增塑劑鄰苯二甲酸二辛脂(DOP)生產中固廢燃燒特性及活性炭凈化燃燒煙氣效果研究

李 靜

(煙臺云灃生態環境產業發展股份有限公司,山東 煙臺 264000)

增塑劑是一種用途廣泛的化學制劑,但在制作過程中會產生一些固體廢料,這些固體廢料的主要成分為有機物,可采用焚燒方式處理。我國對廢物焚燒煙氣的排放標準提出了嚴格要求,在了解DOP生產固廢燃燒特性的前提下采取活性炭吸附燃燒煙氣,可降低煙氣中顆粒物和揮發性有機物的濃度,是一種成本較低且實用性強的方法。

1 DOP生產固廢燃燒特性實驗

1.1 實驗裝置

實驗裝置:電子天平、管式爐、熱重分析儀、流量顯示儀、冷凝循環器、氣相色譜質譜檢測儀等,如圖1所示。

圖1 實驗裝置Fig.1 Diagram of experimental device

1.2 方法

使用電子天平稱取一定質量的DOP生產固廢材料置于石英盅內。打開壓縮瓶閥門,使壓縮空氣經導管吹入燃燒爐內的耐高溫石英玻璃管中。燃燒過程中,改變管式爐的升溫速率及壓縮空氣的風量,得到不同的燃燒條件。燃燒產生的煙氣分為兩部分:一部分從出口a進入到氣相色譜質譜檢測儀,分析煙氣成分及各類成分的濃度。另一部分經冷凝循環器降溫后使用活性炭吸附、凈化,從出口b排放到空氣中[1]。實驗中所用壓縮空氣的成分為N2(78.9%)、O2(21.0%)、CO2(0.03%)、H2O(0.07%)。

1.3 結果分析

1.3.1 燃燒時間對煙氣主要成分濃度的影響

將出口a處的閥門關閉,并在出口b處收集煙氣,檢測煙氣中O2、CO、SO2、NO 4種主要成分的濃度。在管式爐升溫速率15 ℃/min、空氣流量5 L/min、檢測初始溫度120 ℃、結束溫度600 ℃、最高溫度停留時間10 min的條件下,DOP生產固廢燃燒煙氣中O2與CO的濃度為負相關,如圖2所示。氮氧化物主要以NO形式存在,SO2的含量極低,但是兩者的濃度極低,均在5 ppm以下,且濃度不會隨燃燒時間的變化而發生明顯改變。

圖2 不同時間煙氣中O2和CO的濃度變化曲線Fig.2 Concentration curve of O2 and CO in flue gas at different time

DOP生產固廢燃燒煙氣中,CO是在溫度達到200 ℃后才產生的,在溫度達不到200 ℃時,煙氣中含有少量的小分子碳鏈揮發性有機物[2]。在100 ℃～200 ℃,每升高20 ℃抽取一次等量煙氣,使用氣相色譜質譜檢測儀分析煙氣中甲烷與非甲烷總烴含量。按照同樣方法測定了200 ℃～700 ℃煙氣中甲烷與非甲烷總烴含量,結果如圖3所示。

圖3 不同燃燒溫度下甲烷與非甲烷的濃度變化曲線Fig.3 Plots of methane and non-methane concentrations at different combustion temperatures

結合圖3可知,燃燒溫度在100 ℃～200 ℃時,煙氣中甲烷和非甲烷總烴的含量較為穩定,甲烷總烴的含量在1.48～1.50 mg/m3,非甲烷總烴的含量在2.60～3.30 mg/m3。隨著燃燒溫度的升高,在200 ℃～700 ℃,甲烷總烴含量沒有明顯變化,但是非甲烷總烴含量變化幅度較大,在400℃時達到峰值,為68.6 mg/m3,之后逐漸降低。原因是在400 ℃時DOP固廢材料中小分子碳鏈揮發性有機物已經充分燃燒,非甲烷總烴濃度最高,之后煙氣中非甲烷總烴被吹入的壓縮空氣稀釋,濃度不斷降低[3]。

1.3.2 升溫速度與空氣流量對DOP生產固廢燃燒充分性的影響

DOP生產固廢燃燒越充分,煙氣中的CO濃度越低。通過收集煙氣并檢測CO濃度,可以得出當前燃燒條件對燃燒充分性的影響。設定了2種燃燒變量,即升溫速度與空氣流量。

在升溫速度方面,設有8 ℃/min、10 ℃/min、12 ℃/min和14 ℃/min 4個變量。對比發現,隨著升溫速度的增加,煙氣中CO濃度的峰值出現得更早,且峰值濃度更高。升溫速度為14 ℃/min時,CO濃度峰值為1 366 ppm,峰值出現在22.7 min處。升溫速度為8 ℃/min時,CO濃度峰值為407 ppm,峰值出現在34.1 min處。由此可知,在DOP生產固廢燃燒過程中升溫速度越快,燃燒越不充分。

