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垃圾焚烧烟气高温净化反应产物的收尘技术 ＊ 梅红生 陈德珍 林 瑜 茅清希 同济大学热能与环境工程研究所, 上海 200092 摘要 利用石灰作吸收剂在较高温度段净化垃圾焚烧烟气中所含的酸性气体, 并及时进行收尘有利于焚烧炉的安全、 经济运行。 本实验在实验室规模的旋风分离器实验台上, 对中、高温烟气工况下石灰净化 HCl 气体后的反应产物的分 离效率以及反应产物的粒径变化规律进行了研究。 试验结果表明 高温下石灰颗粒尤其是反应后的产物存在着团聚 现象 , 并且产物团聚现象随烟气温度升高而加剧, 进而显著地影响了分离效率, 使 450～ 760 ℃范围内的分离效率提高 到 94以上。 关键词 旋风分离器 高温 粒径分布 分离效率 团聚 ＊国家教育部留学回归基金和国家自然基金 50006009 近年来垃圾焚烧技术在我国得到了较快的推广 应用 ,但烟气净化和焚烧飞灰稳定化处理的问题日益 突出 。目前常用的烟气净化方法是在烟气的低温段 300 ℃ 以下 进行湿法或半干法处理 ,虽然净化效率 高,但是会带来大量难以处理的废渣 布袋或静电收 尘器收集的飞灰被定义为危险固废, 需要特殊的处 理。如果烟气净化反应产物与飞灰在一起收集,更加 大了危险固废的处理量。在烟气的中、高温段进行有 效的净化同时分离飞灰和反应产物 ,能够有效降低酸 性气体 HCl 、 Cl2 对后续换热面的高温腐蚀, 同时减 轻颗粒物对换热面的冲刷和在受热面上积灰 ,提高焚 烧炉的安全性并提高热回收效率; 同时高温收集的飞 灰容易处理; 另外还能有效抑制二英的产生 [ 1] 。 旋风分离器是一种利用惯性离心力进行气固分 离的设备,能够应用于高温工况, 并且简单、方便、易 于安装和维护; 同时 , 旋风分离器还可以起到辅助反 应器的作用,提高酸性气体的净化效率 。高温烟气净 化包括飞灰分离和酸性气体净化及净化产物分离 ,本 文主要研究酸性气体净化产物的高温分离规律,在实 验室规模的高温旋风分离器实验台上, 探讨了高温和 净化反应对石灰吸收剂颗粒粒径的变化及分离效率 的影响。飞灰和酸性气体净化产物同时分离收集的 规律研究将另外报道 。 1 实验系统 1. 1 实验装置与方法 高温烟气净化实验台 见图 1 主要由高温烟气 发生装置 Ⅰ 、加料装置 Ⅱ 、HCl 气体发生 部分 Ⅲ 及浓度检测装置 、 气体净化分离装置 Ⅳ 流量与 温度监测控制装置和烟气冷却部分Ⅴ 等组成。高 温烟气的温度可在 450 ～ 1 100 ℃内调节 , 由燃用石 油液化气产生。出于加料及安全等方面的考虑,风机 设置在实验系统末端, 这样整个系统都处于负压状 态。由于烟气温度很高, 因此在风机入口前设置了一 个混风器利用冷空气对烟气进行混合降温,混风量由 球阀控制; 同时 ,通过控制球阀的开启度 ,能够对系统 管道中的烟气流量进行有效控制。实验中,燃烧器产 生的高温烟气在炉膛后部和HCl 气体混合,得到模拟 焚烧炉烟气 ; 然后进入水平烟道, 和吸收剂颗粒混合 反应后进入旋风分离器分离反应产物; 净化后的烟气 与冷空气混合降温后经风机排至室外。 1空气压缩机; 2干燥瓶; 3流量计; 4浓盐酸槽; 5热电偶; 6皮带加料器; 7料斗; 8笛形管; 9旋风分离器; 10U 型压差计; 11电加热器; 12混风箱; 13球阀; 14风机; 15采样瓶; 16采样泵。 图 1 高温烟气净化实验台系统 旋风分离器 、 烟道及部件等均采用不锈钢管材料 制作 ,以防 HCl 气体对烟道的高 、 低温腐蚀 。图 1 中 的斯泰尔曼 Stairmand 旋风分离器是一种结构简单, 应用广泛的高效分离器, 在以往常温工况的特性研究 中,常常将它用作研究的对象或者比较的对象, 很多研 究者都对它进行过详细的测试和理论推导,实验资料 36 环 境 工 程 2006年 8 月第24 卷第4 期 和理论基础较为完备, 对于进行高温分离和烟气净化 的研究探索, 这些资料数据具有重要的指导意义。因 此本实验采用标准斯泰尔曼旋风分离器,筒体内径 Dc 采用150mm,结构如图 2,其它尺寸见参考文献[ 2] 。 图 2 标准Stairmand 旋风分离器 图3 中的石灰加料装置由变速电机、皮带输送器 和料斗等组成以实现均匀加料 ,如图3 所示。由于系 统设计为负压, 所以吸收剂颗粒可以顺畅地通过料斗 吸入管道之中。 图 3 石灰加料装置 考虑到烟气温度较高, 毕托管的银焊有可能开 裂,因此本实验采用笛形管 图 4 和微压计对流量进 行监测。 图4 笛形管 颗粒粒径用激光粒度仪测量, 由于石灰颗粒遇水 会反应,因此采用石蜡作为分散剂 。 1. 2 吸收剂 本实验采用普通熟石灰和经钠碱液消化后的改 性石灰作为吸收剂, 原料来自宝山石灰厂生产的工业 生石灰 CaO ,见表 1 。生石灰用水消化获得普通熟 石灰, 用 NaOH 溶液消化处理后 , 获得改性石灰吸收 剂 [ 3] ,相关特性见表 2。 表 1 实验所用的石灰 工业生石灰 原料成分 CaO CaCO3 MgO SiO2Al2O3Fe2O3 S ≥93≤2≤ 2≤ 0. 50. 3 注 标明细度为 100 目 表 2 实验所用的石灰吸收剂 吸收剂比表面积 m2g - 1 索太尔平均直径 μ m 普通石灰15 . 73 . 05 改性石灰9. 956 . 11 2 实验结果和分析 2. 