生活垃圾焚燒過程中產生的污染物主要包括四大類：顆粒物(煙塵)、酸性氣體(CO、NOX、SO2、HCl等)、重金屬(Hg、Cr、Pb等)及有機污染物(主要因子為二惡英類).
(1)HCl來源于生活垃圾中含氯廢物.
(2)SO2來源于含硫生活垃圾的高溫氧化過程.
(3)NOX來源于生活垃圾焚燒過程中N2和O2的氧化反應及含氮有機物的燃燒,其中95%為NO,NO2所占比例很少.
(4)CO是由生活垃圾中有機可燃物不完全燃燒產生的.
(5)金屬類污染物源于焚燒過程中生活垃圾所含重金屬及其化合物.
(6)有機污染物的產生機理非常復雜,會伴隨多種化學反應.首先形成中間產物,最后形成終產物.二惡英是其中毒性最強的化合物,在垃圾焚燒過程中其生成途徑主要有：1)生活垃圾中本身含有的微量二惡英大部分會在高溫下分解,但由于其具有熱穩定性,少量會隨煙氣排放；2)在燃燒過程中由氯源生成,大部分在高溫條件下也會被分解,但有少部分排放；3)當燃燒不充分時,煙氣中會產生過多的未燃盡物質,在遇觸媒(重金屬Cu等)及300℃～500℃條件下,已分解的二惡英會重新生成.
2生活垃圾焚燒廠廢氣排放標準
選擇廢氣治理技術首先要明確需執行的排放標準,生活垃圾焚燒廠廢氣排放標準見表1.
目前國內大多數的生活垃圾焚燒廠按《生活垃圾焚燒污染控制標準》(GB18485-2001)進行建設,有少數焚燒廠參考歐盟2000標準進行建設.
3廢氣治理技術的應用
3.1焚燒煙氣治理流程
國內某生活垃圾焚燒發電廠采用的煙氣治理流程如下圖：
(1)NOX控制系統
目前國內很多工程采用低氮燃燒法控制煙氣中NOX濃度,具體控制條件包括降低過量空氣系數、降低爐膛溫度以及煙氣充分混合等.通過這些措施,NOX產生濃度基本可控制在300mg/Nm3左右,能夠滿足國標限值.如果按歐盟2000標準設計,還可以考慮SNCR(選擇性無催化還原)工藝去除氮氧化物,即向焚燒爐內噴入尿素溶液,起到脫除NOX的目的.
(2)降溫塔系統
來自鍋爐的煙氣首先進入降溫塔,將煙氣溫度從200℃降至約150℃,以滿足后續袋式除塵的要求.降溫塔由冷卻裝置與飛灰排出裝置組成,冷卻水被壓縮空氣霧化后噴入降溫塔內與煙氣直接接觸,降溫塔的高度設置足夠高以確保噴入的霧化水可以完全蒸發.降溫的同時煙氣中部分的粉塵落入降溫塔塔底的料斗中,然后經輸送機送至飛灰貯倉.
(3)熟石灰及活性炭噴射系統
熟石灰與活性炭均用噴射風機噴入降溫塔和袋式除塵器之間的管道中,在此,熟石灰與煙氣中的酸性氣體(SO2、HCl等)進行反應,可以去除煙氣中70%的HCl與30%的SO2,活性炭將吸收煙氣中的二惡英和重金屬等有害物質.與熟石灰和活性炭反應后的煙氣帶著飛灰和各種粉塵進入袋式除塵器.
(4)袋式除塵器系統
從降溫塔來的煙氣,經熟石灰及活性炭噴射系統進行除酸和吸附后,再進入袋式除塵器,從隔倉頂部排出；焚燒產生的煙塵、消石灰反應劑和生成物、凝結的重金屬、噴入的活性炭等各種顆粒物均附著于濾袋表面,形成一層濾餅；煙氣中的酸性氣體在此與過量的反應劑進一步起反應,使酸性氣體的去除效率進一步提高；活性炭也在濾袋表面進一步起吸附作用.附著于濾袋外表面的飛灰經壓縮空氣反吹排入除塵器灰斗,飛灰經輸灰系統排出.
(5)濕式洗滌塔
自袋式除塵器出來的煙氣從濕式洗滌塔底部進入向上運行,與向下噴射的堿液充分接觸,將煙氣溫度逐漸降低,同時堿液與煙氣中部分的酸性氣體HCl、HF、SO2等進行反應,生成鹽類.堿液定期補充,生成的含鹽溶液及時排出.
