生活垃圾焚燒煙氣污染物凈化工藝分析和選擇

摘要：本文對生活垃圾焚燒產(chǎn)生的煙氣污染物主要成份和環(huán)境危害進(jìn)行了分析，對不同種類污染物目前主要的控制工藝進(jìn)行分析比選，確定垃圾焚燒煙氣污染物可選用“低氮燃燒+SNCR+半干法+干法（消石灰、活性炭噴射）+布袋除塵”的凈化工藝，滿足達(dá)標(biāo)排放要求，同時經(jīng)濟(jì)可行。

關(guān)鍵詞：生活垃圾；焚燒；大氣污染物；工藝

中圖分類號：X503 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-672X（2017）03-0057-03

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2017.03.025

Abstract： In this paper， the main components and environmental hazards of flue gas contaminants produced by incineration of municipal solid waste incineration were analyzed. The main control technologies of different pollutants were analyzed and compared， and the “l(fā)ow nitrogen combustion + SNCR + semi-dry + dry （lime， activated carbon spray） + bag dust “purification process to meet the discharge requirements， while economically viable.

Key words： domestic waste； incineration； air pollutants； process

采取焚燒法處置生活垃圾最早始于19世紀(jì)中期，因符合固體廢棄物處理的“減量化”、“無害化”和“資源化”的原則，20世紀(jì)80年代中后期開始，我國生活垃圾焚燒發(fā)電行業(yè)發(fā)展迅速，特別是“十二五”以來，各地資金投入持續(xù)加大，垃圾收儲運體系日趨完善，垃圾焚燒企業(yè)數(shù)量和處置能力快速增長，生活垃圾無害化處理率顯著提高。截至2015年，全國設(shè)區(qū)市和縣城生活垃圾無害化處理能力達(dá)到75.8萬噸/日，較2010年新增30.1萬噸/日，生活垃圾無害化處理率達(dá)到90.2%，“十三五”規(guī)劃提出，到2020年底，設(shè)市城市生活垃圾焚燒處理能力要占無害化處理總能力的50%以上，其中東部地區(qū)達(dá)到60%以上[1]。但由于生活垃圾成份復(fù)雜，所含污染物種類繁多，焚燒產(chǎn)生的煙氣中會含有大量污染物，若不選用合適的防治措施，將對周邊生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。

1 垃圾焚燒煙氣中主要污染物種類

目前我國生活垃圾分類尚不徹底，各成份所占比重波動較大，導(dǎo)致垃圾焚燒煙氣中污染物種類較為復(fù)雜，甚至排放的污染物含量也較高。據(jù)分析，垃圾焚燒煙氣中主要包括以下幾種污染物：（1）顆粒物：PM10、PM2.5等；（2）酸性氣體：主要包括NOX、SO2、HCl、HF等；（3）重金屬：主要包括Hg，Cd、Tl，Sb、As、Pb、Cr、Co、Cu、Mn、Ni及其化合物；（4） 二噁英類[2]等。

2 煙氣中污染物凈化工藝分析

2.1 酸性氣體凈化

垃圾焚燒煙氣中，酸性氣體主要包括NOX、SO2、HCl和HF等，這些污染物的常見凈化方法有濕法、干法和半干法三種（NOX有額外脫除方法，見本文第2章第2節(jié)）：

（1）濕法。濕法脫酸采用洗滌塔形式，為防止煙氣中粒狀污染物阻塞噴嘴，洗滌塔通常設(shè)置在除塵器下游。吸收液為燒堿溶液，在達(dá)到設(shè)定鹽濃度之前循環(huán)使用，鹽度過高時，應(yīng)抽出一部分吸收液并補充新NaOH溶液[3]。“單獨濕法”工藝對洗滌塔負(fù)荷大，廢水的產(chǎn)生量多，NaOH的消耗量大，成本高，通常將濕法工藝與其它脫酸工藝組合使用。

（2）干法。干法凈化指固態(tài)吸收劑（常用Ca（OH）2粉末）通過管道噴射，后段追加高效除塵器共同使用，該工藝對酸性氣體的去除效率相對較低，為有效提高脫酸效率，須增加吸收劑在煙氣中的停留時間，并加大擾動，保持良好分散效果。“干法”工藝在煙氣進(jìn)入袋式除塵器的煙道上設(shè)置噴口，分別噴入Ca（OH）2和活性炭粉末，用于去除煙氣中的酸性氣體（HCl、HF和SO2）和重金屬、二噁英類污染物。

