危險(xiǎn)廢物焚燒系統(tǒng)低顆粒物排放技術(shù)的研究

陳焱妍

（北京京城環(huán)保股份有限公司，北京 100027）

危險(xiǎn)廢物（以下簡(jiǎn)稱危廢）種類繁多，危險(xiǎn)特性各異，處置方法也多種多樣。其中，焚燒法是實(shí)現(xiàn)減量化、無(wú)害化的最快捷、最有效的方法[1]。危廢焚燒處置過(guò)程產(chǎn)生大量的煙氣，煙氣的主要污染因子包括顆粒物、酸性氣態(tài)污染物等。其中顆粒物既含有多種有害的重金屬汞、鉻、鉛等以及其化合物；又可以吸附有害氣體；同時(shí)自身也具有催化作用，例如顆粒物中的Fe2O3，可催化SO2，使其氧化成SO3，SO3吸收水蒸氣能生成比SO2毒性大10倍的硫酸霧[2]。因此，顆粒物排放濃度是環(huán)保工藝設(shè)計(jì)中主要的控制指標(biāo)之一。

國(guó)家早在2001年發(fā)布了GB 18484—2001《危險(xiǎn)廢物焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡(jiǎn)稱舊國(guó)標(biāo)）。此后，各地相繼出臺(tái)了更加嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。在2021年7月1日，新的GB 18484—2020《危險(xiǎn)廢物焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡(jiǎn)稱新國(guó)標(biāo)）正式實(shí)施。2001年頒發(fā)的舊國(guó)標(biāo)要求顆粒物排放濃度限值最低為65 mg/m3，“十一五”至“十三五”期間，在生態(tài)環(huán)境保護(hù)的高壓態(tài)勢(shì)下，各地陸續(xù)頒布了更加嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，其中，山東省的排放標(biāo)準(zhǔn)最低，核心控制區(qū)僅為5 mg/m3。今年頒布的新國(guó)標(biāo)中顆粒物1小時(shí)平均排放濃度限值為30 mg/m3，不到舊國(guó)標(biāo)的50%；取消了不同焚燒容量時(shí)排放濃度限值的區(qū)別，對(duì)于小焚燒容量項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，排放濃度限值降幅更大，運(yùn)行穩(wěn)定性要求更高；新增了24小時(shí)或日均排放限值20 mg/m3的要求，全面考慮了焚燒系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行、顆粒物對(duì)環(huán)境具有短期和長(zhǎng)期危害等因素。

在新國(guó)標(biāo)正式實(shí)施前，有大量的危廢焚燒處置企業(yè)已經(jīng)建設(shè)完畢并投入運(yùn)行。根據(jù)生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截至2019年底，全國(guó)共頒發(fā)危險(xiǎn)廢物（含醫(yī)療廢物）經(jīng)營(yíng)許可證共4 195份，同比增長(zhǎng)30.28%。按照建設(shè)時(shí)間分析，其中大部分小規(guī)模處置企業(yè)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低于新國(guó)標(biāo)，需要進(jìn)行提標(biāo)改造，自2022年1月1日起執(zhí)行新國(guó)標(biāo)的排放限值要求。

1 某危廢焚燒處置系統(tǒng)提標(biāo)改造需求分析

1.1 項(xiàng)目原工藝設(shè)計(jì)

以2018年投運(yùn)的某危廢焚燒項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目焚燒容量為30 t/d，危廢設(shè)計(jì)平均熱值為4 000 kcal/kg，除塵系統(tǒng)入口煙氣量為14 000 Nm3/h，除塵系統(tǒng)入口煙氣溫度為180℃，除塵系統(tǒng)入口顆粒物濃度為1 300 mg/m3，除塵系統(tǒng)入口顆粒物濃度為80 mg/m3。

