增塑剂邻苯二甲酸二辛脂(DOP)生产中固废燃烧特性及活性炭净化燃烧烟气效果研究

2023-06-04李静

黑龙江科学 2023年8期

李静

(烟台云沣生态环境产业发展股份有限公司,山东烟台 264000)

增塑剂是一种用途广泛的化学制剂,但在制作过程中会产生一些固体废料,这些固体废料的主要成分为有机物,可采用焚烧方式处理。我国对废物焚烧烟气的排放标准提出了严格要求,在了解DOP生产固废燃烧特性的前提下采取活性炭吸附燃烧烟气,可降低烟气中颗粒物和挥发性有机物的浓度,是一种成本较低且实用性强的方法。

1 DOP生产固废燃烧特性实验

1.1 实验装置

实验装置:电子天平、管式炉、热重分析仪、流量显示仪、冷凝循环器、气相色谱质谱检测仪等,如图1所示。

图1 实验装置Fig.1 Diagram of experimental device

1.2 方法

使用电子天平称取一定质量的DOP生产固废材料置于石英盅内。打开压缩瓶阀门,使压缩空气经导管吹入燃烧炉内的耐高温石英玻璃管中。燃烧过程中,改变管式炉的升温速率及压缩空气的风量,得到不同的燃烧条件。燃烧产生的烟气分为两部分:一部分从出口a进入到气相色谱质谱检测仪,分析烟气成分及各类成分的浓度。另一部分经冷凝循环器降温后使用活性炭吸附、净化,从出口b排放到空气中[1]。实验中所用压缩空气的成分为N2(78.9%)、O2(21.0%)、CO2(0.03%)、H2O(0.07%)。

1.3 结果分析

1.3.1 燃烧时间对烟气主要成分浓度的影响

将出口a处的阀门关闭,并在出口b处收集烟气,检测烟气中O2、CO、SO2、NO 4种主要成分的浓度。在管式炉升温速率15 ℃/min、空气流量5 L/min、检测初始温度120 ℃、结束温度600 ℃、最高温度停留时间10 min的条件下,DOP生产固废燃烧烟气中O2与CO的浓度为负相关,如图2所示。氮氧化物主要以NO形式存在,SO2的含量极低,但是两者的浓度极低,均在5 ppm以下,且浓度不会随燃烧时间的变化而发生明显改变。

图2 不同时间烟气中O2和CO的浓度变化曲线Fig.2 Concentration curve of O2 and CO in flue gas at different time

DOP生产固废燃烧烟气中,CO是在温度达到200 ℃后才产生的,在温度达不到200 ℃时,烟气中含有少量的小分子碳链挥发性有机物[2]。在100 ℃～200 ℃,每升高20 ℃抽取一次等量烟气,使用气相色谱质谱检测仪分析烟气中甲烷与非甲烷总烃含量。按照同样方法测定了200 ℃～700 ℃烟气中甲烷与非甲烷总烃含量,结果如图3所示。

图3 不同燃烧温度下甲烷与非甲烷的浓度变化曲线Fig.3 Plots of methane and non-methane concentrations at different combustion temperatures

结合图3可知,燃烧温度在100 ℃～200 ℃时,烟气中甲烷和非甲烷总烃的含量较为稳定,甲烷总烃的含量在1.48～1.50 mg/m3,非甲烷总烃的含量在2.60～3.30 mg/m3。随着燃烧温度的升高,在200 ℃～700 ℃,甲烷总烃含量没有明显变化,但是非甲烷总烃含量变化幅度较大,在400℃时达到峰值,为68.6 mg/m3,之后逐渐降低。原因是在400 ℃时DOP固废材料中小分子碳链挥发性有机物已经充分燃烧,非甲烷总烃浓度最高,之后烟气中非甲烷总烃被吹入的压缩空气稀释,浓度不断降低[3]。