干法凈化工藝優(yōu)點是反應(yīng)產(chǎn)物為固態(tài)（CaCl2、CaSO3等），便于后續(xù)處置（濕法凈化工藝須對產(chǎn)生的廢水進(jìn)行二次處理，垃圾焚燒企業(yè)通常僅針對垃圾滲濾液設(shè)計廢水凈化工藝）；缺點是脫酸效率較低，藥劑消耗量較大。

（3）半干法。半干法工藝介于濕法和干法之間，用CaO或Ca（OH）2粉劑作為吸收劑，直接向塔內(nèi)噴入或制備成石灰漿后噴入，使吸收劑與酸性氣體反應(yīng)以達(dá)到凈化效果，反應(yīng)產(chǎn)物中所含水分容易在煙氣余熱條件下蒸發(fā)，使產(chǎn)物仍能以固態(tài)形式排出，同樣，便于后續(xù)處置。部分酸性氣體如HCl、HF等易于與Ca（OH）2反應(yīng)，1s左右即可有效去除[4]，但對于SO2等效率較低。據(jù)測算，半干法對于HCl、HF等酸性氣體去除效率在90%以上，脫硫效率在80-90%之間。

半干法凈化工藝兼具了干法和濕法二者的優(yōu)點，前期投資和后期運行費用均較低、脫酸效率較高、反應(yīng)產(chǎn)物便于處置、維護(hù)也較為簡便；缺點是制漿系統(tǒng)復(fù)雜、控制水平要求高，對噴嘴的要求高（吸收劑霧化效果、抗腐蝕性、磨損性、且不易堵塞）。

可見，半干法工藝在三種脫酸工藝中脫酸效率較高，運行成本合理，還避免了濕式工藝的二次廢水處理問題，因而大量運用于生活垃圾焚燒煙氣中酸性氣體凈化。

2.2 NOx脫除

由于生活垃圾中含氮物質(zhì)較多，焚燒煙氣中NOX含量較高，故本文將NOX脫除工藝單獨加以分析說明。垃圾焚燒發(fā)電產(chǎn)生的廢氣中NOX的來源主要有：（1）焚燒物料含有蛋白質(zhì)（含氮元素），燃燒中與O2發(fā)生反應(yīng)生成NOX；（2）助燃空氣中的N2在高溫下被氧化成NOX；（3）助燃物質(zhì)因焚燒產(chǎn)生NOX。

煙氣中NOX控制工藝主要包括低氮燃燒法（過程控制、不需額外新增治理設(shè)施）、選擇性催化還原法（SCR）、選擇性非催化還原法（SNCR）等多種形式。

SCR是指在200-450℃的溫度區(qū)間，通過注射含有氨基的還原劑（常見的有氨或尿素），在催化劑（TiO2或V2O5）作用下選擇性的將NOx還原為N2，該工藝對NOX脫除效率焦高，但所需投資較高、配套設(shè)施復(fù)雜，且煙氣在進(jìn)入反應(yīng)器之前需要預(yù)熱，與垃圾焚燒發(fā)電企業(yè)前端的余熱利用設(shè)備存在沖突，在垃圾焚燒煙氣凈化領(lǐng)域應(yīng)用時間不長。

SNCR與SCR工藝相比，不需要催化劑，可直接通過爐內(nèi)注射含氨基還原劑，在750℃～900℃的溫度區(qū)間將NOx還原為N2，該工藝可在焚燒爐爐膛內(nèi)利用余溫完成，設(shè)備投資低、簡單方便、NOX脫除效果可滿足相應(yīng)排放標(biāo)準(zhǔn)要求。

從脫硝效率分析，SCR明顯優(yōu)于SNCR；從經(jīng)濟(jì)成本分析，SCR則需較SNCR多支出初期投資費用和日后運行成本；從反應(yīng)條件分析，SCR要對余熱利用后煙氣從約150℃左右升溫至300℃～400℃，需消耗更多能量，與垃圾焚燒發(fā)電企業(yè)運行效率存在沖突；反應(yīng)催化劑方面，SCR催化劑失活后屬于危險廢物，需進(jìn)行特殊處理[5]。

