城市生活垃圾焚烧酸性烟气排放特性及净化研究

摘要

城市生活垃圾产量增长迅速，垃圾处理已经成为一个世界关注的问题。本着“资源化、减量化、无害化”的原则，垃圾焚烧技术得到了广泛的推广。目前垃圾焚烧处理存在的主要问题是垃圾焚烧产生的酸性烟气二次污染严重，净化效率低，迫切需要研发设计符合工业化应用的垃圾焚烧烟气高效脱除净化系统，从根本上实现净化效率的提高，达到既节约现有资源又减少环境污染的双重效果。
　　 流化床技术焚烧处理垃圾是国内外研究的热点之一。目前国内外研究主要集中在对垃圾焚烧处理方面，对酸性烟气净化过程中的动态变化研究较少。论文针对垃圾焚烧产生酸性烟气的特点及净化机理，选用投资较小、能耗低、净化效率高、净化产物为干态的喷雾干燥法进行酸性烟气的净化研究，将塔内两相流动特性及净化过程中两相动态变化特性研究结合起来，提高净化效率及弄清影响参数。研究内容具有重要的学术意义和广阔的工程应用背景。
　　 论文使用热分析天平，对不同的垃圾组分进行燃烧特性实验，获得了垃圾各组分(厨余、塑料、纸类、布类、果皮、枝叶等)的着火点、活化能等特性参数。通过垃圾CFB焚烧实验，研究了垃圾焚烧产生烟气的生成机理及排放特性，弄清焚烧过程中床层温度、过量空气系数等参数对酸性烟气排放的影响。提出在喷雾干燥塔内加装均流板的方法，建立其物理模型与数学模型，并进行了数值模拟，深入分析不同参数条件下喷雾干燥塔内烟气迹线、塔内浆滴空间分布及塔内气液两相流动特性。以模型中的结构设计实验装置，进行了垃圾焚烧酸性烟气喷雾干燥净化实验，测试了塔内温度沿轴向及径向的分布，考察了化学计量比、均流板开孔区域直径、入口烟温及入口烟气流速等参数对脱酸效率的影响。在此基础上，建立了SO2、HCl的脱除干燥数学模型，考察了实验中化学计量比、均流板开孔区域直径等参数影响的模拟结果，研究了浆滴粒径对脱酸效率的影响，考察了酸性烟气及浆滴在吸收过程中的动态特性，得到了烟气温度、浆滴中固体质量及脱酸效率等参数随时间的动态变化规律。
　　 垃圾燃烧特性实验及动力学研究表明：不同的垃圾组分对燃烧过程、挥发份析出、着火温度及燃尽特性、燃烧及燃烧放热性能有重要影响；垃圾的燃烧维持了各单一组分的特性，整体燃烧特性可用各组分特性叠加来表示。燃烧特性分析为垃圾CFB燃烧及烟气排放研究提供参考。
　　 垃圾的CFB焚烧酸性烟气排放的实验研究表明：①随床层温度的增加，烟气中NO、SO2、HCl排放浓度增加。②随过量空气系数的增加，烟气中NO排放浓度开始增加迅速之后趋于平缓，SO2排放浓度增加，HCl排放浓度减小。③随钙硫比的增加，烟气中NO排放浓度增加，SO2的排放浓度减小，HCl的排放浓度减小。
　　 喷雾干燥塔内两相流动特性的模拟研究表明：①有均流板的干燥塔内烟气迹线分布均匀，充满度好，浆滴空间分布好。②利用迹线图、速度矢量图、速度截面图及温度场分布等方法验证了结构设计的优势和合理性，确定了4m/s的最佳进气速度。③当开孔区域直径增加时，塔内的阻力减小，浆滴的粘壁率先增加再减小。
　　 垃圾焚烧酸性烟气喷雾干燥净化的实验研究表明：①在均流板开孔率为25％，开孔直径8mm，均流板开孔区域直径0.7m时，干燥塔内部温度场分布好，结构设计合理。②随着化学计量比(SR)的增大，SO2、HCl净化效率增大，在SR≥2时净化效率增长趋缓。均流板开孔区域直径小于0.4m时，SO2、HCl的净化效率增加迅速，大于0.4m时增长缓慢。③随入口烟气温度的增大，SO2脱除效率增加明显，HCl脱除效率变化不大。随烟气流速及石灰浆浓度的增大，SO2和HCl脱除效率都减小。④加入5L/h增湿水后，SO2、HCl净化效率都比无增湿水时高。
　　 垃圾焚烧酸性烟气喷雾干燥净化的模拟研究表明：①在不同化学计量比、均流板的开孔区域直径及石灰浆浓度下，模拟值与实验值曲线变化趋势一致，吻合较好，所建数学模型合理。②随着浆滴粒径的增加，脱除效率先升高，后降低，烟气温度下降速度变慢，浆滴内水分蒸发变慢；同粒径条件下，HCl达到最大脱除效率的时间要比SO2短。③随着烟气温度增加，浆滴中固体质量增加放慢，达到稳态的时间延长，浆滴中水分蒸发加快，SO2和HCl的脱除效率增加。
　　 本文对垃圾焚烧烟气喷雾干燥净化进行了深入研究，为进一步研究、开发垃圾焚烧烟气高效净化技术奠定了坚实的理论基础，在资源综合利用与环境保护方面有着十分广阔的工程应用前景。