崔 兵，金 怡

(1.中煤科工集團(tuán)杭州研究院有限公司，浙江 杭州 311201；2.杭州電子科技大學(xué) 材料與環(huán)境工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

0 引 言

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外病死動(dòng)物的主要處理方法包括填埋法、焚燒法、化制法和發(fā)酵堆肥法[1]。焚燒法的無(wú)害化、減量化程度高，同時(shí)產(chǎn)生的熱能可回收利用，具有技術(shù)成熟可靠、占地面積小等優(yōu)勢(shì)[2]，因此，國(guó)際上普遍采用焚燒法處理病死動(dòng)物尸體及其產(chǎn)品[3]。然而傳統(tǒng)的焚燒工藝在環(huán)保上很難達(dá)標(biāo)，產(chǎn)生的煙氣中含有粉塵、酸性氣體、二噁英等二次污染物[4-5]。單一除塵、脫酸處理工藝難以確保污染因子滿足排放標(biāo)準(zhǔn)，尤其是高毒性的二噁英，更是煙氣中的治理難點(diǎn)[6-7]。因此，本文設(shè)計(jì)“急冷降溫+干法脫酸+活性炭吸附+布袋除塵”凈化工藝，并提供了設(shè)備參數(shù)以及運(yùn)行數(shù)據(jù)，以期為病死動(dòng)物無(wú)害化焚燒處理煙氣凈化工藝的推廣提供參考和借鑒。

1 工程設(shè)計(jì)

1.1 工程概況

浙江省某市生物開(kāi)發(fā)有限公司處理該市各大畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)的病死動(dòng)物尸體，日處理規(guī)模約15 t/d。在熱解氣化過(guò)程中，顆粒物、HCl、SO2、二噁英等指標(biāo)超標(biāo)，考慮凈化效率、投資費(fèi)用、運(yùn)行費(fèi)用等因素，設(shè)計(jì)了一種“急冷降溫+干法脫酸+活性炭吸附+布袋除塵”治理工藝，可以實(shí)現(xiàn)上述污染物濃度均達(dá)標(biāo)排放。

1.2 設(shè)計(jì)條件

該公司處理的煙氣主要來(lái)源于氣化爐，設(shè)計(jì)處理廢氣量為30 000 Nm3/h，運(yùn)行時(shí)間均按24 h/d計(jì)。根據(jù)《浙江省死亡動(dòng)物無(wú)害化集中處置技術(shù)導(dǎo)則(試行)》規(guī)定，本項(xiàng)目煙氣排放執(zhí)行《危險(xiǎn)廢物焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18484—2001)，其中二噁英排放限值應(yīng)低于0.1 ng-TEQ/Nm3。根據(jù)農(nóng)醫(yī)發(fā)[2017]25號(hào)的要求，煙氣需達(dá)到《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 16297—1996)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，取2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)限值，具體見(jiàn)表1。

表1 煙氣源折算濃度及排放標(biāo)準(zhǔn)

1.3 工藝流程

企業(yè)在熱解氣化病死動(dòng)物過(guò)程產(chǎn)生的煙氣采用“急冷+干法脫酸+活性炭噴射+布袋除塵”的凈化工藝，流程圖詳見(jiàn)圖1。

圖1 煙氣凈化系統(tǒng)工藝流程

(1)換熱。高溫?zé)煔鈸Q熱器直徑2.5 m，高12 m，設(shè)計(jì)處理風(fēng)量為16 000 Nm3/h，采用列管式換熱形式，有效換熱面積190 m2。高溫?zé)煔鈸Q熱器采用通過(guò)浮球開(kāi)關(guān)自動(dòng)補(bǔ)充的工業(yè)自來(lái)水作為冷卻介質(zhì)將氣化爐產(chǎn)出的約1 000 ℃煙氣降至650 ℃左右，而后離開(kāi)換熱器。