目前，我國絕大部分生活垃圾均未進(jìn)行分類收集，成份相對不穩(wěn)定、波動較大，焚燒煙氣中Pb、Cu等重金屬和二噁英等有毒有害物質(zhì)含量較高，易影響催化劑活性，給SCR工藝正常運行帶來較多困難。從脫硝效率、運行維護(hù)等綜合因素來看，當(dāng)前我國垃圾收集處理現(xiàn)狀下，SNCR工藝較為適合。

2.3 二噁英污染防治

2.3.1 二噁英產(chǎn)生機理

二噁英是一類多氯取代含氧三環(huán)的芳香類化合物，是多氯代二苯并-對-二噁英（PCDDs）和多氯代二苯并呋喃（PCDFs）的統(tǒng)稱。二噁英在垃圾焚燒過程中的生成機理相當(dāng)復(fù)雜，目前主流理論有以下三種：

一是重新合成機理，在300-500℃溫度條件下，高分子有機物通過裂解反應(yīng)生成芳香族化合物，也可以被氧化成CO和CO2，在氯源（包括無機氯源和有機氯源）存在的時，CO和CO2可能在催化物作用脂肪族前驅(qū)物，還將在氧化鋁為催化劑作用下進(jìn)一步生成芳香族前驅(qū)物，最后，在氯化銅和氯化鐵為催化劑作用，反應(yīng)生成PCDD/Fs。

二是高溫生成機理，因燃燒不可能做到絕對充分，煙氣中未燒盡顆粒（主要是碳粒）遇到適當(dāng)?shù)拇呋瘎ㄖ饕荂u及其化合物）時，在一定條件下會使已經(jīng)分解的二噁英重新生成。

三是前驅(qū)異相合成機理，當(dāng)溫度在200-500℃時，燃燒產(chǎn)生的飛灰表面會發(fā)生異相催化反應(yīng)，生成多種有機活性基團(tuán)（如多氯代苯、多氯苯酚和多氯聯(lián)苯），這些前驅(qū)物在CuCl2、FeCl3等催化劑的作用下，在活性物質(zhì)表面產(chǎn)生吸附、解吸等過程，從而生成二噁英[6]。

2.3.2 二噁英控制工藝

根據(jù)上文對產(chǎn)生原理的分析，二噁英控制工藝應(yīng)當(dāng)應(yīng)包括以下幾種：

一是焚燒過程控制。國內(nèi)外長期、大量的試驗結(jié)果均表明，垃圾焚燒過程應(yīng)注重“3T+E”控制工藝，具體就是保證焚燒爐煙氣溫度足夠高（Temperature，PCDDs/PCDFs在800℃以上能完全分解），在燃燒室內(nèi)停留時間（Time）充足，燃燒過程中湍流程度足夠大（Turbulence），并控制過剩空氣量（Ex-cessoxygen）；同時，在二燃室之后設(shè)置急冷段（如煙氣余熱利用設(shè)備等），防止二噁英大量生成和重新生成。具體來說，就是（1）控制焚燒爐和二燃室溫度不低于850℃；（2）煙氣在爐膛和二燃室停留時間不少于2s；（3）控制焚燒過程通入的空氣量和通氣方式，加大爐膛擾動程度，減少垃圾未充分燃燒時PCDD/Fs前驅(qū)物的生成；（4）在垃圾焚燒過程后設(shè)置急冷段，控制余熱鍋爐的出口煙氣溫度不超過250℃，盡量縮短煙氣在300～500℃溫度區(qū)間的時間[7]。

隨煙氣溫度下降，焚燒過程中生成的二噁英約有85-98%以固態(tài)形式附著在飛灰顆粒表面，其余部分以氣態(tài)形式存在。當(dāng)煙氣穿過除塵器布袋時，附著在飛灰顆粒上的二噁英便會一并被過濾下來；對于氣態(tài)二噁英，需采用在布袋除塵器前加噴活性炭粉末的方式吸附，吸附后的活性炭也將被布袋除塵器過濾出，隨飛灰一同處置。“3T+E”工藝+活性炭噴射+布袋除塵是凈化垃圾焚燒煙氣中二噁英的傳統(tǒng)工藝之一，實踐也證明該組合工藝效果較好，可以達(dá)到相應(yīng)排放標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 重金屬去除

