（热能工程专业论文）流态化洗涤吸收和管道喷射吸附联合型垃圾焚烧烟气净化基础研究.pdf

流态化洗涤吸收和管道喷射吸附联合型垃圾焚烧烟气净化基础研究 摘要 本文利用p i v 钡4 量、f l u e n t 软件计算结合试验较深入地研究了垃圾焚烧烟气净化关 键设备一一流态化吸收反应器内的流体流动规律。在流态化反应器中，对喷射管下部开 圆孔( 二种) 和喷射管下部管壁开狭缝( 二种) 的四种不同喷射管管型进行了喷射器压力 降和鼓泡层高度的比较试验。试验发现，对管外喷射，四种管型的鼓泡层高度和喷射器 压力降随喷射管插入深度的增加呈增大的趋势，喷射管下部开圆孔时线性度好，管外喷 射比管内喷射的喷射效果好。采用p i v 仪器对几种喷射管进行了喷射速度场的测定，结 果表明，下部开圆孔( 1 = 1 5 0 m m ) 的喷射管，插入深度为l o o m m 、喷射速度为1 0 1 5 m s 时，在气液充分混合区域内，气泡的运动轨迹非常复杂，形成大量的涡团，气液剧烈扰 动，非常有利于气液两相的充分混合。利用f l u e n t 软件对流态化反应器内气液冷态流场 进行了计算，计算中采用欧拉多相流模型，模型计算结果与试验结果和p i v 仪测量结果 吻合良好。 利用流态化洗涤吸收工艺、管道喷射吸附工艺和联合工艺分别对流化床垃圾焚烧尾 气净化进行了详细的研究。研究表明： s 0 2 、n o x 和f i c l 三种酸性气体中h c i 易于脱除， n o x 较难脱除；用金属螯合物作为添加剂对n o x 的脱除效果较好，相关研究获得了国家 发明专利授权；随着喷射速度的增加，重金属的脱除率先增加后减少；c d 的脱除率几乎 不随螯合剂浓度的变化而变化，而c u 、z n 、h g 、f e 和c r 的脱除率随螯合齐u 浓度的增加 而剧烈增大：相同浓度下，石灰石浆液比石灰浆液对重金属的脱除效果要好；三种吸附 剂垃圾焚烧烟气中酸性气体的净化效果是：活性炭效果最好，高岭土效果最差；三种吸 附剂对重金属的吸附能力比较表明：对c d 、p b 、c u 的吸附效果都是活性炭最好，高岭 土次之，活性矾土最差：而对于h g 反而是活性矾土的吸附效果最好，活性矾土对c d 也 有较好的脱除效果；飞灰中多环芳烃主要以3 环、4 环和5 环多环芳烃的形式存在，烟 气中主要是3 环和4 环多环芳烃：在喷入量相同的条件下，高岭土去除多环芳烃的效率 最高，活性炭次之，活性矾土最低。活性炭对垃圾焚烧烟气中酸性气体、重金属和多环 芳烃具有较好的综合吸附性能。流态化洗涤吸收与管道喷射吸附联合工艺对垃圾焚烧尾 气中酸性气体、重金属、多环芳烃和c i c 2 烃具有很好的脱除效果。 进行了2 t d 垃圾与煤循环流化床混烧尾气净化试验，当吸收剂为石灰石浆液，浆 液浓度l ，循环倍率为3 ，喷射速度为5 1 5 m s ，鼓泡管插入深度1 4 0 r a m 时，净化 装置的脱硫效率大于9 0 ，脱硝效率为2 0 3 0 之间，脱氯效率大于8 5 ，脱氟效率 1 0 3 0 ，脱碳效率8 一1 6 ，除尘效率9 9 8 1 9 9 9 3 ，重金属净化效率大于9 8 6 ， 二恶英净化效率9 9 3 5 。净化后烟气中有害物质浓度均优于国标要求，大部分指标达 到发达国家排放要求。 基于双膜理论建立了流态化吸收反应器中垃圾焚烧烟气中s o ：、h c i 的脱除模型，模 型全面考虑了脱硫脱氯过程的各种化学反应、传质过程以及脱除过程中s 0 2 和h c i 之间 的相互影响，利用欧拉法求解，模型计算结果与试验结果吻合较好。模型预测计算表明： 随着浆液p h 的增大，s 0 2 脱除率快速增大，h c i 的脱除率略有减小；入口烟气中h c i 浓 度增加，h c i 脱除率增大，s 0 ，脱除率明显降低；液气比增大，s o ：和h c i 的脱除率均有 所增大。 关键词：流态化，管道喷射，吸收吸附，垃圾焚烧，烟气净化 b a s i cr e s e a r c ho nc o m b i n a t i o no ff l u i d i z e d w a s h i n g a n da b s o r p t i o n i n p i p e i n j e c t i o na d s o r p t i o nf o rf l u eg a sc l e a n i n gf r o mm s w i n c i n e r a t i o n a b s t r a c t f l u i df l o w i n gr u l e sw e r ed e e p l yr e s e a r c h e do naf l u i d i z e da b s o r p t i o n r e a c t o r , w h i c hw a s t h ek e ye q u i r m e n ti nt h ef l u e g a sc l e a n i n gs y s t e mf r o mm a n i c i p a l s o l i dw a s t e s ( m s w ) i n c