化工固廢焚燒處理技術(shù)的國際比較

化工固廢焚燒處理技術(shù)的國際比較

1城市生活垃圾處理現(xiàn)狀固體殘渣來自人類活動的所有方面，主要包括工業(yè)、采礦和城市居民的生活過程。固體廢物的主要排放源是礦業(yè)、冶金、煤炭、火力發(fā)電廠、各類化工廠和城市垃圾與糞便。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人口的增長和人民生活水平的提高,固體廢物的產(chǎn)生量在不斷增加。一般工業(yè)發(fā)達(dá)國家工業(yè)固體廢物的年增長率為2%～4%,我國城市生活垃圾的年增長率在10%左右。目前,我國的固體廢物污染控制已成為環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的突出問題之一。據(jù)統(tǒng)計,全國累積堆存廢物量已達(dá)60億t,占地5.4億m2。全國城市垃圾年產(chǎn)生量達(dá)1億以上,城市人均日產(chǎn)垃圾量已超過1kg,接近工業(yè)發(fā)達(dá)國家的水平。根據(jù)有關(guān)部門預(yù)測,2015年我國縣及縣以上企業(yè)固體廢棄物產(chǎn)生量將達(dá)到93267萬t,危險廢物將達(dá)到1399萬t。固體廢棄物對環(huán)境潛在的污染特點:數(shù)量巨大、種類繁多、成分復(fù)雜;滯留期久、危害性強(qiáng);處理過程產(chǎn)生新的污染源,如廢水、廢氣等。1.1從棄地到產(chǎn)菌固體廢物呆滯性大,擴(kuò)散性小,它對環(huán)境的影響主要是通過水、氣和土壤進(jìn)行的。侵入人體的具體途徑隨廢物的丟棄方式和污染物性質(zhì)不同而異。工礦固體廢物可形成化學(xué)物質(zhì)型污染。其中有害的化學(xué)物質(zhì)可從棄置堆存處隨地表徑流進(jìn)入江、河、湖、海及地下水體之中,也可通過土壤進(jìn)入食物鏈,粉塵則進(jìn)入大氣來危害人體健康。人畜糞便和生活垃圾是各種病源微生物的孳生地和繁殖場,能形成病原體型污染。它主要是進(jìn)入水體和食物鏈危害人類健康。1.2固體污染固體廢物對環(huán)境的危害主要表現(xiàn)在以下幾方面。1.2.1粉煤灰灰場的利用水平固體廢物如不加利用,就要占地堆放,如堆放一萬t鋼渣要占地一畝,堆放1萬t粉煤灰要占地2畝。按我國目前粉煤灰利用水平,到2000年末,我國粉煤灰灰場總占地近60萬畝(4.0萬ha)。目前,許多國家都出現(xiàn)了固體廢物與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活爭地的矛盾。我國許多城市利用市郊設(shè)置垃圾堆場,也侵占了大量農(nóng)田。1.2.2對土壤微生物的危害廢物任意堆放,其中的有害組分會污染土壤。土壤是很多細(xì)菌、真菌等微生物的聚居地。這些微生物在自然界的物質(zhì)循環(huán)中,擔(dān)負(fù)著重要任務(wù),有毒害的物質(zhì)一旦滲入土壤,會殺害土壤中的微生物,破壞土壤內(nèi)的生態(tài)平衡,嚴(yán)重的甚至導(dǎo)致草木不生。這種情況在20世紀(jì)六七十年代國外就已發(fā)生;80年代,我國內(nèi)蒙古的某尾礦堆污染了大片土地,造成一個鄉(xiāng)的居民被迫搬遷。據(jù)報道,我國受工業(yè)廢渣污染的農(nóng)田已達(dá)25萬畝(1.675萬ha)。1.2.3城市水體污染嚴(yán)重隨意堆存的固體廢物,隨天然降水和地表徑流匯入湖泊河流,或隨風(fēng)飄揚落入水體,使地面水受到污染;廢物的滲濾液流入土壤,使地下水受到污染;如果將廢物直接傾入河流、湖泊或海洋,則會造成更大水體的污染。