垃圾焚燒煙氣中所含重金屬種類、數(shù)量和形態(tài)與垃圾成份、性質(zhì)、焚燒爐工況等密切相關(guān)。重金屬主要以氣態(tài)或吸附態(tài)形式存在于煙氣中，當(dāng)煙氣經(jīng)過余熱利用設(shè)施之后，溫度逐漸降低，部分氣化溫度較低的重金屬首先凝結(jié)，形成小顆粒；另一部分氣化溫度較低的重金屬在飛灰表面的催化氧化作用下，轉(zhuǎn)變?yōu)檩^易凝結(jié)的金屬氧化物或氯化物；剩余的氣態(tài)重金屬將被噴入的活性炭粉末或飛灰顆粒表面吸附。上述三種形式的重金屬顆粒（或吸附有重金屬的顆粒）均可在除塵器中被分離出來。以Hg為例，煙氣中大部分Hg為氣態(tài)，主要為氧化形式HgCl2，少部分以單質(zhì)形式存在，三種形態(tài)的Hg元素均可被活性炭噴射+布袋除塵器有效去除。

在煙氣流通過程中噴入活性炭粉末，利用其多孔性及吸附能力，可以有效吸附煙氣中二噁英、部分無法直接經(jīng)除塵收集的超細(xì)顆粒物和吸附在這些顆粒物上的重金屬及其化合物。通常，絕大部分生活垃圾焚燒企業(yè)煙氣處理系統(tǒng)均采用配合布袋除塵器的活性炭吸附組合工藝，該組合工藝對重金屬有較好的去除作用，去除效率可達(dá)90%[8]。

2.5 顆粒物去除

目前，對于焚燒煙氣中顆粒物的凈化，一般選用較為成熟的袋式除塵和靜電除塵兩種工藝。

2.5.1 布袋除塵

袋式除塵器的主要工作原理包含過濾和清灰兩部分。當(dāng)煙氣通過濾袋時，利用慣性碰撞、重力沉降、擴(kuò)散、攔截和靜電效應(yīng)等物理作用，使煙氣中顆粒物附著在濾袋上；當(dāng)顆粒物集聚到一定程度時，就會被清灰裝置從濾袋表面清除，使除塵器能夠保持過濾/清灰的持續(xù)運轉(zhuǎn)。

袋式除塵工藝對煙氣中顆粒物凈化效率較高，對煙氣變化的適應(yīng)程度也較好；缺點是受濾袋本身材料限制，在高溫、高濕、高腐蝕性環(huán)境中耐受程度較差，運行阻力較大，另外，濾袋易破損、脫落，舊袋難以有效回收利用。

2.5.2 靜電除塵

靜電除塵器的主要工作原理是將高壓直流電在電暈極和收塵極間聯(lián)通，產(chǎn)生強電場使氣體電離、粉塵帶上電荷，隨后，帶有電荷的粉塵顆粒向收塵極運動并沉積在極板上，使顆粒物從煙氣中分離出來。

靜電除塵工藝對惡劣條件（高溫、偏酸環(huán)境）適應(yīng)程度較高，運行維護(hù)費用較低；但對顆粒物性質(zhì)（如成份、粒徑等）相當(dāng)敏感，特別是對粒徑細(xì)微、比電阻高的顆粒物凈化效果較差，對前端焚燒工況改變致使煙氣性質(zhì)變化的適應(yīng)性也較差，不能凈化二噁英等氣體污染物，甚至在除塵過程中還存在二噁英再合成現(xiàn)象。

由上述分析及表3可知：

（1）布袋除塵效率較高，受煙氣中顆粒物性質(zhì)（如粒徑、比電阻等）和負(fù)荷影響較??；隨近年材料工藝發(fā)展，濾袋材質(zhì)的耐熱、耐酸堿、耐磨損性等也得到了較大改善。

（2）布袋除塵可自動連續(xù)運行，也可實現(xiàn)不停機狀況下的異常診斷及分室檢修，操作管理較簡便；同樣處理效率下，投資和運行費用較小。

（3）因垃圾焚燒煙氣內(nèi)含有氯元素（來源于PVC塑料），形成的HCl、HClO、HClO3等酸性物質(zhì)對靜電除塵器的金屬部件有較強腐蝕性，而布袋布袋通常為聚酰胺材質(zhì)，抗腐蝕性較好[9]。

