CN109200742A - 一种生活垃圾焚烧烟气的处理系统及处理方法 - Google Patents

一种生活垃圾焚烧烟气的处理系统及处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种生活垃圾焚烧烟气的处理系统，依次包括除尘脱酸单元、冷却除雾单元、等离子体处理单元及吸附单元。本发明还提供了一种生活垃圾焚烧烟气的处理方法。本发明提供的处理系统和处理方法特定针对生活垃圾焚烧烟气的特点，通过各处理单元、处理步骤的协同作用，可同时有效去除二噁英、汞等污染物，两种主要污染物的去除率都较高，并可适应复杂多变的工况，系统运行稳定性好，具有操作简便、成本低、适应性强等多项优点，非常具有应用前景。

Description

一种生活垃圾焚烧烟气的处理系统及处理方法
技术领域
本发明涉及生活垃圾焚烧烟气处理领域，具体涉及一种生活垃圾焚烧烟气的处理系统及处理方法。
背景技术
近年来，废物焚烧过程产生的二噁英、重金属等污染物的排放越来越受到人们的重视，国家对烟气中污染物的排放要求越来越严，2014年国家生态环境部(原国家环保部)发布了《生活垃圾焚烧污染控制标准》(GB18485-2014)，其中烟气中二噁英排放浓度限值为0.1ngTEQ/m3。目前，国内通常采用高温焚烧+烟气急冷+活性炭喷射+布袋除尘的技术控制烟气二噁英等污染物排放，该技术主要存在二噁英去除效率不高、达标稳定性差等问题。
围绕烟气二噁英的治理，研究人员也开发了很多专利技术，主要包括“一种适用于垃圾焚烧处理的二噁英抑制剂”(授权公告号CN 105602648B)、“一种新型脱除二噁英催化剂及其制备方法”(申请公布号CN 104801296A)、“一种焚烧尾气脱硝与脱二噁英一体化深度处理工艺”(申请公布号CN 107029526A)等。这些技术对烟气中二噁英的治理具有较好的效果，但由于生活垃圾焚烧行业烟气量大、成分复杂，需要消耗大量的相关药剂(二噁英抑制剂、催化剂材料等)，且药剂容易中毒、不易再生，运行成本较高，另外，生活垃圾焚烧烟气中的汞也是重要的污染物，在去除二噁英的同时，协同去除烟气中的汞也是该行业面临的主要问题之一。因此，迫切需要开发一种能够深度净化二噁英，协同控制汞排放，实现汞与二噁英超低排放的集成处理系统。
发明内容
为解决当前生活垃圾焚烧烟气成分变化复杂、波动加大、难以综合处理等一系列难题，本发明的目的是提供一种生活垃圾焚烧烟气的处理系统以及处理方法。
本发明提供的生活垃圾焚烧烟气的处理系统，其特征在于，依次包括以下处理单元：
除尘脱酸单元，用于去除烟气中的烟尘与酸性气体；
冷却除雾单元，用于冷却烟气并去除其中的水汽；
等离子体处理单元，用于去除部分二噁英并将汞氧化为离子态；以及
吸附单元，用于吸附离子态汞以及剩余二噁英。
本发明提供的处理系统中，还包括设置于所述除尘脱酸单元之前的预处理单元，其包括袋式除尘器。
本发明提供的处理系统中，所述除尘脱酸单元包括喷淋塔，其中设置有一组或多组喷淋水或碱液的喷淋装置。
本发明提供的处理系统中，所述冷却除雾单元包括除雾塔，所述除雾塔内设置有冷却装置以及位于所述冷却装置上部的除雾装置。
本发明提供的处理系统中，所述冷却装置为绕片换热器。
本发明提供的处理系统中，所述除雾装置为丝网除雾器。
本发明提供的处理系统中，所述等离子体处理单元包括高频脉冲等离子体电场发生装置。
本发明提供的处理系统中，所述高频脉冲等离子体电场发生装置的输出电压为20～40kV，脉冲电流为100～300A，脉冲频率为100～800Hz。
本发明提供的处理系统中，所述吸附单元包括吸附子单元，其包括一组或多组填充有吸附材料的固定床。
本发明提供的处理系统中，所述吸附材料为负载或未负载纳米硒的纳米陶瓷材料。
本发明提供的处理系统中，所述吸附单元还包括再生子单元，其与所述吸附子单元相连，用于所述吸附材料的再生。
