垃圾焚燒發電無害化資源化升級改進技術
途徑探討
劉 晨
(斯普瑞噴霧系統(上海)有限公司 上海市松江工業區書林路21號 201611)
關鍵詞:垃圾焚燒發電 無害化 資源化
摘 要:垃圾焚燒可以大幅減量化,發電、供熱也在資源化,但在無害化資源化方面還有升級改進的空間,比如如何根除二噁英、重金屬污染嫌疑,如何減少發電冷端損失提高熱效率,如何減少水份、二氧化碳排放量?本文以一個垃圾焚燒煙氣深度凈化改造實踐案例為起點,探討如何實現垃圾焚燒發電徹底無害化,同時實現水份、余熱、二氧化碳資源化回收利用的技術途徑。
一、案例概述
用戶有三臺400t/d二段往復式垃圾焚燒爐排爐,配2臺凝汽式汽輪發電機組,垃圾焚燒設計的排煙溫度145℃,含水份22-26%,當環境溫度低時裝置運行產生白霧影響視覺,污染環境,需要進行煙氣深度凈化改造,項目于2019年10月起陸續實施。
二、改造方案
垃圾焚燒工藝和焚燒爐、余熱鍋爐、煙氣凈化、引風機、煙囪等原有主體設備不動,引風機出口煙道出廠房之后、煙囪之間,旁路新增直接噴淋深度凈化裝置,如圖1所示。新增設備包括煙氣冷卻器、直接噴淋深度凈化塔、混風脫白裝置、循環冷卻塔及附屬的管道、電氣、儀表、鋼結構及土建等。
圖1 垃圾焚燒煙氣直接噴淋深度凈化設備(改造后)
由于改造時間緊,也為節省投資,此次改造僅旁路增加直接噴淋冷凝深度凈化設備,低溫循環水噴入到煙氣中,循環水冷凝吸收煙氣中水蒸汽、酸等殘余污染物后,進入循環水冷卻塔降溫后循環使用,噴淋冷凝除濕實現了深度凈化、三季無白,另設計一路獨立的環境空氣加熱系統,用進口煙氣加熱環境空氣,在在線監測點后混風,實現冬季無白,最終實現四季無白,改善視覺。
三、運行效果
改造項目于2019年10月中旬開始陸續投入運行,經過了冬季驗證,結合視覺觀察、在線監測,并通過檢測分析證明,取得了以下運行效果:
1、 四季無白:設備運行時,只需用肉眼觀察,煙囪排煙無白霧,徹底消除原來冬季濃重白霧,百姓視覺感受改善
2、 排煙深度凈化
深度凈化改造后,排煙在達標基礎上升級達到了超潔凈排放:顆粒物在~1mg/m3、二氧化硫~20mg/m3,氮氧化物~90mg/m3,特別是排放煙氣含HCL大幅降低、含濕量從20%以上降低到~6%,深度凈化后煙氣污染物排放濃度比現行標準低得多,并且低成本。對于現有項目改造和新建垃圾焚燒項目,增加末端直接噴淋深度凈化可以低投入低成本實現達標、超低、超潔凈,特別是實現四季無白可以顯著提升企業形象。
圖2 垃圾焚燒排煙深度凈化改造效果
對垃圾焚燒煙氣深度凈化改造前、后的主要指標進行了對比,并與現行環保控制標準進行了年減排量估算,見表1。結果表明:
l 對于垃圾焚燒爐排煙達標的企業,可以低成本實現超低排放。假如有個別指標超標,應該也是一個最節省的改造方案
l 改造后年減少排放水份20萬噸,減少溶解性顆粒物排放量39噸,水份和溶解性顆粒物同步減少,有利于減少垃圾焚燒排煙對大氣的霧霾污染的貢獻。
l 排煙氯化氫、一氧化碳等污染物也有不同程度減少,提高垃圾焚燒無害化水平
l 二噁英、重金屬等微量污染物預計也會減少。
指標 | 單位 | 設計 與標準 | 在線實時 改造前 | 在線實時 改造后 | 比標準計算年減排量,t/a | |
煙氣量 | Nm3/h | 80000 | ||||
排煙溫度 | ℃ | 145 | 139 | 41 | 可以進一步余熱回收到15 | |
顆粒物 | mg/Nm3 | 30 | 5.92 | 0.36 | 減排PM2.5年42噸,其中可凝結顆粒物39噸,近零排放 | |
H2O | V% | 26% | 21.01 | 8.43 | 減排水份20萬噸,節水 | |
SO2 | mg/Nm3 | 100 | 32.02 | 27.32 | 102,深度凈化 | |
NOx | mg/Nm3 | 300 | 89.65 | 79.44 | 423,深度凈化 | |
