基于農(nóng)村生活垃圾熱解處理中的煙氣處理工藝選擇及優(yōu)化

文_昝春 中車資陽機(jī)車有限公司

1 垃圾處理站概況

廣西某鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活垃圾處理站收集該鄉(xiāng)鎮(zhèn)和旅游景點(diǎn)及縣城部分區(qū)域的生活垃圾，以實(shí)現(xiàn)生活垃圾無害化處理為目的，配置一臺(tái)一體化熱解氣化爐設(shè)備，垃圾處理能力為20t/d，配套了較簡易的“煙氣降溫+活性炭吸附+布袋除塵”煙氣凈化設(shè)備。

該廠入場生活垃圾量受當(dāng)?shù)厥者\(yùn)體系及風(fēng)俗文化習(xí)慣影響較大，據(jù)統(tǒng)計(jì)，平均每天入場垃圾量約20～25t，如按照年運(yùn)行時(shí)間要求大于8000h計(jì)，則年處理垃圾量約6670t，年產(chǎn)生灰渣量約600t，年排放煙氣量約1.39×107Nm3。根據(jù)類似項(xiàng)目垃圾成分分析，該地區(qū)混合生活垃圾含水率為41.75%～56.08%，平均熱值約4370kJ/kg。該鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活垃圾處理站工藝流程如圖1。

圖1 廣西某鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活垃圾處理站工藝流程圖

2 垃圾處理煙氣污染物種類

國內(nèi)農(nóng)村生活垃圾未經(jīng)分類，且構(gòu)成成分復(fù)雜，主要以有機(jī)物和無機(jī)物為主，其中有機(jī)類占垃圾總量的38.44%，無機(jī)類占41.16%，可回收類占18.67%，有害類占1.73%；各類物質(zhì)濕基質(zhì)量累計(jì)百分比達(dá)到83.61%。生活垃圾進(jìn)行熱處理后產(chǎn)生大量的煙氣，其中，四大類物質(zhì)（N2、O2、CO2、H2O）約占煙氣總量的98%。其余有害污染物包括：①顆粒物：粉塵、PM1-10顆粒物、金屬鹽顆粒物等；②酸性氣體：CO、SOX、NOX、HCl、HF等；③重金屬類：汞、鉈、鎘、銻、砷、鉛、鉻、鈷、銅、錳、鎳、錫及其化合物等；④其它：二噁英類、未完全燃燒的烴類化合物、芳香族含氧化合物、芳香族多環(huán)衍生物、含氮或硫的雜環(huán)化合物等。

3 垃圾處理煙氣凈化工藝分析

3.1 煙氣脫酸處理

3.1.1 酸性氣體去除

在生活垃圾熱解氣化處理煙氣中，其酸性氣體主要包含CO、SOX、NOX、HCl、HF等，而該類煙氣常見的脫酸處理方法為干法、半干法和濕法三種，主要除去煙氣中大部分的SOX、HCl和HF氣體，其工藝技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較見表1。

干法：是直接利用空氣將消石灰（Ca(OH)2粉末）通過噴射器噴入煙氣中，使其發(fā)生反應(yīng)，達(dá)到脫酸的目的。為提高脫酸效率和Ca的使用率，生產(chǎn)工藝中，往往采用使消石灰與煙氣充分混合從而增大接觸面積及反應(yīng)發(fā)生時(shí)間、選用Blaine比表面積較大的消石灰、增加多循環(huán)吸附塔等手段。脫酸反應(yīng)后生成固態(tài)的Ca(OH)2、CaCl2、CaSO3、CaF2等物質(zhì)，后端工藝配置相應(yīng)的布袋除塵器，將其過濾并收集。相較于其它工藝，干法具有工藝簡單，設(shè)備投資低，工人操作困難系數(shù)低，干態(tài)產(chǎn)物可直接處理等優(yōu)點(diǎn)，但由于其脫酸效率和Ca的使用率低，導(dǎo)致消石灰的使用量一定程度增加。

半干法：利用生石灰（CaO）或消石灰作為原料，并將其制備成石灰漿液，霧化后噴入煙氣中，使其與酸性氣體發(fā)生反應(yīng)達(dá)到凈化效果。相對于干法而言，半干法脫酸對操作水平要求較高，且實(shí)際控制參數(shù)尤其重要，脫酸塔設(shè)備的進(jìn)出口溫度將直接影響著漿液中的水分是否被蒸發(fā)及反應(yīng)生成物是否以固態(tài)形式排出。此外，反應(yīng)停留時(shí)間、吸收劑的粒度、漿液霧化噴射效果等也都直接影響著半干法的脫酸效率。半干法介于濕法與干法之間，具有脫酸效率高，投資成本較低，吸收劑使用量較低等特點(diǎn)，在實(shí)際工程中被廣泛使用。

