生活垃圾焚烧烟气污染物净化工艺分析和选择

摘要：本文对生活垃圾焚烧产生的烟气污染物主要成份和环境危害进行了分析，对不同种类污染物目前主要的控制工艺进行分析比选，确定垃圾焚烧烟气污染物可选用“低氮燃烧+SNCR+半干法+干法（消石灰、活性炭喷射）+布袋除尘”的净化工艺，满足达标排放要求，同时经济可行。
关键词：生活垃圾；焚烧；大气污染物；工艺
中图分类号：X503 文献标识码：A 文章编号：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 “low 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
采取焚烧法处置生活垃圾最早始于19世纪中期，因符合固体废弃物处理的“减量化”、“无害化”和“资源化”的原则，20世纪80年代中后期开始，我国生活垃圾焚烧发电行业发展迅速，特别是“十二五”以来，各地资金投入持续加大，垃圾收储运体系日趋完善，垃圾焚烧企业数量和处置能力快速增长，生活垃圾无害化处理率显著提高。截至2015年，全国设区市和县城生活垃圾无害化处理能力达到75.8万吨/日，较2010年新增30.1万吨/日，生活垃圾无害化处理率达到90.2%，“十三五”规划提出，到2020年底，设市城市生活垃圾焚烧处理能力要占无害化处理总能力的50%以上，其中东部地区达到60%以上[1]。但由于生活垃圾成份复杂，所含污染物种类繁多，焚烧产生的烟气中会含有大量污染物，若不选用合适的防治措施，将对周边生态环境造成严重污染。
1 垃圾焚烧烟气中主要污染物种类
目前我国生活垃圾分类尚不彻底，各成份所占比重波动较大，导致垃圾焚烧烟气中污染物种类较为复杂，甚至排放的污染物含量也较高。据分析，垃圾焚烧烟气中主要包括以下几种污染物：（1）颗粒物：PM10、PM2.5等；（2）酸性气体：主要包括NOX、SO2、HCl、HF等；（3）重金属：主要包括Hg，Cd、Tl，Sb、As、Pb、Cr、Co、Cu、Mn、Ni及其化合物；（4） 二噁英类[2]等。
2 烟气中污染物净化工艺分析
2.1 酸性气体净化
垃圾焚烧烟气中，酸性气体主要包括NOX、SO2、HCl和HF等，这些污染物的常见净化方法有湿法、干法和半干法三种（NOX有额外脱除方法，见本文第2章第2节）：
（1）湿法。湿法脱酸采用洗涤塔形式，为防止烟气中粒状污染物阻塞喷嘴，洗涤塔通常设置在除尘器下游。吸收液为烧碱溶液，在达到设定盐浓度之前循环使用，盐度过高时，应抽出一部分吸收液并补充新NaOH溶液[3]。“单独湿法”工艺对洗涤塔负荷大，废水的产生量多，NaOH的消耗量大，成本高，通常将湿法工艺与其它脱酸工艺组合使用。
（2）干法。干法净化指固态吸收剂（常用Ca（OH）2粉末）通过管道喷射，后段追加高效除尘器共同使用，该工艺对酸性气体的去除效率相对较低，為有效提高脱酸效率，须增加吸收剂在烟气中的停留时间，并加大扰动，保持良好分散效果。“干法”工艺在烟气进入袋式除尘器的烟道上设置喷口，分别喷入Ca（OH）2和活性炭粉末，用于去除烟气中的酸性气体（HCl、HF和SO2）和重金属、二噁英类污染物。
干法净化工艺优点是反应产物为固态（CaCl2、CaSO3等），便于后续处置（湿法净化工艺须对产生的废水进行二次处理，垃圾焚烧企业通常仅针对垃圾渗滤液设计废水净化工艺）；缺点是脱酸效率较低，药剂消耗量较大。
