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        生活垃圾焚燒飛灰水泥窯協同處置應用研究

        發布時間:2018-10-08    字號:【

          摘要:首先介紹了到2017年全國垃圾清運情況、焚燒情況,飛灰的產量、特性和處置方式,其次介紹本公司的飛灰處置方法,討論了它的工藝優勢,并對飛灰中的二噁英、重金屬和氯鹽的走向做了一個闡述,最后總結出本公司的處置方法解決了飛灰處置的難題,提供了一個新的工藝。

          一、引言

          在我國經濟飛速發展的推動下,人們生活水平不斷提升,使得城市垃圾產量越來越多。城市在處理垃圾方面,主要是填埋法、焚燒法等,其中,焚燒能夠極大地減容,并且殺死垃圾中的各種病菌,同時產生很多熱能被回收循環使用。垃圾在焚燒的過程中,會產生大量富含有毒有害物質的飛灰,如二噁英和重金屬(Cr、Pb、Cu等),解決好飛灰無害化和資源化問題,對促進我國環保產業的發展有極大的現實意義。

          1、全國垃圾清運及處理現狀

          2016年,我國城市和縣城生活垃圾全年清運量達到2.7億噸,其中城市20362萬噸[1],縣城0.7億噸,與2015年相比整體增加5%。全國城市焚燒處理能力25.6萬噸/日,處理量為20.2萬噸/日,焚燒廠負荷率在80% 左右;縣城焚燒處理能力2.2萬噸/日,處理量1.6萬噸/日,焚燒廠負荷率在70%。[2]

          《“十三五”全國城鎮生活垃圾無害化處理設施建設規劃》規定:到2020年底,全國焚燒處理能力為59.14萬噸/日;大多數直轄市、計劃單列市和省會城市(建成區)要實現原生垃圾“零填埋”;設市城市生活垃圾焚燒處理能力占無害化處理總能力的50%以上,其中東部地區達到60%以上。

          2、焚燒處理爐型

          《城市生活垃圾處理及污染防治技術政策》(建城[2000]120號)也明確提出,垃圾焚燒目前宜采用以爐排爐為基礎的成熟技術,審慎采用其它爐型的焚燒爐,禁止使用不能達到控制標準的焚燒爐。2016年統計,全國共有焚燒廠299座,總處理規模28萬噸/日,總裝機容量5234MW,其中爐排爐焚燒廠241座,處理規模22萬噸/日,裝機容量3926MW;流化床焚燒廠58座,處理規模6萬噸/日,裝機容量1308MW。[3]

          3、焚燒市場

          2016年底我國垃圾焚燒處理能力為25.59萬噸/日,到2020年末目標達到59.1萬噸/日,預計到2020年我國垃圾焚燒運營規模將達到390億元(約為美國的2.6倍)。

          截止2016年底,前三名分別為錦江環境、康恒環境、光大國際,市場占有率分別為11.2%,10.6%和9.1%。

          預計2020年后或十三五后期,龍頭企業將進一步提升市占率。[4]

          4、飛灰的產量

          目前,國內主流的垃圾焚燒爐主要為爐排爐和流化床兩種形式,爐排爐飛灰產生量約為垃圾處理量的3-5%,流化床飛灰產生量約為垃圾處理量的10-15%。據統計,目前我國每年焚燒生活垃圾產生的飛灰量超過400萬噸,到2020年,每年排放飛灰將達到約800-1000萬噸。

          5、飛灰的特性

          飛灰是指在垃圾焚燒過程中產生的煙氣在凈化系統收集而得的細顆粒物質。飛灰的粒度大部分為1.0μm ~ 30μm,主要成分為:CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3 等物質,含有微量Ni、Mn、Cu、Cr、Cd、Hg等金屬氧化物。因此,《國家危險廢棄物名錄》已經明確規定生活垃圾焚燒飛灰為危險廢棄物(編號HW18)。

          6、飛灰主要處置方法

          1) 螯合填埋

          螯合是通過化學反應使其有毒有害物質轉變為低溶解性、低遷移率和低毒性的過程。目前處理飛灰的藥劑一般分為有機藥劑和無機藥劑,有機藥劑大多是一種水溶性的高分子類螯合劑,與重金屬進行較強的配位反應,生成不溶于水的穩定的絡合物,達到重金屬固化/穩定化的作用;無機藥劑主要是一些與金屬易反應,易形成不溶于水的金屬化合物。藥劑穩定化消耗的藥劑量較少,處理后的廢棄物基本實現不增容。但是螯合法對于二噁英作用很低,產生的固化體只能放置在中性或弱堿性的環境中,否則重金屬將會重新溶出污染環境。

          2) 水泥窯協同處置

          水泥窯協同處置是將垃圾焚燒飛灰在窯爐中煅燒,從而將有害的二噁英完全分解掉,重金屬固化在水泥熟料晶格中。該方法運行成本低,能防止二次污染,實現了飛灰減量化、無害化和資源化處理。此外,飛灰部分替代石灰石可降低煅燒過程的消耗,減少了CO2的排放。我國利用水泥窯協同處置垃圾焚燒飛灰的技術起步較晚,2012年金隅琉璃河水泥公司建成了國內首條無害化處置城市垃圾焚燒飛灰的示范線,2017年二線建成,飛灰年處理能力達7萬噸。

