生活垃圾焚燒煙氣凈化處理技術

王 根，戚 磊，李名洲

（1.浙江碧連天環境技術有限公司，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，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產生的飛灰，其主要成分是硅、鋁和鎂。當垃圾中有機物含量較高時，煙氣中會產生少量的氯化氫；當垃圾含水量較高時，會產生二噁英。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，會對人體健康產生嚴重威脅。SO2主要來源于垃圾焚燒過程中產生的飛灰和爐渣。飛灰是指沒有經過破碎、分選等預處理的爐渣，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，會直接造成環境二次污染；垃圾焚燒后產生的爐渣為多孔結構且含有一定水分，很容易黏附在飛灰表面，從而在飛灰表面形成一層堅硬的灰層，降低飛灰的流動性，影響其與煙氣混合，從而增加了二次污染。煙氣中污染物產生后會對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生成的，因此，在生活垃圾焚燒中需要對其進行控制。首先，可以通過在煙氣進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域加裝活性炭噴射裝置進行吸附，并保證其運行溫度高于500℃，以加快二噁英的分解速度；第三，可以通過在燃燒爐內添加含氯化合物進行控制。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氧化性的物質，可以加快二噁英分解速度；氯乙酸是兩種具有較強堿性的物質，可以抑制二噁英的生成。最后還可以通過在爐膛內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，在煙氣中的停留時間長，在高溫狀態下會發生凝聚并沉積于爐膛內壁；②水蒸氣，一般不參與煙氣和灰渣的反應，但在煙氣溫度低于水蒸氣飽和溫度時會凝結于爐內壁，且隨著溫度降低而附著于爐壁上；③金屬顆粒，垃圾焚燒時會產生金屬粉塵。隨著國內垃圾焚燒廠的迅速發展，生活垃圾焚燒發電已成為一種趨勢。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設計經驗，導致爐溫控制不均勻、燃燒工況復雜多變。②國內對于垃圾焚燒廠的設計缺乏統一規范，致使運行參數和維護管理標準不一。③環保設施和煙氣處理設施缺少有效的聯鎖控制。

1.3 重金屬污染控制

重金屬污染物的排放是導致生態環境惡化的重要因素之一，近年來在我國已引起了廣泛關注。隨著生活垃圾焚燒量不斷增加，在焚燒過程中會產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，需對生活垃圾焚燒過程中產生的重金屬污染進行控制。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，進而降低重金屬在高溫煙氣中的活性；②采用燃燒前投加添加劑，如石灰或其他堿性物質，以降低煙氣中重金屬的含量；③在焚燒前對煙氣進行除塵處理。目前我國對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對焚燒后煙氣進行冷卻；②對煙氣進行霧化處理；③對高溫煙氣進行噴霧干燥；④對煙氣中的重金屬進行吸附處理。

2 煙氣凈化技術

2.1 干法脫硫技術

干法脫硫技術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，該技術具有對操作環境要求低、投資和運行成本較低、對垃圾處理量要求低、無二次污染、脫除效率高等優點。但該技術存在的主要問題是：①工藝復雜，脫硫塔的建設和運行費用較高；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，如果不能穩定運行或由于其他原因造成脫硫效率下降時，則煙氣中的二氧化硫濃度還會進一步升高；④該技術對運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、循環泵、噴槍、石膏漿液制備系統、除霧器等組成，吸收塔位于煙氣在燃燒室內的下部，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噴入吸收塔內，通過噴槍將吸收劑直接噴射到煙氣與吸收劑接觸的部位。當煙氣流過吸收塔時，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合成亞硫酸鈣，所以吸收塔內必須保持有充足的水分。另外，吸收塔內設有文丘里管狀噴嘴，通過文丘里管將吸收塔內氣-液傳質過程和吸收劑對煙氣中SO2的化學反應過程結合起來。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，通過噴槍將部分石膏漿液噴射到吸收塔內，然后將石膏漿液在循環泵的作用下輸送到除霧器。

2.3 脫硫效果分析

采用干法脫硫技術后，在脫硫劑利用率和脫除率方面都有很大提高。當脫硫劑利用率為90%時，平均脫硫效率可達85%；當脫硫劑利用率為80%時，平均脫硫效率可達78%。同時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后，對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，這兩種物質都是堿性物質，所以對脫硫有一定的影響。采用干法脫硫技術后，對脫硫效率的提高很大程度上是因為粉煤灰在高溫下會與氧化硅和氧化鋁發生化學反應，從而使其反應性能得到較大的改善，同時該反應可以提高脫硫效率。但粉煤灰作為脫硫劑會增加設備成本和投資成本，因此必須嚴格控制其用量。

