摘　要:垃圾焚燒會(huì)產(chǎn)生二次污染,特別是焚燒煙氣中含有劇毒物質(zhì)二惡英,使原本極為推崇的垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目倍受質(zhì)疑。通過(guò)對(duì)垃圾焚燒電廠煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)的解讀以及對(duì)煙氣污染源特性的分析,探討煙氣污染防治對(duì)策及降低煙氣污染物的有效途徑。

關(guān)鍵詞:垃圾焚燒電廠,排放標(biāo)準(zhǔn),二惡英,煙氣控制

城市垃圾常規(guī)處理方法有填埋、焚燒和堆肥等。垃圾焚燒因其無(wú)害化較徹底、減容量大、處理時(shí)間短、可回收利用熱能率高、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)被國(guó)內(nèi)外大量采用。垃圾焚燒技術(shù)的核心是燃燒的合理組織和二次污染的防治,焚燒過(guò)程中煙氣污染問(wèn)題是制約垃圾焚燒電廠發(fā)展的最重要的原因。

一、垃圾焚燒廠煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)

垃圾焚燒廠煙氣排放應(yīng)執(zhí)行GB18485 - 2001 標(biāo)準(zhǔn)。事實(shí)上,隨著環(huán)保要求的日益嚴(yán)格及國(guó)家有關(guān)節(jié)能減排政策的實(shí)施,國(guó)內(nèi)已有很多籌建的生活垃圾焚燒廠在煙氣排放指標(biāo)中將執(zhí)行EU2000 /76 / EC (歐盟2000)標(biāo)準(zhǔn)。見表1。

結(jié)合國(guó)內(nèi)已運(yùn)營(yíng)企業(yè)的實(shí)際情況,我們簡(jiǎn)單對(duì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行如下解讀:

1. 現(xiàn)階段,我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)與歐盟標(biāo)準(zhǔn)相比還有很大距離,國(guó)內(nèi)垃圾發(fā)電廠應(yīng)確保煙氣中的SO2、NOX、 HCl等酸性氣體及其他常規(guī)煙氣污染物達(dá)到 GB18485 - 2001標(biāo)準(zhǔn),但對(duì)二惡英類物質(zhì)的排放濃度,我們認(rèn)為應(yīng)參照?qǐng)?zhí)行EU2000 /76 /EC歐盟標(biāo)準(zhǔn),即0. 1TEQng/m3。

2. 通過(guò)低溫燃燒技術(shù)在不裝脫硝設(shè)施的情況下,煙氣中NOX 可滿足GB18485 - 2001排放要求, 但我們認(rèn)為,在大城市或?qū)Φ趸镉刑厥饪刂埔蟮牡貐^(qū)建設(shè)垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目,還應(yīng)加裝脫硝裝置,其他地區(qū)須預(yù)留脫除氮氧化物的空間。

3. 垃圾焚燒廠必須安裝煙氣自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)裝置,并與地方環(huán)保部門聯(lián)網(wǎng),由環(huán)保部門實(shí)時(shí)監(jiān)控, 確保排放真正達(dá)標(biāo)。

4. 各企業(yè)應(yīng)針對(duì)各自實(shí)際情況(如垃圾特性) 對(duì)二惡英的輔助判別措施提出要求,對(duì)爐內(nèi)燃燒溫度、CO、含氧量等實(shí)施監(jiān)測(cè),對(duì)異常情況及時(shí)做出反應(yīng)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(xiàn)以武漢青山地區(qū)垃圾焚燒發(fā)電廠為例,說(shuō)明其工藝流程,如圖1所示。該廠焚燒爐采用機(jī)械爐排爐。

垃圾收集后由封閉式垃圾運(yùn)輸車送至垃圾焚燒發(fā)電廠,稱重后進(jìn)入主廠房卸料大廳,卸下的垃圾進(jìn)入垃圾庫(kù),垃圾庫(kù)內(nèi)的垃圾經(jīng)吊車投入加料料斗,然后經(jīng)推料裝置送到焚燒爐中燃燒。垃圾在爐內(nèi)依次通過(guò)爐排的干燥段、燃燒段和燃燼段,實(shí)現(xiàn)負(fù)壓燃燒并達(dá)到完全燃燒。爐渣經(jīng)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(yùn)往灰渣綜合利用用戶或垃圾填埋場(chǎng)處置。