據(jù)不完全統(tǒng)計,我國平均每年向江河湖海排放固體廢物約1500萬t,不僅使水質(zhì)變壞,河床上升和運輸受阻,甚至引起山洪爆發(fā)。由于向水體投棄廢物,我國20世紀(jì)80年代水域面積比20世紀(jì)50年代減少二千多萬畝(>134萬ha)。我國某鐵合金廠的鉻渣堆場,由于缺乏防滲措施,六價鉻污染了20多平方千米的土地,致使1800眼水井的水不能飲用,中心地區(qū)地下水含Cr6+離子質(zhì)量濃度達(dá)55mg/L,超過飲水允許含量的一千余倍。1.2.4增加大氣污染物含量固體廢物是大氣污染的主要污染源之一。它可通過多種途徑污染大氣。如尾礦、粉煤灰和干污泥等粉狀廢物容易隨風(fēng)飄揚,增加大氣中粉塵和有毒物的含量。某些有機(jī)廢物在適宜的溫度和濕度下,被微生物分解后可釋放出有毒氣體;有些廢渣本身或在焚燒時會散發(fā)出毒氣和臭氣污染大氣。1.2.5環(huán)境安全威脅工業(yè)廢渣和城市垃圾在城市中隨意堆放,既影響市容,又傳染疾病,特別是我國生活垃圾清運率還不高,無害化處理率低,部分垃圾堆存在城市的一些死角,嚴(yán)重影響環(huán)境衛(wèi)生,對人的健康構(gòu)成潛在的威脅。有些廢物,如某些礦業(yè)廢物,雖沒有毒性,但如果堆置不當(dāng),就可能發(fā)生泥石流、塌方和滑坡等嚴(yán)重的自然災(zāi)害。目前由于固體廢物引起的污染事件正在不斷增加。據(jù)報道,日本在1977年發(fā)生的公害事件中,因固體廢物造成的就有2489件,占公害事件總數(shù)的51.2%,而這一比例20世紀(jì)90年代已上升到84%。因此,防治固體廢物的污染是環(huán)境保護(hù)中的一個重要任務(wù)。1.3廢液中危險廢棄物的定義化工行業(yè)產(chǎn)生固體廢棄物主要特點是:產(chǎn)生量相對較大,幾乎所有化工裝置或多或少的都有廢固產(chǎn)生;化工行業(yè)的固體廢棄物成分復(fù)雜,多為危險廢棄物,如廢催化劑、污水處理污泥、含高濃度有機(jī)廢物(液)等。我國《固體法》中規(guī)定:“危險廢物是指列入國家危險廢物名錄或者根據(jù)國家規(guī)定的危險廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)和鑒別方法認(rèn)定的具有危險特性的廢物”。所謂危險特性,通常包括急性毒性、易燃性、反應(yīng)性、腐蝕性、浸出毒性和疾病傳染性。2國家污水處理廠目前比較常用的處理固廢的方法有:生物處理技術(shù)、熱處理技術(shù)(包括焚燒技術(shù)和熱解技術(shù))、填埋技術(shù)等。在這些處理技術(shù)中,化工行業(yè)比較常用的方法是焚燒處理技術(shù)。焚燒是一種高溫處理技術(shù),即以一定量的過?？諝馀c被處理的有機(jī)廢物在焚燒爐里進(jìn)行氧化燃燒反應(yīng),廢物中的有害物質(zhì)在高溫下氧化、熱解而被破壞。所以焚燒法是一種同時實現(xiàn)廢物無害化、減量化、資源化的處理技術(shù),不但可以處理固體廢物,而且還可以處理液體廢物和氣體廢物;不但可以處理城市垃圾和一般工業(yè)廢物,而且還可以處理危險廢物。危險廢物中的有機(jī)固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)廢物通常用焚燒來處理。在歐美國家,大部分有機(jī)危險廢物(如PCBs、有機(jī)溶劑等)也采用焚燒法進(jìn)行處理。西歐一些國家對填埋制定了嚴(yán)格的法律,如德國近年來規(guī)定:垃圾中總有機(jī)碳(TOC)超過3%～5%,不得進(jìn)入填埋場進(jìn)行填埋。