CN201419076Y - 利用煤中硫成分控制生活垃圾焚烧过程二恶英排放的系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种焚烧法处置固体废弃物过程中二恶英排放控制的技术，旨在提供一种利用煤中硫成分控制生活垃圾焚烧过程二恶英排放的系统。该系统包括依次连接的垃圾给料机、流化床焚烧炉、高温旋风分离器、余热回收装置、半干法烟气净化装置、布袋除尘器、引风机、烟囱，其特征在于，还有一个原煤仓通过输送管道与流化床焚烧炉连接。本实用新型利用流化床燃烧系统，实现了焚烧法处理城市生活垃圾时烟囱烟气和飞灰中的低二恶英排放。本实用新型的工艺和系统简单、热效率高、操作简便、设备投资和运行成本低，且特别适合于处理目前中国和发展中国家热值相对较低的城市生活垃圾。
Description
技术领域
本实用新型涉及焚烧法处置固体废弃物过程中二恶英排放控制的技术，特别是涉及一种利用煤中硫成分控制生活垃圾焚烧过程二恶英排放的系统。
背景技术
目前全国城市生活垃圾的年产量已超过1.5亿吨，且每年以8％～10％的速度增长。在全国660多个城市中，已有2/3的大中城市被垃圾包围，城市生态环境迅速恶化。
卫生填埋、焚烧、堆肥、回收和综合利用是目前国内外普遍采用的垃圾处理技术和方法。焚烧法处置城市生活垃圾，相对于其它处置方法而言，能较好的实现减容、减量和资源化的目标。城市生活垃圾焚烧利用，缓解了城市生活垃圾处理的压力，节约了耕地，但同时也带来了许多问题。
从1977年在垃圾焚烧炉的飞灰中检测到二恶英开始，人们开始强烈关注城市生活垃圾焚烧产生的二恶英污染问题。如何降低和完全解决垃圾焚烧的二次污染问题(特别是二恶英问题)已成为垃圾焚烧技术在全世界范围内继续生存和推广的瓶颈问题。
二恶英是一类具有强烈致癌、致畸和致突变的痕量有机污染物，长期生活在二恶英含量超标环境下的人，不但容易罹患各类癌症，而且容易发生心血管疾病、内分泌失调、流产或精子异常等，特别是其具有环境雌激素效应，可能造成男性雌性化。二恶英污染对人类的危害极具潜伏性，它的污染爆发可能具有跨世代的效应。
在大多数国家，垃圾焚烧是近、现代环境中二恶英的最重要来源；在日本、美国、欧洲等地，垃圾焚烧更是环境中二恶英的主要排放源。2001年签署的《关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约》明确要求各国采取实质性措施有效削减二恶英的排放。目前，垃圾焚烧已成为削减环境中二恶英排放的重点对象之一。
世界各国普遍采用的垃圾燃烧方式有两种：一种是炉排燃烧，其优点是不需要对垃圾进行预处理，但在处理中国目前的低热值垃圾时暴露出处理成本高、蒸汽参数低、运行不经济的缺点，城市生活垃圾采用炉排燃烧时，其二恶英排放必需在尾部烟道喷入大量活性炭粉末吸附后才能达到垃圾焚烧炉烟囱二恶英排放标准，炉排燃烧是国外普遍采用的城市生活垃圾的焚烧处理方式。另一种是流化床燃烧，流化床燃烧具有燃料适应性广、床内混合均匀、停留时间长、垃圾燃烬度高、并且可以采取全面的防二次污染措施等优点，尤其是通过煤与垃圾混烧的方式，在不需喷活性炭粉末时即可实现低二恶英排放，完全满足垃圾焚烧炉烟囱二恶英排放标准，但也存在垃圾预处理系统复杂和排渣困难等缺点。
在现行垃圾焚烧系统中，尤其是炉排燃烧系统中，通过对燃烧过程的控制，可以控制一部分二恶英的生成，但焚烧过程中产生的大部分二恶英仍然需要在焚烧炉尾部通过适当的二恶英控制方法进行脱除。目前，用于控制焚烧炉尾部烟气中二恶英排放的方法主要包括：1)采用活性炭颗粒床对烟气中的二恶英进行吸附，需要对颗粒状活性炭进行脱附和集中废气处理，系统复杂，处理成本较高；2)采用烟气中喷射活性炭粉末吸附二恶英，并结合布袋除尘收集，系统较简单，但布袋收集物为危险废弃物，需要做进一步处理，价格昂贵；3)对烟气中的二恶英采用催化降解方法进行处理，催化剂易中毒，处理成本高，处理烟气量不大；4)采用电子束照射烟气的方法破坏烟气中二恶英，用于产生电子束的电压很高，处理容量不大，能耗大。总体上讲，上述焚烧炉尾部控制二恶英的方法均存在不同程度的缺陷，而且一次处理成本较高，甚至还需做二次处理，对于刚刚起步的中国城市生活垃圾焚烧产业，不仅增加一次投资，还使系统复杂，存在再处理的难题。