燃燒用的空氣來(lái)自垃圾庫(kù)內(nèi)的氣體,經(jīng)風(fēng)機(jī)及空氣預(yù)熱器預(yù)熱后進(jìn)入爐內(nèi)燃燒。為最大限度地減少二惡英的排放,控制煙氣在爐內(nèi)溫度為850℃ 以上且停留2 s時(shí)間或更長(zhǎng)。

垃圾焚燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔馀c余熱鍋爐發(fā)生熱交換,余熱鍋爐吸收熱量產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽,再由汽輪發(fā)電機(jī)變成電能。

余熱鍋爐排出的煙氣,進(jìn)入急冷反應(yīng)塔經(jīng)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(yīng)塔與布袋除塵器間煙道,達(dá)到脫除酸性氣體、吸附重金屬和二惡英類物質(zhì)的目的。隨后通過(guò)布袋過(guò)濾,將煙氣中的灰塵、反應(yīng)生成物加以捕捉脫除,煙氣中的污染物達(dá)標(biāo)后,經(jīng)引風(fēng)機(jī)排入80 m 煙囪。除塵器脫除的飛灰在廠內(nèi)固化后由汽車運(yùn)往協(xié)議確定的危廢填埋場(chǎng)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(guò)程中產(chǎn)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(jī)劇毒性污染物(二惡英等) 等幾大類。

國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的技術(shù)無(wú)法完全解決垃圾焚燒過(guò)程中產(chǎn)生二惡英類物質(zhì),這已成為制約垃圾焚燒電廠發(fā)展的一個(gè)根本問(wèn)題。

多氯二苯異二惡英(polychlorinated dibenzo - p - dioxin簡(jiǎn)稱PCDD) 、多氯二苯異呋喃(polychlori2 nated dibenzofuran,簡(jiǎn)稱PODF)分別由75個(gè)和135 個(gè)同族體( congener)構(gòu)成,它們的化學(xué)結(jié)構(gòu)相似, 常寫成PCDD /Fs,俗稱二惡英( dioxin) 。由于二惡英類物質(zhì)所特有的劇毒性、穩(wěn)定性和長(zhǎng)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(rèn)為,二惡英產(chǎn)生機(jī)理如下。

一是直接產(chǎn)生:焚燒物中含有石油產(chǎn)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(guò)程中經(jīng)熱分解后, 分子重排形成二惡英及前驅(qū)物( CHLOROPHE2 NOL、CHLOR OBENENE) ,此類反應(yīng)發(fā)生的溫度在 600 ℃左右。

二是前驅(qū)物轉(zhuǎn)化:廚房垃圾中含有NaCl、KCl、 MgCl2 等鹽,與煙氣中的SO2 發(fā)生一系列反應(yīng),使煙氣中HCl濃度增加,同時(shí)垃圾中的Cu將被氧化生成Cu的氧化物后與HCl發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生CuCl2。

前驅(qū)物CHLOROPHENOL、CHLOROBENENE 在焚燒爐和除塵器內(nèi),在HCl、CuCl2 和其他物質(zhì) (如Mn、Fe、C等)的催化作用下會(huì)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(chǎn)生的酸性氣體、粉塵和重金屬物質(zhì)都對(duì)二惡英物質(zhì)的產(chǎn)生起到了直接或間接的作用。從二惡英產(chǎn)生機(jī)理看,要抑制垃圾焚燒過(guò)程中產(chǎn)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(shí)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(jī)物可在更高的溫度下燃燼;

(2)抑制HCl、CuO、CuCl2 的產(chǎn)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(guó)家以CO小于50ppm作為標(biāo)準(zhǔn);

(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(duì)策

從國(guó)內(nèi)外實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)看,控制煙氣污染物,特別是抑制二惡英的產(chǎn)生除了煙氣凈化處理外,還要考慮減少爐內(nèi)形成以及避免爐外低溫再合成,這主要通過(guò)控制焚燒條件、選擇適當(dāng)?shù)姆贌隣t爐型來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1. 煙氣凈化處理

煙氣凈化是垃圾焚燒污染控制的關(guān)鍵,煙氣凈化系統(tǒng)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(lái)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(yīng)塔中進(jìn)行。