危廢進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯和二燃室焚燒，產(chǎn)生的煙氣依次經(jīng)過(guò)余熱鍋爐、急冷塔、干式脫酸塔后進(jìn)入除塵系統(tǒng)。除塵系統(tǒng)采用袋式除塵器，濾袋材質(zhì)為PTFE針刺氈覆膜濾料，清灰方式為在線脈沖反吹清灰。除塵器過(guò)濾面積為644 m2，過(guò)濾風(fēng)速為0.6 m2，濾袋規(guī)格為Φ160×4500 mm。

該項(xiàng)目2018年某日10：00、13：00和16：00的顆粒物排放濃度監(jiān)測(cè)數(shù)值分別為46.3、48.8和34.4 mg/m3。經(jīng)過(guò)袋式除塵器凈化后，煙氣顆粒物排放濃度為30～50 mg/m3，可以滿足項(xiàng)目建設(shè)時(shí)的排放要求，但仍高于新國(guó)標(biāo)中顆粒物排放濃度1小時(shí)平均限值30 mg/m3且24小時(shí)或日平均限值20 mg/m3的要求。

針對(duì)項(xiàng)目原運(yùn)行情況進(jìn)行分析，要達(dá)到新國(guó)標(biāo)顆粒物排放濃度要求，主要從兩方面著手：

（1）進(jìn)一步提高袋式除塵器除塵效率。

（2）提高除霧效率，降低濕法脫酸后的液滴攜帶量。煙氣通過(guò)濕法脫酸后含有較多的水分，絕大多數(shù)以霧滴的形式存在，霧滴體積小、數(shù)量多、比表面積大，與煙氣中的絕大多數(shù)顆粒物融合。原設(shè)計(jì)采取直接排放，煙囪出口特別是冬季呈現(xiàn)濃重的“白煙”，造成“視覺(jué)污染”，清除煙氣中的霧滴是實(shí)現(xiàn)排放濃度達(dá)標(biāo)的重要任務(wù)。

1.2 項(xiàng)目原廠區(qū)設(shè)備布置

該項(xiàng)目系統(tǒng)設(shè)備布置緊湊，除塵系統(tǒng)改造作業(yè)可利用的空間有限，主要涉及除塵系統(tǒng)和濕法脫酸系統(tǒng)的所在區(qū)域。袋式除塵器、濕法脫酸塔四周布滿鋼架和檢修平臺(tái)；工藝管路縱橫；最后一段煙氣管路上設(shè)有在線監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)，需要保證測(cè)點(diǎn)上游、下游均留有足夠的直管段長(zhǎng)度；煙囪附近設(shè)有地上洗滌水池。改造所能利用的空間非常有限，若大規(guī)模拆除重建，工程量大，改造成本高。設(shè)施停運(yùn)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)企業(yè)經(jīng)營(yíng)影響較大。新工藝的選擇需要充分考慮設(shè)備占地空間、改造施工的工作量及其可行性。

2 提標(biāo)改造方案的設(shè)計(jì)

2.1 工藝方案的選擇

針對(duì)新國(guó)標(biāo)中低顆粒物排放的要求，考慮改造空間、改造工期等對(duì)項(xiàng)目運(yùn)行影響最小，初步選擇了兩種方案：串聯(lián)兩級(jí)袋式除塵器和袋式除塵器+濕式靜電除霧器。

2.1.1 串聯(lián)兩級(jí)袋式除塵器

串聯(lián)式兩級(jí)袋式除塵是一種具有應(yīng)用較為廣泛的工藝，在單臺(tái)袋式除塵器的煙氣出口串聯(lián)另一臺(tái)規(guī)格相近的袋式除塵器。

根據(jù)公式（1）計(jì)算可得，采用串聯(lián)兩級(jí)袋式除塵器的除塵效率優(yōu)于單級(jí)袋式除塵器。

式中η表示除塵總效率，η1表示一級(jí)除塵器的除塵效率，η2表示二級(jí)除塵器的除塵效率。

該項(xiàng)目中原袋式除塵器出口顆粒物排放濃度高于新國(guó)標(biāo)，采用串聯(lián)兩級(jí)袋式除塵器時(shí)，二級(jí)除塵器的除塵效率達(dá)到約60%即可滿足新國(guó)標(biāo)中顆粒物排放濃度要求。二級(jí)袋式除塵器可采用過(guò)濾精度更高的濾袋，適當(dāng)提高設(shè)計(jì)過(guò)濾風(fēng)速，從而減小過(guò)濾面積，縮小設(shè)備占地。

