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摘要:垃圾焚燒因其無害化較徹底、減容量大、處理時間短等優點成為城市生活垃圾主要處理方法之一。垃圾焚燒過程中產生的煙氣含有大量的酸性氣體、有機類污染物、顆粒物及重金屬等物質,對環境產生極大危害。通過對焚燒過程中各種污染物產生及排放過程的介紹,提出了控制垃圾焚燒產生的二次污染應采取的措施。

關鍵詞:垃圾焚燒;煙氣污染;治理措施

城市生活垃圾常規處理方法有填埋、焚燒和堆肥等。垃圾焚燒因其無害化較徹底、減容量大、處理時間短、可以回收熱能、占地面積較小等優點而倍受關注。我國自“十一五”以來已新建生活垃圾焚燒發電廠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。

焚燒處理技術的核心是燃燒的合理組織和二次污染的防治。垃圾焚燒對環境的二次污染物主要源于焚燒過程中產生的煙氣。焚燒煙氣中含有大量酸性氣體(HCl、SO2、HF、HBr、NOx等)、有機類污染物(PCDDs、PCDFs等)、顆粒物及重金屬等。本文通過對焚燒過程中各種污染物產生及排放過程的介紹,提出了控制垃圾焚燒產生的二次污染應采取的措施。

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,均來源于相應垃圾組分的燃燒。SOX主要由SO2構成,產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換或由空氣中的氮在燃燒過程中高溫氧化生成。HCl來源于氯化物,如PVC、像膠、皮革,廚余中的NaCl以及KCl等。焚燒煙氣中HCl氣體的濃度相對較高,往往在400~1200ppm。SOX與NOx的濃度相對較低[1]。所以HCl是垃圾焚燒煙氣中主要的污染氣體。

HCl氣體對人體有較強的傷害性。據全球污染排放評估組織(GEIA)測算,全世界每年由生活垃圾焚燒向環境排放的HCl氣體達218kg之多,相當于每人每年僅通過垃圾焚燒向大氣排放了0.42kgHCl[2]。HCl氣體會對余熱鍋爐受熱面和監測儀表產生高低溫腐蝕,影響余熱鍋爐安全并限制了過熱蒸汽參數的提高;HCl氣體的存在升高了煙氣露點,導致排煙溫度升高,降低鍋爐熱效率[3];氯源在一定條件下與重金屬反應生成低沸點的金屬氯化物,從而加劇了重金屬的揮發,導致重金屬在飛灰上的富集,增加飛灰毒性[4];HCl氣體能促進氯酚、氯苯、氯苯并呋喃等“三致”有機物的生成,而且PVC裂解后生成的HCl被認為能促進多環芳烴(PAHs)的生成[5]。因此,有效去除HCl氣體直接關系到焚燒系統的安全和環保運行。

1.2有機類污染物

有機類污染物主要是指在環境中濃度雖然很低,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)。通常認為,垃圾的焚燒是環境中此類化合物產生的主要來源[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,二是焚燒爐在垃圾燃燒過程中產生二惡英,其形成機理概括起來有三種[8,9]:(1)高溫合成。在垃圾進入焚燒爐的初期干燥階段,除水分外,含碳氫成分的低沸點有機物揮發后,與空氣中的氧反應生成水和二氧化碳,形成暫時缺氧狀況,使部分有機物同氯化氫反應,生成二惡英;(2)從頭(denovo)合成。通過denovo合成反應形成二惡英。即在低溫(250~350℃)條件下,大分子碳(殘碳)與飛灰基質中的有機或無機氯在飛灰表面反應,生成二惡英;(3)前驅物合成。不完全燃燒及飛灰表面的不均勻催化反應,可形成多種有機氣相前驅物,如多氯苯酚和聚氯乙烯,前驅物分子在燃燒過程中通過重排、自由基縮合、脫氯及其它化學反應生成二惡英。

