增塑劑鄰苯二甲酸二辛脂(DOP)生產(chǎn)中固廢燃燒特性及活性炭?jī)艋紵裏煔庑Ч芯?/h1>
2023-06-04 08:32:26李靜
黑龍江科學(xué) 2023年8期
李 靜
(煙臺(tái)云灃生態(tài)環(huán)境產(chǎn)業(yè)發(fā)展股份有限公司,山東 煙臺(tái) 264000)
增塑劑是一種用途廣泛的化學(xué)制劑,但在制作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一些固體廢料,這些固體廢料的主要成分為有機(jī)物,可采用焚燒方式處理。我國(guó)對(duì)廢物焚燒煙氣的排放標(biāo)準(zhǔn)提出了嚴(yán)格要求,在了解DOP生產(chǎn)固廢燃燒特性的前提下采取活性炭吸附燃燒煙氣,可降低煙氣中顆粒物和揮發(fā)性有機(jī)物的濃度,是一種成本較低且實(shí)用性強(qiáng)的方法。
1 DOP生產(chǎn)固廢燃燒特性實(shí)驗(yàn)
1.1 實(shí)驗(yàn)裝置
實(shí)驗(yàn)裝置:電子天平、管式爐、熱重分析儀、流量顯示儀、冷凝循環(huán)器、氣相色譜質(zhì)譜檢測(cè)儀等,如圖1所示。
圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Diagram of experimental device
1.2 方法
使用電子天平稱取一定質(zhì)量的DOP生產(chǎn)固廢材料置于石英盅內(nèi)。打開壓縮瓶閥門,使壓縮空氣經(jīng)導(dǎo)管吹入燃燒爐內(nèi)的耐高溫石英玻璃管中。燃燒過(guò)程中,改變管式爐的升溫速率及壓縮空氣的風(fēng)量,得到不同的燃燒條件。燃燒產(chǎn)生的煙氣分為兩部分:一部分從出口a進(jìn)入到氣相色譜質(zhì)譜檢測(cè)儀,分析煙氣成分及各類成分的濃度。另一部分經(jīng)冷凝循環(huán)器降溫后使用活性炭吸附、凈化,從出口b排放到空氣中[1]。實(shí)驗(yàn)中所用壓縮空氣的成分為N2(78.9%)、O2(21.0%)、CO2(0.03%)、H2O(0.07%)。
1.3 結(jié)果分析
1.3.1 燃燒時(shí)間對(duì)煙氣主要成分濃度的影響
將出口a處的閥門關(guān)閉,并在出口b處收集煙氣,檢測(cè)煙氣中O2、CO、SO2、NO 4種主要成分的濃度。在管式爐升溫速率15 ℃/min、空氣流量5 L/min、檢測(cè)初始溫度120 ℃、結(jié)束溫度600 ℃、最高溫度停留時(shí)間10 min的條件下,DOP生產(chǎn)固廢燃燒煙氣中O2與CO的濃度為負(fù)相關(guān),如圖2所示。氮氧化物主要以NO形式存在,SO2的含量極低,但是兩者的濃度極低,均在5 ppm以下,且濃度不會(huì)隨燃燒時(shí)間的變化而發(fā)生明顯改變。
圖2 不同時(shí)間煙氣中O2和CO的濃度變化曲線Fig.2 Concentration curve of O2 and CO in flue gas at different time
DOP生產(chǎn)固廢燃燒煙氣中,CO是在溫度達(dá)到200 ℃后才產(chǎn)生的,在溫度達(dá)不到200 ℃時(shí),煙氣中含有少量的小分子碳鏈揮發(fā)性有機(jī)物[2]。在100 ℃～200 ℃,每升高20 ℃抽取一次等量煙氣,使用氣相色譜質(zhì)譜檢測(cè)儀分析煙氣中甲烷與非甲烷總烴含量。按照同樣方法測(cè)定了200 ℃～700 ℃煙氣中甲烷與非甲烷總烴含量,結(jié)果如圖3所示。
圖3 不同燃燒溫度下甲烷與非甲烷的濃度變化曲線Fig.3 Plots of methane and non-methane concentrations at different combustion temperatures
