～1,s即可，实验停留时间选0.6,s。

4.3 烟气温度对布袋除尘器脱除率的影响

图10为气速 0.5,m/s、停留时间 0.6,s条件下烟气温度对布袋除尘器二恶英脱除率的影响。

图9 停留时间对二恶英吸附效果的影响Fig.9 Impact of residence time on dioxin adsorption

图10 烟气温度对布袋除尘器二恶英脱除率的影响Fig.10 Impact of flu gas temperature on dioxin removal rate of the bag-type dust remover

由图可知，随着烟气温度的上升，布袋除尘器的二恶英去除率趋于下降。二恶英是具有高沸点及低蒸汽压的化合物，因此，在烟气低温条件下，二恶英气体很容易转化为细小颗粒，因而能更有效地被布袋除尘器去除。考虑到滤袋的较佳耐受温度，且较低的温度有利于提高吸附效果，实际烟气去除温度可取为150,℃。

图11为气速 0.5,m/s，停留时间 0.6,s条件下烟气温度对布袋除尘器汞脱除率的影响。

图11 烟气温度对布袋除尘器汞脱除率的影响Fig.11 Impact of flu gas temperature on mercury removal rate of the bag-type dust remover

由图可知，随着烟气温度的上升，布袋除尘器的汞去除率同样趋于下降。当烟气温度降至 130,℃时，布袋除尘器的汞去除率可超过 90%。据初步测算，烟气中的汞大多以蒸汽形式存在，随着温度的降低，汞蒸汽发生凝结，继而被布袋除尘器滤袋表面的粉尘层去除。[5]

4.4 强化去除重金属及二恶英的效果分析

图12与图13分别为烟气温度150,℃、吸附气速0.5,m/s、吸附床停留时间 0.6,s的实验条件下粒状活性炭对二恶英及重金属汞的脱除效果。如图所示，在新工艺研究条件下，重金属汞、二恶英依次在反应塔出口经粉末活性炭喷射、布袋除尘器过滤及粒状活性炭吸附处理，含量相应大幅降低。随着活性炭投料量的增加，重金属汞、二恶英浓度逐步降低，变化趋势基本一致。在粒状活性炭耗量为 100,mg/Nm3时，二恶英含量可降至 0.07,ng/Nm3，重金属汞含量可降至0.04,mg/Nm3，排放指标能够达到甚至超过欧盟 2,000标准。由此推算，粒状活性炭耗量为 10,kg/h，若按照5,000元/t的保守价格计算，则垃圾电厂的年活性炭消耗费用与原工艺相比可节约100万元以上，重金属汞及二恶英的脱除效果更佳。

图12 强化吸附工艺的二恶英脱除效果Fig.12 Dioxin removal efficiency of the enhanced absorption technology

图13 强化吸附工艺的汞脱除效果Fig.13 Mercury removal efficiency of the enhanced absorption technology

5 结 语

对于焚烧烟气中的重金属、二恶英类剧毒性污染物，目前主要采用向烟道中喷入粉末状活性炭的方法进行吸附脱除。在欧盟 2,000标准中，已将二恶英烟气含量严格要求至低于 0.1,ng/Nm3，随着国内环保呼声的日益升高及二恶英的危害性深入人心，我国也已明确规定废物焚烧厂的二恶英烟气含量必须满足该标准。[6]根据某垃圾焚烧电厂的实测数据，粉末活性炭耗量接近 20,kg/h方可实现二恶英含量达标排放，若按 6,000元/t的保守价格计算，则该垃圾电厂的年活性炭消耗费用超过200万元，企业财务负担沉重。上述实验显示，该自主开发的活性炭再利用方法及设备在吸附重金属及二恶英方面效果明显，经济实用，具有较强的推广应用价值。

［1］ 中华人民共和国国家统计局. 中国 2012统计年鉴[EB/OL]. http：//www.stats.gov.cn/tjsj/ndsj/2012/indexch.htm.

［2］ 周宏仓，仲兆平，金保升. 城市固体废物焚烧过程中二恶英的生成和控制[J]. 能源研究与利用，2002(4)：15-19.

［3］ 天津泰达环保有限公司. 一种垃圾焚烧烟气中二恶英的脱除方法及设备：中国，200910250258. 6[P].2010-05-19.

［4］ 天津泰达环保有限公司. 一种垃圾焚烧烟气中二恶英的脱除设备：CN200920218990. 0[P]. 2010-05-19.

［5］ 金宜英，聂永丰，田洪海，等. 布袋除尘器和活性炭滤布对烟气中二恶英类的去除效果[J]. 环境科学，2003，24(2)：143-146.

［6］ 环境保护部. 关于加强二恶英污染防治的指导意见[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