濕法：將堿性溶液直接噴入洗滌塔內(nèi)，氣液兩相直接接觸并發(fā)生反應(yīng)達(dá)到脫酸的效果。由于是氣液反應(yīng)，其脫酸反應(yīng)速度快、效率高、吸收劑利用率高。在國內(nèi)，濕法脫酸大多運(yùn)用于大型燃煤電廠煙氣脫硫處理，而在生活垃圾熱處理煙氣凈化中運(yùn)用極少，原因大致為：生活垃圾熱處理產(chǎn)生煙氣中含硫量遠(yuǎn)不及燃煤電廠；濕法脫酸雖效果好，但工藝復(fù)雜，配套設(shè)備較多，投資成本高；產(chǎn)生的廢水需另配套處理系統(tǒng)；并容易產(chǎn)生“白煙”現(xiàn)象。

表1 常見幾種生活垃圾熱處理后產(chǎn)生的煙氣凈化工藝技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較

綜合對比：雖然干法工藝相對于濕法和半干法而言脫酸效率較低，但因其工藝簡單，對操作水平要求相對較低，且投資和運(yùn)行費(fèi)用明顯低于濕法和半干法工藝；末端干態(tài)產(chǎn)物處理更容易,整個(gè)工藝中不產(chǎn)生廢水和“白煙”現(xiàn)象等問題，能有效的避免二次污染。

由于農(nóng)村生活垃圾分散式集中處理項(xiàng)目大多地處偏遠(yuǎn)、項(xiàng)目投資較低，且設(shè)備使用環(huán)境條件較差，工人操作水平較低；加上設(shè)備運(yùn)行維護(hù)較困難，一旦設(shè)備運(yùn)行出現(xiàn)故障很難及時(shí)得到解決。所以在實(shí)際項(xiàng)目中，選用工藝簡單、操作要求較低及穩(wěn)定性好的煙氣處理工藝更能保證項(xiàng)目長期穩(wěn)定運(yùn)行。結(jié)合以上對比，干法脫酸在該類型案例中的適用性，可能更占據(jù)較大的優(yōu)勢，且容易被廣泛推廣使用。

3.1.2 NOX控制

生活垃圾中含有較多的含氮物質(zhì)，經(jīng)熱處理后生成大量NOX，而NOX作為《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》的重要控制指標(biāo)。在國內(nèi)，該煙氣中NOX控制主要采用低氮燃燒控制技術(shù)和選擇性還原法脫硝技術(shù)（SCR、SNCR）進(jìn)行解決，本次結(jié)合案例情況，主要針對低氮燃燒控制技術(shù)進(jìn)行簡要介紹。

農(nóng)村生活垃圾熱解處理大多使用立式爐型+二燃室的方式，垃圾在熱解氣化爐中，缺氧條件下發(fā)生多層級的燃燒，垃圾依次進(jìn)行干燥、干餾、熱解和燃燒等過程，產(chǎn)生的煙氣夾雜著可燃性物質(zhì)（CO、H2、焦油）在二燃室中富氧燃燒。該過程中的缺氧燃燒條件加上合理控制垃圾熱解的溫度，能有效控制燃料氮轉(zhuǎn)化為揮發(fā)分氮。而對于多層級和分段燃燒，研究顯示，空氣分級燃燒和燃料分級燃燒在工業(yè)鍋爐低氮燃燒技術(shù)對NOX的控制有著顯著的效果，氮氧化物濃度可降低達(dá)30%。項(xiàng)目實(shí)踐也證明，充分利用低氮燃燒控制技術(shù)可有效的控制NOX排放＜300mg/Nm3。

3.2 二噁英類控制

在生活垃圾熱處理過程中，二噁英類的形成受眾多因素影響，其生成機(jī)理極其復(fù)雜，至今未有明確的結(jié)論。目前據(jù)研究顯示，煙氣中二噁英類的形成過程主要包含高溫生成、從頭合成、前驅(qū)物生成和低溫逆合成等。張剛通過對垃圾焚燒運(yùn)行參數(shù)（爐溫、鍋爐出口溫度、布袋出口溫度、煙氣流量、O2和H2O）和常規(guī)污染因子（CO2、SO2、NOX、HCl、CO、煙塵、HF和NH3）與二噁英的關(guān)聯(lián)展開研究，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在一定條件下，爐溫、鍋爐出口溫度、布袋出口溫度、含水量、CO2含量、SO2含量、HCl與二噁英的排放存在一定的線性相關(guān)關(guān)系，而煙氣流量、氧含量、NOX濃度、CO含量、煙塵含量、HF和NH3則不存在線性相關(guān)性。Mi Yan等通過實(shí)驗(yàn)研究顯示，飛灰中氯苯的形成隨含氧量的增加而顯著增強(qiáng)，為了減少有機(jī)污染物的形成和排放,在保證有效燃燒條件下，控制過量氧含量在10%以內(nèi)可以遏制二噁英的生成。

