生活垃圾焚烧烟气污染物的控制与处理工艺
摘要：结合工程实例，分析并探讨了生活垃圾焚烧烟气污染物的形成机理；控制焚烧工况以降低烟气污染物的浓度；半干法处理工艺及滤袋除尘技术。
生活垃圾造成的环境污染已成为一个社会问题，对其处理应遵循“减量化、无害化和资源化”原则。利用焚烧发电处理生活垃圾能达到最彻底的“三化”，是目前许多发达国家普遍采用的方法，我国部分城市，如深圳、珠海、宁波、上海、重庆、天津等地也先后建设、投产生活垃圾焚烧发电厂。但生活垃圾焚烧产生的烟气中含有大量的污染物，如不经控制和处理直接排放，会对周围环境造成严重的污染。因此，生活垃圾焚烧工程的关键是焚烧控制和烟气处理，烟气达标排放是首要任务。宁波枫林绿色能源开发有限公司（宁波垃圾焚烧发电厂）的生活垃圾焚烧炉及烟气净化处理系统已经运行3a，现简要介绍该公司的生活垃圾焚烧烟气污染物的控制与处理工艺。
1烟气污染物的种类及形成机理
由于生活垃圾的成分极其复杂，并含多种污染物如废旧塑料、废旧橡胶、废旧电池、废布、废纸、厨余、重金属等，在焚烧过程中会发生许多化学反应，产生的烟气中除了过量空气、二氧化碳外，还含有对人体和环境有害的烟气污染物。根据这些污染物的化学、物理性质及对人体和环境的危害程度不同，主要分为有机污染物、酸性气体、重金属、颗粒物4大类。
1.1有机污染物
有机污染物主要是多氯二苯并二恶英(PCDDs）、多氯二苯并吠喃（PCDFs），分别有75种PCDD异构体和135种PCDF异构体，统称为二恶英。二恶英以气体和固体的形态存在，难溶于水，易溶于脂肪，易在人类和动物体内积聚，具有极大的毒性，能引起皮肤座疮、头痛、失聪、忧郁、失眠等症状，即使在极微量的情况下，长期摄人也会引起癌症、畸形等，其中毒性最大的为2,3,7,8-四氯二苯并二恶英（2,3,7,8-PCDD）。生活垃圾焚烧烟气中含有的二恶英，一部分可能是原生垃圾中自身含有的微量二恶英，由于二恶英的热稳定性较强，在焚烧过程中有一小部分未发生反应，直接进入烟气；大部分二恶英是在生活垃圾焚烧过程中形成的。二恶英的形成机理极为复杂，经过多种化学反应，先形成二恶英的中间体即前驱物，最后形成最终产物。
1.1.1二恶英在焚烧过程中生成
在生活垃圾焚烧过程中，有机类物质会被氧化成CO2和H2O，如果出现局部供氧不足，某些含氯的有机类物质就可能生成二恶英的前驱物，这部分物质再进行复杂的热反应，就可能生成二恶英。但这部分二恶英在高温环境中绝大部分会被裂解。
1.1.2二恶英在焚烧炉尾部烟道中重新合成
在焚烧炉尾部烟道烟温处于250～500℃时，在烟气中所含的Cu、Fe、Ni等金属颗粒和未燃尽的碳（主要是CO）等的催化作用下，二恶英的前驱物与烟气中的氯化物和O2发生反应，就可能再次合成二恶英。
1．2酸性气体
焚烧产生的酸性气体主要是氮氧化物（绝大部分是NO）、硫氧化物（SOx）、氯化氢（HCl）、氟化氢（HF）。氮氧化物主要由生活垃圾中含氮的有机物焚烧产生。硫氧化物主要来源于生活垃圾中含有的硫与氧气在高温条件下的氧化反应。氯化氢、氟化氢是生活垃圾中的氯化合物、氟化合物如聚氯乙烯、厨余、纸、布等在焚烧过程中生成的。
1.3重金属类污染物
重金属类污染物主要来源于生活垃圾中含有的废旧电池，废旧电子元件及各种重金属废料所含的部分重金属及其化合物在焚烧过程中的蒸发。这些蒸发的物质一部分在高温下直接变为气态，以气相的形式存在于烟气中；还有一部分与焚烧烟气中的颗粒物结合，以固相的形式存在于烟气中；另有相当一部分重金属分子进人烟气后被氧化，并凝聚成很细小的颗粒物。
1.4颗粒物
生活垃圾进人焚烧炉后，经过干燥、分解气化、燃烧、燃烬后，燃烧物的体积和粒度都会减小，不可燃物大部分滞留在炉排上并以炉渣的形式排出，而一小部分体积小、质量轻的物质在气流携带的作用下，与焚烧产生的高温气体一起在炉膛内上升，形成含有颗粒物的烟气流，经过各烟道后从锅炉尾部排出。
2烟气污染物的控制与处理工艺