目前我国城市生活垃圾的品质较低，且成分复杂、高水分、高灰份、季节波动行大。发展适合于焚烧中国特色城市生活垃圾、具有低二恶英排放的焚烧系统与技术，对于我国的环境保护及履行《关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约》具有重要意义。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种利用煤中硫成分控制生活垃圾焚烧过程二恶英排放的系统。
为了解决上述技术问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：
本实用新型提供了一种利用煤中硫成分控制生活垃圾焚烧过程二恶英排放的系统，包括依次连接的垃圾给料机、流化床焚烧炉、高温旋风分离器、余热回收装置、半干法烟气净化装置、布袋除尘器、引风机、烟囱，其特征在于，还有一个原煤仓通过输送管道与流化床焚烧炉连接。
作为一种改进，所述流化床焚烧炉的炉壁上设置喷入石灰石通道，可定期向流化床焚烧炉内喷入石灰石。
作为一种改进，所述的流化床焚烧炉设置一、二次风分级配风风道：一、二次风经空气预热器预热后进入一、二次风道，一次风经过风量测量装置后分成两路，一路连接点火装置之后送入炉膛，另一路为播煤风和播垃圾风，与燃料一同进入炉膛；二次风由二次风机进入空气预热器二次风侧，经过风门后引至炉膛二次风喷嘴。
本实用新型通过以下步骤实现：
(1)将煤和城市生活垃圾混合后投入到流化床焚烧炉中，根据城市生活垃圾的热值控制煤的加入量，煤的加入量为小于混合物总重量的20％；
(2)在焚烧炉内燃烧时产生的烟气及夹带的颗粒物，经过高温旋风分离器分离；颗粒物返回焚烧炉，烟气经余热回收装置之后进入半干法烟气净化装置；
(3)烟气经过布袋除尘器除去中的飞灰颗粒，，再经引风机排入烟囱。
流化床焚烧炉的炉内温度控制在850～950℃，其高温段烟气停留时间大于3秒，流化床焚烧炉内床料和烟气纵、横向保持强烈混合，并对炉内受热面定期吹灰。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
本实用新型主要通过添加煤(重量比小于20％)的方式，利用流化床燃烧系统，实现煤和城市生活垃圾的高效稳定燃烧，并利用煤中硫成分对二恶英生成的抑制作用，再附之以燃烧系统中控制二恶英生成的通行方法，实现了焚烧法处理城市生活垃圾时烟囱烟气和飞灰中的低二恶英排放，其二恶英排放完全满足现行中国及欧盟的相关排放标准，实现了清洁、高效的城市生活垃圾焚烧利用。本实用新型的工艺和系统简单、热效率高、操作简便、设备投资和运行成本低，且特别适合于处理目前中国和发展中国家热值相对较低的(3000～6000kJ/kg)的城市生活垃圾。
附图说明
图1为本实用新型的系统布置图；
附图标记：1垃圾预处理前库区；2垃圾预处理系统；3垃圾预处理后库区；4原煤仓；5液压活塞式垃圾给料机或双螺旋垃圾给料机；6流化床垃圾焚烧炉；7高温旋风分离器；8一次风机；9余热回收装置；10半干法烟气净化装置；11返料装置；12布袋除尘器；13引风机；14烟囱。
具体实施方式
参考附图，下面将对本实用新型进行详细描述。
本实施例中利用煤中硫成分控制生活垃圾焚烧过程二恶英排放的系统，包括依次连接的垃圾给料机、流化床焚烧炉、高温旋风分离器、余热回收装置、半干法烟气净化装置、布袋除尘器、引风机、烟囱，其特征在于，还有一个原煤仓通过输送管道与流化床焚烧炉连接。