1.3顆粒物及重金屬

垃圾焚燒過程中會產生大量的細小顆粒物。同時,垃圾中原有的顆粒物在爐膛內被氣流揚起并隨焚燒氣排出。垃圾中可燃組分因燃燒不完全會形成黑煙,黑煙中含有大量的碳粒子。

顆粒物的粒徑越小越容易進入肺泡,危害也就越大。細小顆粒物中會含有Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、Mn、Sb、Cd、Se等重金屬,其中對人體危害大的重金屬如Cr、Cd、Ni、Pb、Se等主要集中于小于3μm[10]的顆粒物中。因此,在去除顆粒物的同時,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源于垃圾組分,其存在形式及數量與焚燒條件和凈化系統密切相關。從污染物的產生及其排放過程看,控制垃圾焚燒產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生

根據煙氣污染物的形成機理,控制垃圾焚燒條件,使燃燒處于良好狀態,從而減少有害物質的生成。運用合適的爐膛和爐排結構,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之一,CO濃度越低說明燃燒越充分,比較理想的CO濃度指標是低于60mg/m3。

焚燒爐內煙氣出口溫度不低于850℃,煙氣在爐膛及二次燃燒室內的停留時間不小于2S,O2的濃度不少于6%,并合理控制助燃空氣的風量、溫度和注入位置。在爐內噴入固硫固氯劑CaCO3或CaO可降低氯化物和硫化物對高溫受熱面的高溫腐蝕及對大氣的二次污染。

燃燒過程中NOX與二惡英的控制條件矛盾,一般在燃燒實際運行中保證在垃圾可燃組分充分燃燒的基礎上再兼顧NOX的產生。國外的處理措施是在煙氣處理系統中增加脫硝裝置。

2.2煙氣凈化處理

煙氣凈化系統是城市生活垃圾焚燒污染控制的關鍵,煙氣凈化后各種污染物的排放濃度應達到國標GWKB3-2000的規定。

煙氣凈化一般主要有由脫酸,除塵,活性炭吸附三個部分組成。國內外普遍采用的工藝主要是半干法/干法+布袋除塵器,其中脫酸技術是垃圾焚燒煙氣凈化系統的核心。

2.2.1脫酸

酸性氣體HCl、SOx、HF主要通過濕法、干法或半干法中Ca(OH)2、NaOH等堿性物質中和吸收來去除。其中,濕法技術效率高,可達97%以上,但有大量污水排出,容易造成二次污染。干法技術無污水排放,但脫除效率僅達60%~70%。半干法技術有較高的脫除效率(可達90%左右),藥品用量少,且無污水排放,因此為煙氣脫酸的主要適用技術。

半干法脫酸裝置一般設置在除塵器之前,主要包括給料系統、混合系統和反應系統。脫酸劑CaO在給料系統生成粉狀Ca(OH)2,再進入混合系統與煙氣及少量的水充分混合,最后以噴霧狀進入反應系統。HCl、SOx、HF等酸性成分被吸收,生成中性、干燥的細小固體顆粒,隨煙氣進入下一步凈化系統。主要反應有:

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的末端設備,國標GB18485-2001中規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,而且能收捕揮發性重金屬或其氯化物、硫酸鹽或氧化物所凝結成直徑≤0.5μm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類污染物。

袋式除塵系統中的布袋是由不同材料的纖維制成濾布,對尾氣進行過濾,達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粉塵去除率一般都很高。受布袋材料的耐熱強度限制,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

目前國內外垃圾焚燒煙氣處理中,對二惡英的處理主要采用活性炭吸附。活性炭不僅可以吸附二惡英還能有效去除重金屬等物質。由于飛灰的比表面積很大,對二惡英有很強的吸附作用,導致飛灰中二惡英濃度很高,通常占焚燒過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在高溫下揮發,進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℃,有利于有機類及重金屬污染物的脫除,即在設計和運行中采用“溫度控制”;(2)在反應塔和除塵器之間,通過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結語

垃圾焚燒能夠最大限度地實現生活垃圾的減量化、無害化、資源化,具有很好的應用前景,但焚燒不可避免帶來二次污染,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不可缺少的組成部分。要采用適當的煙氣凈化處理技術,對污染物的排放進行有效的控制。

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