垃圾焚燒發(fā)電廠產(chǎn)生二噁英的控制和改造

生活垃圾焚燒廠煙氣中的二噁英是近幾年來(lái)世界各國(guó)所普遍關(guān)心的問(wèn)題，自1999年比利時(shí)發(fā)生動(dòng)物飼料二噁英污染事件后，二噁英更是倍受世人所關(guān)注，一時(shí)成為全球范圍的熱點(diǎn)。經(jīng)過(guò)這一事件，二噁英在我國(guó)也是家喻戶曉，聞毒色變?？梢赃@樣說(shuō)，在今天研究生活垃圾焚燒廠煙氣中二噁英的產(chǎn)生機(jī)理和控制措施，比以往任何時(shí)候都顯得必要和重要。要建設(shè)生活垃圾焚燒廠，我們就不能也無(wú)法回避二噁英的特性。

二噁英在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下呈固態(tài)，熔點(diǎn)約為303～305℃。二噁英極難解溶于水，在常溫情況下其溶解度在水中僅為7.2×10-6mg/L。而同樣在常溫情況下，其在二氯苯中的溶解度高達(dá)1400mg/L，這說(shuō)明二噁英很容易溶解于脂肪，所以它容易在生物體內(nèi)積累，并難以被排出。二噁英在705℃以下時(shí)是相當(dāng)穩(wěn)定的，高于此溫度即開(kāi)始分解。另外，二噁英的蒸汽壓很低，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下低于1.33×10-8Pa，這么低的蒸汽壓說(shuō)明二噁英在一般環(huán)境溫度下不易從表面揮發(fā)。這一特性加上熱穩(wěn)定性和在水中的低溶解度，是決定二噁英在環(huán)境中去向的重要特性。

一、二噁英的毒性 

 二噁英是目前發(fā)現(xiàn)的無(wú)意識(shí)合成的副產(chǎn)品中毒性較強(qiáng)的化合物，它的毒性相當(dāng)于氰化鉀（KCN）的1000倍以上。同時(shí)它是一種對(duì)人體非常有害的物質(zhì)，即使在很微量的情況下，長(zhǎng)期攝取時(shí)便可引起癌癥等頑癥，國(guó)際癌癥研究中心已將它列為人類(lèi)一級(jí)致癌物。此外二噁英對(duì)人體還會(huì)引起皮膚、痤瘡、頭痛、失聰、憂郁、失眠、新生兒畸形等癥，并可能具有長(zhǎng)期效應(yīng)，如導(dǎo)致染色體損傷、心力衰竭、內(nèi)分泌失調(diào)等。

二、二噁英毒性的控制

發(fā)酵后的垃圾經(jīng)進(jìn)料斗進(jìn)入高達(dá)850~1100℃的焚燒爐內(nèi)，焚燒煙氣停留2s-1s 以上，高溫有效控制二噁英的生成。垃圾在鍋爐內(nèi)燃燒產(chǎn)生熱能，用于汽輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。垃圾燃燒過(guò)程所需的助燃空氣取自于垃圾池內(nèi)產(chǎn)生的臭氣，使垃圾池維持負(fù)壓，確保池內(nèi)臭氣不會(huì)外溢。焚燒后產(chǎn)生的爐渣用作建筑材料，垃圾焚燒后所產(chǎn)生的煙氣經(jīng)煙氣處理系統(tǒng)凈化后，有效的去除煙氣中酸性污染物，顆粒物，氮氧化物，重金屬及二噁英等污染物，達(dá)到國(guó)標(biāo)或歐盟2000標(biāo)準(zhǔn)后的潔凈氣體排至大氣。在煙氣處理過(guò)程中產(chǎn)生的飛灰，經(jīng)固化穩(wěn)定后運(yùn)至填埋場(chǎng)進(jìn)行無(wú)害化填埋。

生活垃圾中本身含有微量的二噁英，由于二噁英具有熱穩(wěn)定性，盡管大部分在高溫燃燒時(shí)得以分解，但仍會(huì)有一部分在燃燒以后排放出來(lái)；當(dāng)因燃燒不充分而在煙氣中產(chǎn)生過(guò)多的未燃燼物質(zhì)，并遇適量的觸媒物質(zhì)（主要為重金屬，特別是銅等）及300～500℃的溫度環(huán)境，那么在高溫燃燒中已經(jīng)分解的二噁英將會(huì)重新生成。