結(jié)合以上研究，通過控制二噁英生成的影響因素可以有效減少煙氣中二噁英類物質(zhì)的產(chǎn)生。目前，在垃圾熱處理過程中，為有效遏制二噁英的生成對環(huán)境產(chǎn)生影響，普遍采用生成過程控制和末端治理兩種方式。“3T+E”控制工藝作為燃燒過程控制的重要手段，是有效控制二噁英產(chǎn)生所必不可少的方法。即：①控制焚燒爐和二燃室溫度不低于850℃；②控制煙氣在爐膛和二燃室內(nèi)的停留時(shí)間不小于2s；③保證燃燒過程中的湍流程度足夠大；④控制燃燒過程中的過剩空氣量。此外，根據(jù)爐型和整體工藝的設(shè)計(jì)需要，配置相適應(yīng)的二燃室，使煙氣在二燃室中高溫富氧燃燒，煙氣中的污染物也能夠有效的得到分解；在工藝中采取煙氣急冷措施（增設(shè)冷卻塔），縮短煙氣在500～200℃溫度區(qū)間的停留時(shí)間，可有效減少二噁英類物質(zhì)的逆向合成；對于部分氣態(tài)和附著在飛灰表面的二噁英類物質(zhì)，選用碘吸附值大于1000mg/g的粉狀活性炭，利用其多孔性和吸附特性，可吸附煙氣中的二噁英及重金屬等，吸附后的活性炭被布袋除塵器進(jìn)行過濾攔截，收集后與飛灰進(jìn)行集中處理。

3.3 重金屬的去除

在生活垃圾熱處理煙氣中，重金屬的遷移分布受其自身特性、垃圾組分、垃圾性質(zhì)、運(yùn)行工況等因數(shù)影響。煙氣中重金屬主要以氣態(tài)或吸附態(tài)形式存在。研究顯示，部分沸點(diǎn)很高的金屬元素主要以化合物的形式存在于灰渣中，僅有小部分富集于飛灰表面；而沸點(diǎn)較低的金屬在煙氣冷卻降溫過程中，當(dāng)其溫度低于自身及其化合物的冷凝露點(diǎn)時(shí)，將凝結(jié)成小顆粒狀物質(zhì)富集在飛灰中；剩余的金屬則以氣態(tài)形式存在于煙氣中。

在實(shí)際工藝中，金屬及重金屬的去除方法大多采用噴射吸附劑和尾氣洗滌的方式，利用吸附劑（活性炭、高嶺土、礦物質(zhì)粉）的吸附特性將其吸附形成顆粒物并被布袋除塵器攔截，或利用濕法或半干法噴淋去除水溶性較強(qiáng)的重金屬物質(zhì)。目前，垃圾處理煙氣中則大多采用“半干法+活性炭吸附+布袋除塵”的組合工藝進(jìn)行處理，處理后的煙氣均能滿足《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》GB18485-2014排放要求。

3.4 顆粒物的去除

目前，對于垃圾熱處理煙氣中顆粒物的去除，一般采用靜電除塵和袋式除塵兩種方式。

相對于電除塵而言，因布袋除塵器具有高效除塵、抗腐蝕性好、投資低、運(yùn)行維護(hù)方便等特點(diǎn)。且近年來國內(nèi)布袋制造技術(shù)和工藝得到迅猛發(fā)展，其耐溫耐腐蝕、高強(qiáng)低伸、低阻高效、使用壽命等性能得到很好的提升，各類新型（改性）覆膜濾袋得以發(fā)展并在工程中得到運(yùn)用，除塵效率≥99.8%，可實(shí)現(xiàn)顆粒物排放小于10mg/Nm3。

另外，根據(jù)《生活垃圾焚燒處理工程技術(shù)規(guī)范》CJJ-2009中要求，煙氣凈化系統(tǒng)必須設(shè)置袋式除塵器。結(jié)合整體工藝設(shè)計(jì)，選用布袋除塵器的作用不僅僅在于除去煙氣中原有的顆粒物。因前端噴射的吸附劑可吸附煙氣中的重金屬及二噁英類物質(zhì)，再利用布袋除塵器對粉塵進(jìn)行有效攔截，可大大提高煙氣的凈化效果。

4 該廠煙氣處理工藝分析

該廠生活垃圾無害化處理采用熱解氣化技術(shù)，煙氣處理工藝采用“二燃室+換熱器+活性炭吸附+布袋除塵器”，該技術(shù)采取低氧燃燒+分段燃燒手段，實(shí)現(xiàn)了生活垃圾的無害化及減量化處理，且煙氣排放達(dá)到國家要求。

