生活垃圾焚燒煙氣凈化處理技術(shù)

王 根，戚 磊，李名洲

（1.浙江碧連天環(huán)境技術(shù)有限公司，浙江杭州 310000；2.浙江百能科技有限公司，浙江杭州 311121；3.浙江大學(xué)，浙江杭州 310058）

1 煙氣中污染物的來源及危害

垃圾焚燒過程產(chǎn)生的煙氣中污染物主要包括粉塵、SO2、NOx、重金屬等。粉塵是指生活垃圾焚燒時(shí)產(chǎn)生的飛灰，其主要成分是硅、鋁和鎂。當(dāng)垃圾中有機(jī)物含量較高時(shí)，煙氣中會(huì)產(chǎn)生少量的氯化氫；當(dāng)垃圾含水量較高時(shí)，會(huì)產(chǎn)生二噁英。重金屬主要來源于垃圾焚燒過程中煙氣排放的二噁英、重金屬等，其中二噁英是最常見的致癌物質(zhì)，會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。SO2主要來源于垃圾焚燒過程中產(chǎn)生的飛灰和爐渣。飛灰是指沒有經(jīng)過破碎、分選等預(yù)處理的爐渣，一般含有20%～50%的C2S。煙氣中飛灰含有大量重金屬和二噁英等物質(zhì)，會(huì)直接造成環(huán)境二次污染；垃圾焚燒后產(chǎn)生的爐渣為多孔結(jié)構(gòu)且含有一定水分，很容易黏附在飛灰表面，從而在飛灰表面形成一層堅(jiān)硬的灰層，降低飛灰的流動(dòng)性，影響其與煙氣混合，從而增加了二次污染。煙氣中污染物產(chǎn)生后會(huì)對(duì)人體健康造成較大危害。

1.1 二噁英的控制

二噁英是由含氯化合物在高溫條件下與空氣中的氧氣反應(yīng)生成的，因此，在生活垃圾焚燒中需要對(duì)其進(jìn)行控制。首先，可以通過在煙氣進(jìn)入爐膛前采取高溫燃燒等方式，將二噁英徹底分解掉；其次，可以通過在二噁英生成的區(qū)域加裝活性炭噴射裝置進(jìn)行吸附，并保證其運(yùn)行溫度高于500℃，以加快二噁英的分解速度；第三，可以通過在燃燒爐內(nèi)添加含氯化合物進(jìn)行控制。常見的含氯化合物有氯化氫、氯化銨、氯乙酸等，其中氯化氫是一種具有較強(qiáng)氧化性的物質(zhì)，可以加快二噁英分解速度；氯乙酸是兩種具有較強(qiáng)堿性的物質(zhì)，可以抑制二噁英的生成。最后還可以通過在爐膛內(nèi)加入含硫量較高的燃料，來抑制二噁英生成。

1.2 粉塵的控制

垃圾焚燒煙氣中粉塵主要有3種：①固體顆粒，如爐渣、飛灰等，在煙氣中的停留時(shí)間長，在高溫狀態(tài)下會(huì)發(fā)生凝聚并沉積于爐膛內(nèi)壁；②水蒸氣，一般不參與煙氣和灰渣的反應(yīng)，但在煙氣溫度低于水蒸氣飽和溫度時(shí)會(huì)凝結(jié)于爐內(nèi)壁，且隨著溫度降低而附著于爐壁上；③金屬顆粒，垃圾焚燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生金屬粉塵。隨著國內(nèi)垃圾焚燒廠的迅速發(fā)展，生活垃圾焚燒發(fā)電已成為一種趨勢(shì)。但目前還存在以下問題：①由于缺乏生活垃圾特性分析及系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致爐溫控制不均勻、燃燒工況復(fù)雜多變。②國內(nèi)對(duì)于垃圾焚燒廠的設(shè)計(jì)缺乏統(tǒng)一規(guī)范，致使運(yùn)行參數(shù)和維護(hù)管理標(biāo)準(zhǔn)不一。③環(huán)保設(shè)施和煙氣處理設(shè)施缺少有效的聯(lián)鎖控制。