焚燒法處理技術(shù)存在以下幾個問題:(1)投資和運行費用高;(2)操作運行復(fù)雜,尤其是當(dāng)廢物成分變化較大時,對設(shè)備運行條件要求嚴(yán)格,往往導(dǎo)致運行穩(wěn)定性難以控制;(3)可能發(fā)生二次污染和公眾反應(yīng)不佳,大部分熱化學(xué)處理過程都會產(chǎn)生各種大氣污染物,如SO2、NOx、HCl、飛灰和二口惡英/呋喃等,經(jīng)常引起附近民眾的擔(dān)心和反對。這些問題隨著技術(shù)的提高、設(shè)備的改進(jìn)和管理的嚴(yán)格化,將逐漸得到解決。但是,無論是設(shè)計或是在使用這些技術(shù)時,都應(yīng)對上述問題給予足夠的重視,才能保證技術(shù)有效發(fā)揮。2.1焚燒處理的排放影響廢物焚燒爐的排放和消耗量的主要因素包括:(1)廢物成分和含量;(2)焚燒爐的技術(shù)措施;(3)煙氣凈化設(shè)備的設(shè)計和操作。2.1.1pcdd/f排放影響因素焚燒爐煙氣中HCl、HF、SO2、NOx和重金屬的排放主要取決于廢物組成和煙氣凈化效果,CO和VOC的排放主要取決于焚燒爐技術(shù)參數(shù)和廢物達(dá)到燃燒階段時的異質(zhì)化程度。焚燒爐設(shè)計和操作條件對NOX影響很大,煙氣處理裝置的性能對粉塵排放量影響很大,PCDD/F的排放取決于廢物成分、焚燒爐的溫度、停留時間、設(shè)備操作條件和煙氣凈化效果。一般情況下,焚燒(11%O2)1t危險廢物產(chǎn)生的煙氣量在6500～10000m3之間。2.1.2廢氣焚燒排放廢水根據(jù)所采取的煙氣凈化類型,可能產(chǎn)生水體排放。貯存和鍋爐等也可能產(chǎn)生其他廢水排出。廢物焚燒潛在的廢水源有:(1)工藝廢水,在濕式煙氣凈化系統(tǒng)中出現(xiàn);(2)底灰的收集、處理、貯存產(chǎn)生的廢水;(3)其他工藝排水,如鍋爐給水、排水等;(4)生活污水;(5)污染雨水;(6)冷卻水排水。2.1.3不燃性廢棄物整理可能產(chǎn)生的固體殘渣包括:(1)底灰或底渣,主要是不燃性廢物碎片;(2)鍋爐灰,鍋爐中積累和去除的灰;(3)飛灰,與煙氣一起移動的,被FGT設(shè)備去除的輕灰;(4)大氣污染控制殘渣;(5)廢水處理殘渣。2.2產(chǎn)生和輸出的能源焚燒過程中的能量輸入可能包括:廢物本身、輔助燃料和輸入電力。產(chǎn)生和輸出的能源可能包括:熱量(蒸汽或熱水)、電能。在化工企業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢物量相對較少,因此企業(yè)自建的焚燒裝置規(guī)模相對較小,產(chǎn)生的能量多采用廢熱鍋爐的形式回收。2.2.1蒸汽參數(shù)為大熱能源發(fā)電提供空間和高溫高壓的最佳條件是以.電量生產(chǎn)被以下因素制約:(1)因為廢物中包含有了某些含氧物質(zhì),鍋爐或煙氣預(yù)熱器等等熱轉(zhuǎn)換區(qū)可能高溫腐蝕;(2)鍋爐結(jié)垢,在溫度高于大約600～800℃時,由于一些熔化物的存在,灰會變得很粘。因此,焚燒的蒸汽參數(shù)(包括電效率)是受限的。目前可把最大限制認(rèn)定為6MPa的蒸汽壓和520℃的溫度,當(dāng)達(dá)到這個限制后需要采用特殊的方法限制腐蝕。對于焚燒城市固體廢棄物發(fā)電而言,典型的過熱蒸汽條件是4.0～4.5MPa的氣壓,380～400℃。危險廢棄物發(fā)電時,這個數(shù)據(jù)通常利用更低,小于3.0MPa壓力和300℃。這是因為酸性煙氣在高蒸汽參數(shù)條件下存在較高的腐蝕風(fēng)險(導(dǎo)致運作上的困難和高成本等)。