本发明提供的生活垃圾焚烧烟气的处理方法使用以上技术方案任一项所述的处理系统，依次包括以下处理步骤：
S1：使用水或碱液去除待处理烟气中的烟尘与酸性气体，使处理后的烟气中颗粒物浓度≤20mg/m3，HCl浓度≤10mg/m3；
S2：将步骤S1处理后的烟气冷却并去除其中的水汽，使水含量≤5％；
S3：将步骤S2处理后的烟气进行等离子体处理，去除烟气中的部分二噁英并将汞氧化为离子态；以及
S4：将步骤S3处理后的烟气通过吸附材料吸附去除离子态汞以及剩余二噁英，得到处理后的清洁烟气。
本发明提供的处理方法中，所述步骤S4还包括吸附材料的再生步骤，其包括以下过程：将使用后的吸附材料置于无机酸溶液中，于15～150r/min搅拌条件下浸出1～1.5h即得再生后的吸附材料。
本发明提供的生活垃圾焚烧烟气的处理系统和处理方法特定针对生活垃圾焚烧烟气的特点，如二噁英、汞等污染物的浓度波动大、成分复杂、烟气量大、处理效果不稳定、处理成本高昂等等，通过各处理单元、处理步骤的协同作用，可同时有效去除二噁英、汞等污染物，两种主要污染物的去除率都较高，并可适应复杂多变的工况，系统运行稳定性好，具有操作简便、成本低、适应性强等多项优点，非常具有应用前景。
附图说明
图1为本发明的处理系统的组成示意图。
图2为本发明的处理系统的结构示意图。
图3为本发明的处理方法的工艺流程图。
其中，附图标记说明如下：
1、喷淋塔；2、喷淋装置；3、泥斗；4、排水管；5、除雾塔；6、冷却装置；7、除雾装置；8、高频脉冲等离子体电场发生装置；9、固定床；10、吸附材料；
A、待处理烟气；B、清洁烟气。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。
本发明的一个方面提供了一种生活垃圾焚烧烟气的处理系统，如图1所示，依次包括以下处理单元：
除尘脱酸单元，用于去除烟气中的烟尘与酸性气体；
冷却除雾单元，用于冷却烟气并去除其中的水汽；
等离子体处理单元，用于去除部分二噁英并将汞氧化为离子态；以及
吸附单元，用于吸附离子态汞以及剩余二噁英。
本发明的处理系统工作时，待处理的生活垃圾焚烧烟气首先经过除尘脱酸单元，去除其中大部分的颗粒物以及酸性气体，然后经过冷却除雾单元，将烟气冷却至适合后续处理单元的温度，并除去大部分的水汽，使处理后的烟气不含有游离的液态水。经过去除颗粒物、酸性气体、水汽后的烟气进入等离子体处理单元，利用高强能量场产生的瞬间高能粒子，以极快的速度反复轰击烟气中的二噁英气体，使二噁英分子的化学键扭曲并发生断裂，从而使大部分的二噁英从烟气中被除去，同时，高能粒子和空气作用产生大量自由基和O3等二次氧化物，进一步发生化学反应，将绝大部分汞氧化为离子态(Hg0→Hg2+、Hg+)。最后，在吸附单元中，离子态的汞以及剩余部分的二噁英等污染物被强烈吸附去除。通过本发明的处理系统处理后得到的清洁烟气中，二噁英浓度＜0.1TEQ ng/m3，汞浓度＜0.01mg/m3，污染物的去除率高，可直接排放。
本发明的处理系统通过除尘脱酸单元和冷却除雾单元可先去除生活垃圾焚烧烟气中的大部分颗粒物、HCl等酸性气体以及水汽，由此可保证后续的等离子体处理单元具有良好的放电性能和必须的中性条件，使其稳定运行而不受烟气成分、含量波动变化的影响，并可保证对汞、二噁英等污染物的去除效率，而且，还可有效避免放电电极的腐蚀问题，延长其使用寿命，吸附单元可通过物理吸附作用去除污染物，去除率高，相对于化学反应的处理方式，效率更高，条件更温和，也不会产生副产物的二次污染。
在根据本发明的处理系统的一个实施方式中，如图1所示，处理系统还可以包括预处理单元，预处理单元的作用在于对待处理的生活垃圾焚烧烟气进行初步处理，以去除较大的颗粒物。在一个优选的实施方式中，预处理单元可包括常见的袋式除尘器。