(2)急冷。急冷塔主體直徑2.8 m，高12 m，內(nèi)壁為耐高溫耐腐蝕耐火磚堆砌而成。煙氣從急冷塔頂部進(jìn)入塔內(nèi)，停留約6.5 s。急冷塔頂部配備3支雙流體噴槍，噴嘴上均分布8個(gè)6.3 mm的噴孔，噴水量0.6～3 t/h可調(diào)，噴射角度為30°呈錐形霧場(chǎng)，調(diào)壓至0.5 MPa左右的工業(yè)自來(lái)水和壓縮空氣經(jīng)雙流體霧化噴槍均勻噴入急冷塔，將煙氣迅速冷卻到150～190 ℃，煙氣離開(kāi)急冷塔。脫除的一部分飛灰從急冷塔底部排出，收集后外運(yùn)處理。

(3)吸附脫酸。煙氣進(jìn)入干式脫酸塔，通過(guò)管道直接向煙氣中噴射熟石灰粉末和活性炭粉末，熟石灰粉末與HCl、HF、SO2等酸性氣體充分接觸反應(yīng)，能有效地去除煙氣中酸性氣體?；钚蕴糠勰┛晌綗煔庵蠬g等重金屬以及二噁英等污染物。煙氣從干法脫酸塔底部進(jìn)入，給料機(jī)通過(guò)變頻器控制，均勻、連續(xù)給料。通過(guò)羅茨風(fēng)機(jī)鼓出的壓縮空氣將熟石灰噴入干法脫酸塔內(nèi)，與煙氣中的酸性氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

(4)除塵。除塵器采用的工藝為袋式除塵，設(shè)計(jì)處理風(fēng)量為40 000 Nm3/h，過(guò)濾面積960 m2，共計(jì)400條直徑16 cm、長(zhǎng)6 m的布袋，布袋材質(zhì)為氟美斯+聚四氟乙烯覆膜(PTFE)。煙氣夾帶粉塵進(jìn)入袋式除塵器，含塵氣體通過(guò)布袋除塵器內(nèi)的導(dǎo)流板，使煙氣均勻分布，粗塵粒受重力沉降至灰斗底部，細(xì)塵粒隨氣流轉(zhuǎn)折向上進(jìn)入過(guò)濾室，粉塵被攔截在PTFE膜材質(zhì)的濾袋外側(cè)，表面形成濾餅。當(dāng)系統(tǒng)阻力大于設(shè)定值時(shí)(一般設(shè)定為1 200 Pa，可調(diào))，開(kāi)始脈沖噴吹清灰。凈化后的氣體進(jìn)入清潔室，隨后排出。由于動(dòng)物焚燒煙氣中的氯化物具有較強(qiáng)的吸水性，故在除塵器灰斗上設(shè)有電加熱器，確保外表面溫度不小于50 ℃，避免出現(xiàn)灰搭橋、板結(jié)和酸結(jié)露等現(xiàn)象出現(xiàn)。在袋式除塵器中，煙氣中的酸性氣體繼續(xù)和熟石灰反應(yīng)，活性炭繼續(xù)吸附煙氣中的重金屬和二噁英。各種顆粒(包含煙氣中的煙塵，凝結(jié)的重金屬、反應(yīng)劑、反應(yīng)生成物以及吸附后的活性炭)附著在除塵器濾袋表面，再經(jīng)壓縮空氣脈沖清灰進(jìn)入除塵器灰斗中，從而實(shí)現(xiàn)清灰過(guò)程。

(5)在線監(jiān)測(cè)。在接入煙囪之前的煙道上設(shè)置在線監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)焚燒煙氣進(jìn)行在線監(jiān)控，并與當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門聯(lián)網(wǎng)，在線監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)包含NOX、CO、SO2、HCl、粉塵等參數(shù)指標(biāo)。