HCl | mg/Nm3 | 60 | 1.95 | 0.17 | 114,深度凈化 | |
CO | mg/Nm3 | 100 | 33.88 | 4.89 | 182,深度凈化 | |
CO2 | mg/Nm3 | 8.78 | 8.61 | |||
O2 | mg/Nm3 | 9.08 | 10.9 |
表1 垃圾焚燒煙氣深度凈化改造前后指標對比
四、 無害化資源化升級改進途徑
混合垃圾含水~50%,其中20%在儲存中成為垃圾滲濾液,剩余部分在焚燒過程中蒸發進入煙氣。采用半干法煙氣凈化系統的,在急冷塔內還會噴入部分水份進入煙氣。還有一個更大的水份排放口就是發電汽輪機乏汽凝汽循環水冷卻塔。目前我國垃圾焚燒發電企業大多數都實現了地表零排水,兩個主要水份排放口一是煙囪,二是循環水冷卻塔,而這兩個水蒸汽排放的驅動源是焚燒爐煙氣和汽輪機余熱,因此邏輯上是,把回收煙氣、乏汽余熱放在首位,釜底抽薪解決水蒸汽排放,極限回收水蒸汽排放量就可以消除白煙,同時通過冷凝法深度去除污染物,升級無害化水平。
初步實踐證明,通過增加煙氣旁路直接噴淋洗滌深度凈化系統,可以低投入低成本實現垃圾焚燒煙氣的穩定達標、超低排放,但在徹底實現無害化資源化方面還有升級改進空間,升級改進的主要途徑如圖3所示:
1. 垃圾焚燒煙氣:1)回收利用煙氣余熱 ,2)回收利用煙氣冷凝水,可以同步升級垃圾焚燒發電的無害化資源化水平,有條件降低原有垃圾焚燒煙氣除塵、脫硫、脫硝、脫酸、脫二噁英、脫重金屬的成本
2. 凝汽器改造:新增旁路直接噴淋、或混合式凝汽器,回收利用乏汽余熱,停用乏汽循環水冷卻系統,提供熱利用率,減少水蒸汽和溶解鹽排放量
3. 富氧燃燒與煙氣循環:通過補氧煙氣循環利用,徹底實現排煙無害化,組合采用噴霧干燥技術,協同處理垃圾滲濾液、城市污泥、餐廚垃圾等,徹底實現垃圾焚燒發電無害化和碳中和
4. 垃圾輔助水洗分類:對未分類(比如填埋場存量垃圾)、或分類不徹底的垃圾,增加水洗分類系統,焚燒前分離出垃圾中的水份,洗凈、分揀出不可燃的、可直接回用的資源,提高焚燒發電熱效率。
圖3 垃圾焚燒發電過程無害化資源化改進途徑
分別進一步介紹如下:
i. 垃圾焚燒煙氣中水份的回收利用
垃圾焚燒發電企業的煙囪,實際上是企業的一個污水最終排放出口,相當于原始垃圾所含水份的50%以上通過煙囪,以干蒸汽、或飽和蒸汽的形式排入大氣,不僅是當地霧霾污染的主要來源之一,也是水、余熱資源的浪費,需要回收利用。實踐證明,采用直接噴淋換熱、或直接間接混合式冷凝,是最經濟可行的回收途徑。采用多級直接噴淋冷凝,在末級外排富裕的冷凝水,凝水根據用途不處理、或簡單處理,選擇以下途徑利用:
1) 用于急冷塔、濕法脫酸噴水
2) 用于凝汽循環水冷卻塔補水
3) 用于鍋爐制軟水,頂替新水,實現垃圾焚燒企業零取水,甚至外供生活用水
一般說來,前兩種補水多采用城市中水、垃圾滲濾液處理出水,因此應特別重視鍋爐制軟水,尋找外供工業新水的用途,因為垃圾焚燒企業由于原始垃圾帶入的水份多,企業內部消納不了,需要根據用途進行適當處理后,外供利用。
B、 乏汽凝汽系統節水
純凝機組發電汽輪機乏汽采用循環水冷卻塔冷卻時,不僅余熱全部浪費,還浪費大量的水資源,而且循環水中溶解鹽、氯離子等污染物進入大氣就是PM2.5,因此停用循環水冷卻塔有主要無害化資源化。乏汽回收可以選擇乏汽熱泵,也可以采用旁路新增直接噴淋式、或混合式凝汽器,與熱泵組合回收余熱,就可以停開乏汽循環水冷卻塔,節能、節水、減污一體化。
C、 垃圾滲濾液的低成本無害化處理回用
垃圾滲濾液采用常規處理技術處理回用,設備投資和處理成本還高。通過旁路煙氣噴霧干燥除鹽除酸,再通過煙氣循環入爐焚燒,熱解、熱氧化去除COD有機污染物,可以大幅簡化垃圾滲濾液處理流程,降低投資和運行成本。
D、 垃圾焚燒發電余熱的回收利用