結(jié)合圖3可知,燃燒溫度在100 ℃～200 ℃時(shí),煙氣中甲烷和非甲烷總烴的含量較為穩(wěn)定,甲烷總烴的含量在1.48～1.50 mg/m3,非甲烷總烴的含量在2.60～3.30 mg/m3。隨著燃燒溫度的升高,在200 ℃～700 ℃,甲烷總烴含量沒有明顯變化,但是非甲烷總烴含量變化幅度較大,在400℃時(shí)達(dá)到峰值,為68.6 mg/m3,之后逐漸降低。原因是在400 ℃時(shí)DOP固廢材料中小分子碳鏈揮發(fā)性有機(jī)物已經(jīng)充分燃燒,非甲烷總烴濃度最高,之后煙氣中非甲烷總烴被吹入的壓縮空氣稀釋,濃度不斷降低[3]。
1.3.2 升溫速度與空氣流量對(duì)DOP生產(chǎn)固廢燃燒充分性的影響
DOP生產(chǎn)固廢燃燒越充分,煙氣中的CO濃度越低。通過(guò)收集煙氣并檢測(cè)CO濃度,可以得出當(dāng)前燃燒條件對(duì)燃燒充分性的影響。設(shè)定了2種燃燒變量,即升溫速度與空氣流量。
在升溫速度方面,設(shè)有8 ℃/min、10 ℃/min、12 ℃/min和14 ℃/min 4個(gè)變量。對(duì)比發(fā)現(xiàn),隨著升溫速度的增加,煙氣中CO濃度的峰值出現(xiàn)得更早,且峰值濃度更高。升溫速度為14 ℃/min時(shí),CO濃度峰值為1 366 ppm,峰值出現(xiàn)在22.7 min處。升溫速度為8 ℃/min時(shí),CO濃度峰值為407 ppm,峰值出現(xiàn)在34.1 min處。由此可知,在DOP生產(chǎn)固廢燃燒過(guò)程中升溫速度越快,燃燒越不充分。
在空氣流量方面,設(shè)有2.5 L/min、3.0 L/min、3.5 L/min、4.0 L/min 4個(gè)變量。對(duì)比發(fā)現(xiàn),空氣流量越小,煙氣中CO濃度的峰值越大,但是改變空氣流量對(duì)CO濃度峰值的出現(xiàn)時(shí)間沒有明顯影響?？諝饬髁繛?.5 L/min時(shí),CO濃度峰值出現(xiàn)在11.7 min處,此時(shí)CO濃度達(dá)到了1 075 ppm?？諝饬髁繛?.0 L/min時(shí),CO濃度峰值出現(xiàn)在11.9 min處,此時(shí)CO濃度為336 ppm。由此可知,在DOP生產(chǎn)固廢燃燒過(guò)程中加大空氣流量,可使燃燒更加充分。
2 活性炭?jī)艋夹g(shù)
2.1 活性炭吸附煙氣中的顆粒物
DOP生產(chǎn)固廢燃燒時(shí),可調(diào)整通入的空氣流量,待燃燒結(jié)束后取下活性炭篩網(wǎng),清理篩網(wǎng)上附著的顆粒物。精確稱量顆粒物質(zhì)量,換算后即可得到煙氣顆粒物濃度[4],換算公式為:
C折=C×(21-C1)/(21-C2)
式中,C折表示折算后的顆粒物濃度;C表示稱量的顆粒物質(zhì)量;C1表示行業(yè)內(nèi)氧氣基準(zhǔn)值,火電廠取6%,垃圾焚燒廠取11%;C2表示煙氣中的氧氣濃度[5]。實(shí)驗(yàn)中分別使用了200目篩網(wǎng)與500目篩網(wǎng),對(duì)比發(fā)現(xiàn),兩種孔徑大小不同的篩網(wǎng)在不同風(fēng)量下清理得到的顆粒物粒徑?jīng)]有明顯差異,均在30～40 μm。實(shí)驗(yàn)中使用精密電子秤稱取1.0 g的DOP生產(chǎn)固廢燃料,設(shè)置管式爐的升溫速率為15 ℃/min,使燃料充分燃燒。在一個(gè)直徑為20 mm、長(zhǎng)度為150 mm的圓柱形塑料管內(nèi)填充13.0 g的活性炭,分別測(cè)定風(fēng)量在2.6 m3/h、2.8 m3/h、3 m3/h……4.2 m3/h時(shí)篩網(wǎng)上顆粒物的質(zhì)量。以500畝篩網(wǎng)為例,篩網(wǎng)上顆粒物質(zhì)量折算成濃度后,其變化曲線如圖4所示。
圖4 500目篩網(wǎng)截取顆粒物濃度Fig.4 Particulate matter concentration map intercepted by 500 mesh screen