利用煤中硫成分控制生活垃圾焚烧过程二恶英排放的方法，包括以下步骤：
(1)将煤和城市生活垃圾混合后投入到流化床焚烧炉中，根据城市生活垃圾的热值控制煤的加入量，煤的加入量为小于混合物总重量的20％；
(2)在焚烧炉内燃烧时产生的烟气及夹带的颗粒物，经过高温旋风分离器分离；颗粒物返回焚烧炉，烟气经余热回收装置之后进入半干法烟气净化装置；
(3)烟气经过布袋除尘器除去中的飞灰颗粒，，再经引风机排入烟囱。
本实用新型根据中国城市生活垃圾热值低的特点，采用在中国资源丰富的煤作为辅助燃料，在流化床中进行城市生活垃圾和煤的混烧，通过在燃烧前、燃烧中和燃烧后的全面系统调节与控制，大幅度抑制二恶英在焚烧系统中的生成，并控制已生成二恶英在焚烧炉烟囱的排放，可使焚烧炉烟囱烟气中的二恶英排放低于0.1ng I-TEQ/Nm3，最终实现环境友好的中国城市生活垃圾焚烧处理。
本实用新型采用由重度差异较大的不同颗粒(如石英砂、生活垃圾、煤等)组成异重度流化床系统，可以防止大块垃圾在床内的沉积和轻粒度垃圾成分的偏浮，从而保证稳定燃烧；通过布风装置及燃烧设备的专门设计，可保证经简易破碎的原生垃圾在炉内充分焚烧。分段燃烧方式及二次风旋涡切圆布置方式使炉膛悬浮段内燃烧空气充分混合，改善燃烧状况，降低CO排放浓度及控制NOx的排放。
本实用新型采用辅助煤燃烧的作用不仅实现流化床焚烧炉内温度场充分均匀和可控，避免了大量未燃烬物质如碳黑、CO、多环芳烃等有机污染物的产生，使燃烧过程中一些有助于二恶英生成的前驱物的生成量大大减少，从而使燃烧过程中前驱物高温合成二恶英的几率大大降低。
本实用新型采用了国际上通行的二恶英抑制方法以有效地抑制二恶英的产生：1)炉内温度保持均匀，在850～950℃范围内；2)高温段烟气停留时间大于3秒；3)燃烧室内床料和烟气纵、横向强烈混合；4)加强受热面吹灰等。另外，采用炉内喷入钙基(主要成分为碳酸钙的物质，如石灰石)的方法，有效降低烟气中酸性气体特别是HCl气体的排放，减少二恶英生成所必须的氯源。
本实用新型采用流化床混烧城市生活垃圾和煤，在加煤的重量比小于20％情况下(根据垃圾热值可相应调整，范围为0～20％之间)，约20％情况下，可较大幅度抑制燃烧过程中二恶英的生成。煤燃烧产生的硫氧化物是产生对二恶英抑制作用主要因素，其作用主要体现在如下三个方面：1)抑制二恶英反应中氯基的生成；2)使二恶英合成反应中的催化剂中毒；3)硫化二恶英生成的前驱反应物。
本实用新型所述煤与城市生活垃圾混烧对二恶英生成的抑制作用主要体现在煤燃烧产生的SO2在燃烧中和燃烧后的烟气和飞灰中的作用，主要可概括为以下三点：
(1)煤所产生的SO2的存在抑制了二恶英的形成。二恶英生成机理中对二恶英生成起作用的氯为Cl2而不是HCl，Cl2通过氯化作用氯化芳香化合物。Cl2可以从HCl通过金属催化的Deacon反应得到。当SO2存在时，SO2和Cl2、水分反应生成HCl，从而减少氯化作用，进而抑制二恶英的生成。SO2减少气氛中Cl2的反应如下：
(2)垃圾焚烧飞灰中的Cu2+/CuO/CuCl2是二恶英生成的催化剂，SO2可以使催化剂Cu2+/CuO/CuCl2等中毒，SO2与Cu2+/CuO/CuCl2反应生成了对二恶英生成催化活性很小的CuSO4，从而使飞灰表面发生的异相催化合成二恶英的反应活性降低，并最终使二恶英生成减少。催化剂Cu2+/CuO/CuCl2在二恶英的生成过程中的主要作用体现在通过Deacon反应生成Cl2及促进二恶英形成过程中的缩聚反应(Biaryl synthesis)。
(3)燃烧过程中，煤中硫的作用还可以通过形成硫磺酸盐酚前驱物(联苯并噻蒽或联苯并噻吩)，减少二恶英前驱物(只含有氯的芳香烃)的形成，并最终减少二恶英的生成。
根据上述的机理解释，通过小型管式炉实验台验证了煤和垃圾混烧的对二恶英排放的抑制作用。实验参数和有关结果如下表所示：