1.3 重金屬污染控制

重金屬污染物的排放是導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化的重要因素之一，近年來在我國已引起了廣泛關(guān)注。隨著生活垃圾焚燒量不斷增加，在焚燒過程中會(huì)產(chǎn)生大量的重金屬污染物，其中以重金屬Pb、Zn、Cd 最為常見。為有效控制重金屬污染物排放，需對(duì)生活垃圾焚燒過程中產(chǎn)生的重金屬污染進(jìn)行控制。在生活垃圾焚燒煙氣凈化處理中，可采取以下幾種措施：①控制焚燒溫度，進(jìn)而降低重金屬在高溫?zé)煔庵械幕钚裕虎诓捎萌紵巴都犹砑觿缡一蚱渌麎A性物質(zhì)，以降低煙氣中重金屬的含量；③在焚燒前對(duì)煙氣進(jìn)行除塵處理。目前我國對(duì)于生活垃圾焚燒煙氣凈化處理工藝較為成熟，主要有以下幾種：①對(duì)焚燒后煙氣進(jìn)行冷卻；②對(duì)煙氣進(jìn)行霧化處理；③對(duì)高溫?zé)煔膺M(jìn)行噴霧干燥；④對(duì)煙氣中的重金屬進(jìn)行吸附處理。

2 煙氣凈化技術(shù)

2.1 干法脫硫技術(shù)

干法脫硫技術(shù)是目前國際上廣泛使用的一種生活垃圾焚燒煙氣凈化處理技術(shù)，該技術(shù)具有對(duì)操作環(huán)境要求低、投資和運(yùn)行成本較低、對(duì)垃圾處理量要求低、無二次污染、脫除效率高等優(yōu)點(diǎn)。但該技術(shù)存在的主要問題是：①工藝復(fù)雜，脫硫塔的建設(shè)和運(yùn)行費(fèi)用較高；②受垃圾種類、水分含量和焚燒溫度等因素影響較大，受灰渣影響較大，目前該技術(shù)也存在著灰渣問題；③干法脫硫效率一般在70%左右，受溫度影響較大，如果不能穩(wěn)定運(yùn)行或由于其他原因造成脫硫效率下降時(shí)，則煙氣中的二氧化硫濃度還會(huì)進(jìn)一步升高；④該技術(shù)對(duì)運(yùn)行的工藝控制要求比較高，由于干法脫硫受垃圾焚燒情況和操作條件影響較大，所以主要適用于處理低硫和較低濃度的煙氣。

2.2 干法脫硫工藝流程

干法脫硫裝置一般由吸收塔、循環(huán)泵、噴槍、石膏漿液制備系統(tǒng)、除霧器等組成，吸收塔位于煙氣在燃燒室內(nèi)的下部，由下向上分層布置，上部為吸收劑噴灑面。吸收劑由脫硫液輸送系統(tǒng)噴入吸收塔內(nèi)，通過噴槍將吸收劑直接噴射到煙氣與吸收劑接觸的部位。當(dāng)煙氣流過吸收塔時(shí)，吸收劑中的有效成分被煙氣中的SO2氧化成亞硫酸鈣；由于亞硫酸鈣與水溶液結(jié)合成亞硫酸鈣，所以吸收塔內(nèi)必須保持有充足的水分。另外，吸收塔內(nèi)設(shè)有文丘里管狀噴嘴，通過文丘里管將吸收塔內(nèi)氣-液傳質(zhì)過程和吸收劑對(duì)煙氣中SO2的化學(xué)反應(yīng)過程結(jié)合起來。所以煙氣中仍存在部分亞硫酸鈣。石膏漿液制備后送入脫硫塔內(nèi)，通過噴槍將部分石膏漿液噴射到吸收塔內(nèi)，然后將石膏漿液在循環(huán)泵的作用下輸送到除霧器。

2.3 脫硫效果分析

采用干法脫硫技術(shù)后，在脫硫劑利用率和脫除率方面都有很大提高。當(dāng)脫硫劑利用率為90%時(shí)，平均脫硫效率可達(dá)85%；當(dāng)脫硫劑利用率為80%時(shí)，平均脫硫效率可達(dá)78%。同時(shí)干法脫硫工藝的脫硫劑利用率及脫除率均有較大提高，這說明采用干法脫硫技術(shù)后，對(duì)提高脫硫效果有很好的效果。在脫硫劑利用率和脫除率方面都有很大的提高，但在脫硫劑利用率方面，由于使用的是粉煤灰作為脫硫劑，其主要成分為氧化硅和氧化鋁，這兩種物質(zhì)都是堿性物質(zhì)，所以對(duì)脫硫有一定的影響。采用干法脫硫技術(shù)后，對(duì)脫硫效率的提高很大程度上是因?yàn)榉勖夯以诟邷叵聲?huì)與氧化硅和氧化鋁發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而使其反應(yīng)性能得到較大的改善，同時(shí)該反應(yīng)可以提高脫硫效率。但粉煤灰作為脫硫劑會(huì)增加設(shè)備成本和投資成本，因此必須嚴(yán)格控制其用量。

