病死动物无害化焚烧烟气净化系统的应用研究

崔 兵，金 怡

(1.中煤科工集团杭州研究院有限公司，浙江 杭州 311201；2.杭州电子科技大学 材料与环境工程学院，浙江 杭州 310018)

0 引 言

现阶段国内外病死动物的主要处理方法包括填埋法、焚烧法、化制法和发酵堆肥法[1]。焚烧法的无害化、减量化程度高，同时产生的热能可回收利用，具有技术成熟可靠、占地面积小等优势[2]，因此，国际上普遍采用焚烧法处理病死动物尸体及其产品[3]。然而传统的焚烧工艺在环保上很难达标，产生的烟气中含有粉尘、酸性气体、二噁英等二次污染物[4-5]。单一除尘、脱酸处理工艺难以确保污染因子满足排放标准，尤其是高毒性的二噁英，更是烟气中的治理难点[6-7]。因此，本文设计“急冷降温+干法脱酸+活性炭吸附+布袋除尘”净化工艺，并提供了设备参数以及运行数据，以期为病死动物无害化焚烧处理烟气净化工艺的推广提供参考和借鉴。

1 工程设计

1.1 工程概况

浙江省某市生物开发有限公司处理该市各大畜禽养殖场的病死动物尸体，日处理规模约15 t/d。在热解气化过程中，颗粒物、HCl、SO2、二噁英等指标超标，考虑净化效率、投资费用、运行费用等因素，设计了一种“急冷降温+干法脱酸+活性炭吸附+布袋除尘”治理工艺，可以实现上述污染物浓度均达标排放。

1.2 设计条件

该公司处理的烟气主要来源于气化炉，设计处理废气量为30 000 Nm3/h，运行时间均按24 h/d计。根据《浙江省死亡动物无害化集中处置技术导则(试行)》规定，本项目烟气排放执行《危险废物焚烧污染控制标准》(GB 18484—2001)，其中二噁英排放限值应低于0.1 ng-TEQ/Nm3。根据农医发[2017]25号的要求，烟气需达到《大气污染物综合排放标准》(GB 16297—1996)二级标准，取2个标准中更严格的标准限值，具体见表1。

表1 烟气源折算浓度及排放标准

1.3 工艺流程

企业在热解气化病死动物过程产生的烟气采用“急冷+干法脱酸+活性炭喷射+布袋除尘”的净化工艺，流程图详见图1。

图1 烟气净化系统工艺流程

(1)换热。高温烟气换热器直径2.5 m，高12 m，设计处理风量为16 000 Nm3/h，采用列管式换热形式，有效换热面积190 m2。高温烟气换热器采用通过浮球开关自动补充的工业自来水作为冷却介质将气化炉产出的约1 000 ℃烟气降至650 ℃左右，而后离开换热器。

(2)急冷。急冷塔主体直径2.8 m，高12 m，内壁为耐高温耐腐蚀耐火砖堆砌而成。烟气从急冷塔顶部进入塔内，停留约6.5 s。急冷塔顶部配备3支双流体喷枪，喷嘴上均分布8个6.3 mm的喷孔，喷水量0.6～3 t/h可调，喷射角度为30°呈锥形雾场，调压至0.5 MPa左右的工业自来水和压缩空气经双流体雾化喷枪均匀喷入急冷塔，将烟气迅速冷却到150～190 ℃，烟气离开急冷塔。脱除的一部分飞灰从急冷塔底部排出，收集后外运处理。

(3)吸附脱酸。烟气进入干式脱酸塔，通过管道直接向烟气中喷射熟石灰粉末和活性炭粉末，熟石灰粉末与HCl、HF、SO2等酸性气体充分接触反应，能有效地去除烟气中酸性气体。活性炭粉末可吸附烟气中Hg等重金属以及二噁英等污染物。烟气从干法脱酸塔底部进入，给料机通过变频器控制，均匀、连续给料。通过罗茨风机鼓出的压缩空气将熟石灰喷入干法脱酸塔内，与烟气中的酸性气体发生化学反应。

