吸附有二噁英的活性炭的回收技术探讨

以某钢铁企业烧结烟气二噁英脱除为例,基于.

以某钢铁企业烧结烟气二噁英脱除为例,基于低温脱氯分解二噁英技术,提出了吸附后活性炭的回收方案:(1)首先通过低温脱氯法将布袋收集的除尘灰中的二噁英分解,实现除尘灰的无害化;(2)再通过“水浸除盐+浮选收碳”工艺,将除尘灰中的活性炭分离,实现活性炭的回收利用。经核算,该技术系统的设备投资费用约为 15 万元,运行成本约 175 元/h。

二噁英被称为“地球上毒性最强的毒物”,近年来成为了社会公众广泛关注的大气污染物之一。大气环境中的二噁英来源较复杂,主要来源包括钢铁冶炼、有色金属冶炼、焚烧生产、汽车尾气等。

活性炭是一种常用的二噁英吸附剂,携流式活性炭吸附二噁英工艺因投资少、结构简单、脱除效率高而成为了广泛使用的烟气二噁英末端治理方法 [1] 。

携流式活性炭吸附二噁英工艺也存在几个明显的缺点:二噁英仅从气相转移到了固相,吸附二噁英后的活性炭成为危险固废,存在二次污染的隐患;吸附有二噁英后的活性炭难以回用,活性炭消耗成本巨大。本研究针对吸附二噁英后活性炭的无害化及回收的技术进行了探讨,以寻求合理可行的技术方案。

1 固相中二噁英的处理技术

目前,针对固相中二噁英的脱除技术主要包括高温加热熔融法及低温脱氯分解法 [2-3] 。此外,超临界水氧化分解、光化学分解、低温等离子体分解等新技术也被应用于固相中二噁英的处理研究,但相关技术还不成熟且处理成本过高,仅处于实验室研究阶段 [4-5] 。

高温加热熔融法是通过将含二噁英的固体加热到 1 350~1 500 ℃左右的熔融温度,使其中的二噁英分解,具有灰渣减量近半、避免二噁英再次生成的优点,是美国、德国、日本等国家推荐的生活垃圾焚烧飞灰处理技术 [6] 。但由于处理温度较高,同时挥发的低熔点金属(如Hg)需进行无害化处理,导致成本较高,难以推广 [7] 。

低温脱氯分解二噁英技术最早是由HAGENMAIER提出的,他发现垃圾焚烧过程产生的飞灰能够在低温(250~450 ℃)、缺氧条件下促进二噁英和其他氯代芳香化合物发生脱氯/加氢反应 [8] ,或是切断与氧气交联结构的反应,从而实现二噁英的分解,也称为低温脱氯还原法。

STIEGLIZ等 [9] 对低温加热条件下固相中二噁英的热分解特性进行了系统研究,结果表明气氛、加热温度和加热时间对飞灰中二噁英的分解效率以及脱附气体中二噁英的含量都有较大影响。用低温脱氯还原法处理二噁英,当氧浓度增加时,在低温范围内会出现二噁英的再生反应,因此必须严格控制气氛中氧含量;加热时间一般都在 1~2 h,时间过长二噁英的分解效率反而不高;加热温度一般在 250~400 ℃之间,对于不同种类的尘灰,存在一个使其中二噁英分解效率最高的最佳加热温度,这需要通过实验来确定。表 1总结了国内外采用低温脱氯还原法处理尘灰中二噁英的实验结果。

表 1 低温脱氯还原法处理固相中二噁英的实验结果

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低温脱氯还原法解决了熔融法等高温处理方法处理成本高的问题,两者建设费用和运行费用的对比详见表 2。由表 2 可见,低温脱氯还原法由于操作简便、能耗低,且活性炭上的二噁英脱附后可以回收再利用,是目前脱除固相中二噁英最经济、有效的方法之一。

表 2 熔融法和低温脱氯还原法的费用比较( 处理规模 1 t/h)

吸附有二噁英的活性炭的回收技术探讨

2 吸附有二噁英的活性炭的回收方案

基于上述低温脱氯还原法,以钢铁企业烧结烟气二噁英处理为例,可采用以下的活性炭回收方案。

2.1 固相吸附二噁英的无害化处理

携流式活性炭吸附二噁英工艺中,通过向烟道中喷入活性炭粉末吸附烟气中的二噁英,吸附后的活性炭与烟气中本身的灰尘由布袋除尘器捕集。由于活性炭与灰尘都吸附有二噁英,因此首先需采用低温脱氯还原法对其中的二噁英进行分解,实现其无害化处理,相应的工艺流程及处理设备分别见图 1 和图 2。

