国产化活性炭喷射技术在垃圾焚烧烟气净化中的应用

2022-02-06孙建平刘晓林刘雅卉

中国科技纵横 2022年22期

孙建平刘晓林刘雅卉

（1.威海环文再生能源有限公司，山东威海 264200；2.威海市第二中学，山东威海 264200）

1.国内相关技术的发展状况

在生活垃圾焚烧处理技术的发展过程中，随着国家及地方标准的日益提高，烟气净化系统中设置活性炭喷射装置的垃圾焚烧发电厂越来越多。目前，国内正常运行的大型垃圾焚烧发电厂烟气处理系统基本都配备了活性炭喷射装置，但绝大多数均为随进口设备配套而来，我国自行开发的活性炭喷射装置尚未得到广泛应用，在已建成的采用国产设备的中小型垃圾焚烧厂中，基本都没有配备活性炭喷射装置。因此，将该项技术国产化并使其得到推广应用具有重要的现实意义。

该项技术的国产化设备已由国内企业于2020年研制成功，该套设备于当年被威海环文再生能源有限公司采用，为该公司已建成的2×525t/d焚烧线增设了活性炭喷射装置。经实际检测证明，该装置完全可以满足国内的环保要求，达到了实用水平。下面将简要介绍该套设备的系统组成、工作原理、关键技术、使用效果及在设计使用中应注意的一些问题。

2.系统组成及工作原理

活性炭喷射系统主要由活性炭泵送管道、储罐、罗茨风机及压缩空气管路、圆盘计量多路配料机、文丘里混合器及喷射嘴等组成，其工作原理如下：

进厂的粉末活性炭首先由运输罐车泵送至活性炭储罐，储存罐内的活性炭粉末经圆盘计量多路配料机计量后，经文丘里混合器分别进入每条生产线的压缩空气输送管道，压缩空气将活性炭粉末输送至喷嘴，最后由喷嘴将活性炭粉末均匀喷入布袋除尘器前的烟道内。喷入烟道内压缩空气使焚烧烟气有了一定的湍流度，这有利于粉末活性炭和烟气的充分混合。活性炭去除烟气中的二噁英类物质及重金属主要依靠其多孔吸附特性，因此，和烟气的充分混合至关重要。之后，活性炭会随烟气流动至布袋除尘器被滤袋过滤并附着在滤袋表面，焚烧烟气在穿过滤袋时，附着在布袋表面的活性炭颗粒会对烟气中的二噁英及重金属进行二次吸附，这就相应增加了吸附时长，使烟气中的二噁英类物质及重金属被不间断地吸附净化。吸附了二噁英及重金属的活性炭在滤袋反向喷吹清灰时，会随滤袋上被过滤的粉尘一起收集于除尘器灰斗，最后被输送至飞灰稳定化系统作为危险废物进行螯合稳定化处置。由于活性炭是靠吸附特性去除焚烧烟气中的有害物质，因此，用于烟气净化的活性炭粉末在比表面积、目数等性能指标上有比较高的要求。一般来说，木质活性炭相较于煤质活性炭具有更大的比表面积，因此，可以达到更高净化效率。根据所使用活性炭的供料形式不同，可通过以下两种方式将活性炭加入储存罐。

如果用专用罐车运输，可利用罐车本身配置的气泵将活性炭泵送至储存罐，焚烧厂的活性炭储罐要事先配备上料管道及和罐车储料罐相配的快速接头。由于全程密闭气力输送，杜绝了跑冒滴漏现象，现场环境卫生清洁、作业人员工作环境良好，已被越来越多的厂家采用。目前，也有部分厂家由于储罐较小等因素不具备罐车气力上料条件，一般采用多为袋装运输形式，需要配备专用的袋装活性炭上料装置。这种形式由于需要开袋、倾倒等环节，极易造成跑漏和飞扬，作业环境较为恶劣，也容易导致周边环境污染，应该尽量避免采用。

