摘　要:垃圾焚燒會產生二次污染,特別是焚燒煙氣中含有劇毒物質二惡英,使原本極為推崇的垃圾焚燒發電項目倍受質疑。通過對垃圾焚燒電廠煙氣排放標準的解讀以及對煙氣污染源特性的分析,探討煙氣污染防治對策及降低煙氣污染物的有效途徑。

關鍵詞:垃圾焚燒電廠,排放標準,二惡英,煙氣控制

城市垃圾常規處理方法有填埋、焚燒和堆肥等。垃圾焚燒因其無害化較徹底、減容量大、處理時間短、可回收利用熱能率高、占地面積小等優點被國內外大量采用。垃圾焚燒技術的核心是燃燒的合理組織和二次污染的防治,焚燒過程中煙氣污染問題是制約垃圾焚燒電廠發展的最重要的原因。

一、垃圾焚燒廠煙氣排放標準

垃圾焚燒廠煙氣排放應執行GB18485 - 2001 標準。事實上,隨著環保要求的日益嚴格及國家有關節能減排政策的實施,國內已有很多籌建的生活垃圾焚燒廠在煙氣排放指標中將執行EU2000 /76 / EC (歐盟2000)標準。見表1。

結合國內已運營企業的實際情況,我們簡單對標準進行如下解讀:

1. 現階段,我國標準與歐盟標準相比還有很大距離,國內垃圾發電廠應確保煙氣中的SO2、NOX、 HCl等酸性氣體及其他常規煙氣污染物達到 GB18485 - 2001標準,但對二惡英類物質的排放濃度,我們認為應參照執行EU2000 /76 /EC歐盟標準,即0. 1TEQng/m3。

2. 通過低溫燃燒技術在不裝脫硝設施的情況下,煙氣中NOX 可滿足GB18485 - 2001排放要求, 但我們認為,在大城市或對氮氧化物有特殊控制要求的地區建設垃圾焚燒發電項目,還應加裝脫硝裝置,其他地區須預留脫除氮氧化物的空間。

3. 垃圾焚燒廠必須安裝煙氣自動連續監測裝置,并與地方環保部門聯網,由環保部門實時監控, 確保排放真正達標。

4. 各企業應針對各自實際情況(如垃圾特性) 對二惡英的輔助判別措施提出要求,對爐內燃燒溫度、CO、含氧量等實施監測,對異常情況及時做出反應并處理。

二、垃圾焚燒電廠工藝流程及污染源分析

1. 工藝流程

現以武漢青山地區垃圾焚燒發電廠為例,說明其工藝流程,如圖1所示。該廠焚燒爐采用機械爐排爐。

垃圾收集后由封閉式垃圾運輸車送至垃圾焚燒發電廠,稱重后進入主廠房卸料大廳,卸下的垃圾進入垃圾庫,垃圾庫內的垃圾經吊車投入加料料斗,然后經推料裝置送到焚燒爐中燃燒。垃圾在爐內依次通過爐排的干燥段、燃燒段和燃燼段,實現負壓燃燒并達到完全燃燒。爐渣經水封式除渣裝置排入爐渣坑,由爐渣抓斗將爐渣抓入密封汽車運往灰渣綜合利用用戶或垃圾填埋場處置。

燃燒用的空氣來自垃圾庫內的氣體,經風機及空氣預熱器預熱后進入爐內燃燒。為最大限度地減少二惡英的排放,控制煙氣在爐內溫度為850℃ 以上且停留2 s時間或更長。

垃圾焚燒產生的高溫煙氣與余熱鍋爐發生熱交換,余熱鍋爐吸收熱量產生過熱蒸汽,再由汽輪發電機變成電能。

余熱鍋爐排出的煙氣,進入急冷反應塔經噴水后,煙氣溫度從2 2 0 ℃急劇降到1 7 0 ～1 8 0 ℃, 消石灰和助劑混合物噴入急冷反應塔與布袋除塵器間煙道,達到脫除酸性氣體、吸附重金屬和二惡英類物質的目的。隨后通過布袋過濾,將煙氣中的灰塵、反應生成物加以捕捉脫除,煙氣中的污染物達標后,經引風機排入80 m 煙囪。除塵器脫除的飛灰在廠內固化后由汽車運往協議確定的危廢填埋場處理。