（3）半干法。半干法工艺介于湿法和干法之间，用CaO或Ca（OH）2粉剂作为吸收剂，直接向塔内喷入或制备成石灰浆后喷入，使吸收剂与酸性气体反应以达到净化效果，反应产物中所含水分容易在烟气余热条件下蒸发，使产物仍能以固态形式排出，同样，便于后续处置。部分酸性气体如HCl、HF等易于与Ca（OH）2反应，1s左右即可有效去除[4]，但对于SO2等效率较低。据测算，半干法对于HCl、HF等酸性气体去除效率在90%以上，脱硫效率在80-90%之间。
半干法净化工艺兼具了干法和湿法二者的优点，前期投资和后期运行费用均较低、脱酸效率较高、反应产物便于处置、维护也较为简便；缺点是制浆系统复杂、控制水平要求高，对喷嘴的要求高（吸收剂雾化效果、抗腐蚀性、磨损性、且不易堵塞）。
可见，半干法工艺在三种脱酸工艺中脱酸效率较高，运行成本合理，还避免了湿式工艺的二次废水处理问题，因而大量运用于生活垃圾焚烧烟气中酸性气体净化。
2.2 NOx脱除
由于生活垃圾中含氮物质较多，焚烧烟气中NOX含量较高，故本文将NOX脱除工艺单独加以分析说明。垃圾焚烧发电产生的废气中NOX的来源主要有：（1）焚烧物料含有蛋白质（含氮元素），燃烧中与O2发生反应生成NOX；（2）助燃空气中的N2在高温下被氧化成NOX；（3）助燃物质因焚烧产生NOX。
烟气中NOX控制工艺主要包括低氮燃烧法（过程控制、不需额外新增治理设施）、选择性催化还原法（SCR）、选择性非催化还原法（SNCR）等多种形式。
SCR是指在200-450℃的温度区间，通过注射含有氨基的还原剂（常见的有氨或尿素），在催化剂（TiO2或V2O5）作用下选择性的将NOx还原为N2，该工艺对NOX脱除效率焦高，但所需投资较高、配套设施复杂，且烟气在进入反应器之前需要预热，与垃圾焚烧发电企业前端的余热利用设备存在冲突，在垃圾焚烧烟气净化领域应用时间不长。
SNCR与SCR工艺相比，不需要催化剂，可直接通过炉内注射含氨基还原剂，在750℃～900℃的温度区间将NOx还原为N2，该工艺可在焚烧炉炉膛内利用余温完成，设备投资低、简单方便、NOX脱除效果可满足相应排放标准要求。
从脱硝效率分析，SCR明显优于SNCR；从经济成本分析，SCR则需较SNCR多支出初期投资费用和日后运行成本；从反应条件分析，SCR要对余热利用后烟气从约150℃左右升温至300℃～400℃，需消耗更多能量，与垃圾焚烧发电企业运行效率存在冲突；反应催化剂方面，SCR催化剂失活后属于危险废物，需进行特殊处理[5]。
目前，我国绝大部分生活垃圾均未进行分类收集，成份相对不稳定、波动较大，焚烧烟气中Pb、Cu等重金属和二噁英等有毒有害物质含量较高，易影响催化剂活性，给SCR工艺正常运行带来较多困难。从脱硝效率、运行维护等综合因素来看，当前我国垃圾收集处理现状下，SNCR工艺较为适合。
2.3 二噁英污染防治
2.3.1 二噁英产生机理
二噁英是一类多氯取代含氧三环的芳香类化合物，是多氯代二苯并-对-二噁英（PCDDs）和多氯代二苯并呋喃（PCDFs）的统称。二噁英在垃圾焚烧过程中的生成机理相当复杂，目前主流理论有以下三种：
一是重新合成機理，在300-500℃温度条件下，高分子有机物通过裂解反应生成芳香族化合物，也可以被氧化成CO和CO2，在氯源（包括无机氯源和有机氯源）存在的时，CO和CO2可能在催化物作用脂肪族前驱物，还将在氧化铝为催化剂作用下进一步生成芳香族前驱物，最后，在氯化铜和氯化铁为催化剂作用，反应生成PCDD/Fs。