2.4 濕法脫硫

濕法脫硫技術(shù)是在濕法噴淋吸收的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。傳統(tǒng)的濕法脫硫工藝主要采用石灰石-石膏法，其脫硫效率在70%左右，而且對(duì)粉塵、SO2、顆粒物的脫除效率較高。但由于石灰石漿制備過程中使用了大量的石灰石，不僅增加了生產(chǎn)成本，而且增加了對(duì)石灰石的依賴，因此從環(huán)保角度來講不是最理想的方法。近年來，由于石灰石-石膏法脫硫效率較低，且運(yùn)行費(fèi)用較高，而氧化鈣-石灰石法脫硫技術(shù)越來越受到重視。該技術(shù)利用亞硝酸作為氧化劑，在通過噴淋吸收塔前將煙氣中的NOx氧化為NO2。亞硝酸可以由氧化劑或其他物質(zhì)制備，但通常通過化學(xué)方法獲得。煙氣中的SO2被氧化成SO3后可得到脫硫產(chǎn)物，即石膏。目前廣泛使用的技術(shù)主要是FGD 工藝和FGD 與SNCR 聯(lián)合工藝。FGD 工藝是在原有脫硫設(shè)備中引入FGD 來對(duì)煙氣中的SO2進(jìn)行脫除。FGD工藝的主要特點(diǎn)是：①脫硫效率高；②脫硫產(chǎn)物易脫水，可用于建材行業(yè)；③脫除煙氣中的NOx容易控制；④操作簡單、靈活、適用于連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)；⑤運(yùn)行穩(wěn)定，設(shè)備制造技術(shù)成熟。目前國內(nèi)應(yīng)用最多的FGD 工藝是以水或循環(huán)水為介質(zhì)的濕式脫硫工藝，簡稱濕法脫硫。這種脫硫方法與其他脫硫方法相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：①可再生，無二次污染；②原料來源廣泛；③煙氣中SO2濃度高，能有效脫除；④易于實(shí)現(xiàn)廢水處理回收利用等優(yōu)點(diǎn)。但是這種工藝在我國也存在著一些缺點(diǎn)：①FGD 工藝需要大量再生水或循環(huán)水作為介質(zhì)；②對(duì)于原料來源不是很廣泛的城市垃圾焚燒廠，脫硫率不高且存在運(yùn)行成本偏高等問題；③FGD 與SNCR 聯(lián)合工藝在我國運(yùn)行較少，而且對(duì)于煙氣中SO2濃度不是很高時(shí)使用這種聯(lián)合工藝具有一定局限性。這種工藝一般用于處理含硫較高的垃圾焚燒煙氣，脫硫率可達(dá)95%以上，具有運(yùn)行成本低、排放指標(biāo)低等優(yōu)點(diǎn)。在國內(nèi)一些垃圾焚燒發(fā)電廠中，以這種工藝處理垃圾焚燒煙氣時(shí)運(yùn)行穩(wěn)定、脫硫效果好、無二次污染現(xiàn)象、副產(chǎn)物可以回收利用等。但是由于這種工藝在我國還不是很成熟，目前還沒有推廣開來。

2.5 低溫SCR脫硝技術(shù)

低溫SCR 脫硝技術(shù)是一種有效的煙氣脫硝技術(shù)。目前，國內(nèi)垃圾焚燒廠大部分采用常規(guī)的SCR 脫硝工藝，該工藝以氨為還原劑，還原溫度在300℃左右，存在氨逃逸問題。低溫SCR 脫硝技術(shù)通過在煙氣中添加尿素，將煙氣中的氮氧化物還原為氮?dú)夂退瑥亩_(dá)到脫硝目的。目前常用的低溫SCR 脫硝系統(tǒng)主要有兩種形式。①尿素選擇性催化還原工藝（簡稱SCR 工藝）：該工藝采用低成本尿素溶液為還原劑，在600～650℃條件下將氮氧化物還原為氮?dú)夂退Ｄ蛩厥且环N無毒物質(zhì)，無爆炸危險(xiǎn)，且不會(huì)產(chǎn)生二次污染。此外，該工藝無須復(fù)雜的催化劑和昂貴的還原劑成本，是目前主流的煙氣脫硝技術(shù)。②選擇性非催化還原工藝（簡稱SNCR）：該工藝使用低成本的NH3作為還原劑。與傳統(tǒng)的SCR 不同，該工藝不存在氨逃逸問題，且不需要昂貴的催化劑。