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图 1 低温脱氯还原法处理除尘灰中二噁英的流程

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图 2 低温脱氯还原法处理除尘灰中二噁英的设备示意图

注:1—储料仓;2—旋转动力系统;3—惰性气体系统;4—活性炭冷却器;5—加热系统;6—加热炉;7—控制系统

将收集到的除尘灰存于储料仓中,储料仓通过软连接、旋转阀与加热炉相连。加热炉中设有旋转动力系统,以使加热物料搅拌均匀,并以一定速度逐步将物料推送至活性炭冷却器。加热系统中的加热方式包括电加热,采用缠绕金属加热丝,并在加热炉外包覆保温材料。

惰性气体系统为加热炉、活性炭冷却器以及相应的连接管道提高惰性气体氛围,以保证整个加热及冷却过程中,装置内的氧含量低于 0.1%(体积分数)。加热炉出口与活性炭冷却器的物料入口相连,活性炭通过旋转输送,在冷却器中经水冷作用快速冷却。

反应设备还设有控制系统,用于控制惰性气体流量、冷却水流量、旋转动力系统的转速等,以满足工艺要求。活性炭冷却至 60 ℃以下时,通过活性炭冷却器出口的旋转阀排出反应器。

烧结电除尘后的烟气粉尘质量浓度约为 350 mg/Nm 3 ,喷入的活性炭吸附剂按 150mg/Nm 3 ,布袋除尘效率按 100%考虑,一台 360 m 2 级的烧结机(其烟气流量为 100 万Nm 3 /h)布袋后搜集的除尘灰约为 0.5 t/h。若采用一套处理能力为 1 t/h的低温脱氯反应器,设备投资约 15 万元,电耗约 330 kW·h(按 0.5 元/(kW·h)计),氮气(按 0.2 元/Nm 3 计)消耗量约为 50 m 3 /h,运行成本约 175 元/h,折合约 2.1 元/t(以Fe计算,吨Fe对应的烧结烟气量按 1.2 万Nm 3 计)。

2.2 活性炭的分离及回收

上述经无害化处理的布袋除尘灰中约含 30%的活性炭,该部分活性炭中吸附的二噁英已经脱附,可回收再利用。

回收活性炭的思路主要是将它与其中的灰尘分离。有研究者采用浮选法实现了高炉除尘灰中碳的回收,其回收率可达 92.8% [16-17] 。借鉴上述工艺,利用活性炭和烧结灰的特性,采用水浸除盐+浮选收炭工艺将活性炭进行分离,具体流程如图 3 所示。图 3 活性炭回收利用工艺流程

烧结烟尘中主要成分为 Fe 和以 K 为主的金属氧化物以及 Cl。为了将活性炭与烧结烟尘组成的混合物中的活性炭分离处理,首先可通过水浸将烧结烟尘中 KCl 等盐分去除,洗涤液可用于提取 KCl。再利用活性炭的疏水性,以煤油为捕收剂,辅以分散剂和起泡剂,经过粗选和扫选,实现活性炭的分离。而剩余的部分主要是烧结灰泥浆,可返回烧结的混料工序用作烧结原料。回收后的活性炭经过烘干、活化后可以回用。

3 结 语

针对携流式活性炭吸附二噁英工艺中吸附后活性炭的回收利用,提出低温脱氯还原法是目前脱除其中二噁英的较为经济、有效的方法。并以钢铁企业烧结烟气二噁英脱除为例,基于低温脱氯还原法,提出了吸附有二噁英的活性炭的回收方案:

(1) 首先通过低温脱氯还原法将布袋收集的除尘灰中的二噁英分解,实现除尘灰的无害化。经核算,一台 360 m 2 级的烧结机对应一套处理能力为 1 t/h的低温脱氯反应器,其设备投资约 15 万元,运行成本约 175 元/h,折合约 2.1 元/t;

(2) 再通过“水浸除盐+浮选收碳”工艺,将除尘灰中的活性炭分离,可实现活性炭的回收利用。

 

原文始发于微信公众号( 河北新环检测集团有限公司 ):吸附有二噁英的活性炭的回收技术探讨

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