1 分离效率的测定与计算 由于高温烟气不适宜颗粒物浓度采样,本实验分 离效率采用称重法进行测定, 即 η dust G3 G1 100 1 式中 G1、G3 分别为吸收剂加料量和旋风分离器 灰斗中分离下来的颗粒物质量。 但由于吸收剂颗粒在分离的过程中也进行了一 系列化学反应, 因此上述 ηdust不是真实的分离效率, 需要按实际情况进行一定的质量换算。 当吸收剂颗粒 Ca OH2 投入到烟道中以后, 首 先会受热发生分解 Ca OH2CaO H2O 2 同时吸收HCl 气体 Ca OH2 2HClCaCl2 2H2O 3 还与 CO2反应 Ca OH2 CO2CaCO3 H2O 4 最终在灰斗中捕集下来的反应产物主要由 CaO、 CaCl2和 CaCO3组成 。设捕 集产物中 CaO、CaCl2、 CaCO3的摩尔组成份额分别为 x 、y 、z ,通过热分解实 验和产物溶解并测量氯、钙离子浓度可得到份额 y 、 z 的数值 ,然后根据关系式 x y z 1 可计算出份额 x 。根据质量守恒, 换算成投入的 Ca OH2质量为 G3′ 74 56 x 74 111y 74 100z G3 5 则实际分离效率的计算式为 η G3′ G1 100 6 2. 2 烟气温度对吸收剂颗粒粒径的影响 烟气温度对生成物颗粒粒径有较显著的影响。 图5 是用激光粒径分析仪对灰斗中捕集的反应产物 颗粒索太尔平均粒径的测量结果,图中“改性”表示使 37 环 境 工 程 2006年 8 月第24 卷第4 期 用改性石灰 ,“普通”表示普通石灰, 流速为旋风分离 器入口流速 , 其它同 。从图 5 中可以看出 反应产物 颗粒粒径随烟气温度的上升而增大 。而图 6 是其它 反应条件相同, 温度不断变化的条件下收集的反应产 物用激光粒径分析仪分析测量结果 ,并与投入的石灰 和在高温下通过反应器但未反应的石灰进行对比 ,很 显然粒径分布随烟气温度的上升而有规律地向右偏 移; 并且HCl 的吸收反应明显地提高了颗粒的尺寸。 图 5 烟气温度对生成物索太尔粒径的影响 图 6 烟气温度对生成物粒径分布的影响 尽管惯性分离过程本身具有一定的粒径选择 性 小粒径颗粒容易逃逸, 造成被捕集颗粒的粒径 分布会在一定程度上向大粒径偏移 ,但在图 6 中可以 看出 ,本实验中的产物粒径分布的变化已经超出了惯 性分离对颗粒粒径的选择范围。另外分级效率的计 算也印证了这一点 计算表明, 当颗粒粒径超过20 μ m 后,对应的分级效率都达到 100; 因此可以证明, 产 物颗 粒 在 分 离 过 程 中 发 生 了 较 强 烈 的 团 聚 现象 。 旋风分离器内部是强烈的湍流流场 ,为颗粒间频 繁碰撞进而团聚提供了必要条件 ; 在常温工况下, 由 于颗粒间粘性力 范德华力、 静电力等 相对于弹性力 很微弱 ,颗粒在碰撞后马上又分离了, 因此没有明显 的团聚现象发生 。而在本实验的高温条件下 ,石灰颗 粒在进行化学反应的同时 ,其反应产物和一些附着在 颗粒表面的易融杂质在高温下开始软化和熔融,使粘 附力得到了极大增强 ,并且超过了促成破碎和分离的 弹性力 ,于是发生了团聚现象, 并且随着烟气温度的 上升而加强 。在灰斗中, 由于仍处于高温和颗粒间的 接触, 团聚现象可能会继续进行, 形成粒径更大的颗 粒,其它粉尘在高温下的团聚也有报道 [ 4] 。 2. 3 烟气温度对分离效率的影响 以往按相似理论对高温工况进行推算时 ,常常忽 略粒径的变化 随着温度的上升,烟气粘性增大,涡流 指数减小进而造成切向速度降低, 致使分离效率降 低; 虽然烟气密度的减小 ,又有利于分离 ,但由于对分 离效率有直接影响的是颗粒物与烟气间的密度差 Δρ ρ p-ρg ,而这部分的变化很小 ,对分离效率的 影响也很弱 ,因此总的趋势是随烟气温度上升, 分离 效率有明显的下降 [ 5,6] 。 按照经典的临界分离理论 ,旋风分离器内部任一 位置所对应的一个临界颗粒直径 dpc dpc 1 vθ wθ 18μg ρpCc 1 P Rw 1 2 r Rw 2 - Re Rw 2 -PRw 1 3 r Rw 3 - Re Rw 3 7 可以看出 , 临界粒径是位置半径 r 和切向角 Q 的函数,即 dpcf r, θ 8 在该位置, 直径大于 dpc的固相颗粒可被完全分 离,直径小于 dpc的固相颗粒则不被分离 ,因此该位置 的分离率为 P ∫ ∞ ln dpc f lndp d lndp 9 同时 ,该点的颗粒浓度可表示为 C r, θ C01 - ∫ ∞ ln dpc f lndp d lndp 10 根据边界层分离理论 , 可依次推导出分级效率 ηg及总效率 ηT的表达式 ηg1 -exp ρpd 2 pCc 18μg∫ θ T 0 C Rw, θ Rwvθ w ∫ Rw Re C r , θ rdr dθ 11 ηT∫ ∞ 0 ηg dp fin dp ddp 12 式中 μg 气体动力粘度 Pa s; 38 环 境 工 程 2006年 8 月第24 卷第4 期 vθ w 筒体壁面处的切向速度 m s; ρp 固相颗粒密度 kg m 3 ; Cc Cunningham 修正系数 ; dp 固相颗粒粒径 m; C0 固相颗粒初始浓度 kg m 3 ; fin dp 固相颗粒初始粒径分布; Re、 Rw 排出管和筒体半径 m 。 最后通过电算, 得到分级效率和总效率。 图7 中的分散点是本次实验得到的结果, 曲线是 根据加料石灰的粒径分布依据式 7 ～ 12 计算出的 总分离效率。