2.4 濕法脫硫

濕法脫硫技術是在濕法噴淋吸收的基礎上發展起來的。傳統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，不僅增加了生產成本，而且增加了對石灰石的依賴，因此從環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，且運行費用較高，而氧化鈣-石灰石法脫硫技術越來越受到重視。該技術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制備，但通常通過化學方法獲得。煙氣中的SO2被氧化成SO3后可得到脫硫產物，即石膏。目前廣泛使用的技術主要是FGD 工藝和FGD 與SNCR 聯合工藝。FGD 工藝是在原有脫硫設備中引入FGD 來對煙氣中的SO2進行脫除。FGD工藝的主要特點是：①脫硫效率高；②脫硫產物易脫水，可用于建材行業；③脫除煙氣中的NOx容易控制；④操作簡單、靈活、適用于連續運轉；⑤運行穩定，設備制造技術成熟。目前國內應用最多的FGD 工藝是以水或循環水為介質的濕式脫硫工藝，簡稱濕法脫硫。這種脫硫方法與其他脫硫方法相比，具有以下優點：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易于實現廢水處理回收利用等優點。但是這種工藝在我國也存在著一些缺點：①FGD 工藝需要大量再生水或循環水作為介質；②對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行成本偏高等問題；③FGD 與SNCR 聯合工藝在我國運行較少，而且對于煙氣中SO2濃度不是很高時使用這種聯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95%以上，具有運行成本低、排放指標低等優點。在國內一些垃圾焚燒發電廠中，以這種工藝處理垃圾焚燒煙氣時運行穩定、脫硫效果好、無二次污染現象、副產物可以回收利用等。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

低溫SCR 脫硝技術是一種有效的煙氣脫硝技術。目前，國內垃圾焚燒廠大部分采用常規的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 脫硝技術通過在煙氣中添加尿素，將煙氣中的氮氧化物還原為氮氣和水，從而達到脫硝目的。目前常用的低溫SCR 脫硝系統主要有兩種形式。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氣和水。尿素是一種無毒物質，無爆炸危險，且不會產生二次污染。此外，該工藝無須復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。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 有機污染物的去除

生活垃圾焚燒煙氣中的有機污染物主要包括有機氯化物、二噁英和重金屬等，其中二噁英是一種極具毒性的化學物質。該類物質對人體的危害極大，當其含量達到一定水平時，會對人類健康造成嚴重危害，同時也會對環境造成嚴重污染。因此對二噁英進行去除是生活垃圾焚燒煙氣凈化處理的重要環節。目前主要通過兩種方法進行二噁英的去除：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行有效結合。由于生活垃圾中含有較多的重金屬物質，如銅、鉛、鋅等，因此在對焚燒煙氣進行凈化處理時，應注重去除這些重金屬物質。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，其不僅會對焚燒爐的使用壽命產生影響，而且還會對周圍環境造成一定污染。因此，在生活垃圾焚燒煙氣凈化處理中，需要加強對酸性氣體的控制，避免酸性氣體超標排放。其具體做法是在焚燒爐頂部設置一個煙道系統，通過該系統對煙氣進行再循環處理，當煙氣溫度降至200℃時，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行處理。前者主要是利用堿性溶液與廢氣中的酸性氣體發生反應來實現去除目標。

3 垃圾焚燒煙氣凈化技術比較與選擇建議

1）從污染物種類看，煙氣凈化技術的主要污染物包括二噁英、重金屬（汞、鎘、鉛）、二氯乙烷和NOx。二噁英具有極強的毒性和極長的生物半衰期，對環境造成嚴重污染；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生，煙氣凈化系統中以噴氨水的方式抑制其生成。

2）從污染物產生量看，垃圾焚燒過程中產生的煙氣中污染物濃度較高，尤其是二噁英對人體健康的危害更為嚴重。垃圾焚燒后煙氣凈化技術主要分為干法凈化和濕法凈化2種，其中干法凈化技術存在凈化效率低、投資大、運行費用高等問題，但可以實現污染物排放標準要求。濕法凈化技術能夠去除二噁英，且脫除效率高、投資小，但會產生廢水。目前國內主流的煙氣凈化技術包括選擇性催化還原技術（SCR）、SNCR、活性炭噴射等。

4 結束語

生活垃圾焚燒煙氣凈化處理工藝從運行能耗、運行成本、二次污染、廢物處置等方面進行比較分析，可以看出，SNCR 脫硝是當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備投資較高，目前國內生活垃圾焚燒煙氣凈化處理采用較少。針對垃圾焚燒煙氣污染物的控制技術，主要包括濕式脫酸工藝、半干式脫硫脫硝等技術。其中，半干式脫硫脫硝技術具有工藝流程簡單、占地面積小、操作方便等優點，在垃圾焚燒煙氣凈化處理領域具有很好的應用前景。對于城市生活垃圾焚燒煙氣凈化處理工藝的選擇，應結合實際情況進行合理分析和綜合決策。