在空氣流量方面,設有2.5 L/min、3.0 L/min、3.5 L/min、4.0 L/min 4個變量。對比發現,空氣流量越小,煙氣中CO濃度的峰值越大,但是改變空氣流量對CO濃度峰值的出現時間沒有明顯影響。空氣流量為2.5 L/min時,CO濃度峰值出現在11.7 min處,此時CO濃度達到了1 075 ppm?？諝饬髁繛?.0 L/min時,CO濃度峰值出現在11.9 min處,此時CO濃度為336 ppm。由此可知,在DOP生產固廢燃燒過程中加大空氣流量,可使燃燒更加充分。

2 活性炭凈化技術

2.1 活性炭吸附煙氣中的顆粒物

DOP生產固廢燃燒時,可調整通入的空氣流量,待燃燒結束后取下活性炭篩網,清理篩網上附著的顆粒物。精確稱量顆粒物質量,換算后即可得到煙氣顆粒物濃度[4],換算公式為:

C折=C×(21-C1)/(21-C2)

式中,C折表示折算后的顆粒物濃度;C表示稱量的顆粒物質量;C1表示行業內氧氣基準值,火電廠取6%,垃圾焚燒廠取11%;C2表示煙氣中的氧氣濃度[5]。實驗中分別使用了200目篩網與500目篩網,對比發現,兩種孔徑大小不同的篩網在不同風量下清理得到的顆粒物粒徑沒有明顯差異,均在30～40 μm。實驗中使用精密電子秤稱取1.0 g的DOP生產固廢燃料,設置管式爐的升溫速率為15 ℃/min,使燃料充分燃燒。在一個直徑為20 mm、長度為150 mm的圓柱形塑料管內填充13.0 g的活性炭,分別測定風量在2.6 m3/h、2.8 m3/h、3 m3/h……4.2 m3/h時篩網上顆粒物的質量。以500畝篩網為例,篩網上顆粒物質量折算成濃度后,其變化曲線如圖4所示。

圖4 500目篩網截取顆粒物濃度Fig.4 Particulate matter concentration map intercepted by 500 mesh screen

由圖4可知,無論是活性炭凈化前還是凈化后,不同空氣流量對煙氣中顆粒物濃度的影響都不明顯。活性炭凈化后,當空氣流量為2.6 m3/h時,顆粒物濃度為6.8 mg/m3。當空氣流量為4.2 m3/h時,顆粒物濃度為6.5 mg/m3,差異基本可以忽略不計。但是在相同空氣流量下使用活性炭凈化煙氣,顆粒物濃度明顯降低。以風量為3.2 m3/h為例,凈化前燃燒煙氣的顆粒物濃度為37.3 mg/m3,凈化后降低至7.1 mg/m3,說明活性炭對DOP生產固廢燃燒煙氣的凈化效果十分明顯。

2.2 活性炭吸附煙氣中的VOCs

DOP生產固廢燃燒煙氣中含有大量的揮發性有機物(VOCs),如果直接排放到大氣中會降低空氣質量,對人體健康造成威脅。使用同樣的實驗裝置驗證活性炭對VOCs的吸附能力,不同溫度下活性炭吸附前后煙氣中VOCs的濃度變化如圖5所示。

圖5 不同溫度下有機物濃度變化曲線Fig.5 Curves of organic matter concentrations at different temperatures

由圖5可知,不同溫度下燃燒煙氣中的VOCs濃度存在明顯變化,溫度為300 ℃和500 ℃時,分別出現了VOCs濃度高峰,濃度最高達到了108.4 mg/m3。溫度為300 ℃時,經過活性炭吸附,VOCs濃度降為82.4 mg/m3,降低了26.0 mg/m3,表明活性炭能夠有效凈化DOP固廢燃燒煙氣。

3 結論

實驗表明,DOP生產中的固廢燃燒過程中,改變空氣流量、燃燒溫度及燃燒時間均會對煙氣中的顆粒物及揮發性有機物的濃度產生影響。根據固廢質量調整空氣流量、燃燒溫度及燃燒時間,能夠使燃燒產生的污染物濃度降至最低,在此基礎上配合使用活性炭吸附,可令燃燒煙氣達到排放標準。