i n e r a t i o n ，u s i n gp i v m e a s u r e m e n ta n df l u e n ts o f t w a r ec o m b i n e dw i t he x a m i n a t i o n i nt h e f l u i d i z e dr e a c t o r , f o u rd i f i e r e n ti n j e c t i n gp i p e sw e r es t u d i e da b o u tp r e s s u r ed r o pa n db u b b l e l a y e rh e i g h t t w ok i n d so fp i p e sh a v ec i r c u l a rh o l e si nt h ew a l lw h i l et h eo t h e rt w ok i n d so f p i p e sh a v es l o ti nt h ew a l l r e s u l t sa r es h o w n ：t l l ep r e s s u r ed r o po fi n j e c t o ra n dt h eb u b b l e l a y e rh e i g h to ft h ef o u rp i p et y p e s a r ee n h a n c e dw i t h i n c r e a s i n go fi m m e r g e dd e p t ho f b u b b l i n gp i p e w h e nw a t e ri si n j e c t e do u to f t h e p i p e 1 1 1 ep i p e ，w i t hc i r c u l a rh o l e si nt h ew a l l ， h a sw e l l l i n e 9 ra n 4t h ei n j e c t i o ne f f e c ti np i p ei sb e t t e rt h a no u to f p i p e a tt h es a l t l et i m e t h e i n j e c t i o nv e l o c i t yf i e l d sa r ea l s om e a s u r e db vp i vw h e n t h ep i p ew i t hc i r c u l a rh o l e si nt h e w a l l ( 1 = 1 5 0 m m ) ，t h ei m m e r g e dd e p t hi s1 0 0 m m ，a n dt h ei n j e c t i o nv e l o e i t yi s1 0 1 5 m s ，t h e t r a c ko fa i rb u b b l ei sc o m p l e xa n df o t i n sl a r g ew h i r l p o o li nt h eg a s w a t e rc o m p l e t e l ym i x e d a r e a t h ed i s t u r b a n c eo fg a sa n dw a t e ri ss t r o n g w h i c hi sg o o dt of u l l ym i xg a sa n dw a t e r t h ef l u i df i e l di nt h ef i u i d i z e dr e a c t o ru n d e rg e n e r a lt e m p e r a t u r ei sc a l c u l a t e db yf l u e n t s o f t w a r e d u r i n gc a l c u l a t i n g t 1 1 em o d e lo fe u l a rm u l t i - p h a s ee q u a t i o ni si n t r o d u c e da n dt h e r e s u l t so fc a l c u l a t i o na c c o r dw e l lw i t ht h o s em e a s u r e d b y p i v r t h ef l u i d i z e dw a s h i n ga n da b s o r p t i o n ，i n - p i p ei n j e c t i o na d s o r p t i o na n du n i t e dt e c h n i q u e s f o rf l u eg a sc l e a n i n gf r o mm s wi n c i n e r a t i o na r ed e e p l yr e s e a r c h e d r e s u l t sa r es h o w n ：h c