由于我國(guó)生活垃圾中含氯化合物和重金屬含量相對(duì)較少，只要生活垃圾在焚燒爐中能達(dá)到完全燃燒，確保煙氣在較高的燃燒溫度下有較長(zhǎng)的停留時(shí)間，并在煙氣的排放過(guò)程中盡量避開(kāi)300～500℃溫度域，加上其它噴射活性碳、設(shè)置袋式除塵器等輔助措施配合，生活垃圾焚燒廠中二噁英的排放濃度是可以有效控制的，一般不會(huì)超過(guò)環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。目前我們國(guó)家在運(yùn)行的生活垃圾焚燒鍋爐，二噁英排放標(biāo)準(zhǔn)都不達(dá)標(biāo)，原因主要是生活垃圾焚燒鍋爐爐膛溫度要求850-1100溫度停留2s。因國(guó)內(nèi)所有垃圾焚燒鍋爐在焚燒二噁英問(wèn)題上都是采用，在爐內(nèi)模式壁循環(huán)流程解決850度停留2s的時(shí)間。由于爐膛溫度無(wú)法控制，進(jìn)入鍋爐模式壁在流速過(guò)程再吸收大量熱量溫度，確保不了850度停留2s徹底消滅不了二噁英的產(chǎn)生。大量產(chǎn)生的二噁英毒氣排放在空氣中給人民身體健康造成很大隱患。

三、公司簡(jiǎn)介

我公司是A級(jí)鍋爐制造、設(shè)計(jì)，A級(jí)壓力容器制造、設(shè)計(jì)單位，省認(rèn)定的企業(yè)技術(shù)中心。從1993年開(kāi)始對(duì)垃圾焚燒和處理開(kāi)始進(jìn)行研究、試驗(yàn)，并通過(guò)10多年在垃圾焚燒鍋爐爐膛改造、研究、運(yùn)行得到了重大突破并獲得成功。在研究垃圾焚燒爐爐膛技術(shù)方面取得了國(guó)家發(fā)明zhuanli和多項(xiàng)國(guó)家zhuanli。

四、徹底消滅二噁英毒性技術(shù)原理

我公司和西安交大共同研究設(shè)計(jì)，裝在鍋爐絕熱爐膛內(nèi)的方形旋風(fēng)分離器技術(shù)獲得了國(guó)家發(fā)明zhuanli，控制爐膛溫度（溫度全自動(dòng)控制）高溫?zé)煔庠跔t膛內(nèi)（850°停留2s。1100°停留1s）停留2s-3s徹底消滅二噁英的產(chǎn)生和排放并且除去煙氣中百分之90的灰塵。鍋爐在運(yùn)行中減少磨損延長(zhǎng)了使用壽命。公司經(jīng)過(guò)多年研究、設(shè)計(jì)、試制通過(guò)10多年的運(yùn)行使用，設(shè)計(jì)的新型生活垃圾焚燒發(fā)電鍋爐，爐堂內(nèi)加裝發(fā)明zhuanli“除塵和消除二惡英的核心技術(shù)——方形旋風(fēng)分離器”運(yùn)行穩(wěn)定徹底消滅了二噁英的產(chǎn)生。

五、鍋爐改造的目的

目前我國(guó)所有在運(yùn)行的垃圾焚燒發(fā)電鍋爐因技術(shù)問(wèn)題二噁英的排放均達(dá)不到大氣污染排放標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)我公司特有技術(shù)進(jìn)行爐膛改造，改造后的垃圾焚燒鍋爐在絕熱爐膛內(nèi)徹底消滅了二噁英的產(chǎn)生和排放，解決了世界環(huán)保無(wú)法解決的難題，確保了人民生命和身體健康。

六、公司對(duì)外尋求合作

我們國(guó)家在垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目推廣的過(guò)程中，中等以上城市在建和已建好的垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目1000多個(gè)，還需要在增加700多個(gè)，改造現(xiàn)有的1000多臺(tái)垃圾焚燒發(fā)電爐，改造價(jià)值30多億。全國(guó)需解決生活垃圾焚燒處理有1000多個(gè)縣，需要日處理垃圾130噸的小型垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目，用我們的消除二噁英技術(shù)合作共贏，1000多個(gè)縣需要新增垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目造價(jià)1000多個(gè)億。