活性炭吸附,主要是利用活性炭的強(qiáng)吸附能力吸附重金屬及二惡英類物質(zhì)。

除塵器是煙氣凈化的末端設(shè)備, GB18485 - 2001中規(guī)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(fā)性重金屬或其氯化物、硫酸鹽或氧化物所凝結(jié)成直徑≤0. 5μm的氣溶膠,同時(shí)收捕吸附在灰分或活性炭顆粒上的二惡英等有機(jī)類污染物。

此外,目前國(guó)內(nèi)已運(yùn)營(yíng)的生活垃圾焚燒廠均未設(shè)置專門的脫氮裝置。為減少NOX 生成而采用低溫燃燒技術(shù)。當(dāng)燃燒溫度為850～950 ℃時(shí),煙囪出口煙氣中NOX含量小于400 mg/Nm3 ,能夠達(dá)到 GB18485 - 2001中400 mg/Nm3 的排放限值,但要達(dá)到EU2000 /76 /EC中200 mg/Nm3 的排放限值, 必須設(shè)置專門的脫硝設(shè)施。

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

其中,濕法技術(shù)效率高,可達(dá)97%以上,但有大量污水排出,容易造成二次污染。干法技術(shù)無(wú)污水排放,但脫除效率僅達(dá)60% ～70%。半干法技術(shù)有較高的脫硫效率(可達(dá)90%左右) ,藥品用量少,且無(wú)污水排放。目前國(guó)內(nèi)已運(yùn)營(yíng)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(guó)標(biāo)的排放標(biāo)準(zhǔn)。

現(xiàn)階段,干法技術(shù)越來(lái)越受到人們關(guān)注。我們相信,當(dāng)使用更為完善的垃圾燃燒方式時(shí),干法技術(shù)將因其顯著的經(jīng)濟(jì)性會(huì)越來(lái)越多的被采納。

需要說(shuō)明的是,為控制煙氣二次污染物的產(chǎn)生,必須投入昂貴的尾氣處理設(shè)備,這使得垃圾焚燒電廠原本投資高、運(yùn)行費(fèi)用高的矛盾更加突出, 同時(shí),使用后的活性炭無(wú)法再生,成為一個(gè)新的毒源,必須小心處理,這都是垃圾焚燒技術(shù)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(shí)踐表明,煙氣在850 ℃左右的爐膛中停留時(shí)間達(dá)到2 s,或在1000 ℃左右爐膛內(nèi)停留1 s,或是在1200 ℃左右爐膛內(nèi)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(shí)間可以有效的減少二惡英的產(chǎn)生。

3. 選擇適當(dāng)?shù)姆贌隣t

目前,焚燒爐類型有機(jī)械爐排爐、循環(huán)流化床、控氣型焚燒爐等。

機(jī)械爐排爐有成熟的長(zhǎng)期運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),燃燒效率較高,垃圾減容效果較好,垃圾預(yù)處理要求較低,這些優(yōu)勢(shì)使之成為大型垃圾處理廠的首選。但垃圾在爐膛內(nèi)直接燃燒,化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生的煙氣有害成分較多,不可避免會(huì)產(chǎn)生Cu的氧化及生成HCl、 CuCl2 等,同時(shí)飛灰中殘留的未燃燼碳。這些物質(zhì)的存在使已經(jīng)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(dòng),使得垃圾焚燒過(guò)程中產(chǎn)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(shè)備,投資成本高。

循環(huán)流化床是將垃圾流化燃燒,利用劣質(zhì)燃料的潔凈燃燒技術(shù)。相對(duì)于爐排爐,它對(duì)垃圾適應(yīng)性強(qiáng)(可燃燒低熱值垃圾) 、燃燒穩(wěn)定性好、減量化程度高,同時(shí)因其具有優(yōu)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(lái)看,流化床內(nèi)氣- 固混合強(qiáng)烈,傳質(zhì)速率高,燃燒速度快,燃燒完全,殘?zhí)剂啃?流化床采用石英砂作為熱載體,蓄熱量大,燃燒穩(wěn)定性好; 流化床適應(yīng)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(qiáng)了對(duì)垃圾的適應(yīng)性, 同時(shí)可燃物和有害成分燃燼率高;在爐內(nèi)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(zhì)的產(chǎn)生,避免二惡英物質(zhì)的再合成,同時(shí)減輕尾氣凈化負(fù)擔(dān)。該類爐型運(yùn)行成本高。

