摘要:垃圾焚烧因其无害化较彻底、减容量大、处理时间短等优点成为城市生活垃圾主要处理方法之一。垃圾焚烧过程中产生的烟气含有大量的酸性气体、有机类污染物、颗粒物及重金属等物质,对环境产生极大危害。通过对焚烧过程中各种污染物产生及排放过程的介绍,提出了控制垃圾焚烧产生的二次污染应采取的措施。
关键词:垃圾焚烧;烟气污染;治理措施
城市生活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、可以回收热能、占地面积较小等优点而倍受关注。我国自“十一五”以来已新建生活垃圾焚烧发电厂50多座,珠海、上海、北京、广州等地均积极筹建大型垃圾焚烧厂。
焚烧处理技术的核心是燃烧的合理组织和二次污染的防治。垃圾焚烧对环境的二次污染物主要源于焚烧过程中产生的烟气。焚烧烟气中含有大量酸性气体(HCl、SO2、HF、HBr、NOx等)、有机类污染物(PCDDs、PCDFs等)、颗粒物及重金属等。本文通过对焚烧过程中各种污染物产生及排放过程的介绍,提出了控制垃圾焚烧产生的二次污染应采取的措施。
1 垃圾焚烧烟气污染物的形成及危害
1.1 酸性气体
焚烧烟气中的酸性气体主要由SOX、NOX、HCl、HF组成,均来源于相应垃圾组分的燃烧。SOX主要由SO2构成,产生于含硫化合物焚烧氧化所致。NOX包括NO、NO2、N2O3等,主要由垃圾中含氮化合物分解转换或由空气中的氮在燃烧过程中高温氧化生成。HCl来源于氯化物,如PVC、像胶、皮革,厨余中的NaCl以及KCl等。焚烧烟气中HCl气体的浓度相对较高,往往在400~1200 ppm。 SOX与NOx的浓度相对较低[1]。所以HCl是垃圾焚烧烟气中主要的污染气体。
HCl气体对人体有较强的伤害性。据全球污染排放评估组织(GEIA )测算,全世界每年由生活垃圾焚烧向环境排放的HCl气体达218 kg之多,相当于每人每年仅通过垃圾焚烧向大气排放了0.42 kg HCl [2]。HCl气体会对余热锅炉受热面和监测仪表产生高低温腐蚀,影响余热锅炉安全并限制了过热蒸汽参数的提高;HCl气体的存在升高了烟气露点,导致排烟温度升高,降低锅炉热效率 [3];氯源在一定条件下与重金属反应生成低沸点的金属氯化物,从而加剧了重金属的挥发,导致重金属在飞灰上的富集,增加飞灰毒性 [4];HCl气体能促进氯酚、氯苯、氯苯并呋喃等“三致”有机物的生成,而且PVC裂解后生成的HCl被认为能促进多环芳烃(PAHs)的生成[5]。因此,有效去除HCl气体直接关系到焚烧系统的安全和环保运行。
1.2 有机类污染物
有机类污染物主要是指在环境中浓度虽然很低,但毒性很大,直接危害人类健康的二恶英类化合物,其主要成分为多氯二苯并二恶英(PCDDs)和多氯二苯并呋喃(PCDFs)。通常认为,垃圾的焚烧是环境中此类化合物产生的主要来源[6,7]。垃圾焚烧炉中二恶英有两种成因:一是垃圾自身含有微量的二恶英类物质,二是焚烧炉在垃圾燃烧过程中产生二恶英,其形成机理概括起来有三种[8,9]: (1)高温合成。在垃圾进入焚烧炉的初期干燥阶段,除水分外,含碳氢成分的低沸点有机物挥发后,与空气中的氧反应生成水和二氧化碳,形成暂时缺氧状况,使部分有机物同氯化氢反应,生成二恶英; (2)从头(denovo)合成。通过de novo合成反应形成二恶英。即在低温(250~350℃)条件下,大分子碳(残碳)与飞灰基质中的有机或无机氯在飞灰表面反应,生成二恶英; (3)前驱物合成。不完全燃烧及飞灰表面的不均匀催化反应,可形成多种有机气相前驱物,如多氯苯酚和聚氯乙烯,前驱物分子在燃烧过程中通过重排、自由基缩合、脱氯及其它化学反应生成二恶英。
1.3 颗粒物及重金属
垃圾焚烧过程中会产生大量的细小颗粒物。同时,垃圾中原有的颗粒物在炉膛内被气流扬起并随焚烧气排出。垃圾中可燃组分因燃烧不完全会形成黑烟,黑烟中含有大量的碳粒子。
颗粒物的粒径越小越容易进入肺泡,危害也就越大。细小颗粒物中会含有Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、Mn、Sb、Cd、Se等重金属,其中对人体危害大的重金属如Cr、Cd、Ni、Pb、Se等主要集中于小于3 μm[10]的颗粒物中。因此,在去除颗粒物的同时,也就在一定程度上削减了重金属的危害。