对比理论计算得到的结果以及以往采 用石英粉尘高温得到的实验数据 [ 4] , 可以看出 本实 验得到的分离效率偏高 ,均保持在 94以上 , 较计算 值高出 10～ 15以上 , 也说明通过分级效率对分 离机理进行分析的方法在本实验中不适用 。其主要 原因是团聚造成了粒径分布的变化 ,从而造成总分离 效率的提高。虽然温度升高使烟气粘度急剧上升 ,但 是在高温下石灰吸收剂颗粒反应后产物和附着在颗 粒表面的易融杂质开始软化和熔融 ,使颗粒间的粘附 力增大,团聚现象加剧,颗粒粒径增大, 抵消分离效率 下降的效果也加强。 图 7 烟气温度对生成物分离效率的影响 HCl 浓度 478～ 614 mg m3, 钙氯比 2 此外,在高温烟气中 ,石灰颗粒本身因吸收 HCl 气体和CO2生成不同于原始石灰的反应产物 ,引起密 度增加 , 也使分离效率得以维持 。 当温度继续升高 时,一方面石灰会分解 , 另一方面吸收剂颗粒间会发 生更强烈的团聚现象 。使高温工况下的情况要比常 温下的复杂得多 ,对分离机理的研究还需要进一步地 深入; 在实际应用时 , 也需要针对具体情况进行具体 分析 。 3 结论 主要研究了 450～ 760 ℃ 范围内石灰净化 HCl 气 体后反应产物的旋风分离效果 。研究表明,反应产物 在旋风分离器内发生了较强烈的团聚现象,造成颗粒 度分布向大粒径偏移 ,并且团聚现象随烟气温度的上 升而加剧。团聚现象的发生使高温下的分离效率显 著提高 ,初始索太尔平均粒径为 6. 11 μ m 的石灰颗粒 在450～ 760 ℃ 经过不完全反应后的高温分离效率均 在94 以上, 较不考虑团聚现象时的理论预测高出 10～ 15 以上, 有利于利用旋风分离器高温分离烟 气的净化反应产物。此外 ,由于高温下烟气粘度的上 升以及流态的变化, 实际实验数据仍呈现旋风分离器 的效率随温度上升而下降的趋势。 参考文献 [ 1] Milligan Michael. S. and Altwicker, Elmar R. Mechanistic aspects of the de novo synthesis of polychlorinated dibenzo-p -dioxins and furans in fly ash from experiments using isotopically labeled reagents. Environmental Science and Technology-Columbus,1995, 29 5 1353 -1358. [ 2] Stairmand C. J. Design and perance of cylone separators Institution of chemical Engineer -Transactions, 1951, 29 3 356 -373. [ 3] 汪雄平, 陈德珍等. 改性石灰中高温净化 HCl 的试验研究. 工程 热物理学报,2002, 23 增刊 229 -232. [ 4] 许世森. 细微尘粒的预团聚对旋风分离器高温除尘性能影响的 实验研究. 动力工程, 1999, 19 4 309-313. [ 5] 刁永发, 沈恒根等. 高温旋风分离分级效率的理论计算及其分 析. 化工机械,2000, 27 1 16 -19. [ 6] Jianyi Chen and Mingxian Shi . Analysis on cyclone collection efficiencies at high temperatures. China Particuology , 2003,1 1 20 -26. 作者通讯处 陈德珍 200092 同济大学热能与环境工程研究所 2005- 08-30 收稿 上接第 35页 [ 2] Kong Z, Farhana L, Roberta R, Fulthorpe D, Allen G . Treatment of Volatile Organic Compounds in a Biotricking Filter under Thermophilic Condition. Environ Sic Technol, 2001, 35 4347 -4352. [ 3] Matteau Y, RamsayB. Active Compost Biofiltration of Toluene . Biodegradation, 1997,8 135 -141. [ 4] 廖雷, 钱公望, 蓝惠霞. 曝气生物滴滤器净化油烟废气的实验研 究. 华南理工大学学报,2002, 30 8 95 -98. [ 5] 杨二辉, 李太平, 赵长洪等. 高温优势菌生物膜法处理含油污水 的中试. 环境工程,2004, 22 3 11 -13. [ 6] 孙石, 黄兵, 黄若华等. 生物法废气净化专用微生物菌种及其 作用. 中国环境科学,2002, 22 1 28 -31. 