七、公司垃圾焚燒鍋爐圖

八、技術(shù)原理模擬結(jié)果

模擬結(jié)果報(bào)告

0 引言

氣固分離裝置在能源動(dòng)力、化工冶金、建材生產(chǎn)等很多工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，其分離性能與阻力特性的優(yōu)劣直接影響到原料的利用率和所排放出的粉塵污染的總量以及所消耗的能源，因此滿足節(jié)能和環(huán)保要求的高效低阻的分離器受到了很多研究人員的重視。

方形旋風(fēng)分離器，在垃圾焚燒發(fā)電鍋爐上應(yīng)用對(duì)增大煙氣停留時(shí)間，提高鍋爐效率起著重要的作用，同時(shí)又不能過(guò)于復(fù)雜，否則不利于設(shè)計(jì)加工和工程應(yīng)用。本文利用fluent模擬軟件，通過(guò)gambit建模，對(duì)方形旋風(fēng)分離器內(nèi)部流暢進(jìn)行模擬，了解分離器內(nèi)部煙氣流場(chǎng)的大體狀況，希望通過(guò)改變旋風(fēng)分離器的入口流速，得到入口流速與分離器內(nèi)部煙氣顆粒停留時(shí)間的關(guān)系，以優(yōu)化分離器的性能。

1 模型建立

1.1建立計(jì)算模型，劃分網(wǎng)格 

根據(jù)物理模型，建立相同體積的計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算，分離器是非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，選取分離器豎直放置方向?yàn)閦軸，建立模型如圖1所示；

運(yùn)用gambit內(nèi)的Hex/Wedge程序?qū)?，采用結(jié)構(gòu)性六面體網(wǎng)格對(duì)旋風(fēng)分離器進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共劃分40萬(wàn)，分離器網(wǎng)格如圖2所示，經(jīng)檢查，網(wǎng)格質(zhì)量良好。

圖1 方形旋風(fēng)分離器計(jì)算模型                      

圖2 方形旋風(fēng)分離器網(wǎng)格劃分結(jié)果

     1.2計(jì)算選用方程及邊界條件

本次計(jì)算中，方形分離器內(nèi)屬于稀相氣固兩相旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，氣相即連續(xù)相采用RNG k-? 雙方程湍流模型，對(duì)強(qiáng)旋流動(dòng)計(jì)算精度較高，固相采用離散相模型。

進(jìn)口邊界條件采用速度型進(jìn)口邊界條件，進(jìn)口速度取為相應(yīng)試驗(yàn)工況的進(jìn)口風(fēng)速，出口邊界條件采用自由出流出口邊界條件。壁面采用無(wú)滑移邊界條件，固體壁面采用壁面邊界（Wall），在處理顆粒相時(shí)，設(shè)定顆粒均一分布，進(jìn)口處的運(yùn)動(dòng)速度與氣相主體保持一致。進(jìn)口速度從15m/s到22m/s，逐次計(jì)算。

2 結(jié)果及分析

2.1 連續(xù)相流場(chǎng)分布及分析

圖3 豎直對(duì)稱(chēng)截面氣流速度分布云圖

圖4 豎直對(duì)稱(chēng)截面氣流靜壓分布云圖

圖3和圖4中可以看出方形分離器內(nèi)部氣流速度分布不均勻，靜壓有一定的壓強(qiáng)梯度?？梢钥闯鲱w粒作螺旋向下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中氣流速度越來(lái)越小，與伯努利方程結(jié)果相吻合。由于氣流射進(jìn)分離器開(kāi)始的流速較大，隨著螺旋向下運(yùn)動(dòng)，流通空間增大，導(dǎo)致氣流流速減小，靜壓增大。在分離器內(nèi)部的排氣管和分離器壁面間的區(qū)域速度較大，為強(qiáng)旋湍流區(qū)，靠近分離器壁面和排氣管壁面的區(qū)域旋流強(qiáng)度較弱；排氣管下的分離器內(nèi)出現(xiàn)了回流。

從縱截面的靜壓分布來(lái)看，分離器內(nèi)大部分區(qū)域的靜壓為微正壓，出氣管中為正壓，分離器排氣管氣流入口處的靜壓較??；靜壓分布沿z軸方向有明顯變化。分離器下部的靜壓相對(duì)上部區(qū)域大，且邊壁與中心的靜壓差沿著z軸負(fù)方向變小，表明在分離器下部區(qū)域氣流速度減小，在灰斗出口附近出現(xiàn)滯留區(qū)，速度接近0；而上部區(qū)域有絕對(duì)值較大的負(fù)靜壓，表明這里氣流以較大的速度進(jìn)入排氣管而流出分離器。