經(jīng)由煙囪取樣口采樣，樣品檢測分析得出煙氣中二噁英類物質(zhì)的濃度如表2所示。

表2 該廠煙氣二噁英采樣條件及排放濃度

煙氣中其它各項(xiàng)污染物經(jīng)檢測分析，各參數(shù)如表3所示。

表3 該廠煙氣各項(xiàng)污染物的排放濃度

根據(jù)圖1中工藝流程并結(jié)合案例本身可以看出，該煙氣處理工藝設(shè)計(jì)不能滿足最基本的技術(shù)要求，并存在工藝不完善、設(shè)計(jì)簡單、設(shè)備配置簡易、未實(shí)現(xiàn)熱能回收利用、自動(dòng)化程度低等特點(diǎn)。設(shè)備配置簡單、選型不合理等因素且造成設(shè)備長期超負(fù)荷運(yùn)行，引起設(shè)備運(yùn)行頻繁出現(xiàn)故障、不能有效保證工藝參數(shù)，從而導(dǎo)致煙氣排放不穩(wěn)定。

單從二噁英取樣條件和檢測數(shù)據(jù)來看，煙氣排放出現(xiàn)波動(dòng)性較大，二噁英類污染物的排放指標(biāo)不穩(wěn)定。部分原因歸結(jié)于垃圾未破碎、入爐物料不均勻且成分復(fù)雜，從而引起燃燒工況不穩(wěn)定；而另一部分原因與活性炭的選型及投加量也存在關(guān)系，實(shí)際工藝操作中，活性炭的投加量僅在150mg/m3左右。

在該工藝中，未采取嚴(yán)格的脫銷脫酸措施前提下，根據(jù)酸性氣體（SO2、CO、HCl）的檢測數(shù)據(jù)可以看出，其檢測值遠(yuǎn)小于污染物限值（1h均值），而且同類項(xiàng)目的檢測結(jié)果均與此相似。結(jié)合該工藝與焚燒工藝對比分析，說明低氧燃燒和分段燃燒控制對污染物的產(chǎn)生量起到較明顯的作用，尤其是NOX的排放檢測指標(biāo)長期穩(wěn)定小于300mg/m3。

工藝中采用的活性炭吸附和布袋除塵器過濾攔截對重金屬及顆粒物的去除起到明顯的作用，其排放檢測值均達(dá)到污染物限值要求。

5 煙氣處理工藝優(yōu)化

針對原工藝中存在工藝不完整、設(shè)備配置不齊全、未實(shí)現(xiàn)熱能回收利用等問題，本次對工藝進(jìn)行如下優(yōu)化：

選用釬焊熱管式余熱回收裝置將出口煙氣溫度降至240～180℃，同時(shí)每小時(shí)可產(chǎn)生80℃、12.5t高溫水或0.4MPa、152℃、1.3t飽和蒸汽，產(chǎn)生的蒸汽或熱水可為配套工程提供熱源，用于醫(yī)療垃圾的高溫殺菌或餐廚垃圾的生物發(fā)酵，也可實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)的部分供熱供暖問題，達(dá)到資源化利用的目的。

煙氣采用干法脫酸工藝，消石灰通過噴射裝置定量投加到煙氣中，本工藝中Ca(OH)2的投加量可控制在300～500mg/m3，在吸附塔中使其與煙氣充分混合并發(fā)生反應(yīng)，吸附塔底部設(shè)置出料口。

選用粉末狀活性炭作為重金屬及二噁英類的吸附劑，活性炭碘吸附值應(yīng)大于1000mg/g，其投加量可控制在150～200mg/m3，噴射裝置安裝于布袋除塵器前端管道上，利用管道內(nèi)煙氣自身流動(dòng)與其混合并吸附其中的污染物。

選用脈沖式布袋除塵器進(jìn)行除塵過濾攔截，材料可選PTFE覆膜布袋，最高耐溫240℃，透氣率為30～50m3/m2.min，布袋設(shè)計(jì)流速0.8～1.0m/min，出口顆粒物排放濃度小于20mg/Nm3。

6 結(jié)束語

目前，我國生活垃圾焚燒煙氣處理工藝已相對成熟，各種組合工藝在工程中也得以運(yùn)用。在具體實(shí)施中，我們更應(yīng)切合實(shí)際項(xiàng)目情況，結(jié)合煙氣凈化效率、投資成本、運(yùn)行維護(hù)等因素綜合分析，選擇適合本項(xiàng)目的煙氣處理工藝。本文中經(jīng)工藝分析和優(yōu)化后，建議類似農(nóng)村生活垃圾處理項(xiàng)目中的煙氣處理采用“干法+活性炭吸附+布袋除塵”的組合工藝。該工藝技術(shù)成熟、投資成本低、操作簡單、可有效避免二次污染的產(chǎn)生，且能長期穩(wěn)定運(yùn)行并達(dá)標(biāo)排放。