垃圾焚燒爐尾氣凈化技術的研究與實踐
摘 要：本文通過對目前國際上流行的固體廢棄物焚燒煙氣凈化工藝進行系統研究、分析和比較，提出了一種創新的適合我國國情的半干法煙氣凈化技術，解決了一般半干法凈化系統吸收劑利用率低等問題，提高了凈化效率。
關鍵詞：垃圾焚燒,半干法煙氣凈化系統,噴霧干燥吸收塔（SDA）
1概述
隨著經濟的高速發展及城市化的不斷推進，每天產生的大量垃圾對環境造成了嚴重的污染，世界各國都在積極探索更有效的解決方法。相對來說，焚燒法與其他方法相比具有占地面積小、選址容易、技術可靠且集成度高、自動化程度高、便于管理、可產生大量熱能、對周邊環境污染小等優點，更符合垃圾處理減量化、資源化和無害化的治理原則。特別是對于特殊垃圾如醫療垃圾、空港垃圾、生物化學垃圾、危險廢棄物等，焚燒法更是最佳的選擇。
垃圾焚燒時產生大量的濃煙及有毒廢氣，特別是容易產生二噁英等高毒性物質，如不能有效凈化將對環境產生嚴重的污染。而垃圾成分存在的不穩定性及特殊垃圾成分的復雜性使焚燒廢氣的性質也非常復雜，受到早期廢氣凈化技術的限制，垃圾焚燒技術甚至一度被人們拋棄。近幾十年國際上廢氣凈化技術突飛猛進，才大大促進了垃圾焚燒技術的發展。目前，帶有高效凈化技術的先進垃圾焚燒技術已經普遍在發達國家受到青睞，應用越來越普遍，在各種處理方法中所占比例也呈現出快速上升趨勢。部分發達國家的垃圾處理方法所占比例如下表所示：
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表1 部分發達國家的垃圾處理方法
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我國垃圾焚燒技術起步較晚，廢氣凈化技術也比較落后，往往導致二次污染。近幾年少數沿海發達地區開始在建設大型生活垃圾焚燒廠，并利用垃圾中的熱能發電，同時也配套先進的廢氣凈化技術。如沿海某垃圾焚燒廠采用日本三菱的成套技術，配備余熱發電、濕法凈化及電除塵技術；廣東某市垃圾處理廠采用臥式垃圾焚燒爐技術，廢氣凈化采用合肥院提供的凈化技術，排放指標也達到了國家相應的標準。今年由合肥院研制的更先進的垃圾焚燒半干法凈化技術也全部完成，即將投入試運轉。
我國自有的垃圾焚燒廢氣凈化技術雖然有了一些應用，但在實際應用中還存在一些問題，技術經濟指標與國外相比還有不小的差距。如果能獲得更多的科研投入和實踐機會，相信這項技術會越來越完善。考慮到我國垃圾焚燒市場的巨大潛力和需求，其廢氣凈化技術將產生非？捎^的環境效益和經濟效益。
2 垃圾焚燒爐廢氣性質
垃圾焚燒爐所焚燒的垃圾性質不同，如生活垃圾、醫療垃圾、空港垃圾、危險廢棄物等，其廢氣性質也有很大區別。但總體來說主要的污染物是氯的化合物、二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物、重金屬、粉塵、二噁英等等，另外煙氣中焦油含量往往也比較高。這些污染物有的是氣態形式，有的是固態形式，還有的是液態形式。其中有些污染物可以通過改進燃燒工藝來削減，但最重要的還是廢氣凈化技術及系統工藝設計。生活垃圾焚燒廢氣污染物一般情況如下表所示：
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表2 生活垃圾焚燒廢氣污染物
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從上表看出，廢氣中的污染物含量是比較高的。廢氣中污染物的成分及含量與垃圾成分有很大關系，還與輔助燃料有關，如燃燒高硫煤可能會導致廢氣中二氧化硫含量大幅度上升。因此在設計凈化系統時要根據具體的垃圾成分及燃料情況來確定具體的方案。