二是高温生成机理，因燃烧不可能做到绝对充分，烟气中未烧尽颗粒（主要是碳粒）遇到适当的催化剂（主要是Cu及其化合物）时，在一定条件下会使已经分解的二噁英重新生成。
三是前驱异相合成机理，当温度在200-500℃时，燃烧产生的飞灰表面会发生异相催化反应，生成多种有机活性基团（如多氯代苯、多氯苯酚和多氯联苯），这些前驱物在CuCl2、FeCl3等催化剂的作用下，在活性物质表面产生吸附、解吸等过程，从而生成二噁英[6]。
2.3.2 二噁英控制工艺
根据上文对产生原理的分析，二噁英控制工艺应当应包括以下几种：
一是焚烧过程控制。国内外长期、大量的试验结果均表明，垃圾焚烧过程应注重“3T+E”控制工艺，具体就是保证焚烧炉烟气温度足够高（Temperature，PCDDs/PCDFs在800℃以上能完全分解），在燃烧室内停留时间（Time）充足，燃烧过程中湍流程度足够大（Turbulence），并控制过剩空气量（Ex-cessoxygen）；同时，在二燃室之后设置急冷段（如烟气余热利用设备等），防止二噁英大量生成和重新生成。具体来说，就是（1）控制焚烧炉和二燃室温度不低于850℃；（2）烟气在炉膛和二燃室停留时间不少于2s；（3）控制焚烧过程通入的空气量和通气方式，加大炉膛扰动程度，减少垃圾未充分燃烧时PCDD/Fs前驱物的生成；（4）在垃圾焚烧过程后设置急冷段，控制余热锅炉的出口烟气温度不超过250℃，尽量缩短烟气在300～500℃温度区间的时间[7]。
随烟气温度下降，焚烧过程中生成的二噁英约有85-98%以固态形式附着在飞灰颗粒表面，其余部分以气态形式存在。当烟气穿过除尘器布袋时，附着在飞灰颗粒上的二噁英便会一并被过滤下来；对于气态二噁英，需采用在布袋除尘器前加喷活性炭粉末的方式吸附，吸附后的活性炭也将被布袋除尘器过滤出，随飞灰一同处置。“3T+E”工艺+活性炭喷射+布袋除尘是净化垃圾焚烧烟气中二噁英的传统工艺之一，实践也证明该组合工艺效果较好，可以达到相应排放标准。
2.4 重金属去除
垃圾焚烧烟气中所含重金属种类、数量和形态与垃圾成份、性质、焚烧炉工况等密切相关。重金属主要以气态或吸附态形式存在于烟气中，当烟气经过余热利用设施之后，温度逐渐降低，部分气化温度较低的重金属首先凝结，形成小颗粒；另一部分气化温度较低的重金属在飞灰表面的催化氧化作用下，转变为较易凝结的金属氧化物或氯化物；剩余的气态重金属将被喷入的活性炭粉末或飞灰颗粒表面吸附。上述三种形式的重金属颗粒（或吸附有重金属的颗粒）均可在除尘器中被分离出来。以Hg为例，烟气中大部分Hg为气态，主要为氧化形式HgCl2，少部分以单质形式存在，三种形态的Hg元素均可被活性炭喷射+布袋除尘器有效去除。
在烟气流通过程中喷入活性炭粉末，利用其多孔性及吸附能力，可以有效吸附烟气中二噁英、部分无法直接经除尘收集的超细颗粒物和吸附在这些颗粒物上的重金属及其化合物。通常，绝大部分生活垃圾焚烧企业烟气处理系统均采用配合布袋除尘器的活性炭吸附组合工艺，该组合工艺对重金属有较好的去除作用，去除效率可达90%[8]。
2.5 颗粒物去除
目前，对于焚烧烟气中颗粒物的净化，一般选用较为成熟的袋式除尘和静电除尘两种工艺。
2.5.1 布袋除尘
袋式除尘器的主要工作原理包含过滤和清灰两部分。当烟气通过滤袋时，利用惯性碰撞、重力沉降、扩散、拦截和静电效应等物理作用，使烟气中颗粒物附着在滤袋上；当颗粒物集聚到一定程度时，就会被清灰装置从滤袋表面清除，使除尘器能够保持过滤/清灰的持续运转。
