煤氣發生爐協同處置垃圾滲濾液濃縮液技術分析
苑衛軍 張建華 王輝 韓明汝 楊征
（唐山科源環保技術裝備有限公司 河北唐山 063000）
摘要：介紹了以KM5Q兩段式煤氣發生爐為基本處置單元，以發生爐煤氣站和燃氣爐窯組成系統的協同處置工藝路線。并結合垃圾滲濾液濃縮液污染物狀況，分別闡述了濃縮液中所含的Cl、重金屬、NH3-N和有機物等污染物在處置過程中的遷移和無害化處置效果。同時指出就發生爐單爐處置量而言，該處置工藝適合于垃圾焚燒發電廠應用。
關鍵詞： 垃圾滲濾液；濃縮液；發生爐煤氣站；燃氣爐窯；協同處置
Technical Analysis of Cooperative Disposal of Landfill Leachate Concentrate in Producer Gas Station
Yuan Weijun Zhang Jianhua Wang Hui Han Mingru Yang Zheng
（Tangshan Keyuan Environmental Protection Technology & Equipment Co., Ltd Tangshan Hebei 063000）
Abstract: This paper introduces the co-processing process route of the KM5Q two-stage gasifier producer as the basic disposal unit and the system is composed of the coal gasifier station and the gas kiln. Combined with the pollutant status of the landfill leachate concentrate, the migration of Cl, heavy metals, NH3-N and organic matter contained in the concentrate during the disposal process and the harmless disposal effect are respectively described. At the same time, it pointed out that the disposal process is suitable for the application of waste incineration power plant in terms of the disposal volume of a single furnace of the coal gasifier.
Key words: Landfill leachate; concentrated liquid; coal gasifier station; gas kiln; co-processing;
0 引言
隨著我國居民生活垃圾清運量迅速增加，相應的垃圾滲濾液的污染治理問題日益嚴峻。由于垃圾滲濾液污染負荷較大，一般需要將幾種處理方法有機組合進行處理，目前廣泛應用的是“預處理+生化處理+深度處理”處理工藝。深度處理工藝一般采用納濾（NF）和反滲透（RO）等處理技術，滲濾液深度處理過程中產生的濃縮液，主要成份為腐殖質，其COD、總氮、無機鹽和重金屬的含量都很高，而且BOD5/COD小，可生化性差，處理難度大【1-2】，其產生量約為原液的13-30%左右【3】。