在根据本发明的处理系统的一个实施方式中，如图2所示，除尘脱酸单元可包括喷淋塔1，通过喷淋水或碱液的湿式除尘脱酸方式来发挥功能。在一个优选的实施方式中，喷淋塔1中可设置有一组或多组喷淋装置2，喷淋装置2可用于喷淋水或碱液，与进入喷淋塔1的待处理烟气A发生气液接触，烟气A中的颗粒物被截留落入泥斗3中，定期排出，烟气A中的酸性气体溶于水中或与碱液反应后溶于碱液中，作为废水经排水管4排出进入废水处理系统处理，处理后的废水可根据需要回用或排放。在一个更优选的实施方式中，喷淋塔1的水或碱液与烟气A的液气比L/m3可以为2～3，压损可以为100～500Pa，喷淋塔1的除尘效率≥85％，脱酸效率≥75％。
在根据本发明的处理系统的一个实施方式中，如图2所示，冷却除雾单元包括除雾塔5，除雾塔5可通过烟气管道与上一处理单元的喷淋塔1相连接。在一个优选的实施方式中，除雾塔5的内部可设置有冷却装置6以及除雾装置7，烟气A可由除雾塔5的底部进入，经处理后由顶部排入下一处理单元，除雾装置7设置于冷却装置6的上部，经过冷却装置6的处理后，烟气的温度冷却至符合下一处理单元要求的温度(例如，约40℃)，而经过除雾装置7的处理后，大部分的水汽被去除，并且烟气中不含有游离的液态水。
冷却装置6以及除雾装置7可以使用废气处理领域常使用的设备。在一个更优选的实施方式中，冷却装置6可以为钢管绕钢片的绕片换热器，烟气走钢片侧，流道较宽，流通顺畅，冷凝液可顺利排出，流通阻力小，冷凝水走管侧，与烟气整体成逆流换热，换热效率高。冷却装置6所需的冷却水可取自垃圾焚烧厂的生活用水，产生的废水经处理后可回用于喷淋塔1。在另一个更优选的实施方式中，除雾装置7可以为丝网除雾器，采用撞击流原理，设置丝网除雾层，截留出冷凝后烟气中的雾沫夹带，除水效率可大于99％。
在根据本发明的处理系统的一个实施方式中，如图2所示，等离子体处理单元可以包括高频脉冲等离子体电场发生装置8，该装置可通过烟气管道与上一处理单元的除雾塔5相连接。在一个优选的实施方式中，高频脉冲等离子体电场发生装置8的参数可设置如下：输出电压为20～40kV，脉冲电流为100～300A，脉冲频率为100～800Hz，并可根据待处理烟气中二噁英、汞等污染物浓度变化调节装置的运行参数以使污染物的去除率最大化。例如，在垃圾焚烧系统启炉升温过程中烟气二噁英、汞等污染物浓度较高，需将电源输出电压调节至30kV以上，电流调节至210A以上，脉冲频率调节至780Hz以上。在一个更优选的实施方式中，高频脉冲等离子体电场发生装置8的参数可设置如下：输出电压为25～33kV，脉冲电流为190～220A，脉冲频率为≥700Hz，脉宽为200～400ns。
在根据本发明的处理系统的一个实施方式中，如图2所示，吸附单元可以包括有吸附子单元，用以吸附汞、二噁英等污染物，吸附子单元主体可以为常见的气体处理装置，例如，气体处理塔，气体处理塔可通过烟气管道与上一处理单元的高频脉冲等离子体电场发生装置8相连接。吸附子单元可包括一组或多组填充有吸附材料10的固定床9，固定床9可设置于气体处理装置如气体处理塔中。固定床9的数量以及吸附材料10的填充量可根据处理烟气的量、污染物含量等来确定。在一个优选的实施方式中，吸附材料10可以为纳米陶瓷材料，纳米陶瓷材料是将纳米级陶瓷颗粒(直径可以为1～100nm)引入陶瓷母体、经一定工艺制作而成的具有纳米数量级尺寸的复合型多孔材料，可以为商业化的产品，也可以为经任意改性后的纳米陶瓷材料，其比表面积可以为200～800m2/g，对Hg2+、Hg+离子态汞以及二噁英都有极强的吸附作用。纳米陶瓷材料还具有可再生循环使用的特点，吸附饱和后的材料通过再生处理，可继续循环使用。在一个更优选的实施方式中，纳米陶瓷材料还可以为负载有功能性吸附物质的复合材料，例如，负载有纳米硒的纳米陶瓷材料，硒具有强烈的亲汞特性，对于汞的吸附效果尤其出色。经过吸附单元处理后，烟气中的主要污染物二噁英和汞都能够得到有效去除，得到的清洁烟气B可直接排放至大气中。
