生活垃圾焚燒煙氣常用凈化控制技術

關鍵詞：垃圾滲濾液處理 、 垃圾焚燒煙氣凈化 、 布袋除塵器

生活垃圾焚燒煙氣中的污染物包含以下四類： 
（1）煤煙、顆粒物及飄塵； 
（2）酸性氣體：HCI、HF、SO2、NOx； 
（3）有毒重金屬：Pb、Cd、Hg、As、Cr等； 
（4）二噁英類等鹵代化合物：PCDDs (二噁英)、PCDFs (呋喃)。 
（1）粉塵（顆粒物）控制技術 
焚燒尾氣中粉塵的主要成分為惰性無機物，如灰分、無機鹽類、可凝結的氣體污染物質及有害的重金屬氧化物，其含量在450~225500 mg/m3之間，視運轉條件、廢物種類及焚燒爐型式而異。一般來說，固體廢物中灰分含量高時，所產生的粉塵量多。 
粉塵顆粒大小的分布亦廣，直徑有的大至100μm以上，也有小至1μm以下。除塵設備的種類主要有：重力沉降室、旋風（離心）除塵器、噴淋塔、文式洗滌器、靜電除塵器及布袋除塵器等。重力沉降室、旋風除塵器和噴淋塔等無法有效去除直徑為5~10μm的粉塵，只能視為除塵的前處理設備。 
靜電集塵器、文式洗滌器及布袋除塵器等三類為垃圾焚燒尾氣凈化系統中最主要的除塵設備。文式洗滌器多用于危險廢物焚燒處理。由于ESP具有促進二噁英生成的環境，目前國外在生活垃圾焚燒尾氣凈化系統中普遍采用布袋除塵器，美國、歐盟和加拿大環保局均推薦采用布袋除塵器收集粉塵。 
（2）NOx污染控制技術 
NOx是NO和NO2 的統稱，依據氮氧化物生成機理，可分為熱力型、燃料型和快速型NOx三類，其中快速型NOx 生成量很少，可以忽略不計。 
熱力型NOx：是指當爐膛溫度在1500 ℃以上時，空氣中的氮氣在高溫下被氧化生成NOx 。隨著溫度T的升高，其反應速率按指數規律。當T<1500℃時，NO的生成量很少，而當T>1500℃時，T每增加100℃，反應速率增大6-7倍。 
燃料型NOx：指的是燃料中的有機氮化物在燃燒過程中生成的NOx ，其生成量主要取決于空氣燃料的混合比。由于燃料中氮的熱分解溫度低于煤粉燃燒溫度，在600－800℃時就會生成燃料型，它在煤粉燃燒NOx產物中占60－80％。 
快速型NOx：指燃燒時空氣中的氮和燃料中的碳氫離子團(CH)等反應而生成NOx。在這3種途徑中，快速型NOx 所占的比例不到5%。 
在溫度低于1300 ℃時，幾乎沒有熱力型NOx。對常規燃煤鍋爐而言，NOx 主要通過燃料型生成途徑而產生。 
在生活垃圾焚燒過程中，NOx主要有三個來源： 
1）垃圾自身具有的有機和無機含氮化合物在焚燒過程中與O2發生反應生成NOx； 
2）助燃空氣中的N2在高溫條件下被氧化生成NOx； 
3）助燃燃料（如煤、天然氣、油品等）燃燒生成NOx。 
通過加強控制手段抑制NOx的形成或者將已經生成的NOx還原成為N2分子，是減少焚燒爐尾氣NOx排放最為有效的手段。目前應用非常廣泛的控制技術主要包括三類：焚燒控制、選擇性非催化還原技術（SNCR）、選擇性催化還原技術（SCR）。 
焚燒控制 
通過控制焚燒過程的工藝參數降低NOx的煙氣排放濃度。主要有： 
1）降低焚燒區域的溫度。在1400℃以上，空氣中的N2即與O2反應生成NOx。通過控制焚燒區域的最高溫度低于1400℃，并且減少“局部過度燃燒”的情況發生，即可控制這部分NOx的生成。由于垃圾中某些高熱值燃料（如塑料、皮革等）集中在某一區域燃燒造成該區域的局部溫度可能超過1400℃，從而增加NOx的生成量，一般將垃圾坑中的垃圾混合均勻就可避免此類情形發生。 
2）降低O2濃度。通過調節助燃空氣分布方式，降低高溫區O2濃度，從而有效減少N2和O2的高溫反應。這是一種非常經濟有效的方式。熱解氣化焚燒爐即是采用此機理。 
3）創造反應條件使NOx還原為N2。 
以上三類控制技術，在垃圾焚燒系統中具體實現時有以下幾種形式： 