          由于我國飛灰中的氯元素含量較高,因此進窯協同處置前需要進行洗滌脫氯處理,而且在處置過程中,易揮發的重金屬及化合物會進入煙氣中,需對其進行檢測和控制,防止對大氣造成污染。

          3) 熔融固化技術

          垃圾焚燒飛灰經加熱熔融之后,在高溫之下,能夠把飛灰內的有機污染物完全分解,形成穩定的玻璃體,防止重金屬浸出。這種熔渣可以當做建筑材料,實現資源有效利用。

          熔融法最大的優勢是,能夠較好地提升建筑材料的質量。但是,熔融固化的處理方法會將物料持續加溫到熔點,能源和費用非常高。

          二、生活垃圾焚燒飛灰無害化處置工藝流程

          我司根據原料飛灰的主要成分是氧化鈣、二氧化硅、三氧化二鋁、三氧化二鐵、氧化鉀、氧化鈉等,判斷出它屬于SiO2-Al2O3-CaO-Fe2O3體系,可以做水泥生產的原料。另外,飛灰的主要危害物是二噁英、重金屬和氯鹽。二噁英在水泥窯1400℃的高溫下3秒鐘就可以完全分解掉;重金屬可以固化在水泥晶格中不會對環境造成傷害;氯鹽所以通過水洗去除,并且氯鹽通過MVR蒸發分鹽,可以實現了廢水零排放和資源化利用。

          在工藝流程和配置上,我司根據客戶提供的垃圾焚燒飛灰分析數據為基礎,在滿足處理要求的前提下,綜合考慮工藝的可靠性、穩定性,投資成本、運行成本等,設計最具性價比的方案,具體如下:

          1. 工藝流程分四個部分,分別是:

          第一部分——循環梯度洗滌;

          第二部分——干燥輸送入窯;

          第三部分——水處理;

          第四部分——蒸發分鹽;

          (1) 循環梯度洗滌

          根據城市生活垃圾焚燒飛灰物質含量的分析情況,為保證垃圾焚燒飛灰水洗后各項元素能達到《HJ662-2013 水泥窯協同處置固體廢物環境保護技術規范》和《GB30760-2014 水泥窯協同處置固體廢物技術規范》的進窯要求,尤其是氯離子(水洗飛灰在入窯生料中大約占5%)低于0.04%的標準限制。利用我司獨有的專利技術對垃圾焚燒飛灰進行循環梯度洗滌:分步洗滌,循環利用,多次提濃,逐步降低。可以一邊提高溶液中鹽的濃度,一邊降低固體中氯的含量,雙管齊下,同時進行。

          工藝主要的優點如下:

          首先,在保證入窯氯離子達標的情況下,整個過程用水量最少,同時減輕了后續蒸發分鹽部分的蒸發壓力;其次,在原料飛灰產生波動的情況下,工藝可以隨時調整,保證成品灰達到入窯要求。最后,操作簡單易于維修。

          (2) 干燥輸送進窯

          根據我司的工程經驗,響應國家資源利用的號召,考慮企業節能降耗,降低成本的實際需求,利用水泥窯頭篦冷機冷卻換熱得到的150-200℃熱風去干燥水洗飛灰,得到成品灰,再通過氣流輸送設備送至水泥窯燒制水泥熟料。整個系統尾氣并入水泥窯尾氣處理系統。

          工藝優點很明顯,節能降耗,降低企業運行成本,同時避免影響窯的操作運行。

          (3) 水處理

          蒸發設備對進液的濃度、硬度、濁度都有一個基本要求,水處理是為了滿足蒸發分鹽部分的進液要求,水處理后蒸發設備就可以長期,穩定,可靠的運行。否則的話,就會造成蒸發量達不到要求、能耗過高、設備頻繁停機清洗等等不利于正常生產的情況出現,嚴重時甚至會損傷設備,造成不必要的損失。

          (4) 蒸發分鹽

          蒸發分鹽部分是廢水零排放,資源回收利用的重要部分,是企業實現3R(減量化、再利用、回收再利用)的關鍵環節。其原理是利用高能效蒸汽壓縮機壓縮蒸發產生的二次蒸汽,把電能轉換成熱能,通過蒸發器實現自循環和自我蒸發濃縮,達到降低能耗的目的。

          前處理送過來的溶液,經過與冷凝水、不凝氣、生蒸汽的三級換熱,達到溫度要求后,輸送至MVR蒸發器中,進行蒸發、濃縮、結晶,溶液中氯化鈉達到濃度要求后,分離出氯化鈉,母液返回蒸發系統;再蒸發到一定濃度后,溶液中氯化鉀達到濃度要求后,進入氯化鉀結晶罐,通過真空冷卻、結晶、離心,分離出氯化鉀,母液返回蒸發系統。整個蒸發過程中產生的冷卻水送至循環梯度洗滌部分再用。