原生垃圾和煤的工业分析和元素分析：
a该数值为煤中氯的含量，而不是氧的含量；
b此煤为该全硫份含量值的标准煤样。
添加煤比例对垃圾焚烧二恶英排放的抑制效果：
本实用新型在系统工艺中还设置了中、高温分离器，大量飞灰返回炉膛循环燃烧，灰的不断循环，使灰中未燃烬碳含量大大减少；烟气中大量飞灰颗粒的冲刷作用，及系统中人为设置受热面吹灰系统，对受热面积灰进行定时吹扫，使过热器和烟道壁上的积灰大大减少；上述两方面的作用减轻了飞灰在焚烧炉尾部烟气冷却过程中通过异相催化反应再生成二恶英的作用，使烟气和飞灰中的二恶英含量大大减少。
本实用新型系统采用半干法烟气净化结合布袋除尘的方式，对尾部烟气中的酸性气体HCl、Cl2等进行有效的脱除，使烟气冷却过程中的氯源大大减少，进一步减轻了燃后烟气、飞灰中通过异相催化反应生成二恶英的可能性。由于在燃料和燃烧即实现了对二恶英生成的有效控制和抑制，实际上本实用新型系统的尾部烟气中的二恶英排放量已得到有效控制，通过半干法和布袋除尘相结合的方法，更加保证了焚烧炉烟囱烟气中二恶英排放达到现行和欧盟的相关标准，布袋除尘器飞灰含量也较低。
本实用新型主要通过添加煤(重量比小于20％)的方式，利用流化床燃烧系统，实现煤和城市生活垃圾的高效稳定燃烧，并利用煤中硫成分对二恶英生成的抑制作用，再附之以燃烧系统中控制二恶英生成的通行方法，实现了焚烧法处理城市生活垃圾时烟囱烟气和飞灰中的低二恶英排放，其二恶英排放完全满足现行中国及欧盟的相关排放标准，实现了清洁、高效的城市生活垃圾焚烧利用。本实用新型的工艺和系统简单、热效率高、操作简便、设备投资和运行成本低，且特别适合于处理目前中国和发展中国家热值相对较低的(3000～6000kJ/kg)的城市生活垃圾。
本实用新型工艺中，原生垃圾由垃圾运输车运达垃圾预处理前库区1中，由抓斗将垃圾送入垃圾预处理系统2，经过均布器均布、人工分捡、双辊破碎、滚筒筛筛选、细粒双辊破碎、电磁除铁等步骤，预处理后的垃圾由皮带送入垃圾预处理后库区3。在垃圾处理后库区内，垃圾由抓斗送入液压活塞式给料机或双螺旋给料机5中送入流化床焚烧炉6中焚烧处理，原煤由可计量原煤仓4给入流化床垃圾焚烧炉6，与城市生活垃圾一起在炉内燃烧。流化床焚烧炉6在开始焚烧垃圾前，需通过点火装置将炉温升至预定温度。
本实用新型工艺中垃圾预处理前、后库区内的臭气由流化床焚烧炉一次风机8引出，经余热回收装置中预热后作为流化床焚烧炉6的一次风，垃圾预处理前、后库区内的污水经由泵送系统送至流化床焚烧炉6内进行燃烧处理。
本实用新型工艺中流化床垃圾焚烧炉6的特征在于：
1)采用一、二次风分级配风。一、二次风均进入空预器，预热后进入一、二次风道。一次热风分两路接至炉前底部两台点火装置及风室。一次风经过风量测量装置后分成两路，一路连接点火装置，之后送入炉膛。另一路为播煤风和播垃圾风，与燃料一同进入炉膛。二次风由二次风机进入空预器二次风侧，经过风门后引至炉膛二次风喷嘴。
2)垃圾进入焚烧炉后，与炽热的床料混合焚烧，由于流化床良好的横向混合特性，可确保床内焚烧能保持稳定运行。焚烧炉内设计温度和烟气停留时间分别保持在850℃左右和3秒以上并保持强烈混合，使有害成分在炉膛内充分裂解破坏焚烧。
3)垃圾和辅助煤在炉膛内燃烧时，煤燃烧释放的SO2对二恶英生成起到了强烈的抑制作用，其作用的机理在实用新型内容中已经详细阐述。
本实用新型工艺中，垃圾(和辅助煤)在焚烧炉内燃烧时产生的大量烟气及夹带的颗粒物，经过高温旋风分离器7分离后，高温物料返回焚烧炉，高温旋风分离器7的设置使焚烧炉的物料循环保持在比较高的温度水平，加快可燃物料的反应速度，减少飞灰中未燃烬碳含量，提高燃烧效率，并最终减少可生成二恶英的反应物，从而降低烟气和飞灰中二恶英的排放。