由圖4可知,無(wú)論是活性炭?jī)艋斑€是凈化后,不同空氣流量對(duì)煙氣中顆粒物濃度的影響都不明顯?；钚蕴?jī)艋?當(dāng)空氣流量為2.6 m3/h時(shí),顆粒物濃度為6.8 mg/m3。當(dāng)空氣流量為4.2 m3/h時(shí),顆粒物濃度為6.5 mg/m3,差異基本可以忽略不計(jì)。但是在相同空氣流量下使用活性炭?jī)艋療煔?顆粒物濃度明顯降低。以風(fēng)量為3.2 m3/h為例,凈化前燃燒煙氣的顆粒物濃度為37.3 mg/m3,凈化后降低至7.1 mg/m3,說(shuō)明活性炭對(duì)DOP生產(chǎn)固廢燃燒煙氣的凈化效果十分明顯。
2.2 活性炭吸附煙氣中的VOCs
DOP生產(chǎn)固廢燃燒煙氣中含有大量的揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs),如果直接排放到大氣中會(huì)降低空氣質(zhì)量,對(duì)人體健康造成威脅。使用同樣的實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證活性炭對(duì)VOCs的吸附能力,不同溫度下活性炭吸附前后煙氣中VOCs的濃度變化如圖5所示。
圖5 不同溫度下有機(jī)物濃度變化曲線Fig.5 Curves of organic matter concentrations at different temperatures
由圖5可知,不同溫度下燃燒煙氣中的VOCs濃度存在明顯變化,溫度為300 ℃和500 ℃時(shí),分別出現(xiàn)了VOCs濃度高峰,濃度最高達(dá)到了108.4 mg/m3。溫度為300 ℃時(shí),經(jīng)過(guò)活性炭吸附,VOCs濃度降為82.4 mg/m3,降低了26.0 mg/m3,表明活性炭能夠有效凈化DOP固廢燃燒煙氣。
3 結(jié)論
實(shí)驗(yàn)表明,DOP生產(chǎn)中的固廢燃燒過(guò)程中,改變空氣流量、燃燒溫度及燃燒時(shí)間均會(huì)對(duì)煙氣中的顆粒物及揮發(fā)性有機(jī)物的濃度產(chǎn)生影響。根據(jù)固廢質(zhì)量調(diào)整空氣流量、燃燒溫度及燃燒時(shí)間,能夠使燃燒產(chǎn)生的污染物濃度降至最低,在此基礎(chǔ)上配合使用活性炭吸附,可令燃燒煙氣達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。
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李 靜
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1 DOP生產(chǎn)固廢燃燒特性實(shí)驗(yàn)
1.1 實(shí)驗(yàn)裝置
實(shí)驗(yàn)裝置:電子天平、管式爐、熱重分析儀、流量顯示儀、冷凝循環(huán)器、氣相色譜質(zhì)譜檢測(cè)儀等,如圖1所示。
圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Diagram of experimental device
1.2 方法
使用電子天平稱取一定質(zhì)量的DOP生產(chǎn)固廢材料置于石英盅內(nèi)。打開壓縮瓶閥門,使壓縮空氣經(jīng)導(dǎo)管吹入燃燒爐內(nèi)的耐高溫石英玻璃管中。燃燒過(guò)程中,改變管式爐的升溫速率及壓縮空氣的風(fēng)量,得到不同的燃燒條件。燃燒產(chǎn)生的煙氣分為兩部分:一部分從出口a進(jìn)入到氣相色譜質(zhì)譜檢測(cè)儀,分析煙氣成分及各類成分的濃度。另一部分經(jīng)冷凝循環(huán)器降溫后使用活性炭吸附、凈化,從出口b排放到空氣中[1]。實(shí)驗(yàn)中所用壓縮空氣的成分為N2(78.9%)、O2(21.0%)、CO2(0.03%)、H2O(0.07%)。
1.3 結(jié)果分析
1.3.1 燃燒時(shí)間對(duì)煙氣主要成分濃度的影響