在只供熱量和蒸汽的時候,更多的使用者傾向于采用較低的鍋爐壓力和溫度以避免額外投資、維護(hù)及與較高參數(shù)相關(guān)的更復(fù)雜的操作條件。熱量供應(yīng)優(yōu)先的情況下,沒有必要高溫高壓,典型的供熱條件,可以選擇生產(chǎn)蒸汽在2.5～3.0MPa氣壓,溫度在250～300℃。在歐洲,大多數(shù)大型廢物焚燒爐回收能量。有一些無熱利用的焚燒廠。這種運營一般涉及到是特殊設(shè)計或者小、舊的焚燒廠,例如:使用煙氣急冷以降低PCDD/PCDF再合成的危險廢物焚燒廠。在這種情況下,一些熱量仍可以從急冷洗滌器冷卻水中回收。據(jù)報道,已經(jīng)達(dá)到的鍋爐效率:排出煙氣溫度大約在160℃的流化床可以達(dá)到大概90%的鍋爐效率;層燃爐的鍋爐效率可達(dá)到80%。在這種鍋爐效率(80%～90%)和高于常規(guī)蒸汽參數(shù)的情況下,可能會有以下近似電效率:60個大氣壓(6.78MPa)和420℃的蒸汽參數(shù)下,蒸汽發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)化能量大約25%會被回收為電量,即在爐排焚燒時整體點效率為20%和煙氣處理時為22.5%;如果蒸汽參數(shù)再提高到80大氣壓(9.04MPa)和500℃,就可以達(dá)到30%的點效率,即煙氣處理整體發(fā)電效率為27%。如果焚燒的蒸汽循環(huán)系統(tǒng)和相鄰發(fā)電廠的蒸汽循環(huán)系統(tǒng)連接在一起,整體的電效率則可以達(dá)到35%。2.2.2城市固廢焚燒的能量一般情況下,焚燒1t城市固體廢棄物可以產(chǎn)生約400～700kWh的電力,可供輸出的能量總量通常取決于產(chǎn)出的能量總量和焚燒自身消耗的程度。一般情況下,焚燒運行所需要的能量是外部供應(yīng)的,同時焚燒產(chǎn)生的能量全都用于輸出。2001年由廢物處理技術(shù)工作組(TWG)能量小組對8家城市固體廢棄物焚燒廠展開的調(diào)查示于表1。表1顯示,每噸城市固體廢物不同的輸出率產(chǎn)生和輸出的電力,由此也可以作為化工固廢焚燒產(chǎn)生能量的參考。雖然化工固體廢棄物的成分比較復(fù)雜,廢物的熱值相差很大,但加注了輔助燃料后,總的熱值差別不大。去除工藝技術(shù)和管理操作的因素影響,同樣的輸出率下,輸出的能量應(yīng)差別不大。2.2.3熱回收數(shù)據(jù)表2是根據(jù)來自法國統(tǒng)計的數(shù)據(jù)。2.2.4城市固體焚燒燒燒系統(tǒng)的熱電聯(lián)產(chǎn)分析在熱電聯(lián)產(chǎn)的情況下,滿負(fù)荷運轉(zhuǎn)時,每噸廢物可以產(chǎn)生大約1250kWh的熱量供焚燒系統(tǒng)使用。如果滿足基本負(fù)荷所需要的供應(yīng),能源的總利用率可以增加到輸入能量(熱值)的75%。根據(jù)調(diào)查結(jié)果,50家城市固體廢物焚燒廠平均熱電聯(lián)產(chǎn)百分效率為:產(chǎn)出量平均效率為59.4%;輸出量平均效率為49.3%。2.2.5鍋爐轉(zhuǎn)化率數(shù)據(jù)根據(jù)對城市固體廢物焚燒廠焚燒鍋爐效率的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示:鍋爐效率的最小值為75.2%;平均值為81.2%;最大值為84.2%。2.2.6垃圾焚燒危險廢物焚燒過程自身運行需要能量,如泵和風(fēng)機(jī),能量的需求量變化受焚燒廠的結(jié)構(gòu)影響很大。