l i se a s i e rt ob er e m o v e dt h a no t h e ra c i d i cg a s e ss u c ha ss 0 2 ，a n dn 0 x n 0 xi sm o r ed i f f i c u l tt o b er e m o v e d u s i n gt h ea d d i t i v eo fm e t a lc h e l a t e sc a ne f f e c t i v e l yr e m o v en o x ，a n dr e l a t i v e r e s e a r c h g a i n e d t h en a t i o n a li n v e n t i o np a t e n t 。w i t h i n c r e a s i n go fi n j e c t i o nv e l o c i t y 。t h e r e m o v a le m c i e n c yo fh e a v ym e t a li n c r e a s e si nt h eb e g i n n i n g t h e nd e c r e a s e s t h er e m o v a l e f f i c i e n c y o f c di s h a r d l y a f f e c t e db yt h ec o n c e n l x a t i o no fc h e l a t e s ，w h i l et h er e m o v a l e f f i c i e n c y o fc u ，z n ，h g ，f e ，a n dc ri s a c u t e l ye n h a n c e d w i t ht h e i n c r e a s i n g o ft h e c o n c e n t r a t i o no fc h e l a t e sw h e nt h ec o n c e n t r a t i o no fc h e l a t ei ss a m e 1 i m e s t o n es l u r r yc a n e a s i e rr e m o v eh e a v ym e t a lt h a nl i m es l u r r y t h eo r d e ro fc l e a n i n ge f f e c to ft h r e ek i n d so f s o r b e n tf o ra c i dg a s e sf r o mm s wi n c i n e r a t i o ni sa c t i v ec a r b o n a c t i v eb a u x i t e k a o l i n e a c t i v ec a r b o ni st h eb e s ta d d i t i v et or e m o v ec d p ba n dc u k a o l i n ei si n f e r i o ra n da c t i v e b a u x i t ei st h ew o r s to n e b u ta c t i v eb a u x i t ei st h eb e s ta d d i t i v et or e m o v eh ga n dc a n e f f e c t i v e l yr e m o v e c d 刀l ec y c l i co fp a h si sm o s 盯y3 4a n d5i nf l ya s ha n dt h ec y c l i ci s3 , 4 i nf l u eg a s w h e nt h ei n j e c t i n gq u a n t u mo fa d d i t i v e si ss a n l e t h eo r d e ro f c l e a n i n ge f f e c tf o r p a h si sk a o l i n e a c t i v ec a r b o n a c t i v eb a u x i t e a c t i v ec a r b o nc a ne f f e c t i v e l yr e m o v ea c i d g a s e s h e a v ym e t a la n dp a h s f l u i d i z e dw a s h i n ga n da b s o r p t i o na n di n p i p ei n j e c t i o n a d s o r p t i o nc a ne f f e c t i v e l yr e m o v ea c i dg a s e s ，h e a v ym e t a l ，p a h sa n dc l c 2h v d r o c a r b o ni n t h ef l u eg a s 打o n im s