垃圾焚烧电厂烟气污染及控制
摘 要:垃圾焚烧会产生二次污染,特别是焚烧烟气中含有剧毒物质二恶英,使原本极为推崇的垃圾焚烧发电项目倍受质疑。通过对垃圾焚烧电厂烟气排放标准的解读以及对烟气污染源特性的分析,探讨烟气污染防治对策及降低烟气污染物的有效途径。
关键词:垃圾焚烧电厂,排放标准,二恶英,烟气控制
城市垃圾常规处理方法有填埋、焚烧和堆肥等。垃圾焚烧因其无害化较彻底、减容量大、处理时间短、可回收利用热能率高、占地面积小等优点被国内外大量采用。垃圾焚烧技术的核心是燃烧的合理组织和二次污染的防治,焚烧过程中烟气污染问题是制约垃圾焚烧电厂发展的最重要的原因。
一、垃圾焚烧厂烟气排放标准
垃圾焚烧厂烟气排放应执行GB18485 - 2001 标准。事实上,随着环保要求的日益严格及国家有关节能减排政策的实施,国内已有很多筹建的生活垃圾焚烧厂在烟气排放指标中将执行EU2000 /76 / EC (欧盟2000)标准。见表1。
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结合国内已运营企业的实际情况,我们简单对标准进行如下解读:
1. 现阶段,我国标准与欧盟标准相比还有很大距离,国内垃圾发电厂应确保烟气中的SO2、NOX、 HCl等酸性气体及其他常规烟气污染物达到 GB18485 - 2001标准,但对二恶英类物质的排放浓度,我们认为应参照执行EU2000 /76 /EC欧盟标准,即0. 1TEQng/m3。
2. 通过低温燃烧技术在不装脱硝设施的情况下,烟气中NOX 可满足GB18485 - 2001排放要求, 但我们认为,在大城市或对氮氧化物有特殊控制要求的地区建设垃圾焚烧发电项目,还应加装脱硝装置,其他地区须预留脱除氮氧化物的空间。
3. 垃圾焚烧厂必须安装烟气自动连续监测装置,并与地方环保部门联网,由环保部门实时监控, 确保排放真正达标。
4. 各企业应针对各自实际情况(如垃圾特性) 对二恶英的辅助判别措施提出要求,对炉内燃烧温度、CO、含氧量等实施监测,对异常情况及时做出反应并处理。
二、垃圾焚烧电厂工艺流程及污染源分析
1. 工艺流程
现以武汉青山地区垃圾焚烧发电厂为例,说明其工艺流程,如图1所示。该厂焚烧炉采用机械炉排炉。
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图1 垃圾焚烧电厂工艺流程及产污环节 |
垃圾收集后由封闭式垃圾运输车送至垃圾焚烧发电厂,称重后进入主厂房卸料大厅,卸下的垃圾进入垃圾库,垃圾库内的垃圾经吊车投入加料料斗,然后经推料装置送到焚烧炉中燃烧。垃圾在炉内依次通过炉排的干燥段、燃烧段和燃烬段,实现负压燃烧并达到完全燃烧。炉渣经水封式除渣装置排入炉渣坑,由炉渣抓斗将炉渣抓入密封汽车运往灰渣综合利用用户或垃圾填埋场处置。
燃烧用的空气来自垃圾库内的气体,经风机及空气预热器预热后进入炉内燃烧。为最大限度地减少二恶英的排放,控制烟气在炉内温度为850℃ 以上且停留2 s时间或更长。
垃圾焚烧产生的高温烟气与余热锅炉发生热交换,余热锅炉吸收热量产生过热蒸汽,再由汽轮发电机变成电能。