將出口a處的閥門關(guān)閉,并在出口b處收集煙氣,檢測(cè)煙氣中O2、CO、SO2、NO 4種主要成分的濃度。在管式爐升溫速率15 ℃/min、空氣流量5 L/min、檢測(cè)初始溫度120 ℃、結(jié)束溫度600 ℃、最高溫度停留時(shí)間10 min的條件下,DOP生產(chǎn)固廢燃燒煙氣中O2與CO的濃度為負(fù)相關(guān),如圖2所示。氮氧化物主要以NO形式存在,SO2的含量極低,但是兩者的濃度極低,均在5 ppm以下,且濃度不會(huì)隨燃燒時(shí)間的變化而發(fā)生明顯改變。
圖2 不同時(shí)間煙氣中O2和CO的濃度變化曲線Fig.2 Concentration curve of O2 and CO in flue gas at different time
DOP生產(chǎn)固廢燃燒煙氣中,CO是在溫度達(dá)到200 ℃后才產(chǎn)生的,在溫度達(dá)不到200 ℃時(shí),煙氣中含有少量的小分子碳鏈揮發(fā)性有機(jī)物[2]。在100 ℃～200 ℃,每升高20 ℃抽取一次等量煙氣,使用氣相色譜質(zhì)譜檢測(cè)儀分析煙氣中甲烷與非甲烷總烴含量。按照同樣方法測(cè)定了200 ℃～700 ℃煙氣中甲烷與非甲烷總烴含量,結(jié)果如圖3所示。
圖3 不同燃燒溫度下甲烷與非甲烷的濃度變化曲線Fig.3 Plots of methane and non-methane concentrations at different combustion temperatures
結(jié)合圖3可知,燃燒溫度在100 ℃～200 ℃時(shí),煙氣中甲烷和非甲烷總烴的含量較為穩(wěn)定,甲烷總烴的含量在1.48～1.50 mg/m3,非甲烷總烴的含量在2.60～3.30 mg/m3。隨著燃燒溫度的升高,在200 ℃～700 ℃,甲烷總烴含量沒有明顯變化,但是非甲烷總烴含量變化幅度較大,在400℃時(shí)達(dá)到峰值,為68.6 mg/m3,之后逐漸降低。原因是在400 ℃時(shí)DOP固廢材料中小分子碳鏈揮發(fā)性有機(jī)物已經(jīng)充分燃燒,非甲烷總烴濃度最高,之后煙氣中非甲烷總烴被吹入的壓縮空氣稀釋,濃度不斷降低[3]。
1.3.2 升溫速度與空氣流量對(duì)DOP生產(chǎn)固廢燃燒充分性的影響
DOP生產(chǎn)固廢燃燒越充分,煙氣中的CO濃度越低。通過(guò)收集煙氣并檢測(cè)CO濃度,可以得出當(dāng)前燃燒條件對(duì)燃燒充分性的影響。設(shè)定了2種燃燒變量,即升溫速度與空氣流量。
在升溫速度方面,設(shè)有8 ℃/min、10 ℃/min、12 ℃/min和14 ℃/min 4個(gè)變量。對(duì)比發(fā)現(xiàn),隨著升溫速度的增加,煙氣中CO濃度的峰值出現(xiàn)得更早,且峰值濃度更高。升溫速度為14 ℃/min時(shí),CO濃度峰值為1 366 ppm,峰值出現(xiàn)在22.7 min處。升溫速度為8 ℃/min時(shí),CO濃度峰值為407 ppm,峰值出現(xiàn)在34.1 min處。由此可知,在DOP生產(chǎn)固廢燃燒過(guò)程中升溫速度越快,燃燒越不充分。
在空氣流量方面,設(shè)有2.5 L/min、3.0 L/min、3.5 L/min、4.0 L/min 4個(gè)變量。對(duì)比發(fā)現(xiàn),空氣流量越小,煙氣中CO濃度的峰值越大,但是改變空氣流量對(duì)CO濃度峰值的出現(xiàn)時(shí)間沒有明顯影響?？諝饬髁繛?.5 L/min時(shí),CO濃度峰值出現(xiàn)在11.7 min處,此時(shí)CO濃度達(dá)到了1 075 ppm?？諝饬髁繛?.0 L/min時(shí),CO濃度峰值出現(xiàn)在11.9 min處,此時(shí)CO濃度為336 ppm。由此可知,在DOP生產(chǎn)固廢燃燒過(guò)程中加大空氣流量,可使燃燒更加充分。
2 活性炭?jī)艋夹g(shù)
2.1 活性炭吸附煙氣中的顆粒物
DOP生產(chǎn)固廢燃燒時(shí),可調(diào)整通入的空氣流量,待燃燒結(jié)束后取下活性炭篩網(wǎng),清理篩網(wǎng)上附著的顆粒物。精確稱量顆粒物質(zhì)量,換算后即可得到煙氣顆粒物濃度[4],換算公式為:
C折=C×(21-C1)/(21-C2)
式中,C折表示折算后的顆粒物濃度;C表示稱量的顆粒物質(zhì)量;C1表示行業(yè)內(nèi)氧氣基準(zhǔn)值,火電廠取6%,垃圾焚燒廠取11%;C2表示煙氣中的氧氣濃度[5]。實(shí)驗(yàn)中分別使用了200目篩網(wǎng)與500目篩網(wǎng),對(duì)比發(fā)現(xiàn),兩種孔徑大小不同的篩網(wǎng)在不同風(fēng)量下清理得到的顆粒物粒徑?jīng)]有明顯差異,均在30～40 μm。實(shí)驗(yàn)中使用精密電子秤稱取1.0 g的DOP生產(chǎn)固廢燃料,設(shè)置管式爐的升溫速率為15 ℃/min,使燃料充分燃燒。在一個(gè)直徑為20 mm、長(zhǎng)度為150 mm的圓柱形塑料管內(nèi)填充13.0 g的活性炭,分別測(cè)定風(fēng)量在2.6 m3/h、2.8 m3/h、3 m3/h……4.2 m3/h時(shí)篩網(wǎng)上顆粒物的質(zhì)量。以500畝篩網(wǎng)為例,篩網(wǎng)上顆粒物質(zhì)量折算成濃度后,其變化曲線如圖4所示。
圖4 500目篩網(wǎng)截取顆粒物濃度Fig.4 Particulate matter concentration map intercepted by 500 mesh screen
由圖4可知,無(wú)論是活性炭?jī)艋斑€是凈化后,不同空氣流量對(duì)煙氣中顆粒物濃度的影響都不明顯?；钚蕴?jī)艋?當(dāng)空氣流量為2.6 m3/h時(shí),顆粒物濃度為6.8 mg/m3。當(dāng)空氣流量為4.2 m3/h時(shí),顆粒物濃度為6.5 mg/m3,差異基本可以忽略不計(jì)。但是在相同空氣流量下使用活性炭?jī)艋療煔?顆粒物濃度明顯降低。以風(fēng)量為3.2 m3/h為例,凈化前燃燒煙氣的顆粒物濃度為37.3 mg/m3,凈化后降低至7.1 mg/m3,說(shuō)明活性炭對(duì)DOP生產(chǎn)固廢燃燒煙氣的凈化效果十分明顯。
2.2 活性炭吸附煙氣中的VOCs
DOP生產(chǎn)固廢燃燒煙氣中含有大量的揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs),如果直接排放到大氣中會(huì)降低空氣質(zhì)量,對(duì)人體健康造成威脅。使用同樣的實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證活性炭對(duì)VOCs的吸附能力,不同溫度下活性炭吸附前后煙氣中VOCs的濃度變化如圖5所示。
圖5 不同溫度下有機(jī)物濃度變化曲線Fig.5 Curves of organic matter concentrations at different temperatures
由圖5可知,不同溫度下燃燒煙氣中的VOCs濃度存在明顯變化,溫度為300 ℃和500 ℃時(shí),分別出現(xiàn)了VOCs濃度高峰,濃度最高達(dá)到了108.4 mg/m3。溫度為300 ℃時(shí),經(jīng)過(guò)活性炭吸附,VOCs濃度降為82.4 mg/m3,降低了26.0 mg/m3,表明活性炭能夠有效凈化DOP固廢燃燒煙氣。
3 結(jié)論
實(shí)驗(yàn)表明,DOP生產(chǎn)中的固廢燃燒過(guò)程中,改變空氣流量、燃燒溫度及燃燒時(shí)間均會(huì)對(duì)煙氣中的顆粒物及揮發(fā)性有機(jī)物的濃度產(chǎn)生影響。根據(jù)固廢質(zhì)量調(diào)整空氣流量、燃燒溫度及燃燒時(shí)間,能夠使燃燒產(chǎn)生的污染物濃度降至最低,在此基礎(chǔ)上配合使用活性炭吸附,可令燃燒煙氣達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。
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