2. 大氣污染源分析

垃圾焚燒廠的廢氣是指垃圾在焚燒過程中產生的煙氣,煙氣中的主要污染物可以分為粉塵(顆粒物) 、酸性氣體( HCl、HF、SOX 等) 、重金屬 (Hg、Pb、Cr等)和有機劇毒性污染物(二惡英等) 等幾大類。

國內外現有的技術無法完全解決垃圾焚燒過程中產生二惡英類物質,這已成為制約垃圾焚燒電廠發展的一個根本問題。

多氯二苯異二惡英(polychlorinated dibenzo - p - dioxin簡稱PCDD) 、多氯二苯異呋喃(polychlori2 nated dibenzofuran,簡稱PODF)分別由75個和135 個同族體( congener)構成,它們的化學結構相似, 常寫成PCDD /Fs,俗稱二惡英( dioxin) 。由于二惡英類物質所特有的劇毒性、穩定性和長期殘留性, 所以它是廢棄物中需特別注意的有害成分。

通常認為,二惡英產生機理如下。

一是直接產生:焚燒物中含有石油產品、含氯塑料(聚氯乙烯、聚氯亞乙烯、聚氯樹脂等)是二惡英的前體(p recursor) ,在燃燒過程中經熱分解后, 分子重排形成二惡英及前驅物( CHLOROPHE2 NOL、CHLOR OBENENE) ,此類反應發生的溫度在 600 ℃左右。

二是前驅物轉化:廚房垃圾中含有NaCl、KCl、 MgCl2 等鹽,與煙氣中的SO2 發生一系列反應,使煙氣中HCl濃度增加,同時垃圾中的Cu將被氧化生成Cu的氧化物后與HCl發生反應產生CuCl2。

前驅物CHLOROPHENOL、CHLOROBENENE 在焚燒爐和除塵器內,在HCl、CuCl2 和其他物質 (如Mn、Fe、C等)的催化作用下會再合成二惡英。有研究表明,再合成溫度為250～300 ℃。

由此可知,垃圾焚燒產生的酸性氣體、粉塵和重金屬物質都對二惡英物質的產生起到了直接或間接的作用。從二惡英產生機理看,要抑制垃圾焚燒過程中產生二惡英,必須滿足以下條件:

(1)燃燒溫度保持在1000 ℃以上,煙氣停留時間大于2 s,保持煙氣中含氧比6%以上,這樣,高溫(600 ℃作用)形成的有機物可在更高的溫度下燃燼;

(2)抑制HCl、CuO、CuCl2 的產生,盡量不燃燒含氯塑料及其它含氯化工品,不使Cu氧化;

(3)盡可能充分燃燒以減少煙氣中的含碳量, 一些國家以CO小于50ppm作為標準;

(4)在煙氣凈化段采用急冷卻辦法避開二惡英再合成的溫度250～300 ℃。

三、煙氣污染防止對策

從國內外實踐經驗看,控制煙氣污染物,特別是抑制二惡英的產生除了煙氣凈化處理外,還要考慮減少爐內形成以及避免爐外低溫再合成,這主要通過控制焚燒條件、選擇適當的焚燒爐爐型來實現。

1. 煙氣凈化處理

煙氣凈化是垃圾焚燒污染控制的關鍵,煙氣凈化系統主要由脫酸、除塵、活性炭吸附三部分組成。脫酸,即利用脫酸劑的堿性來中和吸收酸性氣體,脫酸劑通常使用CaO (或Ca (OH) 2 ) ,脫酸方式有濕法、干法或半干法,脫酸在專門建成的反應塔中進行。

活性炭吸附,主要是利用活性炭的強吸附能力吸附重金屬及二惡英類物質。

除塵器是煙氣凈化的末端設備, GB18485 - 2001中規定:生活垃圾焚燒爐除塵裝置必須采用袋式除塵器。袋式除塵器不僅收捕一般顆粒物,而且能收捕揮發性重金屬或其氯化物、硫酸鹽或氧化物所凝結成直徑≤0. 5μm的氣溶膠,同時收捕吸附在灰分或活性炭顆粒上的二惡英等有機類污染物。