a）低空氣比。降低焚燒爐的空氣過剩系數，使得O2的量足以用于固廢焚燒需要但不足以生成大量的NOx和CO。已有研究成果表明：在過�？諝獗葹�1.2時，熱解氣化焚燒爐煙氣中NOx含量只有過�？諝獗葹�2.0時的NOx含量的1/4~1/5。 
b）調整助燃空氣布氣孔位置。將部分助燃空氣由爐排下供風轉移到爐排上面供風，使得離開主反應區后未被焚毀的污染物與由爐排上方供應的空氣混合后繼續反應。 
c）分階段燃燒。通過設置燃料和助燃空氣的入口，實現垃圾分階段焚燒的目的，其作用與2）相同，逐步焚毀離開前面反應區時未被焚毀的污染物。 
d）煙氣循環。將煙氣循環回到高溫焚燒區域，稀釋空氣中的O2濃度，降低焚燒溫度。 
e）氣體再燃燒。在焚燒系統的后燃燒區引入燃料氣體燃燒，生成各種類型的CH自由基，使得在主燃燒區生成的NOx在后燃燒區被還原為N2分子。 
很多情況下，燃料或者空氣的分階段供應可以通過“低氮燃燒器”系統實現。日本Mitsubishi提供的MACT技術包是目前最先進的焚燒控制系統之一，它包括一個污染最小化燃燒器和一個氣體再燃裝置。 
選擇性非催化反應（SNCR） 
在焚燒爐內注射化學物質，如氨和尿素，在焚燒溫度為1800°F至2000°F（750℃~900℃）的區域，NOx與氨或尿素反應被還原為N2。尿素分解成為NH3后參與反應，沒有反應完全的NH3與煙氣中的HCl反應生成NH4Cl，煙氣中殘留的NH3一般小于10ppm。  
選擇性催化反應（SCR） 
這是一種后燃燒控制技術。在催化劑作用下，通過注射氨或尿素（NH3/NO=1：1，摩爾比），使NOx被催化還原為N2。催化劑一般為TiO2-V2O5，當溫度低于300℃時，催化劑活性不夠，而當溫度高于450℃時NH3就會被分解；因此催化反應的溫度一般控制300~400℃之間。 
幾種NOx控制技術比較 
就NOx的去除效果而言，SCR對NOx的去除率達到了90%以上，在300~400℃條件下TiO2-V2O5的脫硝率甚至可以達到100%；先進的焚燒控制技術可以達到60~70%的去除率；而SNCR對NOx的去除率也可達到50%左右。 
就成本-效率分析，SCR和先進的焚燒控制系統（如日本Mitsubishi提供的MACT技術包）基本相當，明顯比SNCR技術昂貴。 
就副產物和其他污染物而言，SNCR和SCR均產生NH3污染問題。SCR釋放的NH3（大約10 ppm）要低于SNCR系統。而且，SCR系統要求對排放出來的煙氣（150℃左右）進行再次升溫（300~400℃），消耗更多的能量，增加CO2的排放量；最終，當SCR系統的催化劑失活以后就成為了需要進行特殊處理的危險廢物。 
綜合考慮各項脫硝技術的成本和效率，目前在焚燒煙氣凈化系統中SNCR的應用作為廣泛，美國環保局、歐盟均推薦采用SNCR作為固體廢物焚燒煙氣脫硝工藝。 
（3）酸性氣體控制技術 
用于控制焚燒廠尾氣中酸性氣體的技術有濕法、半干法及干法等三種脫酸方法。以下分別說明。 
濕式洗氣法 
焚燒尾氣處理系統中最常用的濕式洗氣塔是對流操作的填料吸收塔，經靜電除塵器或布袋除塵器去除顆粒物的尾氣降到飽和溫度，再與向下流動的堿性溶液不斷地在填料空隙及表面接觸、反應，使尾氣中的污染氣體被有效吸收。填料對吸收效率影響很大，要盡量選用耐久性與防腐性好、比表面積大、對空氣流動阻力小以及單位體積質量輕和價格便宜的填料。 
由于一般的濕式洗氣塔采用填料吸收塔的方式設計，故其對粒狀物質的去除能力幾乎可被忽略。濕式洗氣塔的最大優點為酸性氣體的去除效率高，對HCl去除率為98%，SOx去除率為90%以上，并附帶有去除高揮發性重金屬物質（如汞）的潛力；其缺點為造價較高，用電量及用水量亦較高，此外為避免尾氣排放后產生白煙現象需另加裝廢氣再熱器，廢水亦需加以妥善處理。 