垃圾焚燒發電的熱利用率不足25%,能效低的主要原因是,早期的垃圾焚燒發電系統的設計目標主要是實現垃圾的無害化處理,對能效沒有足夠重視。從技術層面看,一個是發電汽機冷端乏汽損失熱量多,二是煙氣損失熱量多,兩者損失的熱量超過鍋爐燃燒熱的50%以上。按照現有的技術標準規范,這兩部分余熱都是合法放散的。為了提高能效降低成本,也為了控制大氣霧霾污染,應該強制回收利用。
汽機乏汽余熱回收有三種方式回收,一是采用低壓蒸汽壓縮乏汽,使乏汽增壓升溫回收余熱,二是采用采用吸收式熱泵回收,三是用蒸汽噴射式熱泵回收余熱,均可以回收余熱。 回收高溫熱水余熱可以考慮的利用途徑順序是:
1) 鍋爐軟水加熱
2) 鍋爐助燃空氣預熱
3) 居民采暖、供冷、生活熱水,特別值得關注的是,余熱120-20°C大溫差、長距離輸送,用于城鎮采暖,替代煤、天然氣、電等能源,效益顯著,通常投資回收期在3年左右。
4) 現代農業種植、養植供熱
5) 物料烘干脫水
6) 人工游泳池、河湖景觀
總之,在控制常規污染物排放的同時,控制水蒸汽、余熱向大氣的排放。
E、 垃圾焚燒發電過程的碳中和
城市垃圾中的碳含量不高,主要是有機成分,可以考慮煙氣凈化后的補氧循環利用,一方面可以實現近零排煙,徹底解決煙氣無害化,另一方面,通過富氧煙氣循環利用,可以大幅減少外排煙氣的總量,同時提高二氧化碳的濃度,為實現垃圾焚燒發電過程的碳中和打下基礎。
F、 垃圾水洗分離
目前國家正在加速推動城市垃圾分類,但普及有難度、還需要時間,垃圾填埋場存量垃圾都沒有分類,對于沒分類、或分類不徹底的垃圾,可以考慮輔助采用垃圾水洗分類技術,如圖4所示,做為垃圾人工分類的補充、或替代方案,類似于選礦,也類似于洗衣機,將垃圾洗凈,分為輕、重兩相,從重相中分撿出鋼鐵、有色金屬、玻璃、沙石等,輕相中分揀塑料薄膜、紙張、塑料瓶等,共可以分檢出十多種可直接回用的再生資源,再把垃圾中的水份分離出來,這些物質都不可燃,并大量吸熱。最后剩下的生物有機液重量只有原始垃圾重量的八分之一,可以通過生物制氣、熱解制氣或噴霧干燥后燃燒,從而實現垃圾焚燒發電的徹底無害化、資源化,并且高效化。
圖4 垃圾水洗分類技術
結論與建議
1. 垃圾焚燒煙氣增加旁路直接噴淋深度凈化,有利用低成本實現達標、超低、超潔凈排放
2. 垃圾焚燒煙氣可以用于低成本處理滲漏液、回收煙氣冷凝水,實現企業零排水、零取水、甚至外供新水
3. 回收利用垃圾焚燒發電低溫余熱,有助于簡化凝汽和煙氣處理工藝流程,減少投資和運行成本,提高能效。
參考文獻
[1] 陳耀東,清潔化、高效化、信息化、創新發展垃圾發電技術,第九屆中國垃圾焚燒發電
論壇暨固廢處理技術交流會論文集,2019年4月杭州
[2] 張曙光等,生活垃圾滲漏液和高濃度有機廢水混合生化處理與綜合利用技術,同上
[3] 王勇,垃圾焚燒發電技術及應用,中國電力出版社,2020年4月第一版
[4] 生活垃圾焚燒處理工程技術規范, CJJ90-2009
[5] 生活垃圾焚燒污染控制標準,GB 18485-2014
劉晨,2021年3月18日,于北京
作者簡介
l 1959年5月出生于吉林省集安市
l 1982年1月鞍山鋼鐵學院(現遼寧科技大學)煉鋼本科畢業、工學學士
l 1987年在內蒙古大學英語系專修英語口語1年,英語可以做為工作語言
l 1982年-1998年底相繼在包鋼設計院、通鋼二煉鋼、煙臺黃海、上重礦從事技術工作,大部分時間從事連鑄工藝技術工作
l 1999年4月起進入美國噴霧系統公司中國分公司---斯普瑞噴霧系統(上海)有限公司(原上海外高橋噴霧系統有限公司)負責全中國和東南亞鋼鐵和有色金屬行業技術支持
l 2002年9月提出轉爐半干法除塵工藝、2004年在承鋼得到首次應用、2006年獲得中國發明專利權和被評為上海高新技術,有三項職務發明、十多項實用新型專利
l 2009年6月起專職負責轉爐半干法研發和全球技術支持
l 2018年起,專注于煙氣除濕脫白、低溫余熱極限回收利用技術研發和支持
l 2019年5月底,退休,做技術顧問
通訊地址:北京市海淀區成府路藍旗營小區5號樓1503室
郵編:100084
工作單位:斯普瑞噴霧系統(上海)有限公司