（4）靜電除塵不能凈化二噁英等氣體污染物，甚至在除塵過程中還存在二噁英再合成現(xiàn)象；因前端活性炭和飛灰顆粒物表面的吸附作用，布袋除塵對煙氣中重金屬和二噁英也有一定凈化效果。

因此，選用技術(shù)成熟、經(jīng)濟(jì)合理、便于運行維護(hù)的布袋除塵工藝較為適合我國當(dāng)前的垃圾焚燒現(xiàn)狀。

3 煙氣污染物凈化工藝選擇

根據(jù)本文對中污染物凈化工藝的分析可知，垃圾焚燒煙氣中污染物控制主要包括燃燒過程控制和煙氣凈化兩方面。具體來說，首先在前端燃燒過程采用低氮燃燒法、同時注意“3T+E”原則以減少前端NOX和二噁英類污染物的生成；后端煙氣凈化則分別選用SNCR工藝凈化煙氣中NOX，“半干法+干法”工藝除去SO2、HCl、HF等酸性氣體，再噴入活性炭粉末以吸附煙氣中二噁英及Hg、Cd、Tl等重金屬，最后用布袋除塵器除去煙氣中飛灰等固體顆粒。

目前，國內(nèi)已投運、在建的生活垃圾焚燒企業(yè)大部分均選用上述組合工藝或其延伸工藝，據(jù)測算，上述煙氣凈化組合工藝可達(dá)到除塵效率≥99.8%，脫硫效率≥85%，脫氯效率≥95%，重金屬（Hg、Cd、Pb）脫除效率≥90%[10]。

4 結(jié)論

根據(jù)我國目前生活垃圾產(chǎn)生、收集和處置特點，從凈化效率、前期投資、運行維護(hù)等因素綜合分析來看，較為適合目前我國垃圾焚燒煙氣中污染物的組合凈化工藝為“低氮燃燒+SNCR+半干法+干法（消石灰、活性炭噴射）+布袋除塵”，上述工藝及配套設(shè)備相對技術(shù)成熟、經(jīng)濟(jì)可行，污染物去除效率較高，能夠保證煙氣污染物排放穩(wěn)定達(dá)到《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB18485-2014）限值要求。

參考文獻(xiàn)

[1]國家發(fā)展改革委，住房城鄉(xiāng)建設(shè)部.“十三五”全國城鎮(zhèn)生活垃圾無害化處理設(shè)施建設(shè)規(guī)劃[Z]，2016-12-31.

[2]陳平，程建光，陳俊.垃圾焚燒過程中的煙氣污染及其控制[J].環(huán)境科學(xué)與管理，2006（5）：116-118，133.

[3]陳善平，劉開成，馬梅芳.濕法脫酸工藝應(yīng)用于垃圾焚燒的適應(yīng)性與經(jīng)濟(jì)性研究[J].環(huán)境工程，2010（28）：226-229.

[4]沈琴，孫立，張培良等.垃圾焚燒煙氣凈化處理半干法脫酸工藝淺析[J].能源與環(huán)境，2015（6）：4-85.

[5]劉輝等.某垃圾焚燒廠煙氣凈化工藝選擇分析研究[J]. 環(huán)境科學(xué)與管理，2016.04（41）：101-104.

[6]羅阿群等.二噁英生成機理及減排方法研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展，2016，（35）：910-916.

[7]黃文章，胡小燕等.二惡英的產(chǎn)生機理和控制[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2008.12（10）：43-46，54.

[8]汪波，王董.噴霧干燥法在垃圾焚燒尾氣凈化中的應(yīng)用[J].中國環(huán)保產(chǎn)業(yè)，2005，7：011.

[9]中國環(huán)境保護(hù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會袋式除塵委員會，我國袋式除塵技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展.中國環(huán)保產(chǎn)業(yè)，2014，07：9-12.

[10]王文剛，付曉慧，王學(xué)珍. 生活垃圾焚燒煙氣污染物控制工藝選擇[J].中國人口.資源與環(huán)境，2014，24：87-91.

收稿日期：2017-04-25

作者簡介：周思達(dá)（1988-），男，本科，理學(xué)學(xué)士，質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督，助理工程師，研究方向為環(huán)境監(jiān)察。