干式洗氣法 
干式洗氣法是用壓縮空氣法將堿性固體粉末（石灰或碳酸氫鈉）直接噴入煙管或煙管上某段反應器內，使堿性消石灰粉與酸性廢氣充分接觸和反應，從而去除酸性氣體。為了提高反應速率，實際堿性固體的用量約為反應需求量的3~4倍 ，固體停留時間至少需ls以上。 
干式洗氣塔結合布袋除塵器組成的干式洗氣工藝是尾氣凈化系統中較為常見的組合工藝，設備簡單，維修容易，造價便宜，消石灰輸送管線不易阻塞，但由于固體與氣體的接觸時間有限且傳質效果不佳，常須超量加藥，藥劑的消耗量大，同其他兩種方法相比，干法的整體去除效率也較低，產生的反應物及未反應物量亦較多，最終需要妥善處置。 
半干式洗氣法 
半干式洗氣塔實際上是一個噴霧干燥系統，利用高效霧化器將消石灰漿液從塔底向上或從塔頂向下噴入噴霧干燥塔中。尾氣與噴入的石灰漿成同向流或逆向流的方式充分接觸，并產生酸堿中和反應。 
由于霧化效果佳（液滴的直徑可低至30μm左右），氣、液接觸面大，不僅可以有效降低氣體的溫度，中和酸性氣體，并且石灰漿中的水分可在噴霧干燥塔內完全蒸發，不產生廢水。這種系統最主要的設備為霧化器，目前使用的霧化器為旋轉霧化器及雙流體噴嘴。 
半干式洗氣法的典型流程包含一個冷卻氣體及中和酸性氣體的噴霧干燥塔及除塵用的布袋除塵器室。氣體的停留時間為10~15s。單獨使用石灰漿時對酸性氣體去除效率約在90%左右，但利用反應藥劑（石灰乳）在布袋除塵器濾布表面進行的二次反應，可提高整個系統對酸性氣體的去除效率（HCl：98%；SO2：90%以上）。 
本法最大的特性是結合了干式法與濕式法的優點，構造簡單，投資低，壓差小，能源消耗少，液體使用量遠較濕系統低；較干式法的去除效率高，也免除了濕式法產生經過多廢水的問題；操作溫度高于氣體飽和溫度，尾氣不產生霧狀水蒸汽團。但是噴嘴易堵塞，塔內壁容易為固體化學物質附著及堆積，設計和操作中要很好控制加水量。 
目前，噴霧干燥塔結合布袋除塵器的脫酸除塵組合工藝是國內外最為廣泛采用的工藝技術，美國環保局和歐盟均推薦采用此脫酸除塵工藝。 
（4）重金屬控制技術 
焚燒廠排放尾氣中重金屬濃度的高低，與廢物組成、性質、重金屬存在形式、焚燒爐的操作及空氣污染控制方式等有密切關系。煙氣中重金屬主要以氣態或吸附態形式存在。 
氣化溫度較高的重金屬及其化合物在煙氣處理系統降溫過程中凝結成粒狀物質，然后被除塵設備收集去除；氣化溫度較低的重金屬元素無法充分凝結，但飛灰表面的催化作用可能使其轉化成氣化溫度較高、較易凝結的金屬氧化物或氯化物，從而被除塵設備收集去除；仍以氣態存在的重金屬物質，將被吸附于飛灰上或被噴入的活性炭粉末吸附而被除塵設備一并收集去除。 
活性炭粉末不僅可以吸附煙氣中呈氣態的重金屬元素及其化合物，而且可以吸附一部分布袋除塵器無法捕集的超細粉塵以及吸附在這些粉塵上的重金屬而被除塵設備一并收集去除。但是，揮發性較高的鉛、鎘和汞等少數重金屬則不易被完全去除。 
工廠已有的運行結果表明：布袋除塵器與半干式洗氣塔并用時，除了汞之外，對其它重金屬的去除效果均非常好，且進入除塵器的尾氣溫度愈低，去除效果愈好。 
但為了維持布袋除塵器的正常操作，廢氣溫度不得降至露點以下，以免引起酸霧凝結，造成濾袋腐蝕，或因水汽凝結而使整個濾袋阻塞。 
汞由于其飽和蒸氣壓較高，不易凝結，只能靠布袋上的飛灰層對氣態汞的吸附作用而去除一部分，其凈化效果與尾氣中飛灰含量及布袋中飛灰層厚度有直接關系。 
為了進一步降低汞的排放濃度，在半干法工藝中于布袋除塵器前噴入活性炭粉末或于尾氣處理流程末端使用活性炭濾床加強對汞的吸附作用，或在布袋除塵器前噴入能與汞反應的化學藥劑，如噴入Na2S粉末，使其與汞作用生成HgS顆粒而被除塵系統去除，可達到50％~70％的去除效果。 