2.6 有機(jī)污染物的去除

生活垃圾焚燒煙氣中的有機(jī)污染物主要包括有機(jī)氯化物、二噁英和重金屬等，其中二噁英是一種極具毒性的化學(xué)物質(zhì)。該類物質(zhì)對(duì)人體的危害極大，當(dāng)其含量達(dá)到一定水平時(shí)，會(huì)對(duì)人類健康造成嚴(yán)重危害，同時(shí)也會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。因此對(duì)二噁英進(jìn)行去除是生活垃圾焚燒煙氣凈化處理的重要環(huán)節(jié)。目前主要通過兩種方法進(jìn)行二噁英的去除：一種是采用活性炭吸附法，另一種是采用物理吸附法，在燃燒爐內(nèi)加入活性炭，然后通過燃燒煙氣來將其吸附，使其能夠與煙氣中的二噁英進(jìn)行有效結(jié)合。由于生活垃圾中含有較多的重金屬物質(zhì)，如銅、鉛、鋅等，因此在對(duì)焚燒煙氣進(jìn)行凈化處理時(shí)，應(yīng)注重去除這些重金屬物質(zhì)。通常可以將其去除率控制在70%。

2.7 酸性氣體的控制

垃圾焚燒煙氣中含有大量的酸性氣體，其不僅會(huì)對(duì)焚燒爐的使用壽命產(chǎn)生影響，而且還會(huì)對(duì)周圍環(huán)境造成一定污染。因此，在生活垃圾焚燒煙氣凈化處理中，需要加強(qiáng)對(duì)酸性氣體的控制，避免酸性氣體超標(biāo)排放。其具體做法是在焚燒爐頂部設(shè)置一個(gè)煙道系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)對(duì)煙氣進(jìn)行再循環(huán)處理，當(dāng)煙氣溫度降至200℃時(shí)，冷凝液被收集并排放到大氣中。一般情況下，主要采用堿性吸收劑或濕式凈化處理方法進(jìn)行處理。前者主要是利用堿性溶液與廢氣中的酸性氣體發(fā)生反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)去除目標(biāo)。

3 垃圾焚燒煙氣凈化技術(shù)比較與選擇建議

1）從污染物種類看，煙氣凈化技術(shù)的主要污染物包括二噁英、重金屬（汞、鎘、鉛）、二氯乙烷和NOx。二噁英具有極強(qiáng)的毒性和極長的生物半衰期，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染；由于空氣中的水分和二氧化化碳在大氣中分解而來；NOx以氮氧化物為主，主要由空氣中氧氣及二氧化氮在空氣中被燃燒產(chǎn)生，煙氣凈化系統(tǒng)中以噴氨水的方式抑制其生成。

2）從污染物產(chǎn)生量看，垃圾焚燒過程中產(chǎn)生的煙氣中污染物濃度較高，尤其是二噁英對(duì)人體健康的危害更為嚴(yán)重。垃圾焚燒后煙氣凈化技術(shù)主要分為干法凈化和濕法凈化2種，其中干法凈化技術(shù)存在凈化效率低、投資大、運(yùn)行費(fèi)用高等問題，但可以實(shí)現(xiàn)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)要求。濕法凈化技術(shù)能夠去除二噁英，且脫除效率高、投資小，但會(huì)產(chǎn)生廢水。目前國內(nèi)主流的煙氣凈化技術(shù)包括選擇性催化還原技術(shù)（SCR）、SNCR、活性炭噴射等。

4 結(jié)束語

生活垃圾焚燒煙氣凈化處理工藝從運(yùn)行能耗、運(yùn)行成本、二次污染、廢物處置等方面進(jìn)行比較分析，可以看出，SNCR 脫硝是當(dāng)前最為成熟的生活垃圾焚燒煙氣凈化處理工藝，但由于其占地面積較大和設(shè)備投資較高，目前國內(nèi)生活垃圾焚燒煙氣凈化處理采用較少。針對(duì)垃圾焚燒煙氣污染物的控制技術(shù)，主要包括濕式脫酸工藝、半干式脫硫脫硝等技術(shù)。其中，半干式脫硫脫硝技術(shù)具有工藝流程簡單、占地面積小、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，在垃圾焚燒煙氣凈化處理領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。對(duì)于城市生活垃圾焚燒煙氣凈化處理工藝的選擇，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行合理分析和綜合決策。