控氣型焚燒爐,是根據(jù)控制燃燒理論,垃圾在中溫厭氧狀態(tài)下,分解成可燃性氣體,然后在高溫室,可燃?xì)怏w充分燃燒,并通過(guò)余熱鍋爐回收利用熱量。

這種焚燒爐將燃燒過(guò)程中分為二級(jí)燃燒室,一燃室為垃圾熱分解,溫度控制在700 ℃以內(nèi),讓垃圾在缺氧狀態(tài)下安靜而緩慢地低溫?zé)岱纸?。此時(shí)金屬Cu、Al、Fe不會(huì)被氧化,也就不會(huì)有CuCl2 的產(chǎn)生和存在。垃圾中的可燃成分分解成可燃?xì)怏w, 并引入二燃室燃燒。二燃室溫度在1000 ℃以上, 煙氣停留時(shí)間2 s以上,保證了有毒、有害的有機(jī)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?zhí)即嬖?削弱了二惡英的生成環(huán)境?？貧庑屠贌隣t不會(huì)產(chǎn)生煙塵,不會(huì)有未燃燼殘?zhí)歼M(jìn)入煙氣中, 所以不需設(shè)置龐大的除塵裝置和其他凈化裝置,即可達(dá)到煙氣排放標(biāo)準(zhǔn),只有在含Cl塑料過(guò)高導(dǎo)致 HCl超標(biāo)時(shí),才需要增加簡(jiǎn)單的堿洗裝置。

控氣型焚燒爐從原理上控制了二惡英產(chǎn)生的各種因素。據(jù)日本笠原公司最新報(bào)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(guó)際上采用控氣型焚燒爐較多的國(guó)家是美國(guó)、加拿大,日本、德國(guó)也將此種技術(shù)作為垃圾焚燒的推廣技術(shù),以減少二惡英的排放。由于其垃圾處理能力小、技術(shù)不成熟,國(guó)內(nèi)只在小型垃圾處理廠示范使用。

四、結(jié)語(yǔ)

垃圾焚燒電廠要健康發(fā)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(zhì)的產(chǎn)生,我們認(rèn)為,必須同時(shí)做到以下幾點(diǎn):

第一,良好的煙氣凈化設(shè)施。完善煙氣凈化處理設(shè)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(biāo)準(zhǔn)要求, 最好達(dá)到EU2000 /76 /EC (歐盟2000)標(biāo)準(zhǔn)。

第二,合理的燃燒方式。不僅要控制垃圾焚燒的溫度和時(shí)間,還應(yīng)根據(jù)垃圾熱值的實(shí)際情況,選擇合理的焚燒爐爐型。技術(shù)比較穩(wěn)定成熟的是爐排爐和循環(huán)流化床鍋爐。循環(huán)流化床由于對(duì)二次污染的控制性能更為優(yōu)越值得人們關(guān)注。控氣型焚燒爐因其有效的抑制二惡英類物質(zhì)產(chǎn)生,相信以后會(huì)越來(lái)越多的被采用。

第三,科學(xué)的煙氣監(jiān)控手段。必須設(shè)置煙氣連續(xù)監(jiān)測(cè)裝置,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)煙氣成分。監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括: SO2、NOX、CO、HCl、HF、PM10 、煙溫、煙氣量,同時(shí)結(jié)合運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng),在線監(jiān)測(cè)燃燒溫度和含氧量, 還要人工采樣化驗(yàn)煙氣中Cu2 +的含量,對(duì)異常情況及時(shí)判斷和處理,確保設(shè)備正常運(yùn)行和煙氣污染物達(dá)標(biāo)排放。

第四,完善的垃圾分類制度。垃圾經(jīng)過(guò)分類, 除掉產(chǎn)生二惡英的前體,比如石油產(chǎn)品、含氯塑料等,焚燒可燃成分產(chǎn)生的煙氣再經(jīng)過(guò)凈化處理,從根本上解決二次污染問(wèn)題。

第五,嚴(yán)格的管理措施。除技術(shù)層面外,嚴(yán)格的管理措施是保證設(shè)備正常運(yùn)行的前提。比如深圳的一個(gè)焚燒廠廢氣凈化系統(tǒng)工作不正常,但依然繼續(xù)焚燒垃圾,造成嚴(yán)重污染。事實(shí)上,管理問(wèn)題是我國(guó)已運(yùn)營(yíng)的垃圾焚燒廠的最主要問(wèn)題。

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