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2018年10月15日 14:37:57
生活垃圾焚烧飞灰水泥窑协同处置应用研究

一、引言

在我国经济飞速发展的推动下,人们生活水平不断提升,使得城市垃圾产量越来越多。城市在处理垃圾方面,主要是填埋法、焚烧法等,其中,焚烧能够极大地减容,并且杀死垃圾中的各种病菌,同时产生很多热能被回收循环使用。垃圾在焚烧的过程中,会产生大量富含有毒有害物质的飞灰,如二噁英和重金属(Cr、Pb、Cu等),解决好飞灰无害化和资源化问题,对促进我国环保产业的发展有极大的现实意义。

1、全国垃圾清运及处理现状

2016年,我国城市和县城生活垃圾全年清运量达到2.7亿吨,其中城市20362万吨[1],县城0.7亿吨,与2015年相比整体增加5%。全国城市焚烧处理能力25.6万吨/日,处理量为20.2万吨/日,焚烧厂负荷率在80% 左右;县城焚烧处理能力2.2万吨/日,处理量1.6万吨/日,焚烧厂负荷率在70%。[2]

“十三五”全国城镇生活垃圾无害化处理设施建设规划》规定:到2020年底,全国焚烧处理能力为59.14万吨/日;大多数直辖市、计划单列市和省会城市(建成区)要实现原生垃圾“零填埋”;设市城市生活垃圾焚烧处理能力占无害化处理总能力的50%以上,其中东部地区达到60%以上。

2、焚烧处理炉型

《城市生活垃圾处理及污染防治技术政策》(建城[2000]120号)也明确提出,垃圾焚烧目前宜采用以炉排炉为基础的成熟技术,审慎采用其它炉型的焚烧炉,禁止使用不能达到控制标准的焚烧炉。2016年统计,全国共有焚烧厂299座,总处理规模28万吨/日,总装机容量5234MW,其中炉排炉焚烧厂241座,处理规模22万吨/日,装机容量3926MW;流化床焚烧厂58座,处理规模6万吨/日,装机容量1308MW。[3]

3、焚烧市场

2016年底我国垃圾焚烧处理能力为25.59万吨/日,到2020年末目标达到59.1万吨/日,预计到2020年我国垃圾焚烧运营规模将达到390亿元(约为美国的2.6倍)。

截止2016年底,前三名分别为锦江环境、康恒环境、光大国际,市场占有率分别为11.2%,10.6%和9.1%。

预计2020年后或十三五后期,龙头企业将进一步提升市占率。[4]

4、飞灰的产量

目前,国内主流的垃圾焚烧炉主要为炉排炉和流化床两种形式,炉排炉飞灰产生量约为垃圾处理量的3-5%,流化床飞灰产生量约为垃圾处理量的10-15%。据统计,目前我国每年焚烧生活垃圾产生的飞灰量超过400万吨,到2020年,每年排放飞灰将达到约800-1000万吨。

5、飞灰的特性

飞灰是指在垃圾焚烧过程中产生的烟气在净化系统收集而得的细颗粒物质。飞灰的粒度大部分为1.0μm ~ 30μm,主要成分为:CaO、SiO2Al2O3Fe2O3 等物质,含有微量Ni、Mn、Cu、Cr、Cd、Hg等金属氧化物。因此,《国家危险废弃物名录》已经明确规定生活垃圾焚烧飞灰为危险废弃物(编号HW18)。

6、飞灰主要处置方法

1) 螯合填埋

螯合是通过化学反应使其有毒有害物质转变为低溶解性、低迁移率和低毒性的过程。目前处理飞灰的药剂一般分为有机药剂和无机药剂,有机药剂大多是一种水溶性的高分子类螯合剂,与重金属进行较强的配位反应,生成不溶于水的稳定的络合物,达到重金属固化/稳定化的作用;无机药剂主要是一些与金属易反应,易形成不溶于水的金属化合物。药剂稳定化消耗的药剂量较少,处理后的废弃物基本实现不增容。但是螯合法对于二噁英作用很低,产生的固化体只能放置在中性或弱碱性的环境中,否则重金属将会重新溶出污染环境。