wi n c i n e r a t i o n t h ee x p e r i m e n t s0 ne x h a u s tp u f f f y i n go fc o c o m b u s t i o no fm s wa n dc o a la r ep e r f o m a e d i na2 t df l u i d i z e db e d w h e nt h ec o n c e n t r a t i o no f1 i m e s t o n es l u r r yi s1 t h ec i r c u l a t i n gr a t e i s3 ，t h ei n j e c t i o nv e l o c i t yi s5 一1 5 ，a n dt h ei m m e r g e dd e p t hi s1 4 0 m m t h er e s p e c t i v e e m c i e n c i e so fd e s u l p h u r i z z t i o n ，d e n i t r a t i o n ，d e c h l o r i n e d e f i u o r i na n da s hc o l l e c t i o n & r e h 9 0 ，2 0 - 3 0 ， 8 5 ，1 0 2 0 ，8 1 6 a n d9 9 8 1 9 9 9 3 t h er e m o r a le f f i c i e n c yo fh e a v y m e t a li sm o r et h a n9 8 6 a n dt h a to fd i o x i n si s9 9 3 5 t h ec o n c e n t r a t i o n so fh a r m f u l m a t t e r si nc l e a n e df l u eg a sa r eu n d e rt h ed i r e c t i v eo nt h ei n c i n e r a t i o no fh a z a r d o u sm s wi n c h i n a m o s to ft h e ma r eu n d e rt h ed i r e c t i v e so nt h ei n c i n e r a t i o no fh a z a r d o u sm s wi n d e v e l o p e d c o u n t r i e s b a s e do nt h ed u a l f i l m st h e o r y , t h em o d e la b o u tt h er e m o v a le f f i c i e n c yo fs 0 2a n dh c l i n t h ef l u i d i z e da b s c , r p t i o nr e a c t o ri sc o n s t r u c t e d t h em o d e li n c l u d e sd i f f e r e n tr e a c t i o n so f d e s u l p h u r i z a t i o na n dd e c h l o r i n e ，t h em a s st r a n s f e rp r o c e s sa n dt h em u t u a li n f l u e n c eb e t w e e n s 0 7a n dh c l b yu s i n go fe u l a re q u a t i o n ，t h em o d e l sr e s u l t sa c c o r dw e l lw i t he x p e r i m e n t a l r e s u l t s t h er e s u l t sc a nb eg n n e di na d v a n c eb yt h em o d e l ：t h ed e s u l p h u r i z z t i o ne f f i c i e n c yi s r a p i d l yi n c r e a s e dm a dt h ed e c h l o r i n ee f f i c i e n c yi s l i t t l ed e c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n go fp hi n s l u r r y t h ed e c h l o r i n ee f f i c i e n c yi se n h a n c e da n d t h ed e s u l p h u r i z z t i o ne f f i c i e n c yi so b v i o u s l y d e c r e a s e dw i t h i n c r e a s i n g o fc o n c e n t