2.1.2 袋式除塵器+濕式靜電除霧器

濕式靜電除霧器廣泛應(yīng)用于燃煤電廠和鋼鐵工業(yè)超低排放中微細(xì)顆粒物的去除[3]。在原有濕式洗滌系統(tǒng)之后串入濕式靜電除霧器，可以進(jìn)一步高效去除濕式洗滌塔除霧器無(wú)法有效去除的細(xì)液滴，還可以起到“消白”的作用[4]。

濕式靜電除霧器耗電少，可設(shè)置調(diào)節(jié)檔位，根據(jù)運(yùn)行時(shí)煙氣中顆粒物濃度調(diào)節(jié)電流，從而調(diào)節(jié)耗電量。安裝空間靈活，可獨(dú)立于原有系統(tǒng)附近，重新設(shè)置土建基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，落地式或支撐于鋼架之上均可；也可以加設(shè)在原有濕法脫硫設(shè)備之上，適合老舊項(xiàng)目系統(tǒng)改造。

2.1.3 工藝方案的對(duì)比與選擇

對(duì)上述兩種改造方案，從占用空間、投資成本、運(yùn)行成本、改造難易程度等方面進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表1。

表1 改造方案對(duì)比

根據(jù)表1中各項(xiàng)目可見(jiàn)，與串聯(lián)兩級(jí)袋式除塵器的方案相比，袋式除塵器+濕式靜電除霧器的方案可節(jié)約設(shè)備投資約30%，節(jié)約年直接運(yùn)營(yíng)成本約25%；且改造工程量小、施工周期短、對(duì)企業(yè)運(yùn)行影響小。

綜上所述，采用在現(xiàn)有袋式除塵器+濕法脫酸的工藝路線基礎(chǔ)上，增加濕式電除霧器的工藝，起到進(jìn)一步降低顆粒物排放濃度和“消白”的作用，可滿足低顆粒物排放濃度要求，而且可減少設(shè)備投資，節(jié)約直接運(yùn)營(yíng)成本，減小改造工作量，縮短改造時(shí)間。

2.2 改造方案描述

危廢焚燒處置系統(tǒng)保留了原有焚燒、熱能回收再利用、急冷系統(tǒng)和干法脫酸、袋式除塵和濕法脫酸等主要工藝段，可保留原系統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)，利用原有土建基礎(chǔ)。除塵后的煙氣進(jìn)入濕法脫酸系統(tǒng)，濕法脫酸采用兩級(jí)洗滌工藝。煙氣從溫度170℃左右降低至約60℃進(jìn)入濕式靜電除霧器，煙氣中的顆粒物和霧滴被捕集后排入煙囪，保證外排煙氣顆粒物濃度滿足新國(guó)標(biāo)。

2.3 工藝參數(shù)計(jì)算

結(jié)合前文所列舉的危廢焚燒項(xiàng)目原工藝設(shè)計(jì)參數(shù)，根據(jù)式（2）計(jì)算出工況下的除塵系統(tǒng)入口理論煙氣量，根據(jù)式（3）計(jì)算出除塵系統(tǒng)入口的顆粒物濃度，根據(jù)式（4）計(jì)算出除塵系統(tǒng)所需的總除塵效率，根據(jù)式（1）計(jì)算出袋式除塵器和濕式靜電除霧器分別所需的除塵效率。

式（2）中Q工表示工況溫度180℃下的除塵系統(tǒng)入口理論煙氣量，Q標(biāo)表示273℃、101.325 kPa下的除塵系統(tǒng)入口理論煙氣量，T表示除塵系統(tǒng)入口煙氣溫度；式（3）中c入表示除塵系統(tǒng)入口的顆粒物濃度，m表示系統(tǒng)焚燒容量，λ表示飛灰設(shè)計(jì)含量；式（4）中η表示除塵系統(tǒng)所需要的除塵效率，c出表示除塵系統(tǒng)出口的顆粒物濃度。