2) 水泥窑协同处置

水泥窑协同处置是将垃圾焚烧飞灰在窑炉中煅烧,从而将有害的二噁英完全分解掉,重金属固化在水泥熟料晶格中。该方法运行成本低,能防止二次污染,实现了飞灰减量化、无害化和资源化处理。此外,飞灰部分替代石灰石可降低煅烧过程的消耗,减少了CO2的排放。我国利用水泥窑协同处置垃圾焚烧飞灰的技术起步较晚,2012年金隅琉璃河水泥公司建成了国内首条无害化处置城市垃圾焚烧飞灰的示范线,2017年二线建成,飞灰年处理能力达7万吨。

由于我国飞灰中的氯元素含量较高,因此进窑协同处置前需要进行洗涤脱氯处理,而且在处置过程中,易挥发的重金属及化合物会进入烟气中,需对其进行检测和控制,防止对大气造成污染。

3) 熔融固化技术

垃圾焚烧飞灰经加热熔融之后,在高温之下,能够把飞灰内的有机污染物完全分解,形成稳定的玻璃体,防止重金属浸出。这种熔渣可以当做建筑材料,实现资源有效利用。

熔融法最大的优势是,能够较好地提升建筑材料的质量。但是,熔融固化的处理方法会将物料持续加温到熔点,能源和费用非常高。

二、生活垃圾焚烧飞灰无害化处置工艺流程

我司根据原料飞灰的主要成分是氧化钙、二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁、氧化钾、氧化钠等,判断出它属于SiO2-Al2O3-CaO-Fe2O3体系,可以做水泥生产的原料。另外,飞灰的主要危害物是二噁英、重金属和氯盐。二噁英在水泥窑1400℃的高温下3秒钟就可以完全分解掉;重金属可以固化在水泥晶格中不会对环境造成伤害;氯盐所以通过水洗去除,并且氯盐通过MVR蒸发分盐,可以实现了废水零排放和资源化利用。

在工艺流程和配置上,我司根据客户提供的垃圾焚烧飞灰分析数据为基础,在满足处理要求的前提下,综合考虑工艺的可靠性、稳定性,投资成本、运行成本等,设计最具性价比的方案,具体如下:

1. 工艺流程分四个部分,分别是:

第一部分——循环梯度洗涤;

第二部分——干燥输送入窑;

第三部分——水处理;

第四部分——蒸发分盐;

工艺流程方框图如下:

(1) 循环梯度洗涤

根据城市生活垃圾焚烧飞灰物质含量的分析情况,为保证垃圾焚烧飞灰水洗后各项元素能达到《HJ662-2013 水泥窑协同处置固体废物环境保护技术规范》和《GB30760-2014 水泥窑协同处置固体废物技术规范》的进窑要求,尤其是氯离子(水洗飞灰在入窑生料中大约占5%)低于0.04%的标准限制。利用我司独有的专利技术对垃圾焚烧飞灰进行循环梯度洗涤:分步洗涤,循环利用,多次提浓,逐步降低。可以一边提高溶液中盐的浓度,一边降低固体中氯的含量,双管齐下,同时进行。

工艺主要的优点如下

首先,在保证入窑氯离子达标的情况下,整个过程用水量最少,同时减轻了后续蒸发分盐部分的蒸发压力;其次,在原料飞灰产生波动的情况下,工艺可以随时调整,保证成品灰达到入窑要求。最后,操作简单易于维修。

(2) 干燥输送进窑

根据我司的工程经验,响应国家资源利用的号召,考虑企业节能降耗,降低成本的实际需求,利用水泥窑头篦冷机冷却换热得到的150-200℃热风去干燥水洗飞灰,得到成品灰,再通过气流输送设备送至水泥窑烧制水泥熟料。整个系统尾气并入水泥窑尾气处理系统。