r a t i o no fh c li nt h ee n t r a n c eo ff l u e g a s t h e d e s u l p h u r i z z t i o ne f f i c i e n c ya n d t h ed e c h l o r i n ee f f i c i e n c y0 x eb o t he n h a n c e dw i t hi n c r e a s i n go f w a t e r g a sr a t i o k e yw o r d s ：f l u i d i z e d ，i n - p i p ei n j e c t i o n ，a b s o r p t i o n ，a d s o r p t i o n ，m s wi n c i n e r a t i o n ，f l u e g a sc l e a n i n g l l i 东南大学学位论文独创性声明 y 6 4 4 2 6 3 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：日期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：导师签名：日期 符号 a反应池的空塔截面积； c ， 被吸收气体在液体表面的浓度； 表 凡气相截面积； 岛反应界面a 相的浓度 c 吸收液中吸收剂浓度；c d拽力系数 d a 组份a 在液相中的扩散系数； d ，溶质在液相中扩散系数，m 2 s ； d 。：+ c a 2 + 在液相中的扩散系数； e 。 a 物质的增强因子 一 f 。外力： f 真实质量力： d k 物质在溶液中的扩散系数 d 传导率； d p p 相气泡的直径： f ，流率； f i 4 日升力； f拽力函数 鼓泡吸收区中浆液体积与塔体积比； 亨利系数 表示初始值； i 种物质的净体积流量，m o l m 3 s ： k 。液膜传质系数 岛气膜的传质系数 k 。靠近壁面的网格的脉动动能： 气相的总括传质系数 凰液相的总括传质系数； k 。 石膏溶解平衡常数 足w ( = k 。) 是相间动量交换系数；d 石膏结晶速率常数 m 。 从p “相到q “相的传质特性：m n 单位液体中直径为d 。的石灰石颗粒个数； p 贝克列数；p q气体流最：下标i n 表示进氧化反应区物质 吼 烟气的体积流量； r s 。 r e相对雷诺数： 吸收速率； s 表面更新率常数 a 组份的吸收通量： 所有相的分压之和； 0 代表出氧化反应区物质 石膏的相对饱和度； r 町相间作用力 氧化反应区体积，下标l n 表示入口物质的量，下标f 表示加入物质的量，下标0 表示出口物质 的量； 衫。相加权速率：v e氧化反应区体积，m 3 ； v c气泡的上升速度： v qq 相的体积； z 。液膜厚度； c a 2 + s 颗粒表面浓度； c a “ 。液相主体中c a “的浓度： 【c o , 0c 0 2 的液相浓度； s 0 2 us 0 2 的液相浓度； h c i 】。h c i 的液相浓度 n i 种物质出口浓度： 口。 q 相为体积份额 q 相的有效密度； q 相的速度； q 相的剪切粘度 p 。q 相的物理密度； l q t h 相的压力应变的张量 屯q 相的容积粘度： ；w 相间速度； f 。 颗粒的松弛时间 g平均分散相速度和平均相对速度的角度； 湍流粘度； s 目 扩散速率； 略。p 相漂移速率： 玩 对第 相的速度修正 i 。在当次迭代中的值： p -层流粘性系数 r 粘性扩散系数： f p 0 。 f 脉动动能耗散率 c ：7 5 砖5 桫。 流体单元在液相表面的暴露时间，s ； 年龄在o o 十do 区间的微元数在表面微元总数中所占的分率 盘。 比气液界表面积，m 2 m 3 ：y 化学计量系数 氧化反应区比气液界面积，m = m 3 ：r 。 烟气在塔内的停留时间 v 分子扩散体积； 1 a 。液体粘度，p a j 扩散物质的分子体积，c m 3 t o o l 1 常数：对以水为主的稀溶液为8c m 3 m o l ”l 浆液动力粘曳。 v 岛一 心 第一章绪论 1 1 课题的背景及意义 1 1 1 引言 第一章绪论 随着我国社会经济的高速发展，城市生活垃圾产生量迅速增加。目前我国城市生活 垃圾产量年均增长率达1 0 以上，2 0 0 1 年全国垃圾产生量为1 2 亿吨。据统计，我国 垃圾的历年堆存量已达6 0 多亿吨，占地5 亿多平方米，浪费了宝贵的土地资源。大量 的城市生活垃圾不仅大量侵占土地，污染土壤、水和空气，还严重影响环境卫生。今年 上半年，“非典”在全国蔓延，生活垃圾就是其主要传染源之一。因此，妥善处理城市 生活垃圾成了我国社会经济发展中一个非常紧迫的课题。 1 1 2 城市生活垃圾处理方法 我国城市生活垃圾处理及污染防治技术政策中推荐的城市生活垃圾处理方法有 四种：卫生填埋、堆肥、回收利用和焚烧 2 1 。 与其它方法相比，卫生填埋费用最低，是垃圾必不可少的最终处理手段，也是现阶 段我国垃圾处理的主要方式。