對于焚燒危險廢物的工廠,每噸廢物耗電132～476kWh。對50家城市固體廢物焚燒廠具體能量需求調(diào)查結(jié)果示于表3。2.2.7單位水消耗的水這些消耗主要指用于煙氣處理的消耗。對于危險廢物焚燒廠煙氣處理,每噸廢物處理的水消耗是1～6m3;輕質(zhì)燃油(柴油)、重燃油0.03～0.06m3;天然氣4.5～20m3。各種添加劑的消耗列于表4。3廢物燃燒成本的估計3.1殘灰的處置和運輸廢物焚燒的投資和運行成本除了與工藝技術(shù)水平、管理和操作水平、所在地地區(qū)及國家差異等因素有關(guān)外,主要影響其變化的關(guān)鍵因素為:處理量;利用率;能量回收類型(電、熱、熱電聯(lián)供)以及殘渣的處置和運輸類型。以法國對焚燒工廠的調(diào)查結(jié)果為例。來自法國對一家2000年新建成的焚燒廠進(jìn)行的評估結(jié)果:(1)投資成本360萬歐元/(t·h);(2)運行成本平均32歐元/t(但是這些費用都是非常容易變化的,范圍是18～42歐元/t)?？赡塬@得的運行成本數(shù)據(jù):33歐元/t的固定成本(人員、保險等);13歐元/t的廢物(底灰、飛灰)處置費;14歐元/t的收益(來源于能源或殘渣的銷售)。最終,每噸廢物處理費用與78歐元相當(dāng)(成本回收時間15年,投資成本100%由銀行貸款(利率為6%),工廠運行時間8000h/a)。3.2根據(jù)城市固體焚燒技術(shù)的經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)研究3.2.1廢棄物加熱鍋爐設(shè)計燃燒系統(tǒng)和鍋爐包括以下組成:(1)廢物進(jìn)料設(shè)施;(2)燃燒供氣;(3)有燃燒室的爐排焚燒爐;(4)灰和底灰的運輸和存貯設(shè)施;(5)給水預(yù)熱器前的煙氣輸送管道;(6)廢物加熱鍋爐包括供水和一次蒸汽傳送。燃燒系統(tǒng)和鍋爐的費用決定因素是:爐排系統(tǒng)的類型;鍋爐效率要求;廢物加熱鍋爐設(shè)計。如果安裝的冷卻水爐排和在廢物加熱爐里的煙氣溫度是160℃(這將增加鍋爐效率到90%),并且如果提供了高蒸汽參數(shù),那么平均投資成本可能上升20%或者更高。根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計,一條處理量約為15萬t/a的處理線,不包括建筑和電子設(shè)備、檢測設(shè)施、控制設(shè)備成本,燃燒系統(tǒng)和鍋爐的投資成本大約是1600萬歐元;10萬t/a的處理線成本是1160萬歐元。表面加熱費用是與工廠規(guī)模成比例的,其他設(shè)備的費用也取決于工廠規(guī)模,因此平均投資成本通常取決于規(guī)模的0.8次方這個因子。燃燒系統(tǒng)的運行成本(它與廢物處理量成正比)來源于:空氣和煙氣傳送工藝的能源消耗和供水的能源消耗;底灰的處理或者回收費用。燃燒系統(tǒng)和鍋爐在大約5MPa氣壓下的單位能源消耗約為27kWh。如果大氣壓上升到7.5MPa,需求的能源將上升約4kWh。處理每噸廢物產(chǎn)生了大約3.2t蒸汽。蒸汽產(chǎn)生收益。3.2.2系統(tǒng)組成及投資成本一個廢物焚燒場的水-蒸氣循環(huán)包括以下部分:水處理廠、水冷凝系統(tǒng)、渦輪冷卻系統(tǒng)和熱解耦系統(tǒng)。不同的廢物焚燒廠安裝了不同的系統(tǒng)。在許多工廠大部分能量輸送到區(qū)域供熱網(wǎng)絡(luò),還有一些工廠的重點放在電力生產(chǎn)上。工廠的種類以及能源傳送的方式?jīng)Q定了能量生產(chǎn)工藝。不同的能量生產(chǎn)工藝,系統(tǒng)組成及投資額也不同。