(6)排放。凈化后的廢氣經(jīng)過(guò)離心風(fēng)機(jī)和排氣筒35 m高空達(dá)標(biāo)排放。

2 工藝選擇

2.1 脫酸

煙氣中酸性氣體主要包括HCl、SO2、HF等，干法脫酸是將堿性脫酸劑(如碳酸氫鈉或氫氧化鈣)噴入脫酸塔內(nèi)，與酸性氣體發(fā)生中和反應(yīng)，煙氣中的酸性成分變成中性鹽粒子，從而被脫除[8]，反應(yīng)見(jiàn)式(1)～式(7)。在一般情況下，煙氣中吸收酸性成分的能力是隨溫度的降低而增加的，所以脫酸的溫度應(yīng)要盡可能低，一般將煙氣溫度控制在酸露點(diǎn)以上10～20 ℃，在本工程中煙氣溫度在150 ℃左右。

焚燒尾氣處理常使用干式脫酸塔與布袋除塵器組合工藝，其具有設(shè)備簡(jiǎn)單、投資成本低、維修容易、管線不易阻塞等優(yōu)點(diǎn)，本工程選擇使用干法脫酸即可達(dá)到排放要求。

吸收過(guò)程 式(1)

氧化過(guò)程 式(2)

吸收過(guò)程 式(3)

吸收過(guò)程 式(4)

吸收過(guò)程 式(5)

吸收過(guò)程 式(6)

吸收過(guò)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)，是毒性極強(qiáng)的污染物，其熔點(diǎn)較高、難溶于水、易溶于脂肪，在強(qiáng)酸強(qiáng)堿中能夠保持穩(wěn)定[9]。

減少二噁英排放主要可以采用以下三種技術(shù)：利用“3T+E”原則控制焚燒的工藝條件、減少燃后區(qū)的低溫再生、利用尾氣凈化裝置[10]。

在本工程中，首先煙氣通過(guò)急冷塔急冷至160 ℃，縮短了在250～500 ℃的停留時(shí)間，減少了二噁英的再生成。其次，利用活性炭較大的比表面積以及其表面官能團(tuán)[11-12]，深度吸附處理煙氣中二噁英以及重金屬，確保煙氣達(dá)標(biāo)排放，本工程使用活性炭的規(guī)格參數(shù)為粒度：200 目或更??；表面積：≥800 m2/g；堆積密度：0.4～0.6 kg/L；碘吸附值：≥950 mg/g；四氯化碳吸附率：≥60%。

2.3 運(yùn)行參數(shù)控制

為實(shí)現(xiàn)煙氣凈化工藝系統(tǒng)高效節(jié)能地運(yùn)行，通過(guò)三個(gè)控制回路，精準(zhǔn)合理地確定冷卻水量、熟石灰配料比、活性炭添加量。

第一個(gè)控制回路是通過(guò)測(cè)量急冷塔出口煙氣溫度來(lái)控制給水量，煙氣冷卻到適當(dāng)?shù)臏囟?，使其保持在露點(diǎn)溫度以上，確保布袋除塵器安全運(yùn)行，提高脫酸過(guò)程化學(xué)反應(yīng)率。

第二個(gè)控制回路是通過(guò)監(jiān)測(cè)入口煙氣的流量和出口氣體的酸性氣體含量控制熟石灰的添加量，計(jì)算熟石灰的配料比(即Ca/酸比：Ca與SO2+HCl的摩爾比)。

第三個(gè)控制回路是通過(guò)根據(jù)煙囪處檢測(cè)出有害物量控制活性炭添加量。粉末活性炭由給料機(jī)經(jīng)羅茨風(fēng)機(jī)加速混合，噴入布袋除塵器進(jìn)口的煙道中，在該處設(shè)置噴嘴，使得活性炭均勻分散，確保對(duì)煙氣中的二噁英類毒物、重金屬的吸附達(dá)到最佳效果，達(dá)到環(huán)保要求。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，當(dāng)冷卻水以0.9 t/h持續(xù)冷卻，即可達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行效果，通過(guò)單因素控制變量，研究了Ca/酸1.0～1.8，活性炭投加量2.5～3.3 kg/h時(shí)的去除率。根據(jù)圖2和3可知，當(dāng)冷卻水量為0.9 t/h，Ca/酸比為1.4，活性炭投加量為3 kg/h時(shí)，酸性氣體去除率達(dá)75.32%，二噁英去除率達(dá)95.42%。