它是将生活垃圾进行深土填埋，一般选择在天然防渗效果 好的深谷或洼地使用天然或人工复合防渗层，经过若干年在其达到使用年限后，在它表 面覆盖土层，重建植被。填埋存在着两大问题，一是填埋场的容量有限，寻求新的场址 较为困难。二是渗滤液和甲烷等的二次污染问题。 堆肥法是依靠自然界广泛分布的细菌、放线菌、真菌等微生物，有控制地促进可被生 物降解的有机物向稳定的腐殖质转化的生物化学过程。有机物经堆肥制成的腐殖质既是 土壤改良剂，也是优质肥料。堆肥过程中产生的温度可达5 0 6 0 。c ，能杀灭垃圾中的部 分病菌、虫卵及蝇蛆等。但是垃圾堆肥工程投资和运行费用较高，且堆肥产品受垃圾成 分影响很大。 回收利用主要是对垃圾中废纸、废金属、废玻璃、废塑料等分类收集，经特殊处理 后重新利用，它适合于垃圾分类较好的情况。2 0 0 0 年建设部在北京、上海、广州、南京、 深圳、厦门、杭州和桂林等8 个城市率先推行生活垃圾分类收集试点，这对垃圾的回收 利用大有好处。混合垃圾的回收利用较困难。 垃圾焚烧具有显著减少垃圾容积、彻底消除病菌毒素和回收能量等优点。1 8 7 6 年， 世界上第一台城市生活垃圾焚烧炉在英国曼彻斯特建成并投运【2 ，3 ，4 1 。近三十年来，垃圾 焚烧技术在国际上得到迅速发展和广泛应用。新加坡、瑞士、卢森堡、日本、丹麦、瑞 典和比利时等国的生活垃圾焚烧处理的比例都超过了5 0 1 3 ，5 ，6 1 ，见表卜1 。我国经济发 达城市北京、上海、天津、深圳、温州、厦门等已经或正在建设垃圾焚烧厂即8 ，9 】。 典型的垃圾焚烧炉有炉排炉、回转炉和流化床炉。炉排炉无需对垃圾进行破碎，易 于大型化，因此在经济发达国家使用最普遍，但是对垃圾的热值要求很高。回转炉主要 用于特种垃圾的焚烧，使用规模较小，运行成本相对较高。二十世纪九十年代随着循环 流化床动力锅炉的大规模应用，世界各国相继开展流化床垃圾焚烧炉的研究与开发。城 市生活垃圾循环流化床焚烧技术的优点：流化床蓄热量大，避免了炉内急冷急热现象， 燃烧运行稳定，操作方便，锅炉热效率高：炉内没有机械运动部件，使用寿命长；锅炉 东南大学博士学位论文 体积小、投资少：垃圾热值适应性广，特别适合焚烧热值随季节变化大的垃圾，污染物 排放量相对较少。近年来已有多家公司发展出流化床焚烧炉产品，逐渐替代炉排炉，如 目本荏原公司的旋流流化床炉、澳大利亚恩赛公司的喷动流化床炉、加拿大d r w 公司 的混合型流化床炉、美国f o s t e r w h e e l e r 公司的循环流化床炉等”j 。此外，日本的石川 岛播磨、川崎重工、三井造船、德国的斯坦米勒和韩国现代重工等大公司均开发出流化 床垃圾焚烧炉。各国在利用流化床焚烧垃圾方面也取得了一些经验，如美国将流化床技 术应用于焚烧医疗废物或污泥与生物质的混合物，瑞典的第三代鼓泡床垃圾焚烧炉已经 基本完善等。日本是流化床焚烧炉技术发展较快和应用较多的国家，目前已有1 0 0 多台 流化床焚烧炉在运行。与其它流化床焚烧炉相比，循环流化床焚烧炉更具备了强烈的湍 流和混合、长久的固体颗粒停留时间和均匀的温度分布等有利条件，用于废弃物焚烧处 理是十分理想的。 表1 1 发达国家城市生活垃圾焚烧处理比例2 , 3 , s , 6 1 国家名称垃圾焚烧处理比例( )国家名称垃圾焚烧处理比例( ) 新加坡 8 5比利时 5 4 瑞士 7 9法国4 1 卢森堡7 5荷兰 3 5 日本7 2德国 2 2 丹麦 6 5挪威2 2 瑞典 5 9美国1 6 目前，我国从国外引进的垃圾焚烧炉以炉排炉为主。由于我国城市生活垃圾热值普 遍较低、成份非常复杂，国外垃圾焚烧炉不能完全适应我国的城市生活垃圾，往往需要 补燃，且设备故障率高，因此清华大学、浙江大学、中科院工程热物理所和东南大学针 对我国垃圾的现状，开发出城市生活垃圾与煤混烧的循环流化床垃圾焚烧炉。研制成功 的循环流化床垃圾焚烧炉，具有垃圾热值适应范围广、燃烧效率高、污染物排放少等显 著优点，是适合我国国情的新型垃圾焚烧炉。目前，国内已建和在建的循环流化床垃圾 焚烧炉达二十余台。 1 1 3 我国垃圾焚烧处理的污染物控制现状 根据2 0 0 1 年国家环保总局对全国2 0 个垃圾焚烧厂焚烧尾气检测表明，烟尘超标率 为5 0 ，最大超标2 3 5 倍，一氧化碳超标率3 3 t 3 ，最大超标8 倍，二氧化硫超标率为 6 7 ，最大超标5 4 ，4 倍。对7 个焚烧厂烟气排放口二皤英类检测表明，其超标率为5 7 1 ， 最大超标9 9 倍。从本次调查结果来看，只有二台焚烧炉，全部检测项目达到生活垃 圾焚烧污染控制标准 1 1 1 ，大部分焚烧炉有部分指标达不到标准，少数焚烧炉无尾气净 化设施，所测项目全部严重超标。所以垃圾焚烧炉除了良好的运行工况以外，尾气净化 系统的优劣，对于评价焚烧炉质量有着非常重要的关系。 1 1 4 课题研究的对象及意义 本课题以垃圾焚烧烟气中二次污染物为研究对象，着重研究垃圾焚烧烟气中酸性气 体、重金属、多环芳烃、c ，c ：烃和二嗯英的控制方法及过程参数优化，同时对净化过程 主要设备流态化洗涤吸收反应器内的流动和化学反应进行数模，期望通过深入的基础研 究，掌握垃圾焚烧烟气净化基本规律，为工程实践提供技术参考。