生活垃圾焚燒發(fā)電廠煙氣污染及治理淺議

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 摘要:垃圾焚燒因其無(wú)害化較徹底、減容量大、處理時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)成為城市生活垃圾主要處理方法之一。垃圾焚燒過(guò)程中產(chǎn)生的煙氣含有大量的酸性氣體、有機(jī)類污染物、顆粒物及重金屬等物質(zhì),對(duì)環(huán)境產(chǎn)生極大危害。通過(guò)對(duì)焚燒過(guò)程中各種污染物產(chǎn)生及排放過(guò)程的介紹,提出了控制垃圾焚燒產(chǎn)生的二次污染應(yīng)采取的措施。
    關(guān)鍵詞:垃圾焚燒;煙氣污染;治理措施
    城市生活垃圾常規(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、可以回收熱能、占地面積較小等優(yōu)點(diǎn)而倍受關(guān)注。我國(guó)自“十一五”以來(lái)已新建生活垃圾焚燒發(fā)電廠50多座,珠海、上海、北京、廣州等地均積極籌建大型垃圾焚燒廠。
    焚燒處理技術(shù)的核心是燃燒的合理組織和二次污染的防治。垃圾焚燒對(duì)環(huán)境的二次污染物主要源于焚燒過(guò)程中產(chǎn)生的煙氣。焚燒煙氣中含有大量酸性氣體(HCl、SO2、HF、HBr、NOx等)、有機(jī)類污染物(PCDDs、PCDFs等)、顆粒物及重金屬等。本文通過(guò)對(duì)焚燒過(guò)程中各種污染物產(chǎn)生及排放過(guò)程的介紹,提出了控制垃圾焚燒產(chǎn)生的二次污染應(yīng)采取的措施。
    1 垃圾焚燒煙氣污染物的形成及危害
    1.1 酸性氣體
    焚燒煙氣中的酸性氣體主要由SOX、NOX、HCl、HF組成,均來(lái)源于相應(yīng)垃圾組分的燃燒。SOX主要由SO2構(gòu)成,產(chǎn)生于含硫化合物焚燒氧化所致。NOX包括NO、NO2、N2O3等,主要由垃圾中含氮化合物分解轉(zhuǎn)換或由空氣中的氮在燃燒過(guò)程中高溫氧化生成。HCl來(lái)源于氯化物,如PVC、像膠、皮革,廚余中的NaCl以及KCl等。焚燒煙氣中HCl氣體的濃度相對(duì)較高,往往在400~1200 ppm。 SOX與NOx的濃度相對(duì)較低[1]。所以HCl是垃圾焚燒煙氣中主要的污染氣體。
    HCl氣體對(duì)人體有較強(qiáng)的傷害性。據(jù)全球污染排放評(píng)估組織(GEIA )測(cè)算,全世界每年由生活垃圾焚燒向環(huán)境排放的HCl氣體達(dá)218 kg之多,相當(dāng)于每人每年僅通過(guò)垃圾焚燒向大氣排放了0.42 kg HCl [2]。HCl氣體會(huì)對(duì)余熱鍋爐受熱面和監(jiān)測(cè)儀表產(chǎn)生高低溫腐蝕,影響余熱鍋爐安全并限制了過(guò)熱蒸汽參數(shù)的提高;HCl氣體的存在升高了煙氣露點(diǎn),導(dǎo)致排煙溫度升高,降低鍋爐熱效率 [3];氯源在一定條件下與重金屬反應(yīng)生成低沸點(diǎn)的金屬氯化物,從而加劇了重金屬的揮發(fā),導(dǎo)致重金屬在飛灰上的富集,增加飛灰毒性 [4];HCl氣體能促進(jìn)氯酚、氯苯、氯苯并呋喃等“三致”有機(jī)物的生成,而且PVC裂解后生成的HCl被認(rèn)為能促進(jìn)多環(huán)芳烴(PAHs)的生成[5]。因此,有效去除HCl氣體直接關(guān)系到焚燒系統(tǒng)的安全和環(huán)保運(yùn)行。
    1.2 有機(jī)類污染物