根據(jù)式（1）（2）（3）（4）計(jì)算，改造后除塵系統(tǒng)濕式靜電除霧器入口煙氣量為15 700 Nm3/h，濕式靜電除霧器入口煙氣溫度為60℃，濕式靜電除霧器入口顆粒物濃度為50 mg/m3，顆粒物排放濃度為5 mg/m3。

2.4 設(shè)備工藝參數(shù)設(shè)計(jì)

2.4.1 濕式靜電除霧器參數(shù)

表2為濕式靜電除霧器參數(shù)。其中，靜電除霧器的除塵效率是設(shè)備的主要參數(shù)，根據(jù)式（5）計(jì)算，增大顆粒物的驅(qū)進(jìn)速度、增加陽(yáng)極管長(zhǎng)度、減小陽(yáng)極管半徑、降低煙氣流速有利于提高濕式靜電除霧器的除塵效率。

表2 濕式靜電除霧器設(shè)計(jì)參數(shù)

式中η表示除塵效率；ω表示顆粒物的驅(qū)進(jìn)速度；R表示陽(yáng)極管半徑；v表示煙氣在靜電除霧器中的流速；L表示陽(yáng)極管長(zhǎng)度。

從公式可得出，理論上，驅(qū)進(jìn)速度越大，陽(yáng)極管長(zhǎng)度越長(zhǎng)，陽(yáng)極管半徑越小，煙氣在靜電除霧器中的流速越小，除塵效率越高。綜合考慮設(shè)備費(fèi)效比，結(jié)合項(xiàng)目設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，濕式靜電除霧器陽(yáng)極管采用正六邊型“蜂窩”，內(nèi)切圓直徑取300 mm，陽(yáng)極管長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為6 000 mm，顆粒物驅(qū)進(jìn)速度取0.1 m/s[5]，煙氣流速選定為0.76 m/s。

此外，濕式靜電除霧器煙氣入口處設(shè)置氣體分布板，分布板開(kāi)孔率為30%，開(kāi)孔板上加裝200 mm厚陶瓷異鞍環(huán)（規(guī)格76 mm），提高煙氣均布性，從而進(jìn)一步提高除霧效率。

3 改造成果

該項(xiàng)目在改造后進(jìn)行了3次煙氣顆粒物排放檢測(cè)，檢測(cè)點(diǎn)位位于煙囪出口，檢測(cè)數(shù)據(jù)分別為3.6、3.2和3.4 mg/m3。經(jīng)過(guò)袋式除塵器+濕式靜電除塵器的凈化后，煙氣中的顆粒物濃度均低于5 mg/m3，可滿足新國(guó)標(biāo)中顆粒物排放濃度的要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

危廢焚燒處置系統(tǒng)煙氣顆粒物排放控制新國(guó)標(biāo)正式實(shí)施，新國(guó)標(biāo)排放限值大幅降低，由原最低1小時(shí)均值65 mg/m3降低為24小時(shí)均值20 mg/m3，國(guó)內(nèi)已建成的處置企業(yè)很難滿足新規(guī)范排放要求，系統(tǒng)改造升級(jí)迫在眉睫。結(jié)合現(xiàn)有焚燒處置系統(tǒng)煙氣凈化工藝現(xiàn)狀和設(shè)備布置可利用的空間，提出了一種既滿足新國(guó)標(biāo)顆粒物排放要求又兼顧經(jīng)濟(jì)性和可操性的技術(shù)改造方案--袋式除塵器+濕式靜電除塵器的工藝，即通過(guò)對(duì)布袋除塵器進(jìn)行升級(jí)改造，并在濕法脫酸設(shè)備后增設(shè)濕式靜電除霧器，有效降低排氣筒顆粒物排放濃度，可滿足新國(guó)標(biāo)中顆粒物排放濃度要求。