2.1控制焚烧工况以降低锅炉出口烟气污染物的浓度
锅炉出口烟气污染物的浓度，主要取决于生活垃圾的成分和焚烧工况的控制。在相同的焚烧工况下，生活垃圾中含有经焚烧能产生相应污染物的物质越多，则锅炉出口烟气污染物产生的浓度越高，例如含氯塑料的含量越高，则锅炉出口烟气中HCl气体的浓度越高。在生活垃圾未完全分类收集的情况下，．只有采取最佳的焚烧工况，尽量减小锅炉出口烟气污染物的浓度。影响锅炉出口烟气污染物浓度的焚烧工况包括炉膛负压、炉膛温度、空气过量系数，烟气在高温、低温区域停留的时间，炉内气体的湍流度等。
宁波枫林绿色能源开发有限公司装备3条 350t/d生活垃圾焚烧生产线，日处理生活垃圾1050t。3台垃圾焚烧炉都从德国NOELL－KRC公司引进，采用液压控制的双列顺推阶梯式炉排系统，每列炉排又分成4个区，第一区为干燥区，第二、三区为焚烧区，第四区为燃尽区。每个区都是相互交叠的固定炉排与可移动炉排组成，一次风从炉排下方吹人提供垃圾焚烧需要的氧气并冷却炉排，这种炉排结构能使垃圾翻动、破碎并与氧气充分接触。焚烧控制程序ICP2000能够根据焚烧炉内的焚烧工况，自动调整每个区的炉排速度与一次风量、一次风压达到最优比例，保证生活垃圾的完全燃烧，释放出大量的热量能使整个炉膛保持在较高温度（850℃以上），有效的减少 CO、有机污染物等各类污染物的生成。为了保证剧毒的有机污染物得到充分分解，宁波枫林绿色能源开发有限公司在焚烧炉的出口设计了10m高的绝热垂直烟道，使得烟气在850℃以上的停留时间超过2s，并且在这个烟道的人口处布置二次风（风温可调解）喷口，它能对烟气进行充分的扰动（3T控制法）。在二次风口的左右侧墙上方各布置一只燃烧器，在垃圾发热量较低时，燃烧器自动投人使用保证烟气在焚烧炉的出口处能一直保持在850℃以上。通过采取上述措施，可以使在焚烧过程中生成的有机污染物绝大部分被破坏分解，最终锅炉出口烟气中有机污染物的浓度得到最大限度的降低。
2.2烟气污染物处理设备及技术
通过控制焚烧工况可以减少烟气污染物生成，但是还需要经过特殊的烟气净化处理才能达到排放标准。
宁波枫林绿色能源开发有限公司采用半干法除酸＋活性炭喷射＋滤袋除尘器的处理工艺，并且配备烟气净化处理自动控制系统及烟气在线监测仪，。这样就可以保证烟气净化处理系统稳定、连续地运行，有效地去除烟气污染物。烟气净化处理系统流程如图1。
 图1烟气净化处理系统 |
2.2.1酸性气体净化处理
烟气污染物中酸性气体的净化处理采用了半干式洗涤工艺。
在半干式洗涤塔中，雾状的Ca(OH)2与烟气中的酸性气体如SO2、HCI、HF等经过充分接触，发生酸碱中和反应，除去绝大部分酸性气体。酸性气体净化处理系统由石灰浆制备系统、雾化喷入系统、半干式洗涤塔、旋风分离器、返料器等组成。石灰浆制备系统主要由石灰粉储罐、硝化器、储浆罐、浆泵组成，按照烟气中酸性气体浓度的大小连续提供合适浓度（根据烟气在线监测仪监测到的各酸性气体的浓度）的石灰浆。雾化喷人系统是利用压缩空气，将石灰浆雾化后在洗涤塔喉部喷人。石灰浆的喷人位置在半干式洗涤塔的喉部，此处烟气流速较高能与石灰浆雾滴充分混合、接触反应，并且一起向上流动（上进气，反之则为下进气）。洗涤塔的高度决定了反应时间，它不但可以使石灰浆雾与酸性气体充分反应，达到极高的去除效率，而且还可以把反应产物（CaSO3、CaC12）中的水分蒸发，成为干燥的颗粒物，其中较大的颗粒从洗涤塔底部排出，较细小的颗粒随着烟气横向进入旋风分离器，所得的部分固体分离物通过返料器返回洗涤塔内，未完全反应的石灰浆颗粒再次被利用，未被分离出的细小颗粒则随烟气通过后续的滤袋除尘器时被捕集。这种半干式的烟气净化处理工艺除了反应效率高，石灰浆利用率高之外，还有反应时间短、可以获得干燥的反应产物的优点。
2.2.2有机污染物净化处理
宁波枫林绿色能源开发有限公司首先针对垃圾的成分和发热量选择合适炉排和炉膛结构，再通过配备先进、完善、可靠的自动控制系统，使垃圾焚烧炉在最佳工况下稳定、连续运行，确保垃圾充分燃烧，减少有机污染物和CO的生成。