3.2煙氣治理措施分析
(1)SNCR工藝
在爐膛內噴入的尿素溶液與水和氧氣發生反應,最終生成氮氣.
反應方程式如下：
SNCR工藝脫氮效率約為50%[2],NOX排放濃度能夠低于200mg/m3,可以達到設計排放標準.
(2)二惡英和重金屬處理措施
減少垃圾焚燒廠煙氣中二惡英濃度的主要方法是控制二惡英的生成條件,控制措施主要包括以下幾個方面.
1)選擇合適的爐膛和爐排結構,使垃圾在焚燒爐內得以充分燃燒.
2)控制爐膛及二次燃燒室內,或進入余熱鍋爐前煙道內的煙氣溫度不低于850℃,煙氣在爐膛及二次燃燒室內的停留時間不小于2s,O2濃度不低于6%,并合理控制助燃空氣的風量、溫度和注入位置.
3)縮短煙氣在處理和排放過程處于300℃～500℃溫度區域的時間,控制余熱鍋爐的排煙溫度不超過250℃.
4)采取活性炭吸附措施,并設置高效袋式除塵器.噴入的活性炭可吸附煙氣中的二惡英類及汞等重金屬.
這樣,在袋式除塵器除塵的過程中,附著在粉塵中的二惡英同時被除去；被活性炭吸附的二惡英類及汞等重金屬也被袋式除塵器除去.
根據有關資料[3],國內某生活垃圾焚燒廠采取噴射活性炭和袋式除塵措施后,二惡英排放濃度為0.065TEQng/m3,可以達到設計要求.瑞典一家采用“半干法+袋式除塵”凈化工藝的垃圾焚燒廠的測試數據表明,煙氣排放顆粒物中的Hg可以達到測不出的水平,而氣態Hg的排放濃度范圍則為0.012～0.065mg/m3.對于鉛和鎘揮發性較差的重金屬化合物,其排放濃度將會更低.
(3)酸性氣體處理技術
酸性氣體凈化工藝可分為干法、半干法和濕法三種,每種工藝在工程上都有廣泛應用,也各有優缺點.三種方法的比較結果見表2.
1)干法凈化工藝近年來在日本的焚燒廠建設中采用較多,其工藝比較簡單,投資低,運行維護方便,在排放要求不高的條件下是理想的選擇.但干法工藝凈化效率相對較低.
2)半干法凈化工藝可達到較高的凈化效率,投資和運行費用低,流程簡單,不產生廢水,歐洲的焚燒廠采用半干法的較多,丹麥、法國、德國采用半干法的比例分別約為20%、40%和30%.半干法工藝在國內也有較多成功應用的實例,積累了一定的運行經驗,適用于排放標準要求較高的焚燒廠.
3)濕法凈化工藝的污染物凈化效率最高,可滿足最嚴格的排放標準要求,其工藝組合形式也多種多樣,但由于其流程復雜,配套設備較多,使用藥劑相對較貴,一次性投資和運行費用較高,而且存在廢水處理和煙氣再加熱問題,在發達國家應用較多.
根據發達國家煙氣中污染物實測數據[4],濕法對HCl的去除效率達到99%以上,對SO2的去除效率達到95%以上.
(4)顆粒物處理技術
由于顆粒物既包括垃圾焚燒過程中產生的煙塵,還包括噴射石灰和活性炭過程中產生的粉塵,垃圾焚燒廠工程設計中一般采用袋式除塵器對顆粒物進行凈化.國內某垃圾焚燒廠采取袋式除塵設備后[3],煙塵排放濃度為8.12～9.13mg/m3,完全能夠滿足煙塵排放國家標準；如果工程設計中擬采用歐盟2000標準,可以考慮在袋式除塵的基礎上增加濕法洗滌設備,可進一步去除顆粒物,確保穩定達標排放.
4小結
生活垃圾焚燒煙氣中含有顆粒物、酸性氣體、重金屬、二惡英等多種污染物,采用SNCR+活性炭吸附+袋式除塵器+濕式洗滌塔工藝,能夠對污染物進行有效凈化,各項污染物排放濃度能夠滿足國標限值或歐盟2000的要求；采用濕式洗滌塔需考慮廢水處理及煙氣再加熱的問題.