(1)純熱解耦:如果只有熱量產(chǎn)生,則投資成本中只包括水、冷凝處理和熱轉(zhuǎn)換的費用,如果沒有其他基礎(chǔ)設(shè)施存在的話,就必須安裝冷卻系統(tǒng)以供緊急情況使用。帶熱耦系統(tǒng)和區(qū)域供熱系統(tǒng)的水-蒸汽循環(huán)系統(tǒng)的投資數(shù)據(jù),以10萬t/a的廢物處理量為例,投資成本為450萬歐元。(2)蒸汽參數(shù)為2MPa和400℃的抽汽式渦輪機(jī):在這種情況下,投資成本由水和冷凝處理、熱解耦、渦輪機(jī)和冷卻系統(tǒng)組成,如果沒有其他基礎(chǔ)設(shè)施存在的話,緊急情況就必須安裝再冷卻系統(tǒng)。抽汽式渦輪機(jī)組成的水-蒸汽循環(huán)系統(tǒng)的投資數(shù)據(jù),以10萬t/a的廢物處理量為例,投資成本為1200萬歐元。(3)蒸汽參數(shù)為5MPa和400℃的熱電聯(lián)產(chǎn):仍以10萬t/a的廢物處理量為例,投資額為900萬歐元。3.2.3全氣體處理系統(tǒng)3.2.3.運行費用的計算為了凈化干燥煙氣,假定原煙氣(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))中含塵量是5g/m3,煙氣量是5500m3/t。除塵設(shè)備的投資成本包括除塵器自身、儲倉、粉塵傳送機(jī)和藥劑設(shè)備(如果安裝的話)的費用。運營成本主要包括電費、除塵灰的處理費用和吸附劑費用。吸附介質(zhì)費用也包括累積廢物的處置費用。除塵采用一臺靜電除塵器并與一臺下游濕式靜電除塵器或者一個下游活性炭處理廠組合使用。靜電除塵器的典型操作溫度范圍是180～230℃。以處理量為10萬t/a的裝置為例,一臺靜電除塵器的投資為200萬歐元;折合人民幣約2000萬元,濕式除塵系統(tǒng)的投資為250萬歐元,折合人民幣約2500萬元;布袋除塵的投資為120萬歐元,折合人民幣約1200萬元。3.2.3.洗滌器及回收廢水系統(tǒng)投資成本包括煙氣運輸管道、洗滌器、分滴器、熱交換器和反應(yīng)器以及水、廢水、化學(xué)試劑和殘渣處理整體基礎(chǔ)設(shè)施所有的費用。假定煙氣(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))中SO2為600mg/m3和HCl為1000mg/m3,NaOH洗滌器的單位成本大約為11歐元/t,沉淀洗滌器的單位成本大約為8～9歐元/t,石膏洗滌器成本大約5～6歐元/t。(1)有吸附劑干煙氣凈化系統(tǒng):處理量按照10萬t/a計,投資約為217.5萬歐元,折合人民幣約2175萬元。(2)石膏洗滌器:處理量按照10萬t/a計,投資約為300萬歐元,折合人民幣約3000萬元。3.2.3.其他煙氣處理的費用投資成本包括有熱傳遞系統(tǒng)的煙氣系統(tǒng)、煙氣管道、催化盒和旁路管道的整個氨水系統(tǒng),包括卸罐車設(shè)備、貯存、定量進(jìn)料站、蒸發(fā)和混合系統(tǒng)。除了投資成本,SCR的成本一般還包括:維護(hù)、煙氣重新加熱、催化劑交換、氨/尿素和電的費用。SCR方法通常用于煙氣排放濃度(折合標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))要求低于100mg/m3的地區(qū),SNCR方法的排放濃度在120～180mg/m3。如果催化劑也用于氧化除塵和二口惡英,催化劑用量和損失都會增加,但整體的投資差異不是很大。(1)SCR法:處理量按照10萬t/a計,投資約為150萬歐元,折合人民幣約1500萬元。(2)SNCR法