余热锅炉排出的烟气,进入急冷反应塔经喷水后,烟气温度从2 2 0 ℃急剧降到1 7 0 ～1 8 0 ℃, 消石灰和助剂混合物喷入急冷反应塔与布袋除尘器间烟道,达到脱除酸性气体、吸附重金属和二恶英类物质的目的。随后通过布袋过滤,将烟气中的灰尘、反应生成物加以捕捉脱除,烟气中的污染物达标后,经引风机排入80 m 烟囱。除尘器脱除的飞灰在厂内固化后由汽车运往协议确定的危废填埋场处理。
2. 大气污染源分析
垃圾焚烧厂的废气是指垃圾在焚烧过程中产生的烟气,烟气中的主要污染物可以分为粉尘(颗粒物) 、酸性气体( HCl、HF、SOX 等) 、重金属 (Hg、Pb、Cr等)和有机剧毒性污染物(二恶英等) 等几大类。
国内外现有的技术无法完全解决垃圾焚烧过程中产生二恶英类物质,这已成为制约垃圾焚烧电厂发展的一个根本问题。
多氯二苯异二恶英(polychlorinated dibenzo - p - dioxin简称PCDD) 、多氯二苯异呋喃(polychlori2 nated dibenzofuran,简称PODF)分别由75个和135 个同族体( congener)构成,它们的化学结构相似, 常写成PCDD /Fs,俗称二恶英( dioxin) 。由于二恶英类物质所特有的剧毒性、稳定性和长期残留性, 所以它是废弃物中需特别注意的有害成分。
通常认为,二恶英产生机理如下。
一是直接产生:焚烧物中含有石油产品、含氯塑料(聚氯乙烯、聚氯亚乙烯、聚氯树脂等)是二恶英的前体(p recursor) ,在燃烧过程中经热分解后, 分子重排形成二恶英及前驱物( CHLOROPHE2 NOL、CHLOR OBENENE) ,此类反应发生的温度在 600 ℃左右。
二是前驱物转化:厨房垃圾中含有NaCl、KCl、 MgCl2 等盐,与烟气中的SO2 发生一系列反应,使烟气中HCl浓度增加,同时垃圾中的Cu将被氧化生成Cu的氧化物后与HCl发生反应产生CuCl2。
前驱物CHLOROPHENOL、CHLOROBENENE 在焚烧炉和除尘器内,在HCl、CuCl2 和其他物质 (如Mn、Fe、C等)的催化作用下会再合成二恶英。有研究表明,再合成温度为250～300 ℃。
由此可知,垃圾焚烧产生的酸性气体、粉尘和重金属物质都对二恶英物质的产生起到了直接或间接的作用。从二恶英产生机理看,要抑制垃圾焚烧过程中产生二恶英,必须满足以下条件:
(1)燃烧温度保持在1000 ℃以上,烟气停留时间大于2 s,保持烟气中含氧比6%以上,这样,高温(600 ℃作用)形成的有机物可在更高的温度下燃烬;
(2)抑制HCl、CuO、CuCl2 的产生,尽量不燃烧含氯塑料及其它含氯化工品,不使Cu氧化;
(3)尽可能充分燃烧以减少烟气中的含碳量, 一些国家以CO小于50ppm作为标准;
(4)在烟气净化段采用急冷却办法避开二恶英再合成的温度250～300 ℃。
三、烟气污染防止对策
从国内外实践经验看,控制烟气污染物,特别是抑制二恶英的产生除了烟气净化处理外,还要考虑减少炉内形成以及避免炉外低温再合成,这主要通过控制焚烧条件、选择适当的焚烧炉炉型来实现。
1. 烟气净化处理
烟气净化是垃圾焚烧污染控制的关键,烟气净化系统主要由脱酸、除尘、活性炭吸附三部分组成。脱酸,即利用脱酸剂的碱性来中和吸收酸性气体,脱酸剂通常使用CaO (或Ca (OH) 2 ) ,脱酸方式有湿法、干法或半干法,脱酸在专门建成的反应塔中进行。
活性炭吸附,主要是利用活性炭的强吸附能力吸附重金属及二恶英类物质。