(4)除尘。除尘器采用的工艺为袋式除尘，设计处理风量为40 000 Nm3/h，过滤面积960 m2，共计400条直径16 cm、长6 m的布袋，布袋材质为氟美斯+聚四氟乙烯覆膜(PTFE)。烟气夹带粉尘进入袋式除尘器，含尘气体通过布袋除尘器内的导流板，使烟气均匀分布，粗尘粒受重力沉降至灰斗底部，细尘粒随气流转折向上进入过滤室，粉尘被拦截在PTFE膜材质的滤袋外侧，表面形成滤饼。当系统阻力大于设定值时(一般设定为1 200 Pa，可调)，开始脉冲喷吹清灰。净化后的气体进入清洁室，随后排出。由于动物焚烧烟气中的氯化物具有较强的吸水性，故在除尘器灰斗上设有电加热器，确保外表面温度不小于50 ℃，避免出现灰搭桥、板结和酸结露等现象出现。在袋式除尘器中，烟气中的酸性气体继续和熟石灰反应，活性炭继续吸附烟气中的重金属和二噁英。各种颗粒(包含烟气中的烟尘，凝结的重金属、反应剂、反应生成物以及吸附后的活性炭)附着在除尘器滤袋表面，再经压缩空气脉冲清灰进入除尘器灰斗中，从而实现清灰过程。

(5)在线监测。在接入烟囱之前的烟道上设置在线监控系统，对焚烧烟气进行在线监控，并与当地环保部门联网，在线监控系统监测包含NOX、CO、SO2、HCl、粉尘等参数指标。

(6)排放。净化后的废气经过离心风机和排气筒35 m高空达标排放。

2 工艺选择

2.1 脱酸

烟气中酸性气体主要包括HCl、SO2、HF等，干法脱酸是将碱性脱酸剂(如碳酸氢钠或氢氧化钙)喷入脱酸塔内，与酸性气体发生中和反应，烟气中的酸性成分变成中性盐粒子，从而被脱除[8]，反应见式(1)～式(7)。在一般情况下，烟气中吸收酸性成分的能力是随温度的降低而增加的，所以脱酸的温度应要尽可能低，一般将烟气温度控制在酸露点以上10～20 ℃，在本工程中烟气温度在150 ℃左右。

焚烧尾气处理常使用干式脱酸塔与布袋除尘器组合工艺，其具有设备简单、投资成本低、维修容易、管线不易阻塞等优点，本工程选择使用干法脱酸即可达到排放要求。

吸收过程 式(1)

氧化过程 式(2)

吸收过程 式(3)

吸收过程 式(4)

吸收过程 式(5)

吸收过程 式(6)

吸收过程 式(7)

2.2 二噁英的去除

二噁英是指多氯二苯并二噁英，多氯二苯并呋喃及其同系物(PCDDs和PCDFs)，是毒性极强的污染物，其熔点较高、难溶于水、易溶于脂肪，在强酸强碱中能够保持稳定[9]。

减少二噁英排放主要可以采用以下三种技术：利用“3T+E”原则控制焚烧的工艺条件、减少燃后区的低温再生、利用尾气净化装置[10]。

在本工程中，首先烟气通过急冷塔急冷至160 ℃，缩短了在250～500 ℃的停留时间，减少了二噁英的再生成。其次，利用活性炭较大的比表面积以及其表面官能团[11-12]，深度吸附处理烟气中二噁英以及重金属，确保烟气达标排放，本工程使用活性炭的规格参数为粒度：200 目或更小；表面积：≥800 m2/g；堆积密度：0.4～0.6 kg/L；碘吸附值：≥950 mg/g；四氯化碳吸附率：≥60%。