2 垃圾焚烧烟气污染控制
垃圾焚烧生成的污染物来源于垃圾组分,其存在形式及数量与焚烧条件和净化系统密切相关。从污染物的产生及其排放过程看,控制垃圾焚烧产生的二次污染可以采取以下措施。
2.1 控制烟气污染物的产生
根据烟气污染物的形成机理,控制垃圾焚烧条件,使燃烧处于良好状态,从而减少有害物质的生成。运用合适的炉膛和炉排结构,使垃圾在焚烧炉得以充分燃烧。烟气中CO的浓度是衡量垃圾充分燃烧的指标之一,CO浓度越低说明燃烧越充分,比较理想的CO浓度指标是低于60 mg/m3。
焚烧炉内烟气出口温度不低于850 ℃,烟气在炉膛及二次燃烧室内的停留时间不小于2 S,O2的浓度不少于6%,并合理控制助燃空气的风量、温度和注入位置。在炉内喷入固硫固氯剂CaCO3或CaO可降低氯化物和硫化物对高温受热面的高温腐蚀及对大气的二次污染。
燃烧过程中NOX与二恶英的控制条件矛盾,一般在燃烧实际运行中保证在垃圾可燃组分充分燃烧的基础上再兼顾NOX的产生。国外的处理措施是在烟气处理系统中增加脱硝装置。
2.2 烟气净化处理
烟气净化系统是城市生活垃圾焚烧污染控制的关键,烟气净化后各种污染物的排放浓度应达到国标GWKB3-2000的规定。
烟气净化一般主要有由脱酸,除尘,活性炭吸附三个部分组成。国内外普遍采用的工艺主要是半干法/干法+布袋除尘器,其中脱酸技术是垃圾焚烧烟气净化系统的核心。
2.2.1 脱 酸
酸性气体HCl、SOx、HF主要通过湿法、干法或半干法中Ca(OH)2、NaOH等碱性物质中和吸收来去除。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除效率(可达90%左右),药品用量少,且无污水排放,因此为烟气脱酸的主要适用技术。
半干法脱酸装置一般设置在除尘器之前,主要包括给料系统、混合系统和反应系统。脱酸剂CaO在给料系统生成粉状Ca(OH)2,再进入混合系统与烟气及少量的水充分混合,最后以喷雾状进入反应系统。HCl、SOx、HF等酸性成分被吸收,生成中性、干燥的细小固体颗粒,随烟气进入下一步净化系统。主要反应有:
2HCl+Ca(OH)2=CaCl2+2H2O (1)
SO2+Ca(OH)2=CaSO3+H2O (2)
2.2.2 除 尘
除尘器是烟气净化系统的末端设备,国标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≤0.5 μm的气溶胶,还能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。
袋式除尘系统中的布袋是由不同材料的纤维制成滤布,对尾气进行过滤,达到除尘及吸附二恶英的目的。烟尘颗粒在滤布表面堆积形成致密的薄层,因此布袋式除尘器对粉尘去除率一般都很高。受布袋材料的耐热强度限制,尾气温度一般须控制在250 ℃左右,低于二恶英的再合成温度。
2.2.3 活性炭吸附
目前国内外垃圾焚烧烟气处理中,对二恶英的处理主要采用活性炭吸附。活性炭不仅可以吸附二恶英还能有效去除重金属等物质。由于飞灰的比表面积很大,对二恶英有很强的吸附作用,导致飞灰中二恶英浓度很高,通常占焚烧过程二恶英总排放量的70%左右[11]。而大部分的重金属(>70%)都仍留存于炉渣中,仅Hg和Cd在高温下挥发,进入飞灰随焚烧烟气排放[12]。为提高烟气中二恶英类和重金属污染物的去除率,可以采取以下方法[13]:(1)减少烟气在200~350 ℃温度域的停留时间,有利于减少二恶英类污染物再次生成,控制除尘器入口烟气温度低于200 ℃,有利于有机类及重金属污染物的脱除,即在设计和运行中采用“温度控制”;(2)在反应塔和除尘器之间,通过混粉器在烟气中喷入活性炭或多孔性吸附剂,可吸附二恶英类和重金属污染物,再用布袋除尘器捕集。
3 结 语
垃圾焚烧能够最大限度地实现生活垃圾的减量化、无害化、资源化,具有很好的应用前景,但焚烧不可避免带来二次污染,尤其是由飞灰、酸性气体、二恶英、重金属等组成的焚烧烟气的污染。
垃圾焚烧烟气二次污染的防治是垃圾焚烧系统不可缺少的组成部分。要采用适当的烟气净化处理技术,对污染物的排放进行有效的控制。
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