除尘器是烟气净化的末端设备, GB18485 - 2001中规定:生活垃圾焚烧炉除尘装置必须采用袋式除尘器。袋式除尘器不仅收捕一般颗粒物,而且能收捕挥发性重金属或其氯化物、硫酸盐或氧化物所凝结成直径≤0. 5μm的气溶胶,同时收捕吸附在灰分或活性炭颗粒上的二恶英等有机类污染物。
此外,目前国内已运营的生活垃圾焚烧厂均未设置专门的脱氮装置。为减少NOX 生成而采用低温燃烧技术。当燃烧温度为850～950 ℃时,烟囱出口烟气中NOX含量小于400 mg/Nm3 ,能够达到 GB18485 - 2001中400 mg/Nm3 的排放限值,但要达到EU2000 /76 /EC中200 mg/Nm3 的排放限值, 必须设置专门的脱硝设施。
由上可知,烟气净化处理组合方式有:半干式脱酸反应塔+活性炭喷射+袋式除尘器、干式反应塔+袋式除尘器、湿式反应塔+袋式除尘器三种。
其中,湿法技术效率高,可达97%以上,但有大量污水排出,容易造成二次污染。干法技术无污水排放,但脱除效率仅达60% ～70%。半干法技术有较高的脱硫效率(可达90%左右) ,药品用量少,且无污水排放。目前国内已运营或在建的焚烧厂,普遍采用半干法+活性炭喷射+袋式除尘器的烟气处理工艺,该工艺已能完全满足国标的排放标准。
现阶段,干法技术越来越受到人们关注。我们相信,当使用更为完善的垃圾燃烧方式时,干法技术将因其显著的经济性会越来越多的被采纳。
需要说明的是,为控制烟气二次污染物的产生,必须投入昂贵的尾气处理设备,这使得垃圾焚烧电厂原本投资高、运行费用高的矛盾更加突出, 同时,使用后的活性炭无法再生,成为一个新的毒源,必须小心处理,这都是垃圾焚烧技术要解决的难题。
2. 控制燃烧条件
垃圾焚烧炉膛采用中温燃烧,炉膛温度一般维持在900～1200 ℃。这既是焚烧物料能量的限制, 也是烟气污染物控制所要求。
实践表明,烟气在850 ℃左右的炉膛中停留时间达到2 s,或在1000 ℃左右炉膛内停留1 s,或是在1200 ℃左右炉膛内停留几μs,二恶英就可以完全分解。如果温度控制在1200 ℃以上,可以大大降低二恶英后期的重新合成几率。因此,控制燃烧温度和时间可以有效的减少二恶英的产生。
3. 选择适当的焚烧炉
目前,焚烧炉类型有机械炉排炉、循环流化床、控气型焚烧炉等。
机械炉排炉有成熟的长期运行经验,燃烧效率较高,垃圾减容效果较好,垃圾预处理要求较低,这些优势使之成为大型垃圾处理厂的首选。但垃圾在炉膛内直接燃烧,化学反应中产生的烟气有害成分较多,不可避免会产生Cu的氧化及生成HCl、 CuCl2 等,同时飞灰中残留的未燃烬碳。这些物质的存在使已经分解的二恶英再度合成。特别是炉排炉炉温受垃圾热值的变化而波动,使得垃圾焚烧过程中产生的二恶英难以保证完全分解,从而引起二恶英排放量增加。故该类炉型必须配备完善的烟气净化设备,投资成本高。
循环流化床是将垃圾流化燃烧,利用劣质燃料的洁净燃烧技术。相对于炉排炉,它对垃圾适应性强(可燃烧低热值垃圾) 、燃烧稳定性好、减量化程度高,同时因其具有优良的二次污染控制特性,已成为很多中型垃圾处理厂的首选。
从燃烧来看,流化床内气- 固混合强烈,传质速率高,燃烧速度快,燃烧完全,残碳量小;流化床采用石英砂作为热载体,蓄热量大,燃烧稳定性好; 流化床适应多品种燃料的混合焚烧,生活垃圾和一定量的煤混合燃烧,不仅增强了对垃圾的适应性, 同时可燃物和有害成分燃烬率高;在炉内投加少量的石灰石等添加剂,除去大部分酸性气体。以上这些特性,可有效抑制NOX、SOX 及二恶英物质的产生,避免二恶英物质的再合成,同时减轻尾气净化负担。该类炉型运行成本高。