    有機(jī)類污染物主要是指在環(huán)境中濃度雖然很低,但毒性很大,直接危害人類健康的二惡英類化合物,其主要成分為多氯二苯并二惡英(PCDDs)和多氯二苯并呋喃(PCDFs)。通常認(rèn)為,垃圾的焚燒是環(huán)境中此類化合物產(chǎn)生的主要來(lái)源[6,7]。垃圾焚燒爐中二惡英有兩種成因:一是垃圾自身含有微量的二惡英類物質(zhì),二是焚燒爐在垃圾燃燒過(guò)程中產(chǎn)生二惡英,其形成機(jī)理概括起來(lái)有三種[8,9]: (1)高溫合成。在垃圾進(jìn)入焚燒爐的初期干燥階段,除水分外,含碳?xì)涑煞值牡头悬c(diǎn)有機(jī)物揮發(fā)后,與空氣中的氧反應(yīng)生成水和二氧化碳,形成暫時(shí)缺氧狀況,使部分有機(jī)物同氯化氫反應(yīng),生成二惡英; (2)從頭(denovo)合成。通過(guò)de novo合成反應(yīng)形成二惡英。即在低溫(250~350℃)條件下,大分子碳(殘?zhí)?與飛灰基質(zhì)中的有機(jī)或無(wú)機(jī)氯在飛灰表面反應(yīng),生成二惡英; (3)前驅(qū)物合成。不完全燃燒及飛灰表面的不均勻催化反應(yīng),可形成多種有機(jī)氣相前驅(qū)物,如多氯苯酚和聚氯乙烯,前驅(qū)物分子在燃燒過(guò)程中通過(guò)重排、自由基縮合、脫氯及其它化學(xué)反應(yīng)生成二惡英。
    1.3 顆粒物及重金屬
    垃圾焚燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的細(xì)小顆粒物。同時(shí),垃圾中原有的顆粒物在爐膛內(nèi)被氣流揚(yáng)起并隨焚燒氣排出。垃圾中可燃組分因燃燒不完全會(huì)形成黑煙,黑煙中含有大量的碳粒子。
    顆粒物的粒徑越小越容易進(jìn)入肺泡,危害也就越大。細(xì)小顆粒物中會(huì)含有Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、Mn、Sb、Cd、Se等重金屬,其中對(duì)人體危害大的重金屬如Cr、Cd、Ni、Pb、Se等主要集中于小于3 μm[10]的顆粒物中。因此,在去除顆粒物的同時(shí),也就在一定程度上削減了重金屬的危害。
    2 垃圾焚燒煙氣污染控制
    垃圾焚燒生成的污染物來(lái)源于垃圾組分,其存在形式及數(shù)量與焚燒條件和凈化系統(tǒng)密切相關(guān)。從污染物的產(chǎn)生及其排放過(guò)程看,控制垃圾焚燒產(chǎn)生的二次污染可以采取以下措施。
    2.1 控制煙氣污染物的產(chǎn)生
    根據(jù)煙氣污染物的形成機(jī)理,控制垃圾焚燒條件,使燃燒處于良好狀態(tài),從而減少有害物質(zhì)的生成。運(yùn)用合適的爐膛和爐排結(jié)構(gòu),使垃圾在焚燒爐得以充分燃燒。煙氣中CO的濃度是衡量垃圾充分燃燒的指標(biāo)之一,CO濃度越低說(shuō)明燃燒越充分,比較理想的CO濃度指標(biāo)是低于60 mg/m3。
    焚燒爐內(nèi)煙氣出口溫度不低于850 ℃,煙氣在爐膛及二次燃燒室內(nèi)的停留時(shí)間不小于2 S,O2的濃度不少于6%,并合理控制助燃空氣的風(fēng)量、溫度和注入位置。在爐內(nèi)噴入固硫固氯劑CaCO3或CaO可降低氯化物和硫化物對(duì)高溫受熱面的高溫腐蝕及對(duì)大氣的二次污染。
    燃燒過(guò)程中NOX與二惡英的控制條件矛盾,一般在燃燒實(shí)際運(yùn)行中保證在垃圾可燃組分充分燃燒的基礎(chǔ)上再兼顧NOX的產(chǎn)生。國(guó)外的處理措施是在煙氣處理系統(tǒng)中增加脫硝裝置。
    2.2 煙氣凈化處理
    煙氣凈化系統(tǒng)是城市生活垃圾焚燒污染控制的關(guān)鍵,煙氣凈化后各種污染物的排放濃度應(yīng)達(dá)到國(guó)標(biāo)GWKB3-2000的規(guī)定。