          根據多年的運行情況來看,使用MVR蒸發器比傳統蒸發器節省80%以上的能源,節省90%以上的冷凝水,減少50%以上的占地面積。

          2. 工藝優勢

          (1) 工藝具有獨創性和針對性

          生活垃圾焚燒飛灰無害化處置成套系統采用循環梯度洗滌+干燥輸送進窯+水處理+蒸發分鹽的工藝設計,具有:穩定可靠,操作簡單,易于控制,處理效果好,運行成本低等諸多優點。

          整套工藝采用我司獨有的專利技術,結合實際飛灰的產量、含量以及當地水泥窯情況,專門設計了一條適合當地城市的生活垃圾焚燒飛灰無害化處理成套處理系統。

          (2) 系統設計余量充分考慮原料波動性和城市未來的增長性。

          由于生活垃圾焚燒飛灰來源于生活垃圾,垃圾本身就具有很大的波動性和區域性,比如東邊城區和西邊城區,生活區和工業區,他們在主成分、含鹽量、重金屬等等都有很大區別。所以,生活垃圾焚燒飛灰也具有很大的波動性和區域性,因此我們在系統的余量設計上留有較大的空間,保證系統不會由于原料飛灰含量的變化而影響正常生產。

          同時,我們也充分考慮整個城市未來3-5年的人口和垃圾的增長速度、國內垃圾處理方式的改進、國家環保政策的變化等等影響飛灰產量和含量變化的因素,并在此基礎上結合我們的技術和經驗進行專門的設計。

          (3) 工藝先進、自動化程度高、易于監控操作

          生活垃圾焚燒飛灰無害化處理成套系統采用全自動操作控制,根據流量、溫度、壓力、液位、密度、PH、濁度等信號反饋,通過對電機、閥門的控制,實現洗滌、過濾、蒸發、結晶、清洗、輸送、停開機等工藝過程。控制系統采用PLC或DCS模式,中央控制室監控、操作,外加人工定時巡檢、檢測、分析等,設備自動+人工雙重報警、雙重調整,可以有效的保持整個系統動態平衡,穩定運行。

          三、討論和優化

          1、飛灰中的二噁英走向和分布

          按照生活垃圾焚燒飛灰無害化處置系統的工藝流程,二噁英在飛灰處置過程中的走向如下圖:

          原料飛灰重的二噁英最終被分到成品灰、煙氣、冷凝水、鈉鹽、鉀鹽中。華北電力、中國環科院固廢所和北京金隅琉水環保科技有限公司對北京金隅琉水的水泥窯協同處置生活垃圾焚燒飛灰示范線的二噁英進行追蹤研究,發現原料飛灰遷移和降解特性如下表2:

          以每小時進入水洗罐的原飛灰中所含二噁英量為100%計,經過水洗處理后,99.97%的二英仍留在成品灰中,僅有0.08%和0.14%的二噁英分別通過烘干廢氣和結晶鹽排出;以每小時投入水泥窯窯尾煙室的飛灰所含二噁英為100%計,僅有0.82%、0.13%和0.002%的二噁英分別隨窯灰、熟料、煙氣排出,飛灰中的二噁英在水泥窯內的消減率達到了99%以上,實現了較為徹底的降解。[5]

          2、水洗過程中氯鹽的去向

          飛灰中20-30%的氯鹽在循環梯度洗滌中被溶解到水中,最后在蒸發器中被濃縮成鈉鹽和鉀鹽。

          3、重金屬的走向

          飛灰中的重金屬一部分屬于可溶于水的金屬鹽,一部分屬于不可溶于水的。可溶水的金屬鹽在水處理工序中形成沉淀變成不可溶,再返回至循環梯度洗滌,隨循環梯度洗后的飛灰干燥后進入成品灰,并隨同成品灰進入水泥窯協同處置,最后被固化在水泥熟料晶格中。

          4、循環水

          整個系統水循環使用,中間有部分損失,洗滌一噸飛灰需要補水0.8噸。

          四、工程應用案例

          目前我公司在全國已建有2條飛灰處置生產線,年處理飛灰7萬噸。具體工藝參數如下:

          1、技術指標

          2、運營成本分析

          五、結論

          總之,垃圾焚燒后會產生大量富含有毒有害物質的飛灰,這些飛灰中含有較多易熔鹽類的物質、重金屬以及二噁英等物質。飛灰的穩定化無害化處理方法,需要耗費大量的人力、物力、財力等,處理起來非常困難。

          北京中潔藍環保科技有限公司的生活垃圾焚燒飛灰無害化處置工藝,整體投資少、運行費用低、自動化程度高、操作簡單,而且不存在二次污染,全部實現資源化,有效地解決了目前飛灰處理難題。

          中國水泥網將于2018年10月17-18日在浙江金華舉行“2018第六屆中國水泥節能環保技術交流大會”,本次大會以“深度節能 智能智造 超低排放”為主題,北京中潔藍環保科技有限公司也將出席會議并上臺演講,敬請期待!

          作者:李勝

          單位:北京中潔藍環保科技有限公司

          版權聲明:本文內容來源于"中國水泥網", 版權歸原作者所有;我們對文中觀點保持中立,內容只做參考交流學習之用。

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