3 國家關于廢氣排放的要求
現代垃圾焚燒爐的廢氣中的有害物成分大大增加，特別是特殊垃圾等危險廢棄物焚燒后產生的大量有毒物質，因此各國制定的廢氣排放標準都比較嚴格。加上垃圾焚燒技術本身就是一項環保技術，其排放標準也將越來越嚴格，這對垃圾焚燒廢氣凈化技術提出了很高的要求。嚴格的排放指標往往導致凈化系統的投資及運行費用大大增加，事實上發達國家垃圾焚燒爐的廢氣凈化系統的投資普遍較大，平均占垃圾焚燒工廠總投資的30-50%左右。國內對垃圾焚燒爐的廢氣凈化技術的要求也比較高，已經制定了嚴格的排放標準，向國外發達國家看齊。國家現行的關于焚燒污染控制標準（GB18485—2001）部分數據如下：
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表3 焚燒污染控制標準部分數據
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從上述所列數據來看，國家對焚燒爐廢氣排放的限制項目比較多，排放標準也比工業上的要求要高。
4 主要技術介紹
4.1 高溫煙氣冷卻技術
直接從垃圾焚燒爐排出的煙氣溫度高達1000℃以上，必須經過降溫才能進入凈化系統。大型垃圾焚燒爐的高溫廢氣直接通過余熱鍋爐降溫，同時產生蒸汽發電，再通過省煤器降到合適的溫度。對中小型焚燒爐，我們在出爐口設置特殊設計的高效翅管空氣熱換器，可將煙氣溫度降到500℃，同時利用這部分熱能來節約大量的輔助燃料。然后再通過直接水冷或間接水冷換熱器降到合適的溫度。焚燒爐廢氣凈化技術的一個關鍵是溫度控制，煙氣冷卻技術除了降溫和熱利用外，還直接影響廢氣中有害物的生成及化學反應環境，因此整個工藝流程中的煙氣溫度設計非常重要，關系到整個凈化系統的成敗。
4.2 濕法凈化工藝
濕法凈化技術是目前國際上最成熟、應用最廣泛的工藝。其突出優點是對有害氣體的凈化效率高，降溫迅速。如比較先進的EDV技術采用噴淋洗滌塔+文丘里洗滌器+可循環吸收塔+霧分離器+干燥裝置+高效除塵器的流程，可以達到非常滿意的排放效果，但該工藝存在后續廢水處理問題，工藝控制技術復雜，運行阻力很高，整個系統的初投資和運行費用相當高。
對中小型焚燒爐，也可以選擇其它濕法凈化工藝，投資和運行費用相對較低，也能夠滿足相應的國家排放標準。如2000年合肥院向廣東某垃圾處理廠新建垃圾焚燒爐提供了一套廢氣凈化裝置，經過近2年的運行，證明基本上達到設計要求。經當地環保監測站監測，除一氧化碳單項指標以外，其它污染物排放全部達到相應國家標準。在經過后來的爐內燃燒工藝技術改造后，一氧化碳的排放也最終達標。其工藝流程如下：
4.3 干法凈化工藝
干法凈化系統是由高速冷卻器+干法吸收反應塔+高效除塵器組成。該技術的核心是干法吸收反應塔，并對反應時間和溫度有嚴格的要求，凈化效率一般很難做到很高。但其工藝流程簡單，系統阻力低，運行可靠便于維護，投資及運行費用較省。因此許多發達國家不遺余力的進行該技術的研究，取得了一定的進展，也有不少成功的應用實例。
干法凈化系統使用大量的吸收劑，怎樣提高其利用率及進一步降低有害物排放仍是一個課題。系統末端的除塵器要求采用高濃度袋除塵器，其技術已經非常成熟。
4.4 半干法凈化工藝
半干法凈化技術是一種先進的氣體凈化技術，具有凈化效率高，無廢水二次污染，工藝流程簡潔的特點，初投資及運行費用也不太貴。該技術的研究和應用發展很快，目前已經趨于成熟，是非常有前途的一種技術。半干法凈化技術被美國國家環保局定位生活垃圾焚燒爐最佳凈化工藝，也非常適合當前中國的國情。
2002年合肥院為深圳某垃圾處理廠新建的垃圾焚燒爐項目提供的設計方案簡述如下：