    煙氣凈化一般主要有由脫酸,除塵,活性炭吸附三個(gè)部分組成。國(guó)內(nèi)外普遍采用的工藝主要是半干法/干法+布袋除塵器,其中脫酸技術(shù)是垃圾焚燒煙氣凈化系統(tǒng)的核心。
    2.2.1 脫 酸
    酸性氣體HCl、SOx、HF主要通過(guò)濕法、干法或半干法中Ca(OH)2、NaOH等堿性物質(zhì)中和吸收來(lái)去除。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)有較高的脫除效率(可達(dá)90%左右),藥品用量少,且無(wú)污水排放,因此為煙氣脫酸的主要適用技術(shù)。
    半干法脫酸裝置一般設(shè)置在除塵器之前,主要包括給料系統(tǒng)、混合系統(tǒng)和反應(yīng)系統(tǒng)。脫酸劑CaO在給料系統(tǒng)生成粉狀Ca(OH)2,再進(jìn)入混合系統(tǒng)與煙氣及少量的水充分混合,最后以噴霧狀進(jìn)入反應(yīng)系統(tǒng)。HCl、SOx、HF等酸性成分被吸收,生成中性、干燥的細(xì)小固體顆粒,隨煙氣進(jìn)入下一步凈化系統(tǒng)。主要反應(yīng)有:
    2HCl+Ca(OH)2=CaCl2+2H2O (1)
    SO2+Ca(OH)2=CaSO3+H2O (2)
    2.2.2 除 塵
    除塵器是煙氣凈化系統(tǒng)的末端設(shè)備,國(guó)標(biāo)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≤0.5 μm的氣溶膠,還能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。
    袋式除塵系統(tǒng)中的布袋是由不同材料的纖維制成濾布,對(duì)尾氣進(jìn)行過(guò)濾,達(dá)到除塵及吸附二惡英的目的。煙塵顆粒在濾布表面堆積形成致密的薄層,因此布袋式除塵器對(duì)粉塵去除率一般都很高。受布袋材料的耐熱強(qiáng)度限制,尾氣溫度一般須控制在250 ℃左右,低于二惡英的再合成溫度。
    2.2.3 活性炭吸附
    目前國(guó)內(nèi)外垃圾焚燒煙氣處理中,對(duì)二惡英的處理主要采用活性炭吸附?；钚蕴坎粌H可以吸附二惡英還能有效去除重金屬等物質(zhì)。由于飛灰的比表面積很大,對(duì)二惡英有很強(qiáng)的吸附作用,導(dǎo)致飛灰中二惡英濃度很高,通常占焚燒過(guò)程二惡英總排放量的70%左右[11]。而大部分的重金屬(>70%)都仍留存于爐渣中,僅Hg和Cd在高溫下?lián)]發(fā),進(jìn)入飛灰隨焚燒煙氣排放[12]。為提高煙氣中二惡英類和重金屬污染物的去除率,可以采取以下方法[13]:(1)減少煙氣在200~350 ℃溫度域的停留時(shí)間,有利于減少二惡英類污染物再次生成,控制除塵器入口煙氣溫度低于200 ℃,有利于有機(jī)類及重金屬污染物的脫除,即在設(shè)計(jì)和運(yùn)行中采用“溫度控制”;(2)在反應(yīng)塔和除塵器之間,通過(guò)混粉器在煙氣中噴入活性炭或多孔性吸附劑,可吸附二惡英類和重金屬污染物,再用布袋除塵器捕集。
    3 結(jié) 語(yǔ)
    垃圾焚燒能夠最大限度地實(shí)現(xiàn)生活垃圾的減量化、無(wú)害化、資源化,具有很好的應(yīng)用前景,但焚燒不可避免帶來(lái)二次污染,尤其是由飛灰、酸性氣體、二惡英、重金屬等組成的焚燒煙氣的污染。
    垃圾焚燒煙氣二次污染的防治是垃圾焚燒系統(tǒng)不可缺少的組成部分。要采用適當(dāng)?shù)臒煔鈨艋幚砑夹g(shù),對(duì)污染物的排放進(jìn)行有效的控制。
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