本课题的开展顺应了 我国日益高涨的垃圾焚烧处理发展的形势，对我国垃圾焚烧特别是尾气净化技术的发展 具有重要的理论和现实意义。 兰二童丝丝 本课题选题于教育部跨世纪优秀人才基金项目和教育部科学技术研究重点项目，同 时受到东南大学教育振兴行动计划资助。 1 2 垃圾焚烧烟气中的二次污染物及其危害 垃圾焚烧烟气中的二次污染有害物主要有烟尘颗粒物、酸性气体、重金属和有机类 污染物( 如p c d d f s 、多环芳烃) 等。 i ，2 1 烟尘颗粒物 烟尘颗粒物的主要成分是a 1 2 0 3 、s i 0 2 、c a o 、n a 2 0 、k 2 0 、f e 2 0 3 等氧化物，此外， 还含有重金属和有机类污染物。这些颗粒物属危险废物，必须进行特殊处理，其中难于 被除尘设备捕集的粒径2 5 9 m 的细微粒子排放到大气环境中，会对动植物和人类造成 极大危害。 1 2 2 酸性气体 城市生活垃圾中干基部分含有大量的有机物，它们由碳、氢、氧等元素组成，还含 有氮、硫、磷和卤素等成份。这些元素在焚烧过程中不可避免地和空气中的氧起反应， 产生s 0 2 、n o x 、h c l 、c 1 2 、h f 等酸性有害气体。 s o 。和n o x 一起排放到大气中在太阳辐射下经光化学反应形成光化学烟雾。上世纪5 0 年代发生在英国伦敦的光化学烟雾事件造成大量人员伤亡。s o 。和n o 。也是酸雨的重要污 染源。我国酸雨频率呈逐年递增的趋势，污染严重地区，其酸雨的年均p h 值为4 0 2 4 5 4 ，最低值达3 1 。酸雨会腐蚀工业设备，损害建筑物，酸化土壤，抑制农作物生长， 影响生态环境。n 0 。中的n 2 0 是温室效应气体，还能破坏臭氧层，危害很大【1 3 】。 垃圾高温受热时产生具有腐蚀性的氯化氢气体。垃圾焚烧炉烟气中h c l 的来源主要 有两个：( 1 ) 垃圾中的有机氯化物如p v c 塑料、橡胶、皮革等燃烧生成h c l ；( 2 ) 垃 圾中的无机氯化物如n a c l 与其他物质反应生成h c l 。h c i 不仅会造成炉膛受热面的高 温腐蚀损毁和尾部受热面的低温腐蚀，而且当其排放到大气环境中还会形成酸雨 1 4 , 1 5 。 1 2 3 重金属 垃圾中的重金属元素主要有汞、镉、铅、锌、铬、铜、钻、镍、锡、钡、锑和砷等。 在垃圾中有机质焚烧的同时，垃圾中重金属也会发生迁移。b r t m n e r & m o n c h 的研究表 明【1 ，垃圾焚烧过程中c r 、n i 、c u 等重金属主要在底灰中，c d 主要在飞灰中，h g 主 要在烟气中，p b 和z n 在底灰和飞灰中都有。灰渣中含有些重金属，当与土壤接触时， 重金属会在土壤中积累，使农作物受到污染，通过食物链进入人畜体内，摄入过量的汞、 砷、镉、铅、镍、铜、锌等元素会影响人体健康【1 7 】。 表1 2 列出了几种典型重金属及其化合物的熔点和沸点【1 8 】。垃圾焚烧尾气净化时烟 气温度为1 5 0 左右，由表l - 2 可知，此时烟气中大多数重金属及其化合物为固态。同 时由于重金属及其化合物有一定的蒸汽压，因而，也有少部分重金属以气态存在。表卜3 几种典型重金属在焚烧炉中的主要存在形态。 垃圾焚烧烟气中的重金属中汞的污染物特别严重。据美国环境署1 9 9 7 年的报告 1 9 ， 1 9 9 4 年美国向环境中排放了1 5 8 吨汞，大约8 7 是由燃烧引起的，其中3 3 是燃煤电 厂产生的，1 9 是由m s w 焚烧引起的。在日本，m s w 焚烧是最大的汞排放源；1 9 9 2 年因焚烧垃圾向环境中排放了1 7 吨汞瞄。 东南大学博士学位论文 表1 - 2 几种典型重金属及其化合物的熔点和沸点 l项目 元素态氯化态硫酸盐硫化物氧化物 h g一3 8 7 3 5 6 72 7 6 3 0 23 0 6一一3 5 7 p b 3 2 8 17 4 01 9 50 1 1 701 1 14 8 9 6 c d 3 2 1 7 6 95 6 8 l0 0 017 50 。9 80l50 0 c rl 8 5 7 2 6 7 21 15o 13 0 010 01 5 0 02 2 6 6 c u10 83 2 5 9 56 2020 0 下分解 2 0 0 c 下分解 13 2 6 z n4 202 8 3 60 01 0 201 97 5 n i14 5 5 2 7 3 2l0 0 18 4 97 9 719 8 4 a s8 17 。6 133 0 0 7 0 75 7 1 9 3 一一表示熔点未知；在9 8 m p a 压力下；数据显示格式分别为熔点沸点 袁卜3 几种典型重金属在焚烧炉中的主要形态”8 l 重金属重金属的常见的存在形态 h gh gh g c l ，h g ? c l !h 9 0 p bp bp b c l 2p b c l p b op b o 2p b3 0 4 c dc dc d oc d c l2 c rc rc r o o r 0 2c r 0 2 c 1 】c r 0 3c r 2 03 早在5 0 年代初期，汞及其它重金属的环境污染问题就引起了世界各国的普遍关注。 