2.3 运行参数控制

为实现烟气净化工艺系统高效节能地运行，通过三个控制回路，精准合理地确定冷却水量、熟石灰配料比、活性炭添加量。

第一个控制回路是通过测量急冷塔出口烟气温度来控制给水量，烟气冷却到适当的温度，使其保持在露点温度以上，确保布袋除尘器安全运行，提高脱酸过程化学反应率。

第二个控制回路是通过监测入口烟气的流量和出口气体的酸性气体含量控制熟石灰的添加量，计算熟石灰的配料比(即Ca/酸比：Ca与SO2+HCl的摩尔比)。

第三个控制回路是通过根据烟囱处检测出有害物量控制活性炭添加量。粉末活性炭由给料机经罗茨风机加速混合，喷入布袋除尘器进口的烟道中，在该处设置喷嘴，使得活性炭均匀分散，确保对烟气中的二噁英类毒物、重金属的吸附达到最佳效果，达到环保要求。

经现场调试，当冷却水以0.9 t/h持续冷却，即可达到稳定运行效果，通过单因素控制变量，研究了Ca/酸1.0～1.8，活性炭投加量2.5～3.3 kg/h时的去除率。根据图2和3可知，当冷却水量为0.9 t/h，Ca/酸比为1.4，活性炭投加量为3 kg/h时，酸性气体去除率达75.32%，二噁英去除率达95.42%。

图2 Ca/酸比对酸性气体去除率的影响

以工业自来水约3.5元/t，200目消石灰约 3元/kg，200目碘值活性炭约15元/kg，工业用电0.5元/(kW·h)计算，冷却水约需3.15元/h，消石灰约需4.2元/h，活性炭约需45元/h，再加上耗电为170 kW·h，电费约需85元/h，总运行成本约为137.35元/h，经济效益最好。根据检测结果分析，本项目采取干式脱酸法对HCl的去除率可以达到80%～90%。通过前端急冷塔迅速降温的抑制再生成作用，再加上活性炭吸附可以实现二噁英95%以上的去除率。

图3 活性炭投加量对二噁英去除率的影响

3 主要设备参数

烟气净化工艺系统主要包括：烟气换热系统、急冷塔系统、熟石灰/活性炭喷射系统、干式脱酸塔、袋式除尘器系统、引风机、烟道及烟囱，主要设备参数见表2。

表2 设备参数

4 烟气净化系统运行效果

为评估本项目烟气净化系统运行效果，当系统稳定运行后，连续一个月在线监测烟囱NOX、CO、SO2、HCl和烟尘等烟气指标，并委托浙江某检测技术有限公司对废气中二噁英的浓度进行检测。

烟气检测数据具体见表3。结果显示，焚烧烟气经过净化处理后，PM10去除率达90.58%，SO2去除率达64.41%，HCl去除率达86.94%，二噁英去除率达95.42%。检测结果表明通过本装置可以实现焚烧废气中主要污染组分，尤其是二噁英的达标控制与排放。

表3 烟气检测结果

5 结论及展望

结合实际案例中病死动物焚烧尾气成分，设计了“急冷+干法脱酸+活性炭吸附+布袋除尘”烟气处理工艺，通过三个控制回路，合理投加冷却水、熟石灰、活性炭的量，降低运行成本。经过现场调试，在冷却水量为 0.9 t/h，Ca/酸比为1.4且活性炭投加量为3 kg/h的运行条件下，经济效益最佳。同时通过减少燃后低温再生成、提高尾气处理装置净化效率等手段，全面控制二噁英等有害物质产生，二噁英去除率达95.42%，平均排放浓度为0.023 ng-TEQ/Nm3，满足《危险废物焚烧污染控制标准》(GB 18484—2001)要求。处理后的SO2等指标尚不能达到超低排放限值，可将干法脱酸替换成半干法/湿法可进一步提高SO2和HCl等酸性气体以及颗粒物的去除率[13]，但是会提高投资成本、易堵塞管路、影响布袋除尘运行效果[14]。