活性炭喷射系统基本流程如图1所示。

图1 活性炭喷射系统基本流程

3.关键技术

该系统的关键技术在于粉末活性炭的防潮、定量供给、防堵塞、喷射量确定及选择合理的喷入位置，同时，要控制好喷嘴的喷出压力及喷射方向，以利于活性炭粉末和烟气的均匀混合。

3.1 活性炭防潮

活性炭由于其多孔吸附特性所以容易吸收空气中的水分而受潮，造成物料在罐内“搭桥”及出料堵塞现象，因此必须注意设置防潮装置，可采取如下措施预防活性炭吸潮及出料畅通：

（1）储存罐须采用全密闭设计，隔绝活性炭和外界空气的接触，在温差变化较大的工作环境中，储存罐应设置外保温层避免仓内壁结露。

（2）在储存罐下部锥斗的合适位置配备空气锤，每隔一定时间对锥体的仓壁进行振打，避免活性炭和仓壁接触过久而发生黏附。

（3）在储存罐内部设置喷吹管，用干燥的压缩空气进行间歇性喷吹，防止活性炭在储存罐锥斗及出料口位置“板结架桥”，使活性炭能够从出料口顺利排出。同时喷入的压缩空气在储存罐排气孔排出时因受滤袋阻力影响，也使储存罐内部处于微正压状态，对于阻止潮湿空气漏入储存罐内部有一定的作用。

（4）进入储存罐的压缩空气必须进行干燥、除油处理。

3.2 活性炭计量

本文推荐的圆盘式多路计量给料机是在借鉴国外成熟经验的基础上，自行开发并国产化的适合小剂量精确供料的装置，同类设备在国外垃圾焚烧厂的活性炭喷射系统中已被广泛应用。该设备可分为上下两部分：上部为大齿盘，由单独的电机驱动，主要负责拨料并分配至各个计量齿盘；下部为数个计量给料小齿盘，小齿盘的数量和焚烧线的数量相同，小给料盘的齿与齿之间的齿槽空间需经过精确计算，因为每个齿槽拨出的活性炭量是一定的，所以通过变频器或其他无极变速装置调整给料盘的转速，就能实现设定活性炭数量的输出。通过控制系统的计算；可在显示单元上即时读出粉末活性炭的喷射数量。和皮带秤计量及螺旋计量等相比，有以下显著特点：

（1）对于粉末状的小剂量物料的计量，其精度要优于皮带秤和计量螺旋，比较适合用于生活垃圾焚烧厂的活性炭喷射计量。

（2）在采用螺旋计量给料机供料时，活性炭在螺旋槽内受到挤压容易结块，对后续活性炭和烟气的充分混合不利。圆盘给料机通过齿槽拨动供料，易于活性炭松散不结块。

（3）一台圆盘给料机可配置多个计量给料盘，每个给料盘单独驱动，既可对多条焚烧线同时供料，也可以根据焚烧线运行情况单独向某一条线供料，既方便灵活调节也降低了计量设备的总投资。

因此，圆盘多路计量给料机是一种特别适合于垃圾焚烧厂活性炭喷射系统的计量设备。图2是可同时对三条焚烧线进行供料的圆盘给料机示意图。

图2 圆盘定量给料机示意图

3.3 活性炭气力输送

由于用于活性炭在管道内输送的压缩空气压力较高，为了避免压缩空气向活性炭储存罐内“回吹”，在活性炭由计量给料机下落进入输送管道的位置要设置文丘里混合器。依靠气流在文丘里管内突然压缩又迅速扩张产生的局部负压将活性炭吸入，系统不需要空气自锁，就可以避免“回吹”现象发生。高速压缩空气携带活性炭粉末经喷嘴急速冲入烟气管道，使烟气流动产生湍流效应，以利于活性炭和烟气的充分混合。

3.4 活性炭的喷入位置

根据垃圾焚烧厂烟气处理设备配置及处理工艺的不同，活性炭喷入位置会有些许的变化，但总体的原则是尽量延长活性炭和烟气的混合时间。对于目前比较常用的半干法脱酸+布袋除尘器的处理工艺，喷入位置的选择主要有以下两种情况：