第二，烟气在经过三烟道内的过热器时，温度从500℃骤降至300℃，这样就缩短了烟气在这个温度范围的停留时间，有效地减少了有机污染物的合成，并控制排烟温度在250℃左右进人半干式洗涤塔。
第三，尽量不焚烧含氯塑料及其他含氯物质，抑制HCl、CuCl2等的产生。
第四，由于烟气中的CO在有机污染物再合成中具有催化作用，所以要根据烟气在线监测仪监测到的CO气体浓度适时调节一次、二次风量，保证烟气含氧量在6％以上，把烟气中的CO含量控制在较低的水平。
第五，在烟气净化自动控制系统控制下在滤袋除尘器前的烟道中喷人活性炭吸附有机类污染物，控制滤袋人口处的烟气温度在200℃以下，并选用新型滤袋除尘器，将吸附着有机污染物的小颗粒物除去。
2.2.3重金属类污染物净化处理
重金属类污染物的净化处理主要采取降低烟气温度、活性炭吸附、滤袋除尘器捕集等措施。重金属类污染物以固态、气态的形式存在于烟气中，当烟气温度降低时，部分气态物质转变为可被滤袋除尘器捕集的固态或液态颗粒，而对于挥发性强的重金属如Hg而言，即使烟气净化系统以最低温度运行，仍有部分以气态的形式存在于烟气中，这就要靠活性炭吸附，最终由滤袋除尘器除去。根据运行经验，烟气净化系统越在控制温度的下限运行时，重金属类污染物的净化处理效果越好。
2.2.4颗粒物净化处理
颗粒物是导致全球气候变化、烟雾事件、臭氧层破坏等重大问题的重要因素。而颗粒物中的较小颗粒物是可吸人颗粒物（是指通过鼻和嘴进人人体呼吸道的颗粒物总称），更细小的，则称为可人肺颗粒，能够进人人体肺泡甚至血液中去，直接导致心血管等疾病，它对人体健康产生了重大的影响。所以颗粒物的净化处理也极其重要，它主要由滤袋除尘器完成。滤袋除尘器能将烟气中的飞灰、洗涤塔的反应物、吸附有重金属和有机污染物的活性炭颗粒物分离出来。宁波枫林绿色能源开发有限公司选用美国戈尔公司的滤袋，除尘效率在99.99％以上，良好的系统设计和稳定的运行能保证颗粒物的排放达到国家标准。
无论是洗涤塔的中和反应，还是活性炭的吸附作用都是在较短时间内完成的，肯定有一部分物质未参与反应，所以滤袋除尘器在运行过程中，滤袋外会附着有未反应的Ca(OH）2和活性炭的颗粒物，烟气通过时，残留的酸性气体和重金属、有机污染物继续被中和、吸附，使得整个烟气净化处理系统的效率得到进一步提高。
滤袋除尘器刚投人运行时，滤袋外没有颗粒物层，滤袋净化效率不是最好，随着颗粒物层的增厚，滤袋的净化效率逐渐提高，但同时除尘器的进、出口压力差会增加，影响焚烧炉的安全运行。滤袋除尘器配有的PLC自动控制系统能根据除尘器的压力差自动对滤袋脉冲清灰（利用压缩空气），压缩空气的压力必须调节适当，压力太低影响清灰效果；压力太高会损坏滤袋，降低净化效率。
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表1监测时运行参数（＃3垃圾焚烧炉）
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表2烟气污染物排放监测值（＃3垃圾焚烧炉）
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*2003年11月3日取样两个。
由上表可以得出结论：宁波枫林绿色能源开发有限公司排放的烟气污染物的浓度均低于我国生活垃圾焚烧烟气排放标准的限值。
3结论
采用了炉内控制焚烧与尾部烟气净化处理相结合的措施后，宁波枫林绿色能源开发有限公司垃圾焚烧系统排放的烟气污染物浓度已经在较低的水平。2003年2月浙江省环境监测中心站对烟气污染物进行了监测，监测时焚烧炉运行参数见表1，烟气污染物具体数值见表2。
4参考文献 略
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