作者通讯处 钟秦 210094 南京理工大学化工学院 304 教研室 电话 025 84315517 2005- 08-15 收稿 39 环 境 工 程 2006年 8 月第24 卷第4 期 standards, the ditch can not operate regularly. According to the condition, the working parameters of the ditch are adjusted to the pattern under the low organic loading and the operational pattern under this situation is also found out. Keywords wastewater treatment, organic loading , three -tank oxidation ditch, aeration, sludge loading and sludge residence time TREATMENT OF LEACHATE BY IMMOBILIZED MICROORGANISMS TECHNOLOGY Xiao Meilan Ye Zhengfang Ni Jinren et al 25 Abstract A full -scale plant of leachate treatment by immobilized microorganisms technology was built with a capacity of 60 m3 d. The running results showed thatwhenCODCrand ammonia -nitrogen of the influentwere about 1980 mg L and820mg L respectively, the effluentCODCr and ammonia -nitrogen were 130 mg L and 0. 80 mg L. The results also indicated that this technology had an ablity to resist loads fluctuating. Microorgannism especially the nitrobacteria was never restrained by the variation of the influent quality. Keywords immobilizedmicroorganisms, biological aerobic filter bed BAF system, leachate and high ammonia -nitrogen APPLICATION OF PROCESS OF USRIOD IN TREATMENT OF PIG FARM WASTEWATER Zheng Yuyi 27 Abstract The process of USR and IOD was used to treat the pig farm wastewater in an engineering example. Its design parameters and operationwere introduced. The monitoring results of completed engineering approval show that all effluent pollutant indices can meet the requirements of the Professional Discharge Standard. Keywords USR, IOD and livestock wastewater MIXINGTREATMENTTECHNOLOGYFOR LIVESTOCKANDPOULTRYCULTIVATION WASTEWATERDeng Shihuai Li Yuanwei Zheng Renhong et al 29 Abstract Aiming at the problem of high contents of CODCr, NH3-N and SS in wastewater, a combined process of airfloat-ABR -CASS- constructedwetland and ecological pond was used. Result showed that the contents of CODCr, NH3-N, SS of treatedwastewater couldmeet the first- level discharge criteria in GB8978 -1996. Keywords livestock and poultry cultivation wastewater, technique and discharge standard EFFECT ANALYSIS OF OPERATIONPRACTICE IN THE SEWAGE TREATMENT PLANT USING DAT-IAT PROCESSSu Qingyong Chu Jinyu 31 Abstract DAT -IAT process is used in a sewage treatment plant of Tianjin Economic and Technical Development Zone. The operating effect in both summer andwinter was compared and the removal effect of organic matter in both DAT tank and IAT tank was analysed. The discovery shows that the removal