流程包括一個主系統和三個輔助子系統。
主系統是焚燒爐排出的高溫煙氣（已經過爐內空氣預熱器后降至500℃）先進入噴霧干燥吸收塔（SDA）和噴入的高度霧化并均勻分布的鈣液充分混合反應；急冷降溫的煙氣和部分尚未完全反應的干態吸收劑進入專門設計的流態化反應器（VRI）進一步進行氣固反應，VRI中增加活性炭噴射系統；經過VRI處理后的含塵氣體進入專門設計的高壓脈沖除塵器過濾凈化，最后符合標準的廢氣經風機排入大氣。
三個輔助子系統是吸收劑制備與供應系統、壓縮空氣制備與供應系統、計算機控制與監測系統（DMS）、還提供先進的氣體成分監測與分析系統（EMS）。
SDA是煙氣急冷和脫除酸性化合物的主要場所，在SDA中，Ca(OH)2漿液被霧化，與煙氣充分混合。發生化學反應如下：
CaO+H2O→Ca(OH)2
Ca(OH)2+2HCl→CaCl2+2H2O
Ca(OH)2+SO2→CaSO3+H2O
Ca(OH)2+2HF→CaF2+2H2O
或SO2+CaO+1/2H2O→CaSO3·1/2 H2O
部分CaSO3·1/2 H2O再被進一步氧化為CaSO4·2H2O。
從物理過程來看，經霧化的Ca(OH)2漿液被引入SDA中與熱煙氣接觸，微小液滴同時發生三種傳熱、傳質過程，即：
(1)酸性氣體從氣相進入液滴的傳質過程；
(2)被吸收的酸與溶解的Ca(OH)2發生化學反應；
(3)液滴內水分的蒸發。
一般來說，吸收塔出口煙氣溫度越接近飽和溫度，酸性氣體去除效果越好，但是考慮到垃圾焚燒爐煙氣中HCl含量較高，接近飽和溫度會造成嚴重的沉降和固體處理問題，其原因是產生了CaCl2，由于CaCl2的吸濕特性，在接近飽和時這些顆粒要達到充分干燥非常困難。氣流中這些顆粒就會凝聚在容器和除塵器壁上，形成沉降層。CaCl2吸濕特性降低了水在液滴表面的蒸氣壓力，從而導致干燥速率下降，因此，為保證達到要求的污染物去除效率和反應產物所含水分充分蒸發，出塔煙氣溫度控制在140-150℃，液滴在吸收器內的停留時間范圍為10秒。
合肥院提供的SDA有如下特點：
1、允許入口溫度500℃，最高550℃，這樣節省了系統前一部分煙氣降溫的費用，減少了系統阻力。
2、對500℃以上的高溫煙氣進行急冷，有效防止二噁英的生成。
3、采用高效FM噴頭及均勻噴霧區設計，能保證霧滴在0.3～0.5秒時間內汽化，保證急冷效果。
4、SDA提供了足夠的反應時間，并采用了特別的湍流區設計，大大提高了傳熱、傳質的速度，吸收效率大大提高。
5、采用特殊的鋼結構設計及耐溫防腐技術，有效消除了結構中可能產生的熱應力，并有較長的使用壽命。
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表4 合肥院的SDA部分設計數據
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噴霧干燥塔雖然獲得了很好的急冷效果，同時也獲得了較好的酸性氣體去除率，但由于SDA固有的結構模型，始終無法獲得更高程度的紊態流化區，因此氣固反應的效率不可能非常完全，這在國外大量的應用已經獲得充分證明。另外由于SDA承擔的急冷任務，使得整個反應區溫度場變化很大，而這種溫度區布置相當不利于二氧化硫等物質的吸收反應。因此合肥院根據發達國家和地區的經驗，專門設計了流態化低溫反應裝置（VRI）來解決這個問題。VRI設置了一個高度流態化的平臺，來自SDA的煙氣在這里處于高度的紊流狀態，反應面積和反應效率大大提高，非常有利于氣固反應進行。另外VRI的流體溫度控制在110~140℃之間，這個溫度區間非常有利于二氧化硫等氣體的反應吸收。