控气型焚烧炉,是根据控制燃烧理论,垃圾在中温厌氧状态下,分解成可燃性气体,然后在高温室,可燃气体充分燃烧,并通过余热锅炉回收利用热量。
这种焚烧炉将燃烧过程中分为二级燃烧室,一燃室为垃圾热分解,温度控制在700 ℃以内,让垃圾在缺氧状态下安静而缓慢地低温热分解。此时金属Cu、Al、Fe不会被氧化,也就不会有CuCl2 的产生和存在。垃圾中的可燃成分分解成可燃气体, 并引入二燃室燃烧。二燃室温度在1000 ℃以上, 烟气停留时间2 s以上,保证了有毒、有害的有机气体完全分解燃烧,从而保证了二恶英的充分分解。由于二燃室是气体燃烧,避免了烟气中的残碳存在,削弱了二恶英的生成环境。控气型垃圾焚烧炉不会产生烟尘,不会有未燃烬残碳进入烟气中, 所以不需设置庞大的除尘装置和其他净化装置,即可达到烟气排放标准,只有在含Cl塑料过高导致 HCl超标时,才需要增加简单的碱洗装置。
控气型焚烧炉从原理上控制了二恶英产生的各种因素。据日本笠原公司最新报道,采用热解气化焚烧炉,由于其一燃室是还原气氛,所以SO2 仅为9. 5 ppm, NOX 为6. 1 ppm, NO2 为9. 5 ppm,二燃室是高温燃烧, CO接近为0,所以二恶英值可望处于很低的水平。
目前国际上采用控气型焚烧炉较多的国家是美国、加拿大,日本、德国也将此种技术作为垃圾焚烧的推广技术,以减少二恶英的排放。由于其垃圾处理能力小、技术不成熟,国内只在小型垃圾处理厂示范使用。
四、结语
垃圾焚烧电厂要健康发展,必须有效控制大气污染物。要抑制大气污染物,特别是二恶英类物质的产生,我们认为,必须同时做到以下几点:
第一,良好的烟气净化设施。完善烟气净化处理设施是控制烟气污染的保证。净化处理后烟气污染物排放浓度符合GB18485 - 2001 标准要求, 最好达到EU2000 /76 /EC (欧盟2000)标准。
第二,合理的燃烧方式。不仅要控制垃圾焚烧的温度和时间,还应根据垃圾热值的实际情况,选择合理的焚烧炉炉型。技术比较稳定成熟的是炉排炉和循环流化床锅炉。循环流化床由于对二次污染的控制性能更为优越值得人们关注。控气型焚烧炉因其有效的抑制二恶英类物质产生,相信以后会越来越多的被采用。
第三,科学的烟气监控手段。必须设置烟气连续监测装置,实时监测烟气成分。监测内容包括: SO2、NOX、CO、HCl、HF、PM10 、烟温、烟气量,同时结合运行监控系统,在线监测燃烧温度和含氧量, 还要人工采样化验烟气中Cu2 +的含量,对异常情况及时判断和处理,确保设备正常运行和烟气污染物达标排放。
第四,完善的垃圾分类制度。垃圾经过分类, 除掉产生二恶英的前体,比如石油产品、含氯塑料等,焚烧可燃成分产生的烟气再经过净化处理,从根本上解决二次污染问题。
第五,严格的管理措施。除技术层面外,严格的管理措施是保证设备正常运行的前提。比如深圳的一个焚烧厂废气净化系统工作不正常,但依然继续焚烧垃圾,造成严重污染。事实上,管理问题是我国已运营的垃圾焚烧厂的最主要问题。
参考文献:
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