此外,目前國內已運營的生活垃圾焚燒廠均未設置專門的脫氮裝置。為減少NOX 生成而采用低溫燃燒技術。當燃燒溫度為850～950 ℃時,煙囪出口煙氣中NOX含量小于400 mg/Nm3 ,能夠達到 GB18485 - 2001中400 mg/Nm3 的排放限值,但要達到EU2000 /76 /EC中200 mg/Nm3 的排放限值, 必須設置專門的脫硝設施。

由上可知,煙氣凈化處理組合方式有:半干式脫酸反應塔+活性炭噴射+袋式除塵器、干式反應塔+袋式除塵器、濕式反應塔+袋式除塵器三種。

其中,濕法技術效率高,可達97%以上,但有大量污水排出,容易造成二次污染。干法技術無污水排放,但脫除效率僅達60% ～70%。半干法技術有較高的脫硫效率(可達90%左右) ,藥品用量少,且無污水排放。目前國內已運營或在建的焚燒廠,普遍采用半干法+活性炭噴射+袋式除塵器的煙氣處理工藝,該工藝已能完全滿足國標的排放標準。

現階段,干法技術越來越受到人們關注。我們相信,當使用更為完善的垃圾燃燒方式時,干法技術將因其顯著的經濟性會越來越多的被采納。

需要說明的是,為控制煙氣二次污染物的產生,必須投入昂貴的尾氣處理設備,這使得垃圾焚燒電廠原本投資高、運行費用高的矛盾更加突出, 同時,使用后的活性炭無法再生,成為一個新的毒源,必須小心處理,這都是垃圾焚燒技術要解決的難題。

2. 控制燃燒條件

垃圾焚燒爐膛采用中溫燃燒,爐膛溫度一般維持在900～1200 ℃。這既是焚燒物料能量的限制, 也是煙氣污染物控制所要求。

實踐表明,煙氣在850 ℃左右的爐膛中停留時間達到2 s,或在1000 ℃左右爐膛內停留1 s,或是在1200 ℃左右爐膛內停留幾μs,二惡英就可以完全分解。如果溫度控制在1200 ℃以上,可以大大降低二惡英后期的重新合成幾率。因此,控制燃燒溫度和時間可以有效的減少二惡英的產生。

3. 選擇適當的焚燒爐

目前,焚燒爐類型有機械爐排爐、循環流化床、控氣型焚燒爐等。

機械爐排爐有成熟的長期運行經驗,燃燒效率較高,垃圾減容效果較好,垃圾預處理要求較低,這些優勢使之成為大型垃圾處理廠的首選。但垃圾在爐膛內直接燃燒,化學反應中產生的煙氣有害成分較多,不可避免會產生Cu的氧化及生成HCl、 CuCl2 等,同時飛灰中殘留的未燃燼碳。這些物質的存在使已經分解的二惡英再度合成。特別是爐排爐爐溫受垃圾熱值的變化而波動,使得垃圾焚燒過程中產生的二惡英難以保證完全分解,從而引起二惡英排放量增加。故該類爐型必須配備完善的煙氣凈化設備,投資成本高。

循環流化床是將垃圾流化燃燒,利用劣質燃料的潔凈燃燒技術。相對于爐排爐,它對垃圾適應性強(可燃燒低熱值垃圾) 、燃燒穩定性好、減量化程度高,同時因其具有優良的二次污染控制特性,已成為很多中型垃圾處理廠的首選。

從燃燒來看,流化床內氣- 固混合強烈,傳質速率高,燃燒速度快,燃燒完全,殘碳量小;流化床采用石英砂作為熱載體,蓄熱量大,燃燒穩定性好; 流化床適應多品種燃料的混合焚燒,生活垃圾和一定量的煤混合燃燒,不僅增強了對垃圾的適應性, 同時可燃物和有害成分燃燼率高;在爐內投加少量的石灰石等添加劑,除去大部分酸性氣體。以上這些特性,可有效抑制NOX、SOX 及二惡英物質的產生,避免二惡英物質的再合成,同時減輕尾氣凈化負擔。該類爐型運行成本高。