effect of CODCrand BOD5was almost the same in summer and winter. The removal effect of BOD5was much more complete. The removal rate of BOD5in DAT tank would make an unfavorable influence towards removing phosphorus and nitrogen. Keywords DAT -IAT, sewage treatment plant and removal effect INVESTIGATION ON PURIFYING TOLUENE WASTE GAS IN BIOTRICKLING FILTERS UNDER THERMOPHILIC CONDITIONSWang Juan Zhong Qin Li Jianlin 34 Abstract The objectives of this research were to investigate the potential to biologically treat toluene waste gas at thermophilic conditions and to examine the dominant strains to degrade toluene at high temperatures. The results showed that the dominant strains had poor adaptation to toluene gasafter cultured in toluene liquid. The biofilm edinpacking of a biotrickling filter BTFtendto stabilization after 120 h～ 140 h. The removal efficiency was highest at 40 ℃, and then at 30 ℃, 50 ℃, 60 ℃. The average removal efficiency were 82. 7, 74. 8, 59. 5and 55. 9. The dominant strain was bacillus and ball bacterium, of which the bacillus grew easier on the packing, but ball bacterium had good adaptation under thermophilic condition. New by -productwas found when the temperature was above 40 ℃. Keywords biotrickling filter BTF , thermophilic, toluene, treating waste gas and volatile organic compounds VOCs DUST COLLECTION OF HIGH -TEMPERATURE PURIFIED REACTION PRODUCT OF SMOKE BY INCINERATING REFUSESMei Hongsheng ChenDezhen Lin Yu et al 36 Abstract Removing the acidic gases in the flue gaswith lime particles at high temperature and separating the reaction product immediately benefit the operation of incinerator and improves its safety and economy. It was researched the separation efficiency of reaction product from a cyclone and the variation of particulate size distribution of lime particles by a Stairmand type model atmedium and hightemperatures. Experimental results showed that agglomerations happened among lime particulates at high temperature and resulted in a significant increase of the particle size. Consequently the dust collection efficiency was above 94 at a temperature range of 450～ 760 ℃. Keywords cyclone, high temperature, particulate size distribution, separation efficiency and agglomeration 3 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 24,No. 4, Aug . , 2006