圖2 Ca/酸比對(duì)酸性氣體去除率的影響

以工業(yè)自來(lái)水約3.5元/t，200目消石灰約 3元/kg，200目碘值活性炭約15元/kg，工業(yè)用電0.5元/(kW·h)計(jì)算，冷卻水約需3.15元/h，消石灰約需4.2元/h，活性炭約需45元/h，再加上耗電為170 kW·h，電費(fèi)約需85元/h，總運(yùn)行成本約為137.35元/h，經(jīng)濟(jì)效益最好。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果分析，本項(xiàng)目采取干式脫酸法對(duì)HCl的去除率可以達(dá)到80%～90%。通過(guò)前端急冷塔迅速降溫的抑制再生成作用，再加上活性炭吸附可以實(shí)現(xiàn)二噁英95%以上的去除率。

圖3 活性炭投加量對(duì)二噁英去除率的影響

3 主要設(shè)備參數(shù)

煙氣凈化工藝系統(tǒng)主要包括：煙氣換熱系統(tǒng)、急冷塔系統(tǒng)、熟石灰/活性炭噴射系統(tǒng)、干式脫酸塔、袋式除塵器系統(tǒng)、引風(fēng)機(jī)、煙道及煙囪，主要設(shè)備參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 設(shè)備參數(shù)

4 煙氣凈化系統(tǒng)運(yùn)行效果

為評(píng)估本項(xiàng)目煙氣凈化系統(tǒng)運(yùn)行效果，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，連續(xù)一個(gè)月在線監(jiān)測(cè)煙囪NOX、CO、SO2、HCl和煙塵等煙氣指標(biāo)，并委托浙江某檢測(cè)技術(shù)有限公司對(duì)廢氣中二噁英的濃度進(jìn)行檢測(cè)。

煙氣檢測(cè)數(shù)據(jù)具體見(jiàn)表3。結(jié)果顯示，焚燒煙氣經(jīng)過(guò)凈化處理后，PM10去除率達(dá)90.58%，SO2去除率達(dá)64.41%，HCl去除率達(dá)86.94%，二噁英去除率達(dá)95.42%。檢測(cè)結(jié)果表明通過(guò)本裝置可以實(shí)現(xiàn)焚燒廢氣中主要污染組分，尤其是二噁英的達(dá)標(biāo)控制與排放。

表3 煙氣檢測(cè)結(jié)果

5 結(jié)論及展望

結(jié)合實(shí)際案例中病死動(dòng)物焚燒尾氣成分，設(shè)計(jì)了“急冷+干法脫酸+活性炭吸附+布袋除塵”煙氣處理工藝，通過(guò)三個(gè)控制回路，合理投加冷卻水、熟石灰、活性炭的量，降低運(yùn)行成本。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，在冷卻水量為 0.9 t/h，Ca/酸比為1.4且活性炭投加量為3 kg/h的運(yùn)行條件下，經(jīng)濟(jì)效益最佳。同時(shí)通過(guò)減少燃后低溫再生成、提高尾氣處理裝置凈化效率等手段，全面控制二噁英等有害物質(zhì)產(chǎn)生，二噁英去除率達(dá)95.42%，平均排放濃度為0.023 ng-TEQ/Nm3，滿足《危險(xiǎn)廢物焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18484—2001)要求。處理后的SO2等指標(biāo)尚不能達(dá)到超低排放限值，可將干法脫酸替換成半干法/濕法可進(jìn)一步提高SO2和HCl等酸性氣體以及顆粒物的去除率[13]，但是會(huì)提高投資成本、易堵塞管路、影響布袋除塵運(yùn)行效果[14]。