圖5 水平截面氣流速度分布云圖

圖6 水平截面氣流靜壓分布云圖

圖5和圖6中水平截面云圖看出分離器內(nèi)部的流場(chǎng)呈不對(duì)稱(chēng)分布。由于氣流進(jìn)入分離器后，一開(kāi)始沿著圓柱形出氣筒作螺旋下降運(yùn)動(dòng)，方形截面在四個(gè)角區(qū)域流通空間大，氣流速度下降，因此在四角處?kù)o壓較大；靜壓較大，速度較低；側(cè)壁附近靜壓較低，流速較高。中心靜壓較低，形成回流區(qū)。

圖7 水平截面速度矢量圖

圖8 豎直對(duì)稱(chēng)截面速度矢量圖

從圖5、圖6看出，從上向下邊壁區(qū)域的速度逐漸減小，在分離器下部灰斗出口區(qū)域，速度絕對(duì)值很小。在排氣管進(jìn)口高度以上的分離器內(nèi)部空間區(qū)域，靠近分離器壁面的區(qū)域的速度小，離開(kāi)壁面后速度絕對(duì)值大。

從速度向量分布來(lái)看，在分離器的中心部分即對(duì)分離有利的排氣管進(jìn)口高度以下的分離器內(nèi)部空間區(qū)域，氣流開(kāi)始向上流動(dòng)直到進(jìn)入排氣管，軸向速度較大切向速度相對(duì)較小，旋流較弱；在分離器筒體邊緣區(qū)域，切向速度大，軸向速度相對(duì)速度較小，表明了此處的強(qiáng)旋流特點(diǎn)。而壁面處垂直向下的速度也比較大，表明了壁面附近氣流和顆粒向下快速運(yùn)動(dòng), 這里是一個(gè)旋轉(zhuǎn)向下、外強(qiáng)內(nèi)弱的流場(chǎng)。外強(qiáng)內(nèi)弱的旋流便于把顆粒推向靠近分離器壁面的區(qū)域、從而被壁面捕獲。被壁面捕獲的顆粒便于快速向下運(yùn)輸。

2.2 離散相顆粒軌跡

圖9 出氣口出去顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡圖

圖10 灰斗出去顆粒的軌跡圖

圖11 噴入顆粒軌跡分布圖

可以看出顆粒在分離器內(nèi)部作螺旋下落或者螺旋上升運(yùn)動(dòng)。從出氣口出去的顆粒停留時(shí)間較長(zhǎng)，從灰斗出去的顆粒停留時(shí)間較短。

2.3 顆粒在分離器內(nèi)停留時(shí)間的計(jì)算

圖12 停留時(shí)間隨速度變化的分布圖

其中t1：從出氣口出去的顆粒在分離器內(nèi)的平均停留時(shí)間

       t2：從灰斗出去顆粒的平均停留時(shí)間

由上圖可以看出，顆粒在旋風(fēng)分離器內(nèi)部的停留時(shí)間隨著入口速度的升高而逐漸降低。

由于徑向速度增大，氣量增大，顆粒所受離心力增大，易甩向桶壁被捕及下來(lái)；速度增大，下行路徑距離基本一定，因此灰斗出口顆粒平均時(shí)間減小。

徑向氣速增大，上行軸向氣速也加大，隨著速度升高，氣流到出口時(shí)間越來(lái)越短，而且氣相對(duì)顆粒相的卷吸夾帶作用增大，顆粒被氣流攜帶出分離器變得越來(lái)越容易，從出氣口出去的顆粒在分離器內(nèi)部的停留時(shí)間變短。

3總結(jié)

通過(guò)對(duì)方形旋風(fēng)分離器不同進(jìn)口速度下的流程特性進(jìn)行模擬計(jì)算，分析結(jié)果得出以下主要結(jié)論：

1.模擬結(jié)果表明在分離器內(nèi)部的排氣管和分離器壁面間的區(qū)域?yàn)閺?qiáng)旋湍流區(qū)，靠近分離器壁面和排氣管壁面的區(qū)域旋流強(qiáng)度較弱；

2.側(cè)壁流速較大，四角氣流速度小；

3.排氣管下的分離器內(nèi)出現(xiàn)了回流，灰斗附近氣流速度很低；

4.顆粒在旋風(fēng)分離器內(nèi)部的停留時(shí)間隨著入口速度的升高而逐漸降低。

九、現(xiàn)有垃圾焚燒發(fā)電廠實(shí)景圖

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