工艺优点很明显,节能降耗,降低企业运行成本,同时避免影响窑的操作运行。

(3) 水处理

    蒸发设备对进液的浓度、硬度、浊度都有一个基本要求,水处理是满足蒸发分盐部分的进液要求,水处理后蒸发设备就可以长期,稳定,可靠的运行。否则的话,就会造成蒸发量达不到要求、能耗过高、设备频繁停机清洗等等不利于正常生产的情况出现,严重时甚至会损伤设备,造成不必要的损失。

(4) 蒸发分盐

蒸发分盐部分是废水零排放,资源回收利用的重要部分,是企业实现3R(减量化、再利用、回收再利用)的关键环节。其原理是利用高能效蒸汽压缩机压缩蒸发产生的二次蒸汽,把电能转换成热能,通过蒸发器实现自循环和自我蒸发浓缩,达到降低能耗的目的。

前处理送过来的溶液,经过与冷凝水、不凝气、生蒸汽的三级换热,达到温度要求后,输送至MVR蒸发器中,进行蒸发、浓缩、结晶,溶液中氯化钠达到浓度要求后,分离出氯化钠,母液返回蒸发系统;再蒸发到一定浓度后,溶液中氯化钾达到浓度要求后,进入氯化钾结晶罐,通过真空冷却、结晶、离心,分离出氯化钾,母液返回蒸发系统。整个蒸发过程中产生的冷却水送至循环梯度洗涤部分再用。

根据多年的运行情况来看,使用MVR蒸发器比传统蒸发器节省80%以上的能源,节省90%以上的冷凝水,减少50%以上的占地面积。

2. 工艺优势

(1) 工艺具有独创性和针对性

生活垃圾焚烧飞灰无害化处置成套系统采用循环梯度洗涤+干燥输送进窑+水处理+蒸发分盐的工艺设计,具有:稳定可靠,操作简单,易于控制,处理效果好,运行成本低等诸多优点。

整套工艺采用我司独有的专利技术,结合实际飞灰的产量、含量以及当地水泥窑情况,专门设计了一条适合当地城市的生活垃圾焚烧飞灰无害化处理成套处理系统。

(2) 系统设计余量充分考虑原料波动性和城市未来的增长性。

由于生活垃圾焚烧飞灰来源于生活垃圾,垃圾本身就具有很大的波动性和区域性,比如东边城区和西边城区,生活区和工业区,他们在主成分、含盐量、重金属等等都有很大区别。所以,生活垃圾焚烧飞灰也具有很大的波动性和区域性,因此我们在系统的余量设计上留有较大的空间,保证系统不会由于原料飞灰含量的变化而影响正常生产。

同时,我们也充分考虑整个城市未来3-5年的人口和垃圾的增长速度、国内垃圾处理方式的改进、国家环保政策的变化等等影响飞灰产量和含量变化的因素,并在此基础上结合我们的技术和经验进行专门的设计。

(3) 工艺先进、自动化程度高、易于监控操作

生活垃圾焚烧飞灰无害化处理成套系统采用全自动操作控制,根据流量、温度、压力、液位、密度、PH、浊度等信号反馈,通过对电机、阀门的控制,实现洗涤、过滤、蒸发、结晶、清洗、输送、停开机等工艺过程。控制系统采用PLC或DCS模式,中央控制室监控、操作,外加人工定时巡检、检测、分析等,设备自动+人工双重报警、双重调整,可以有效的保持整个系统动态平衡,稳定运行。

三、讨论和优化

1、飞灰中的二噁英走向和分布

按照生活垃圾焚烧飞灰无害化处置系统的工艺流程,二噁英在飞灰处置过程中的走向如下图:

 

原料飞灰重的二噁英最终被分到成品灰、烟气、冷凝水、钠盐、钾盐中。华北电力、中国环科院固废所和北京金隅琉水环保科技有限公司对北京金隅琉水的水泥窑协同处置生活垃圾焚烧飞灰示范线的二噁英进行追踪研究,发现原料飞灰迁移和降解特性如下表2:

2 飞灰无害化处置过程中迁移和降解表

名称

二噁英含量

二噁英输入输出速率μg/h

排放标准

飞灰

530ng/Kg

2561.49

 