由于活性炭吸附結合布袋除塵器除塵的組合技術可以起到很好的重金屬去除作用，1995年美國環保局把它作為重金屬控制的首選技術列入新建焚燒爐煙氣排放標準之中。 
（5）二噁英類控制技術 
控制焚燒廠煙氣中二噁英類的排放，可從控制來源、減少爐內形成、避免爐外低溫區再合成以及提高尾氣凈化效率四個方面著手。 
1）控制來源。避免含二噁英類物質（如多氯聯苯）以及含有機氯（PVC）高的廢物（如醫療廢物、農用地膜）進入焚燒爐。 
2）減少爐內合成。通常采用的是“3T+E”工藝，即焚燒溫度850℃；停留時間2.0秒；保持充分的氣固湍動程度；以及過量的空氣量，使煙氣中O2的濃度處于6~11%。 
3）減少爐外低溫再合成。爐外低溫再合成現象多發生在鍋爐內（尤其在節熱器的部位）以及粒狀污染物控制設備之前。 
已有研究指出，二噁英爐外低溫再合成的最佳溫度區間為200℃~400℃，主要生成機制為銅或鐵的化合物在飛灰的表面催化了二噁英類的前驅體物質（如苯、氯苯、酚類、烴類等）而合成二噁英類。 
在工程上采取各種措施減少二噁英的爐外再次合成，如減少煙氣在200℃~400℃之間的停留時間，改善焚燒工藝減少生成二噁英的前驅體物質，減少飛灰在設備內表面的沉積從而減少二噁英生成所需要的催化劑載體，等等。 
4）提高尾氣凈化效率。二噁英主要以顆粒狀態存在于煙氣中或者吸附在飛灰顆粒上，因此為了降低煙氣中二噁英的排放量，就必須嚴格控制粉塵的排放量。 
布袋除塵器對1μm以上粉塵的去除效率達到99%以上，但是對超細粉塵的去除效果不是十分理想，但活性炭粉末的強吸附能力可以彌補這項缺陷，通過噴射活性炭粉末加強對超細粉塵及其吸附的二噁英的捕集效率。 
生活垃圾焚燒煙氣系統由除塵、除酸、除二噁英和重金屬等各獨立單元優化組合而成。組合的原則和目的，是使整個煙氣處理系統能有效的、最大化地處理去除存在于煙氣中的各種污染物，并在經濟可行。 
目前世界上垃圾焚燒采用的煙氣凈化工藝有總計408種不同的組合體系，但在發達國家常用的是下列五種典型工藝： 
1）“半干法除酸＋活性炭噴射吸附二噁英＋布袋除塵”工藝； 
2）“SNCR脫硝＋半干法除酸＋活性炭噴射吸附二噁英＋布袋除塵”工藝； 
3）“半干法除酸＋活性炭粉末噴射吸附二噁英＋布袋除塵＋SCR脫硝”工藝； 
4）“半干法除酸＋活性炭粉末噴射吸附二噁英＋布袋除塵＋濕法除酸＋SCR脫硝”工藝； 
5）“半干法除酸＋活性炭粉末噴射吸附二噁英＋布袋除塵＋濕法除酸＋活性炭床除二噁英”工藝。 
上述各種煙氣處理工藝分別適于不同的煙氣污染物排放標準的要求，第一種組合工藝目前在世界上應用較廣（2001年占75％），適應我國煙氣污染物排放標準的要求，且煙塵和二噁英可分別達到歐盟1992和歐盟2000標準的要求。歐洲對SO2、NO2等酸性氣體排放要求較高，所以近年來增加了濕法除酸和選擇性催化脫硝裝置。 
研究和實踐均表明，“3T+E”工藝+活性炭噴射+布袋除塵器是去除煙氣中二噁英類物質的有效途徑，“3T+E”焚燒工藝+SNCR脫硝+半干法脫酸+布袋除塵器除塵+活性炭噴射”的組合技術為目前最優化的煙氣污染控制技術，可以同時滿足脫氮、脫酸、除塵、去除重金屬和二噁英的要求，實現煙氣凈化的目的。該組合工藝與美國環保局1995年推薦的組合工藝是完全一致的。 
我國大型生活垃圾焚燒煙氣凈化系統基本上采用“半干法脫酸+活性炭噴射吸附二噁英+布袋除塵器除塵”的煙氣組合處理工藝工藝，其特點是僅可以達到較高的凈化效率，而且具有投資和運行費用低、流程簡單、不產生廢水等優點。在國內應用的半干法煙氣脫酸工藝主要有以下三種技術： 
— 噴霧干燥法煙氣凈化技術； 
— 循環懸浮法煙氣凈化技術； 
— 多組分有毒廢氣治理技術（MHGT）。

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