袋式除尘工艺对烟气中颗粒物净化效率较高，对烟气变化的适应程度也较好；缺点是受滤袋本身材料限制，在高温、高湿、高腐蚀性环境中耐受程度较差，运行阻力较大，另外，滤袋易破损、脱落，旧袋难以有效回收利用。
2.5.2 静电除尘
静电除尘器的主要工作原理是将高压直流电在电晕极和收尘极间联通，产生强电场使气体电离、粉尘带上电荷，随后，带有电荷的粉尘颗粒向收尘极运动并沉积在极板上，使颗粒物从烟气中分离出来。
静电除尘工艺对恶劣条件（高温、偏酸环境）适应程度较高，运行维护费用较低；但对颗粒物性质（如成份、粒径等）相当敏感，特别是对粒径细微、比电阻高的颗粒物净化效果较差，对前端焚烧工况改变致使烟气性质变化的适应性也较差，不能净化二噁英等气体污染物，甚至在除尘过程中还存在二噁英再合成现象。
由上述分析及表3可知：
（1）布袋除尘效率较高，受烟气中颗粒物性质（如粒径、比电阻等）和负荷影响较小；随近年材料工艺发展，滤袋材质的耐热、耐酸碱、耐磨损性等也得到了较大改善。
（2）布袋除尘可自动连续运行，也可实现不停机状况下的异常诊断及分室检修，操作管理较简便；同样处理效率下，投资和运行费用较小。
（3）因垃圾焚烧烟气内含有氯元素（来源于PVC塑料），形成的HCl、HClO、HClO3等酸性物质对静电除尘器的金属部件有较强腐蚀性，而布袋布袋通常为聚酰胺材质，抗腐蚀性较好[9]。
（4）静电除尘不能净化二噁英等气体污染物，甚至在除尘过程中还存在二噁英再合成现象；因前端活性炭和飞灰颗粒物表面的吸附作用，布袋除尘对烟气中重金属和二噁英也有一定净化效果。
因此，选用技术成熟、经济合理、便于运行维护的布袋除尘工艺较为适合我国当前的垃圾焚烧现状。
3 烟气污染物净化工艺选择
根据本文对中污染物净化工艺的分析可知，垃圾焚烧烟气中污染物控制主要包括燃烧过程控制和烟气净化两方面。具体来说，首先在前端燃烧过程采用低氮燃烧法、同时注意“3T+E”原则以减少前端NOX和二噁英类污染物的生成；后端烟气净化则分别选用SNCR工艺净化烟气中NOX，“半干法+干法”工艺除去SO2、HCl、HF等酸性气体，再喷入活性炭粉末以吸附烟气中二噁英及Hg、Cd、Tl等重金属，最后用布袋除尘器除去烟气中飞灰等固体颗粒。
目前，国内已投运、在建的生活垃圾焚烧企业大部分均选用上述组合工艺或其延伸工艺，据测算，上述烟气净化组合工艺可达到除尘效率≥99.8%，脱硫效率≥85%，脱氯效率≥95%，重金属（Hg、Cd、Pb）脱除效率≥90%[10]。
4 结论
根据我国目前生活垃圾产生、收集和处置特点，从净化效率、前期投资、运行维护等因素综合分析来看，较为适合目前我国垃圾焚烧烟气中污染物的组合净化工艺为“低氮燃烧+SNCR+半干法+干法（消石灰、活性炭喷射）+布袋除尘”，上述工艺及配套设备相对技术成熟、经济可行，污染物去除效率较高，能够保证烟气污染物排放稳定达到《生活垃圾焚烧污染控制标准》（GB18485-2014）限值要求。
参考文献
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[10]王文刚，付晓慧，王学珍. 生活垃圾焚烧烟气污染物控制工艺选择[J].中国人口.资源与环境，2014，24：87-91.
收稿日期：2017-04-25
作者简介：周思达（1988-），男，本科，理学学士，质量技术监督，助理工程师，研究方向为环境监察。