目前滲濾液濃縮液典型的處理方法包括回灌法、蒸發法、膜蒸餾法、高級氧化法和焚燒法等?；毓喾ㄌ幹梅〞斐甥}類和難降解污染物的不斷累積，而且易導致膜處理單元結垢，給滲濾液生物處理系統帶來不可逆的損害【4】。蒸發法和膜蒸餾法均存在能耗大、成本高以及蒸發設備易腐蝕和結垢等問題，同時處置后殘留的濃縮液濃度更髙，處理難度更大【5】。高級氧化法雖然可以有效去除濃縮液中的有機污染物，但需要與其他工藝方法（如生物法等）相結合【4】，工藝路線相對復雜。焚燒法在垃圾焚燒發電廠應用較多，焚燒法雖然可以對濃縮液進行有效處置，但需要嚴格控制其回噴比，避免對爐膛內的燃燒狀況和爐溫產生嚴重影響，以免降低系統發電效率和影響二噁英的污染控制【6】。滲濾液濃縮液成為一直困擾業界的難題，其主要原因是處置工藝的技術可行性和處置成本的可接受性難以統一。本文就發生爐煤氣站協同處置該濃縮液的技術可行性進行分析，探討一種能夠有效處置濃縮液，并且處置成本較低的工藝方法。
1 垃圾滲濾液濃液
滲濾液濃縮液主要包括NF 濃縮液和 RO 濃縮液兩種。RO 濃縮液又分為兩種：納濾出水進入反滲透系統產生的RO濃縮液、生化處理后直接進入反滲透系統產生的RO濃縮液。
姜薇【7】對北京市多個垃圾填埋場和綜合處理廠等的滲濾液濃縮液分析發現：NF濃縮液含有大量的以腐殖質類物質為主的難降解有機物，以及鈣、鎂、鋇、硫酸根等二價鹽離子，和Cd、Zn、Pb、Cr 等重金屬離子；納濾出水進入反滲透系統產生的RO濃縮液富集了滲濾液中幾乎所有的一價鹽；生化處理后直接進入反滲透系統產生的RO濃縮液含有大量難降解有機物，并富集了滲濾液中幾乎所有的鹽分，同時含有重金屬離子。陳秋林【8】對某垃圾焚燒發電廠的RO濃縮液的水質及50幾種揮發性有機物和80幾種半揮發性有機物進行化驗，數據顯示：濃縮液中金屬離子以K含量最高，其次依次為Na、Mg和Ca，檢測出的重金屬離子依次為Zn、Fe和Cr；Cl-為16400（mg/L），SO42-為3240 （mg/L），NH3-N為 2290（mg/L）；濃縮液中揮發性和半揮發性有機物的含量均低于檢出限。
2 KM5Q發生爐煤氣站處置垃圾滲濾液濃縮液工藝路線
2.1 KM5Q兩段式煤氣發生爐
KM5Q兩段式煤氣發生爐如圖1所示，煤炭自爐頂加入干餾段內，在此經過干燥、干餾熱解后以半焦狀態進入還原造氣層。作為氣化劑的空氣和水蒸汽自爐底鼓入爐內，在高溫條件下，與進入氣化段的呈半焦性質的煤發生氧化還原反應，形成以CO和H2為主要成分的煤氣。煤氣脫離還原造氣層后上行進入干餾段，通過與緩慢下移的氣化用煤直接接觸，對煤進行干餾和干燥，這部分上行煤氣與干餾過程中產生的干餾煤氣一起由煤氣出口導出。
圖1 KM5Q兩段式煤氣發生爐
2.2 發生爐煤氣站—燃氣爐窯系統協同處置濃縮液
2.2.1 發生爐內濃縮液的蒸發分離和焚燒處置
將濃縮液通過KM5Q發生爐爐頂設置的定量噴淋降溫系統，定量均勻地噴灑于入爐煤料的表面【9】。濃縮液在發生爐內進行以下處理過程： （1）蒸發分離過程：氣化爐干餾段的上部，在150-260℃溫度條件下，煤料表面濃縮液中的水分、揮發性有機物及部分半揮發性有機物形成氣體進入煤氣中；（2）脫氯/熱解過程：干餾段的中部至氣化段上部，煤氣溫度為260-600℃左右，在此溫度下進行熱解脫氯，同時部分有機類物質進一步揮發或熱解產生CO/CH4/H2S等不凝性氣態物質混入煤氣中，可凝性氣態及油類物質混入焦油中；（3）脫氯/氣化過程：在氣化段濃縮液干餾熱解后產生的碳與入爐后同樣經過干燥干餾后的煤料一同進行氣化反應，產生以CO/H2為主要可燃氣體的煤氣，深度脫氯過程與氣化過程同時進行；（4）燃燒過程：氧化層內濃縮液中在干燥、干餾和氣化過程均沒有參與反應的物質，或賦存于煤炭表面的濃縮液中某些物質的反應生成物，與氣化反應后剩余的殘炭進入氧化層，在1000-1200℃條件下與入爐空氣中的O2進行氧化反應，進行高溫焚燒處理后，混于灰渣中排出爐外。濃縮液在發生爐內進行蒸發分離和焚燒處置過程如圖2。