（1）由于设备布局等原因，有些焚烧厂的半干法脱酸塔和布袋除尘器布置比较紧凑，两个设备之间的水平管道太短，这种情况下可选择在脱酸塔入口之前的水平烟道喷入活性炭，以增加活性炭和烟气的混合时长（指活性炭由喷入口至被布袋吸附之间所经历的时间），利于粉末活性炭和焚烧烟气有较长时间的充分混合，提高吸附效率。其缺点是活性炭粉末在脱酸塔内易吸附喷入的石灰浆液，使活性炭表面的微孔阻塞，而且活性炭在吸附重金属及二噁英前，其微孔中的水分首先需被蒸发，这在一定程度上降低了活性炭对重金属及二噁英的吸附效果。

（2）如果半干式脱酸塔和布袋除尘器布置空间相对宽松，两个设备之间有较长的水平烟道，应选择水平烟道上尽量靠近半干脱酸塔出口的位置喷入活性炭，既能保证活性炭在烟道中的停留混合时间，也能避免第一种情况下导致的活性炭吸附效率降低。因此，如果条件允许，应作为首选。

3.5 活性炭喷射量

活性炭的喷入量根据垃圾热值及环保标准的不同一般为30mg/Nm3～200mg/Nm3烟气，目前，我国的垃圾焚烧厂运营监管标准对于活性炭的喷入量推荐范围为0.3kg/t～0.6kg/t垃圾。活性炭喷入量和二噁英去除率的关系如图3所示。

图3 活性炭投入量和二噁英去除率的关系

由图3可以看出，在粉末活性炭的喷入量达到每标准立方米50mg以上时，二噁英去除率可达90%以上，继续增加活性炭的喷入量时，对二噁英的去除率影响较小，因此一般控制粉末活性炭的额定喷入量要达到每标准立方米烟气50mg以上，考虑到计量误差及管路损耗，可取1.2倍的余裕系数。

4.系统运行及控制

在系统设计时原则上应实现开机调整完成后可无人值守运行，储存罐应设置高、低料位检测及报警。

防“架桥”喷吹装置及仓壁振打装置，应按设定程序自动控制运行。

活性炭喷射量根据污染物定时监测结果调整，喷射量经CPU内部换算由数显仪表显示，设置断料报警，另外圆盘计量给料机应设置“架桥”监测及报警装置。

在喷射管路系统内应设置气压检测装置，在输送管道内压力过低或过高时进行报警，各路管道风压参数由PLC巡检，当管道内的压力损失异常时应能主动报警。

5.注意的问题

在设计及使用过程中，有以下几点应注意的问题：

（1）烟气温度。由于活性炭粉末易着火，喷射口处烟气温度不宜过高，一般要求为300℃以下。

（2）烟气含水率。焚烧烟气含水率过高，会降低粉末活性炭对二噁英类物质及各种重金属的吸附率。因此，当烟气含水率较高时，应在活性炭喷射点以前设置烟气脱水装置，使烟气含水率至少低降到30%以下。

（3）粉末活性炭的质量要求。系统所用粉末活性炭的质量指标对吸附去除效果影响较大，实际使用中应选择符合质量标准的活性炭产品，一般最低要求见表1。

表1 活性炭产品最低标准

（4）储存罐设计容量的选择。为保证节假日活性炭不断货，一般设计储存罐容量为每天使用量的7倍以上。如果使用槽车运输活性炭，储存罐的容量至少应大于一辆槽车的输送容量。

6.使用效果

在垃圾焚烧烟气处理工艺中，活性炭喷射装置已得到了越来越多的应用，宁波枫林绿色能源开发有限公司于2003年在原有的焚烧炉（3×350t/d）烟气处理系统中增加了活性炭喷射装置。经实际运行检测，二噁英检测结果完全符合《生活垃圾焚烧污染控制标准》规定的1.0ng TEQ/m3的排放浓度要求，表2是使用活性炭喷射装置前后的二噁英类物质检测结果对比，结果表明，二噁英去除率在90%以上，完全可满足国家标准。通过调整活性炭的喷射量还可以进一步降低烟气中的二噁英浓度。