吸附单元还可以包括有再生子单元，其与吸附子单元相连，当吸附子单元使用的吸附材料为可再生吸附材料、尤其是可再生纳米吸附材料时，可通过再生子单元处理将吸附材料再生以循环使用。
本发明的另一个方面提供了一种生活垃圾焚烧烟气的处理方法，使用前述技术方案中的任一项所述的处理系统，如图3所示，依次包括以下处理步骤：
S1：使用水或碱液去除待处理烟气中的烟尘与酸性气体，使处理后的烟气中颗粒物浓度≤20mg/m3，HCl浓度≤10mg/m3；
S2：将步骤S1处理后的烟气冷却并去除其中的水汽，使水含量≤5％；
S3：将步骤S2处理后的烟气进行等离子体处理，去除烟气中的部分二噁英并将汞氧化为离子态；以及
S4：将步骤S3处理后的烟气通过吸附材料吸附去除离子态汞以及剩余二噁英，得到处理后的清洁烟气。
在根据本发明的处理方法的一个实施方式中，在步骤S1之前还可以包括预处理步骤，预处理步骤的作用在于对待处理的生活垃圾焚烧烟气进行初步净化处理。
在根据本发明的处理方法的一个实施方式中，步骤S4中的吸附材料为纳米陶瓷材料，其比表面积可以为200～800m2/g；在另一个实施方式中，步骤S4还可以包括吸附材料的再生步骤，该再生步骤可包括以下过程：将使用后的吸附材料置于无机酸溶液中，于15～150r/min条件下浸出1～1.5h，然后将所得物料通过过滤或离心等方式分离出固态物，水洗至中性后烘干即得再生后的吸附材料。在一个优选的实施方式中，无机酸溶液可以为常见的无机酸溶液，如盐酸、硫酸等，更优选可以为盐酸溶液，体积浓度可以为5～20％，盐酸溶液与吸附材料的质量比可以为20～50:1。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所使用的纳米陶瓷材料购自格丰科技材料有限公司，其他所使用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
以某生活垃圾焚烧处置企业为例，经现场测试分析，其烟气中二噁英浓度范围在0.1-5ngTEQ/m3，Hg浓度范围在0.01-0.5mg/m3。
实施例1
待处理烟气中二噁英浓度范围：1-5ngTEQ/m3，Hg浓度范围：0.1-0.5mg/m3。
首先将烟气经布袋除尘器进行预处理，然后使用图2的处理系统，依次经过喷淋塔、除雾塔处理后，烟气中的颗粒物浓度≤20mg/m3、水含量≤5％(且不含液态游离水)、HCl≤10mg/m3。
再将烟气经低温等离子体处理，调节低温等离子体电源参数电源输出电压为30-33kV，电流为210-220A，脉冲频率为≥780Hz，脉宽350-400ns。然后进行吸附处理，吸附材料为纳米陶瓷材料，每1000m3/h的烟气填充量为0.5m3，吸附时间为≥5s，处理后得到可直接排放的清洁烟气。
二噁英去除效率为98.8％，出口二噁英浓度为0.085ngTEQ/m3以下。汞去除效率为98.5％，出口汞浓度为0.008mg/m3以下。
实施例2
待处理烟气中二噁英浓度范围：0.5-1ngTEQ/m3，Hg浓度范围：0.05-0.1mg/m3。
首先将烟气经布袋除尘器进行预处理，然后使用图2的处理系统，依次经过喷淋塔、除雾塔处理后，烟气中的颗粒物浓度≤20mg/m3、水含量≤5％(且不含液态游离水)、HCl≤10mg/m3。
再将烟气经低温等离子体处理，调节低温等离子体电源参数电源输出电压为28.5-30kV，电流为190-210A，脉冲频率为750-780Hz，脉宽300-350ns。然后进行吸附处理，吸附材料为纳米陶瓷材料，每1000m3/h的烟气填充量为0.2m3，吸附时间为≥2s，处理后得到可直接排放的清洁烟气。
二噁英去除效率为91.5％，出口二噁英浓度为0.089ngTEQ/m3以下。汞去除效率为98％，出口汞浓度为0.0024mg/m3以下。