1.3.2 升温速度与空气流量对DOP生产固废燃烧充分性的影响

DOP生产固废燃烧越充分,烟气中的CO浓度越低。通过收集烟气并检测CO浓度,可以得出当前燃烧条件对燃烧充分性的影响。设定了2种燃烧变量,即升温速度与空气流量。

在升温速度方面,设有8 ℃/min、10 ℃/min、12 ℃/min和14 ℃/min 4个变量。对比发现,随着升温速度的增加,烟气中CO浓度的峰值出现得更早,且峰值浓度更高。升温速度为14 ℃/min时,CO浓度峰值为1 366 ppm,峰值出现在22.7 min处。升温速度为8 ℃/min时,CO浓度峰值为407 ppm,峰值出现在34.1 min处。由此可知,在DOP生产固废燃烧过程中升温速度越快,燃烧越不充分。

在空气流量方面,设有2.5 L/min、3.0 L/min、3.5 L/min、4.0 L/min 4个变量。对比发现,空气流量越小,烟气中CO浓度的峰值越大,但是改变空气流量对CO浓度峰值的出现时间没有明显影响。空气流量为2.5 L/min时,CO浓度峰值出现在11.7 min处,此时CO浓度达到了1 075 ppm。空气流量为4.0 L/min时,CO浓度峰值出现在11.9 min处,此时CO浓度为336 ppm。由此可知,在DOP生产固废燃烧过程中加大空气流量,可使燃烧更加充分。

2 活性炭净化技术

2.1 活性炭吸附烟气中的颗粒物

DOP生产固废燃烧时,可调整通入的空气流量,待燃烧结束后取下活性炭筛网,清理筛网上附着的颗粒物。精确称量颗粒物质量,换算后即可得到烟气颗粒物浓度[4],换算公式为:

C折=C×(21-C1)/(21-C2)

式中,C折表示折算后的颗粒物浓度;C表示称量的颗粒物质量;C1表示行业内氧气基准值,火电厂取6%,垃圾焚烧厂取11%;C2表示烟气中的氧气浓度[5]。实验中分别使用了200目筛网与500目筛网,对比发现,两种孔径大小不同的筛网在不同风量下清理得到的颗粒物粒径没有明显差异,均在30～40 μm。实验中使用精密电子秤称取1.0 g的DOP生产固废燃料,设置管式炉的升温速率为15 ℃/min,使燃料充分燃烧。在一个直径为20 mm、长度为150 mm的圆柱形塑料管内填充13.0 g的活性炭,分别测定风量在2.6 m3/h、2.8 m3/h、3 m3/h……4.2 m3/h时筛网上颗粒物的质量。以500亩筛网为例,筛网上颗粒物质量折算成浓度后,其变化曲线如图4所示。

图4 500目筛网截取颗粒物浓度Fig.4 Particulate matter concentration map intercepted by 500 mesh screen

由图4可知,无论是活性炭净化前还是净化后,不同空气流量对烟气中颗粒物浓度的影响都不明显。活性炭净化后,当空气流量为2.6 m3/h时,颗粒物浓度为6.8 mg/m3。当空气流量为4.2 m3/h时,颗粒物浓度为6.5 mg/m3,差异基本可以忽略不计。但是在相同空气流量下使用活性炭净化烟气,颗粒物浓度明显降低。以风量为3.2 m3/h为例,净化前燃烧烟气的颗粒物浓度为37.3 mg/m3,净化后降低至7.1 mg/m3,说明活性炭对DOP生产固废燃烧烟气的净化效果十分明显。

2.2 活性炭吸附烟气中的VOCs

DOP生产固废燃烧烟气中含有大量的挥发性有机物(VOCs),如果直接排放到大气中会降低空气质量,对人体健康造成威胁。使用同样的实验装置验证活性炭对VOCs的吸附能力,不同温度下活性炭吸附前后烟气中VOCs的浓度变化如图5所示。

图5 不同温度下有机物浓度变化曲线Fig.5 Curves of organic matter concentrations at different temperatures

由图5可知,不同温度下燃烧烟气中的VOCs浓度存在明显变化,温度为300 ℃和500 ℃时,分别出现了VOCs浓度高峰,浓度最高达到了108.4 mg/m3。温度为300 ℃时,经过活性炭吸附,VOCs浓度降为82.4 mg/m3,降低了26.0 mg/m3,表明活性炭能够有效净化DOP固废燃烧烟气。