成品灰

270ng/Kg

2553.66

 

冷凝水

9.7×10-4ng/L

0.013

 

钾钠盐

2.8ng/Kg

3.5

 

烟气

0.077ng/m3

2.07

 

以每小时进入水洗罐的原飞灰中所含二噁英量为100%计,经过水洗处理后,99.97%的二英仍留在成品灰中,仅有0.08%和0.14%的二噁英分别通过烘干废气和结晶盐排出;以每小时投入水泥窑窑尾烟室的飞灰所含二噁英为100%计,仅有0.82%、0.13%和0.002%的二噁英分别随窑灰、熟料、烟气排出,飞灰中的二噁英在水泥窑内的消减率达到了99%以上,实现了较为彻底的降解。[5]

2、水洗过程中氯盐的去向

飞灰中20-30%的氯盐在循环梯度洗涤中被溶解到水中,最后在蒸发器中被浓缩成钠盐和钾盐。

3、重金属的走向

飞灰中的重金属一部分属于可溶于水的金属盐,一部分属于不可溶于水的。可溶水的金属盐在水处理工序中形成沉淀变成不可溶,再返回至循环梯度洗涤,随循环梯度洗后的飞灰干燥后进入成品灰,并随同成品灰进入水泥窑协同处置,最后被固化在水泥熟料晶格中。

4、循环水

整个系统水循环使用,中间有部分损失,洗涤一吨飞灰需要补水0.8吨。

 

四、工程应用案例

目前我公司在全国已建有2条飞灰处置生产线,年处理飞灰7万吨。具体工艺参数如下:

1、技术指标

3.6万吨/年生活垃圾焚烧飞灰无害化处理成套系统项目技术性能指标

序号

项    目

指    标

1

系统处理量t/h

4.5

2

成品灰产量t/h

3.75

3

氯化钠产量t/h

0.9

4

氯化钾产量t/h

0.25

5

系统总装机功率kw.h

3476

6

占地面积m2

4000

 

 

2、运营成本分析

3.6万吨/年生活垃圾焚烧飞灰无害化处理成套系统项目运行成本(8000小时/年)

飞灰处理量

4.5

t/h

 

 

 

 

指标

 

 

价格

 

成本

 

补充水量

3.5

t/h

3.0

10.5

补充蒸汽

1.20

t/h

240

288

电耗

2781

kwh

0.75

2085.75

冷却水

120.00

t/h

0.4

48

药剂

1064.6

其他损耗

134.9

人工

200

每小时成本

3831.75

每吨飞灰成本

851.5

每年运行成本

3065.4

万元

 

 

五、结论

总之,垃圾焚烧后会产生大量富含有毒有害物质的飞灰,这些飞灰中含有较多易熔盐类的物质、重金属以及二噁英等物质。飞灰的稳定化无害化处理方法,需要耗费大量的人力、物力、财力等,处理起来非常困难。

北京中洁蓝环保科技有限公司的生活垃圾焚烧飞灰无害化处置工艺,整体投资少、运行费用低、自动化程度高、操作简单,而且不存在二次污染,全部实现资源化,有效地解决了目前飞灰处理难题。

 

 

参考文献:

1、《中国统计年鉴》,中国统计局,2017年

2、《中国生活垃圾处理行业发展报告面向新时代的机遇与挑战》,中国城市环境卫生协会和中国城市建设研究院有限公司,2017年

3、《中国生活垃圾处理行业发展报告面向新时代的机遇与挑战》,中国城市环境卫生协会和中国城市建设研究院有限公司,2017年

4、《垃圾焚烧行业研究报告》,王玮嘉,华泰证券研究所,2017年

5、《水泥窑协同处置生活垃圾焚烧飞灰过程中二英的迁移和降解特性》,肖海平, 茹 宇, 李 丽, 闫大海 , 彭 政, 王 宁, 张国亮,环境科学研报,2017年


作者:北京中洁蓝环保科技有限公司  出处:北京中洁蓝环保科技有限公司  
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