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生活垃圾焚烧飞灰是在生活垃圾焚烧发电过程中主要收集于烟气管道、烟气净化装置、旋风分离器和布袋除尘器等容重较轻、粒径细小的粉体物质[1]。随着烟气净化水平的不断提高,排放到大气中的烟气越来越清洁,而净化系统截留捕集的细颗粒物(飞灰)成分越来越复杂、危害性越来越大。飞灰中主要的危害性物质含有苯并芘、苯并蒽、二噁英等有机污染物和Cr、Cd、Hg、Pb、Cu、Ni等重金属。除此之外,还含有NaCl和KCl等可溶性盐以及与水泥熟料比较相近的CaO、SiO2、Al2O3等成分。

由于垃圾焚烧产业爆发式增长,未来飞灰产量巨大,到2020年底,垃圾总焚烧量达59.14万t/d,年产生飞灰量约为1000万t。我国垃圾焚烧主要以机械炉排炉焚烧厂和循环流化床焚烧厂为主,炉排炉产生飞灰量约占垃圾焚烧量的3%~5%,含氯量为12%~20%;循环流化床产生飞灰量约占垃圾焚烧量的10%~15%,含氯量为3%~5%。

随着飞灰填埋场地的减少,飞灰的资源化处置越来越受到政府和社会各界环保人士的重视[2]。当前国家环保部、工信部及各地方环保部门大力推广水泥窑协同处置。对飞灰的资源化处置不仅有助于实现垃圾的蓝色焚烧,同时在水泥产能过剩的当下,有助于水泥企业进行环保转型,将水泥生产企业由“污染排放型”的工业生产企业升级成为“飞灰终结者”的城市污染消纳型企业。

目前垃圾焚烧飞灰的水泥窑协同处置方式主要为直喷+水泥窑协同处置技术和水洗提盐(FWD)和水泥窑协同处置技术。这两种处置方式对飞灰的处置能力、适应能力及对水泥生产的影响都有很大不同。

直喷入窑的原理是直接将飞灰喷入水泥窑,然后通过旁路放风将飞灰中的钾、钠、硫、氯放出,利用水泥窑高温对重金属和二噁英进行固化和分解。但它有很大的局限:①处置能力较低,并且要保证绝对均匀入窑;②有二次污染物,旁路放风放出的高含氯窑灰处理将会是企业新的难题,仍需进行水洗脱盐处理;③对水泥的生产有影响,需旁路放风,会影响熟料产能,入窑速度控制不好会造成窑系统结皮;④虽然建设和直接处置费用较低,但比较适宜处置少量的含氯量在3%以下的飞灰。

水洗提盐的原理是利用水洗对飞灰中的钾、钠、硫、氯进行提取,制成工业产品,余下部分送入水泥窑进行高温煅烧,利用水泥窑高温对重金属和二噁英进行固化和分解。适应能力很强,相比于直喷入窑有很大的优势。①处置能力较大,可以达到熟料产能的5%甚至更高;②无二次污染物;③对水泥的生产几乎没有影响;④虽然建设和直接处置费用较高,但各种飞灰均可处理。

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利用垃圾焚烧飞灰水洗提盐(FWD)和水泥窑协同处置技术是先对飞灰进行水洗提盐[3],降低飞灰中的氯含量在1%以下,再利用水泥窑协同处置。这套技术不仅成本合理而且技术安全可靠,目前在我国已有工程化应用实例,取得了很好的应用效果,是目前解决生活垃圾焚烧飞灰的最优选择。

生活垃圾焚烧飞灰水洗提盐(FWD)和水泥窑协同处置技术由飞灰洗脱系统、水质净化系统、蒸发制盐系统、烘干系统和入窑煅烧系统五大系统组成。技术能够达到自动连续下料,水洗效果稳定,用水量小,重金属和二噁英转移率低,运行稳定,自动化程度高,经预处理后的飞灰含氯量可达到≤1%的特点。生活垃圾焚烧飞灰水洗提盐(FWD)和水泥窑协同处置工艺见图1。

飞灰洗脱系统的主要功能是将飞灰中的钾、钠、硫、氯等离子通过水洗工艺,使其从飞灰中分离出来,以满足飞灰入窑要求。

本系统采用逆流漂洗技术,飞灰浆液经过第一级洗脱反应器和洗脱分离器固液分离后,洗脱灰进入下一级的洗脱反应器中进行第二次洗涤,洗脱液进入到水质净化处理系统。洗涤次数和用水量根据飞灰中氯含量的检测结果决定。一般情况下,二次水洗可以有效去除飞灰中的氯离子,为保证飞灰洗脱系统的处理效果,进行第三次洗脱,确保氯离子的有效去除率在95%以上。第三次洗脱分离后的洗脱灰进行贮存,其含氯量控制在1%以内,贮存的洗脱灰送入水泥企业进行湿灰干化处理,进入水泥窑进行高温煅烧生成水泥熟料。

就机械炉排炉垃圾焚烧工艺产生的飞灰,一般采用三级逆流漂洗。具体项目建设时,需采用几级水洗,可根据实际飞灰含氯量的高低,进行水洗次数的调整。飞灰水洗时,飞灰中绝大部分可溶性盐类溶于水,同时应控制重金属和二噁英转移到洗脱液当中。通过飞灰洗脱系统,飞灰中氯离子的有效去除率在95%以上,水洗后飞灰中CaO的含量在53%左右,达到了优质石灰石中CaO﹥50%的标准。根据实际生产线运行情况,经过水洗的飞灰的投加量为水泥窑熟料产能的5%左右,在水泥窑协同处置飞灰的过程中,窑况稳定,没有窑尾结皮堵塞的问题,对水泥窑生产的熟料没有任何影响[4]。

水质净化系统的主要功能是对洗脱系统中的飞灰洗脱液进行水质净化,去除洗脱液中含有的钙、镁及重金属等离子和少量悬浮物,经过絮凝沉淀、化学沉淀等处理技术将重金属离子和钙镁离子分别沉淀下来,使飞灰洗脱液满足蒸发系统工艺要求。

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