特别是发生在日本的由h g 污染引起的“水溟病”和由c d 污染引起的“骨痛病”事件口”， 以及在欧洲一些国家陆续发现重金属污染产生的严重后果，使得关于重金属特别是垃圾 焚烧烟气中重金属污染与防治的研究倍受重视。 1 2 4 多环芳烃 多环芳烃是指分子中含有两个或两个以上苯环的碳氢化合物，如萘、蒽、芘、苯并 ( a ) 芘等。多环芳烃是最早发现且数量最多的致癌物1 2 2 j ( 目前已经发现的致癌性多环芳烃 及其衍生物已超过4 0 0 种) ，且分布广泛。美国环保署已把1 6 种多环芳烃作为优先控制 污染物【2 ”，最新的标准是在1 9 9 7 年颁布的。这些化合物分别为：萘、二氢苊、苊、芴、 蒽、荧蒽、芘、苯并( a ) 葸、菔、苯并( b ) 荧葸、苯并( a ) 芘、苯并( k ) 荧蒽、二苯并h ) 荧 蒽、茚并( 1 ，2 ，3 - c ，d ) 芘、菲、和苯并( 岛h ，i ) 蔸。这1 6 种多环芳烃的理化性质如表1 - 4 所示。 多环芳烃是垃圾焚烧过程中产生的一类有害物质，主要存在于烟气、飞灰、炉渣以 及废水中，在环境变化、转移等过程中，对大气、土壤、水体造成不同程度的污染，尤 其以气相状态及吸附于细颗粒上的多环芳烃的危害程度更大，通过呼吸、食物等方式进 入人体，危害人类身体健康。多环芳烃的毒害作用，不仅在于其具有较强的致癌、致畸 和致突变性，还具有免疫毒性。人长期吸入和暴露于高浓度多环芳烃的烟气，会诱发肺 癌和皮肤癌等疾病，同时会使淋巴组织萎缩，降低机体的免疫力【2 ”。 第一章绪论 1 2 5 二口恶英 1 9 7 7 年荷兰学者( o l i e 等人) 首次在垃圾焚烧炉烟道气和飞灰中发现了二嚼英 ( d i o x i n s ) ，其剧毒性和生物累积性从八十年代以来成为众多研究的焦科2 5 - 2 7 1 ，严重制 约了垃圾焚烧技术的应用。 二恶英( d i o x i n s ) 是多氯二苯并二嚼英( p c d d s ) 和多氯二苯并呋喃( p c d f s ) 的简称。p c d d ，f s 是毒性很强的一类三环芳香烃有机化合物，它们是由1 2 个c 原予形 成两个苯环，两个或个氧原子联接两个氯取代的苯环，如果两个苯环与两个氧原子连 接就形成p c d d ，如果与一个氧原子连接则形成p c d f 。氢原子和或氯原子附加在苯环 的l 4 和6 9 之间的位置上。表1 5 列出了二嘿英的部分物理性质【2 8 ，2 ，可见p c d d 有7 5 个异构体，p c d f 有1 3 5 个异构体，在2 1 0 种p c d d f s 异构体中，有1 7 种具有毒 性，它们均是氯位于2 ，3 ，7 ，8 位置上的二嚼英类物质。除一氯、二氯化合物外，其它 p c d d f s 的溶解度、蒸汽压都较低而熔点较高。各种异构体中毒性最强的是2 ，3 ，7 ，8 一四 氯二苯并二嗯英，其毒性相当于k c n 的1 0 0 0 倍，被称为地球上最毒的物质【3 。研究 发现主要有三类反应产生d i o x i n s ( n i s h i k a w as u s u m u ) 1 3 1 , 3 z ：第一类是高温均相合成；第 二类是由飞灰中残碳与有机和无机氯的d en o v o 合成反应( 一般在2 5 0 - - 4 5 0 。c ) ；第三 类是由氯酚、多氯联苯等前驱物非均相催化合成。它们对二嚼英形成的贡献次序为：第 三类 第二类 第一类。m i l l e r h 等人1 33 j 研究表明在氧浓度不大于7 、9 5 0 停留时 查亘奎兰堕主兰垡堡苎 间1 秒或8 5 0 。c 停留时间2 秒条件下，p c d d s 可以被完全破坏。o l i ek e e s 等人3 4 1 研究表 明在垃圾焚烧炉的冷区( 2 5 0 c - - 4 5 0 。c ) 和静电除尘器中有铜、铁等金属氧化物或和氯化 物作催化剂时，p c d d p c d f s 仍可再生成。大量的研究表明，影响垃圾焚烧过程中二恶 英形成的因素有：碳源、氯源、硫含量、氧、水、温度、催化剂和反应时间3 5 。3 9 1 。 表1 - 5二日恶英的物理性质 化合物中p c d d s 之p c d f sp c d d s 在水p c d d sp c d d sp c d d s 蒸 含氯数同分异构同分异中的溶解度熔点的分子汽压 体数构体数 ( g l ，2 5 0 c )( o c )里( p a ，2 5o c ) 一氯243 1 81 1 4 32 1 8 50 0 1 二氯1 01 6 1 1 81 7 52 5 33 9 + 1 0 。 三氯1 42 88 4 11 2 92 8 7 51 o + 1 0 + 3 四氯 2 23 80 4 22 2 2 33 2 26 4 + 1 0 + 6 五氯1 42 80 11 8 ( 2 0o c 、1 9 63 5 6 48 8 + 1 0 7 六氯 1 01 6 o 0 0 4 4 ( 2 0 o c 、2 7 33 9 15 1 + 1 0 9 七氯24 o 0 0 2 4 ( 2