实施例3
待处理烟气中二噁英浓度范围：0.1-0.5ngTEQ/m3，Hg浓度范围：0.01-0.05mg/m3。
首先将烟气经布袋除尘器进行预处理，然后使用图2的处理系统，依次经过喷淋塔、除雾塔处理后，烟气中的颗粒物浓度≤20mg/m3、水含量≤5％(且不含液态游离水)、HCl≤10mg/m3。
再将烟气经低温等离子体处理，调节低温等离子体电源参数电源输出电压为26-28kV，电流为180-190A，脉冲频率为700-750Hz，脉宽300-350ns。然后进行吸附处理，吸附材料为纳米陶瓷材料，每1000m3/h的烟气填充量为0.1m3，吸附时间为≥1s，处理后得到可直接排放的清洁烟气。
二噁英去除效率为97.0％，出口二噁英浓度为0.02ngTEQ/m3以下。汞去除效率为95％，出口汞浓度为0.003mg/m3以下。
除非特别限定，本发明所用术语均为本领域技术人员通常理解的含义。
本发明所描述的实施方式仅出于示例性目的，并非用以限制本发明的保护范围，本领域技术人员可在本发明的范围内作出各种其他替换、改变和改进，因而，本发明不限于上述实施方式，而仅由权利要求限定。

Claims (12)

1.一种生活垃圾焚烧烟气的处理系统，其特征在于，依次包括以下处理单元：
除尘脱酸单元，用于去除烟气中的烟尘与酸性气体；
冷却除雾单元，用于冷却烟气并去除其中的水汽；
等离子体处理单元，用于去除部分二噁英并将汞氧化为离子态；以及
吸附单元，用于吸附离子态汞以及剩余二噁英。
2.根据权利要求1所述的处理系统，其特征在于，所述处理系统还包括设置于所述除尘脱酸单元之前的预处理单元，其包括袋式除尘器。
3.根据权利要求1或2所述的处理系统，其特征在于，所述除尘脱酸单元包括喷淋塔，其中设置有一组或多组喷淋水或碱液的喷淋装置。
4.根据权利要求1或2所述的处理系统，其特征在于，所述冷却除雾单元包括除雾塔，所述除雾塔内设置有冷却装置以及位于所述冷却装置上部的除雾装置。
5.根据权利要求4所述的处理系统，其特征在于，所述冷却装置为绕片换热器；和/或所述除雾装置为丝网除雾器。
6.根据权利要求1或2所述的处理系统，其特征在于，所述等离子体处理单元包括高频脉冲等离子体电场发生装置。
7.根据权利要求6所述的处理系统，其特征在于，所述高频脉冲等离子体电场发生装置的输出电压为20～40kV，脉冲电流为100～300A，脉冲频率为100～800Hz。
8.根据权利要求1或2所述的处理系统，其特征在于，所述吸附单元包括吸附子单元，其包括一组或多组填充有吸附材料的固定床。
9.根据权利要求8所述的处理系统，其特征在于，所述吸附材料为负载或未负载纳米硒的纳米陶瓷材料。
10.根据权利要求8或9所述的处理系统，其特征在于，所述吸附单元还包括再生子单元，其与所述吸附子单元相连，用于所述吸附材料的再生。
11.一种生活垃圾焚烧烟气的处理方法，其特征在于，使用权利要求1-10任一项所述的处理系统，依次包括以下处理步骤：
S1：使用水或碱液去除待处理烟气中的烟尘与酸性气体，使处理后的烟气中颗粒物浓度≤20mg/m3，HCl浓度≤10mg/m3；
S2：将步骤S1处理后的烟气冷却并去除其中的水汽，使水含量≤5％；
S3：将步骤S2处理后的烟气进行等离子体处理，去除烟气中的部分二噁英并将汞氧化为离子态；以及
S4：将步骤S3处理后的烟气通过吸附材料吸附去除离子态汞以及剩余二噁英，得到处理后的清洁烟气。
12.根据权利要求11所述的处理方法，其特征在于，所述步骤S4还包括吸附材料的再生步骤，其包括以下过程：将使用后的吸附材料置于无机酸溶液中，于15～150r/min搅拌条件下浸出1～1.5h即得再生后的吸附材料。
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