控氣型焚燒爐,是根據控制燃燒理論,垃圾在中溫厭氧狀態下,分解成可燃性氣體,然后在高溫室,可燃氣體充分燃燒,并通過余熱鍋爐回收利用熱量。

這種焚燒爐將燃燒過程中分為二級燃燒室,一燃室為垃圾熱分解,溫度控制在700 ℃以內,讓垃圾在缺氧狀態下安靜而緩慢地低溫熱分解。此時金屬Cu、Al、Fe不會被氧化,也就不會有CuCl2 的產生和存在。垃圾中的可燃成分分解成可燃氣體, 并引入二燃室燃燒。二燃室溫度在1000 ℃以上, 煙氣停留時間2 s以上,保證了有毒、有害的有機氣體完全分解燃燒,從而保證了二惡英的充分分解。由于二燃室是氣體燃燒,避免了煙氣中的殘碳存在,削弱了二惡英的生成環境。控氣型垃圾焚燒爐不會產生煙塵,不會有未燃燼殘碳進入煙氣中, 所以不需設置龐大的除塵裝置和其他凈化裝置,即可達到煙氣排放標準,只有在含Cl塑料過高導致 HCl超標時,才需要增加簡單的堿洗裝置。

控氣型焚燒爐從原理上控制了二惡英產生的各種因素。據日本笠原公司最新報道,采用熱解氣化焚燒爐,由于其一燃室是還原氣氛,所以SO2 僅為9. 5 ppm, NOX 為6. 1 ppm, NO2 為9. 5 ppm,二燃室是高溫燃燒, CO接近為0,所以二惡英值可望處于很低的水平。

目前國際上采用控氣型焚燒爐較多的國家是美國、加拿大,日本、德國也將此種技術作為垃圾焚燒的推廣技術,以減少二惡英的排放。由于其垃圾處理能力小、技術不成熟,國內只在小型垃圾處理廠示范使用。

四、結語

垃圾焚燒電廠要健康發展,必須有效控制大氣污染物。要抑制大氣污染物,特別是二惡英類物質的產生,我們認為,必須同時做到以下幾點:

第一,良好的煙氣凈化設施。完善煙氣凈化處理設施是控制煙氣污染的保證。凈化處理后煙氣污染物排放濃度符合GB18485 - 2001 標準要求, 最好達到EU2000 /76 /EC (歐盟2000)標準。

第二,合理的燃燒方式。不僅要控制垃圾焚燒的溫度和時間,還應根據垃圾熱值的實際情況,選擇合理的焚燒爐爐型。技術比較穩定成熟的是爐排爐和循環流化床鍋爐。循環流化床由于對二次污染的控制性能更為優越值得人們關注。控氣型焚燒爐因其有效的抑制二惡英類物質產生,相信以后會越來越多的被采用。

第三,科學的煙氣監控手段。必須設置煙氣連續監測裝置,實時監測煙氣成分。監測內容包括: SO2、NOX、CO、HCl、HF、PM10 、煙溫、煙氣量,同時結合運行監控系統,在線監測燃燒溫度和含氧量, 還要人工采樣化驗煙氣中Cu2 +的含量,對異常情況及時判斷和處理,確保設備正常運行和煙氣污染物達標排放。

第四,完善的垃圾分類制度。垃圾經過分類, 除掉產生二惡英的前體,比如石油產品、含氯塑料等,焚燒可燃成分產生的煙氣再經過凈化處理,從根本上解決二次污染問題。

第五,嚴格的管理措施。除技術層面外,嚴格的管理措施是保證設備正常運行的前提。比如深圳的一個焚燒廠廢氣凈化系統工作不正常,但依然繼續焚燒垃圾,造成嚴重污染。事實上,管理問題是我國已運營的垃圾焚燒廠的最主要問題。

參考文獻:

[ 1 ]何晶晶等. 生活垃圾焚燒副產物產生源特征[ J ]. 環境工程, 2005, (2).

[ 2 ]汪玉林. 垃圾發電技術及工程實例[M ]. 化學工業出版社, 2003.

[ 3 ]崔明珍. 廢棄物化學組分的毒性和處理技術[M ]. 中國環境科學出版社, 1993.

[ 4 ]GB18485 - 2001. 生活垃圾焚燒污染控制標準[ S].

[ 5 ]瑪　斌等. 城市垃圾焚燒與二惡英[ J ]. 能源研究與利用, 2000, (4).

[ 6 ]賀　毅. 生活垃圾焚燒發電廠煙氣污染及治理 [ J ]. 環境污染與防治, 2009.

  使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環保網”

相關文章