本实用新型工艺中，经高温旋风分离器7的烟气流经余热回收装置9，包括高温过热器、低温过热器、省煤器及空预器，之后烟气进入半干法烟气净化装置10，半干法烟气净化装置10的主要工艺包括：吸收剂制备，吸收剂浆液雾化，雾滴与烟气的混合，蒸发和污染物的吸收，废渣的排出和部分循环利用等，半干法烟气净化装置，在脱除SO2的同时，也去除了HCl和Cl2，使烟气净化装置中二恶英生成的主要氯基减少，从而抑制了烟气净化系统中二恶英的生成。
本实用新型工艺中，烟气及其夹带颗粒在进入半干法烟气净化装置10之前，实用新型内容中所述的SO2对二恶英生成的三大抑制作用仍然存在，从而抑制了烟气和飞灰中低温异相催化反应生成二恶英的效果。
本实用新型工艺中，经半干法烟气净化装置10处理后的烟气及夹带颗粒，经过布袋除尘器12，将烟气中的99.9％以上的飞灰颗粒除去，使焚烧系统尾部烟气中的粉尘排放达标。布袋除尘器12对减少烟气中二恶英排放的作用在于：1)除去烟气中绝大部分的粉尘，使粉尘中的二恶英在该步骤绝大部分除去；2)布袋除尘器的滤袋表面形成的一定厚度的由飞灰、石灰等组成的过滤层，能起到对经过该过滤层的烟气中的气相二恶英进行吸附的作用。上述两方面的作用，进一步确保了焚烧炉排烟中的二恶英含量大大低于目前中国和欧盟的排放标准。
本实用新型工艺中，烟气经过布袋除尘器12后，再经引风机13，最后排入烟囱14，并最终完全达标排入大气。
本实用新型工艺在二恶英控制上的最大优点在于整个系统中不需要喷射活性炭粉末进行尾部烟气中二恶英的吸附控制，即可以较大余量的达到现行中国甚至欧盟的相关排放标准。
在实际商用城市生活垃圾焚烧炉上已经得到应用，见下表中所列的有关运行参数，环境监测部门的实测数据表明，应用该工艺的焚烧炉烟囱烟气中二恶英排放大大低于目前世界上最为严格的欧盟排放标准(0.1ng I-TEQ/Nm3)，而布袋除尘器飞灰中的二恶英含量也较低，且低于世界各国(芬兰、日本、美国、德国、新西兰等)关于居住地土壤的限量标准，即二恶英含量不得高于500～1500I-TEQ/kg。
本实用新型工艺的工业应用实例和效果：
| 焚烧系统生活垃圾日处理量吨/天 | 生活垃圾与煤的重量比 | 焚烧系统烟囱烟气中二恶英排放ng I-TEQ/Nm3 | 布袋除尘器飞灰中二恶英含量ng I-TEQ/kg(飞灰) |
| 200 | 78∶22 | 0.0068 | 234 |
| 300 | 84∶16 | 第一次：0.0082第二次：0.0025 | 199 |
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本实用新型的具体实施例。显然，本实用新型不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本实用新型公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本实用新型的保护范围。
Claims (3)
1、一种利用煤中硫成分控制生活垃圾焚烧过程二恶英排放的系统，包括依次连接的垃圾给料机、流化床焚烧炉、高温旋风分离器、余热回收装置、半干法烟气净化装置、布袋除尘器、引风机、烟囱，其特征在于，还有一个原煤仓通过输送管道与流化床焚烧炉连接。
2、根据权利要求1所述的利用煤中硫成分控制生活垃圾焚烧过程二恶英排放的系统，其特征在于，所述流化床焚烧炉的炉壁上设置喷入石灰石通道。
3、根据权利要求1所述的利用煤中硫成分控制生活垃圾焚烧过程二恶英排放的系统，其特征在于，所述的流化床焚烧炉设置一、二次风分级配风风道：一、二次风经空气预热器预热后进入一、二次风道，一次风经过风量测量装置后分成两路，一路连接点火装置之后送入炉膛，另一路为播煤风和播垃圾风，与燃料一同进入炉膛；二次风由二次风机进入空气预热器二次风侧，经过风门后引至炉膛二次风喷嘴。
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