由于吸收的主要產物CaSO3、CaCl2的摩爾容積比Ca(OH)2或CaO更大，反應生成物很容易覆蓋住新鮮吸收劑的微粒表面，阻止了酸性氣體向其內部擴散，從而使反應停止。由于VRI的紊流作用，吸收劑顆粒之間相互磨擦，將外層磨去，內層不斷暴露，提高了吸收劑的利用率。同時VRI還提供了吸收劑的再循環。由于VRI具有較高的氣固分離效果，它對氣體中的固體粉末的分離效率達到80%，只有20%的固體跟隨氣體進入下一級的袋除塵器。而80%的固體重新循環進入SDA的末端參與反應。由于這些固體粉體中含有大量未反應完全的活性鈣，因此大大提高了鈣的利用效率。
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4.5 除塵器技術
煙氣中絕大多數的重金屬和致命的二噁英都吸附在顆粒物上，因此系統末端的除塵器必須要確保高效。對濕法凈化系統來說可以選擇電除塵器或袋除塵器，而對于半干法工藝或干法工藝則應首選袋除塵器。由于袋除塵器在濾袋表面能夠提供一個動態的反應床，可以提高吸收劑的利用效率和進一步降低有害氣體的排放，近年來新建的垃圾焚燒爐凈化工藝越來越傾向于使用袋除塵器。
不完全反應的氫氧化鈣和尚未飽和的活性炭粉，停留于濾布表面時，煙氣中殘余的氯化氫、硫氧化物、氟化氫、重金屬和二噁英類再次得到凈化。完成反應如下：
Ca(OH)2+2HCl→CaCl2+2H2O
Ca(OH)2+SO2→CaSO3+H2O
Ca(OH)2+2HF→CaF2+2H2O
值的注意的是，第二項反應在100℃以上的環境中是需要靠第一項反應生成，當有催化劑方可發生。
4.6系統控制技術
1、采用DSC為核心的綜合控制系統；
2、提供簡單易用的操作界面，所有系統的狀態信息由液晶屏顯示，操作人員可直觀地讀取或修改參數；
3、提供自動診斷模塊，實時監控設備運行情況及有關傳感器、接觸器、繼電器和開關，及時顯示運行中的各種故障和信息，在出廠時已經完成測試；
4、提供定阻或定時聯合清灰設計和停機自清洗控制技術；
5、自動選擇系統最佳工作模式；
6、提供系統溫度狀態控制；
7、可提供煙氣壓力控制技術；
8、獨立卸灰控制系統；
9、具有公開協議支持的通訊能力，可以方便地實現信息傳遞和遠程控制；
10、提供進入系統安全保護。
5 幾個技術問題的探討
5.1 關于煙氣的急冷
垃圾焚燒爐煙氣在500~300℃溫度范圍內容易產生二噁英，因此避免煙氣在該溫度區間里滯留過長時間非常重要。要做到這一點，必須實現高溫煙氣的快速冷卻。根據傳質傳熱理論，要實現高速的熱交換，利用水的汽化非常有效而廉價。如果煙氣的溫度降確定，只要低溫液態水霧化的粒徑足夠小，靜壓足夠低，霧化水和煙氣分布均勻，流態處于喘流狀態，就可以實現煙氣的高速冷卻。已經有的經驗可以做到在一定的溫度場和流場中，水霧在10ms內全部蒸發，從而實現急冷。幾乎所有工業領域煙氣的高速冷卻都是這樣實現的。
合肥院提供的冷卻塔技術提供了設計優良的傳質傳熱區及可轉向噴頭，使霧滴和煙氣始終處于充分接觸狀態，而高壓旋轉霧化噴頭能夠提供極小粒徑的均勻水霧，另外足夠的塔體高度保證了液滴的充分蒸發，滿足急冷的需要。
由于PCDDS和PCDFS有機污染物越來越受到國家的重視，我國新頒布的《危險廢物焚燒污染控制標準》中對其排放濃度制定了嚴格的標準。據此，我們還建議采取以下幾方面從源頭上加以控制：
· 選用合適的焚燒爐型，使垃圾在焚燒爐內得以充分燃燒，監測CO的濃度，并作為燃燒控制的參數，調節送風量和燃燒器的動作。
· 控制爐膛和二燃室的溫度不低于1000℃，并且煙氣在二次爐內的停留時間不小于2秒，使二噁英徹底分解。
· 抑制HCl、CuO、CuCl2的產生。