圖2 發生爐內濃縮液蒸發分離和焚燒處置過程示意
2.2.2 煤氣站污染物分離及爐窯焚燒處置
以KM5Q兩段式煤氣發生爐為基本處置單元，以發生爐煤氣站和燃氣爐窯組成協同處置系統，對滲濾液濃縮液進行協同蒸發分離并分級焚燒處置的工藝路線如圖3。150℃左右的煤氣自煤氣發生爐導出進入洗氣脫焦系統，通過循環水洗將煤氣中的焦油脫除，同時將HCl等物質脫除至沖洗水中，這部分焦油和含有HCl等物質的含酚廢水被收集至油水循環水池，并定期泵入油水分離系統進行油水分離，分離出的含酚廢水經過脫氯處理后混入軟化水中，利用蒸發濃縮法將其轉化為酚水蒸汽作為氣化劑在發生爐內進一步焚燒處置【10】。出洗氣脫焦系統后的煤氣溫度降至80℃左右，然后煤氣通過增壓系統輸送至燃氣爐窯進行燃燒，煤氣中所含的不凝性氣態污染物質在煤氣燃燒器處進行焚燒處置。
圖3 發生爐煤氣站協同處置滲濾液濃縮液工藝路線
3 污染物處置分析
3.1 Cl的遷移
濃縮液中的Cl主要以可浸出性無機鹽Cl-形式存在，還可能存在含量小于檢出量的氯代烴有機物 【8】。氣化用煤中賦存Cl的形式同樣包括有機氯和無機氯，在煤的熱解過程中絕大部分以HCl的形式釋放，低溫狀態下釋放的氯來源于有機氯的分解，與金屬結合的氯（NaCl、CaCl2等）多在800℃左右釋放【11】。王錦平等【12】對平朔、大同和神府三種煙煤進行熱解脫氯試驗，發現Cl的初始析出溫度在200-300℃，800℃時Cl的釋放率達到80-90%，1000℃時，三種煤中的Cl全部釋放完畢。
綜上分析，就Cl的賦存形式而言，煤與濃縮液較為相近，但煤中的Cl具有更為復雜的賦存狀態；就Cl的轉移和脫除而言，濃縮液中Cl的脫除過程基本符合煤中Cl在熱解過程中的釋放理論。高溫煤氣熱介質中較高含量的H2利于濃縮液中氯代烴化合物中的Cl向HCl轉移，張睿智等【13】對氣化整體過程產物均相轉化的試驗研究發現，700℃高溫狀態下氣化產物中的H2通過均裂等反應大量轉化為 H 自由基，較易奪取 C-Cl 和活性氯中的Cl，并將其定向轉移至穩定的 HCl 分子中。KM5Q煤氣發生爐干餾段高度約為6.5m左右，而且氣化段產生的煤氣作為熱載體全部進入干餾段，熱解脫氯時間和熱量充裕；熱載體高溫煤氣中H2含量約為12%左右，有利于Cl以HCl的形式向煤氣中轉移釋放。
3.2 重金屬的遷移
單一的生活垃圾滲濾液濃縮液雖然鹽度很高，但其中所含的重金屬種類相對較少，例如陳秋林【8】在實驗中只檢測出Zn、Fe、Cr的存在。濃縮液在煤氣發生爐中與煤炭一起，依次經過各區域的介質溫度和反應氣氛不同，其區域特征參見表1，濃縮液中的重金屬在各區域不同的氣氛和溫度下發生相應的形態變化和轉移，各階段重金屬的轉化可以參照污泥熱解氣化過程中重金屬變化的研究成果進行分析。
表1 煤氣發生爐內各區域特征
區域 溫度 氣氛/氣體介質
蒸發分離 150-260 還原 30%CO/ 12%H2/ 3%CO2/ 52%N2/ 0.3%O2/ H2S/ 水蒸氣
脫氯/熱解 260-600
脫氯/氣化 600-1000
焚燒氧化 1000-1200-500 氧化O2/CO2/N2/水蒸氣
灰層氧化 500-200 O2/N2/水蒸氣
蒸發分離區域為CO/H2還原氣氛，其溫度為150-260℃，在此區域重金屬基本不發生揮發轉移，幾乎全部富集于煤炭表面。該階段增強了相關重金屬的穩定性，Cr、Pb等由可氧化態向殘渣態轉變，Zn可還原態部分減少，殘渣態略有增加【14-16】。
在熱解和氣化區域為CO/H2還原氣氛，溫度區間為260-1000℃，受重金屬及其化合物沸點等多因素的的影響，Zn、Cr 、Ni、Pb、Cd等在殘渣中的殘留率不同程度的降低，部分重金屬揮發轉移至煤氣中，并最終冷凝至焦油中，但熱解殘渣中重金屬元素的形態均更加穩定【15】。