· 高溫煙氣采用急冷措施，使煙氣從850℃快速冷卻至250℃，縮短了煙氣在500~300℃的二噁英易重新合成溫度區間的停留時間，減少了因煙氣溫度降低而導致二噁英重新合成的幾率。
· 選用高效布袋除塵器，并在進入布袋除塵器前的煙道上設置活性炭噴射裝置，進一步吸附二噁英。
5.2 關于Ca的消耗量及利用率
對同樣的酸性煙氣吸收來說，理論上鈣的消耗量是一樣的，但這基于鈣液的活性、鈣液霧滴的大小及與煙氣接觸的充分程度。我們采用一定細度的高純度的氧化鈣制成一定濃度的氫氧化鈣溶液，以保證活性。而鈣的消耗量主要取決于其利用率。
在干法、半干法脫硫工藝應用中，吸收劑利用率低一直是一個重要問題。在此工藝中CaO或Ca(OH)2被噴入與煙氣接觸反應，但仍有大量的吸收劑未反應。原因是CaSO4的摩爾容積比Ca(OH)2或CaO的大，反應生成的CaSO3、CaSO4覆蓋住了吸收劑微粒表面，吸收劑的孔被堵塞，阻止了SO2向其內部擴散，從而使反應停止。VRI中顆粒物存在不斷磨擦，這意味著CaSO3、CaSO4惰性產物層將不斷地被剝落，提高了吸收劑的利用率。
為進一步減少吸收劑用量，降低運行費用，目前我們主要采用吸收劑再循環和增加高效添加劑的辦法，但仍需進一步努力以提高鈣的利用率。
5.3 氮氧化物的去除
常用的技術措施是通過垃圾焚燒過程的燃燒控制，抑制氮氧化物有害氣體成分的產生。
垃圾焚燒煙氣中氮氧化物以一氧化氮為主，采用添加各種化學藥劑來去除氮氧化物的方法有濕式法和干式法兩種，其中干式法又可分為無催化劑法和有催化劑法兩種，即選擇性非催化還原法（SNCR）、選擇性催化還原法（SCR），濕式法有氧化吸收法、吸收還原法等。
選擇性非催化還原法（SNCR）是在煙氣溫度800~1000℃，氨在與氧共存的條件下，與氮氧化物進行選擇性的反應，以脫除煙氣中的氮氧化物，噴入的藥劑有氨水和尿素，其中尿素比氨水價格高，而且用尿素操作時危險性大。
選擇性催化還原法（SCR）是在煙氣溫度400℃以下時，將煙氣通過催化劑層，與噴入的氨進行選擇性的化學反應（同時需要氧），從而去除煙氣中的氮氧化物。催化劑通常采用五氧化二礬（活性物）一氧化鈦（載體），催化劑采用專為含塵煙氣脫氮用的形狀。在催化劑表面氨與氮氧化物基本上進行等摩爾數反應，在溫度與催化劑量足夠的情況下，基本上不殘留未反應的氨，氮氧化物的去除率較高，該反應在700℃以上時無催化劑也可以進行化學反應，采用催化劑后400℃以下也能反應。
該方法存在問題有：a.催化劑長時間運行的情況不明，催化劑價格太高。b.為了維持良好的活性，五氧化二礬-氧化鈦（V2O5-TiO2）催化劑的溫度必須在250℃以上，但是為了防止二噁英類的產生，要求煙氣溫度不斷下調，但低溫下氯化銨生成會對催化劑產生毒素。
濕式法是基于煙氣中的氮氧化物基本上為一氧化氮，因一氧化氮不易被水或堿性溶液吸收，但如果將一氧化氮氧化成二氧化氮，可以被堿溶液吸收，同時對氯化氫和硫氧化物、汞也有很大的去除效果。氧化吸收法是在吸收劑溶液中加入如次氯酸鈉強氧化劑，將一氧化氮轉換成二氧化氮，再通過加入鈉堿性溶液吸收，達到去除氮氧化物的目的。吸收還原法是在加入二價鐵離子，使一氧化氮成為EDTA化合物，再與亞硫酸根或硫酸氫根反應，達到去除氮氧化物的目的。此法因成本較高和吸收排出廢水處理困難，一般較少采用。
其他去除氮氧化物的方法還有：①向煙氣中注入臭氧。②電離輻射或使一氧化氮在氣相條件下氧化。③強放電使一氧化氮酸化。
垃圾焚燒煙氣中氮氧化物的凈化，宜采用選擇性非催化法（SNCR）。
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