在焚燒氧化區域和灰層氧化區域為氧化氣氛，在此Cd等沸點較低的金屬元素會大量揮發轉移冷凝至焦油中，Zn、Pb等半揮發性金屬元素會有部分揮發轉移，而Ni、Cr等難揮發性金屬元素進一步富集于殘渣中，所有富集于焚燒殘渣中的重金屬其形態更為穩定【16】。
在氣化區域和焚燒氧化區域，煤中的高嶺石、蒙脫石、菱鐵礦等多種礦物質分解為CaO、MgO、Al2O3、Fe3O4或α- Fe2O3等【17】。研究表明： CaCO3、CaO、Al2O3以及鐵鹽等，都有利于重金屬殘留并固定在焚燒底渣中，而且其形態更為穩定【18】。其影響作用貫穿于氣化、焚燒氧化和灰層氧化區域。
綜上分析，經過煤氣發生爐各反應層熱處置后，Cd向焦油中的轉移量相對較大，Zn、Cr 、Ni、Pb少部分會轉移至焦油中，大部分會以穩定的形態殘留于發生爐灰渣中。
3.3 NH3-N的遷移及有機物的分解處置
岳東北等【19】在利用蒸發法深度處理濃縮滲濾液的實驗研究中發現，蒸發過程中有大量NH3-N和有機物從濃縮液中揮發轉移。NH3-N和有機物的遷移發生在濃縮液的蒸發分離和熱解階段。NH3-N會以NH3的形式析出并轉移到煤氣中，混于煤氣中的NH3在爐窯燃燒器處燃燒轉化為NOx，最終通過煙氣脫硝脫除。濃縮液中的有機物會以揮發或分解的方式轉移至煤氣中，其中可凝性有機物會在洗氣過程中轉移至焦油中，不凝性有機物隨煤氣在爐窯燃燒器處燃燒轉化為H2O和CO2。
4 處置量及適用性分析
由于煤炭的吸水性較差，在向煤氣發生爐內噴淋濃縮液時，其噴淋均勻性和噴淋量的控制尤為重要，噴淋不均或噴淋量過大都會直接影響氣化爐內的熱解和氣化反應。在氣化煤種不變，噴淋均勻的前提下，其噴淋量的控制一般以發生爐爐出煤氣溫度為控制依據，試驗過程中發現：發生爐氣化神府煙煤時，噴淋廢水時將爐出煤氣溫度控制在150℃左右較為適宜。
文獻【20】指出當大氣壓（絕壓）為101300Pa，煤氣增壓至1500Pa時，80℃出站煤氣飽和水量為326g/Nm3，即每生產10000Nm3煤氣其協同處置廢水理論最大量可以達到3260kg。山西某焦油深加工企業利用爐外噴淋技術協同處置焦油廢水，利用焦油廢水對350℃的爐出煤氣進行噴淋降溫，將降溫后70℃煤氣加壓輸送至管式爐燃燒，煤氣產量為15000Nm3/h，其廢水實際協同處理量為60t/d。本工藝利用爐內噴淋技術協同處置濃縮液，其廢水處置量應該大于爐外噴淋技術協同處置技術。KM5Q兩段式煤氣發生爐屬于常壓固定床爐型，其單爐產氣量相對較低，目前國內最大爐型為KM5Q4.5型，其單爐80%生產負荷的產氣量約為12000Nm3/h，預計單爐煤氣站的廢水處理量為60-70t/d。從單爐協同處置能力分析，本協同處理工藝比較適合垃圾焚燒發電廠滲濾液濃縮液的無害化處置。
5 結語
以KM5Q兩段式煤氣發生爐為基本處置單元，以發生爐煤氣站和燃氣爐窯組成協同處置系統，通過協同蒸發分離、熱解脫氯并分級焚燒，可以有效達到滲濾液濃縮液無害化處置效果。鑒于煤氣發生爐單爐協同處置能力的限制，該協同處理工藝比較適合垃圾焚燒發電廠的濃縮液處置。
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第一作者
姓名：苑衛軍（1968-），男，河北省霸州市，高級工程師，工程碩士，1990年本科畢業于華北理工大學，從事工作內容：煤炭氣化行業，研究方向：煤氣化工藝及設備，聯系電話： 13703243469， E-mail：2329081462@qq.com。
聯系人：苑衛軍
地址：郵編 063000 地址 河北省唐山高新區清科園奧園1號樓608；聯系電話：13703243469
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