城市垃圾焚燒發電技術及其污染物控制策略
摘要：介紹垃圾發電的特點，詳細分析了機械爐排爐和循環流化床的垃圾焚燒機理及其優缺點，對污染物排放提出了相應的控制策略，尤其對二噁英的生成途徑、爐內控制、煙氣和灰渣的排放處理進行了詳細分析。
關鍵詞：機械爐排爐,循環流化床,二噁英,控制,酸性氣體
0 引言
隨著我國城市居民生活水平的提高和人們環保意識的增強，垃圾焚燒發電的前景充滿希望。垃圾焚燒發電作為新型能源，得到國家政策的大力支持。
由于垃圾焚燒過程比較復雜，垃圾熱值不穩定，采用合適的焚燒鍋爐尤為重要。在實現生活垃圾無害化、減容化和資源化的同時，焚燒產物中的粉塵、酸性氣體以及殘渣中的重金屬，特別是劇毒有機物二噁英含量比較大。如果排放的有毒有害物質不能得到嚴格處理，達不到規定的排放標準．將對環境帶來嚴重的二次污染。
本文簡要介紹了垃圾發電的特點，分析了目前比較流行的2種垃圾焚燒爐的原理和優缺點，提出了一些污染物的控制策略。以期能使排放物符合國家標準，減少環境的二次污染。
1垃圾發電的特點
1．1傳統垃圾處理方法
我國常用的垃圾處理方法有：衛生填埋法、堆肥法和直接焚燒法。3種方法的基本特征如下：
(1)衛生填埋法的無害化低，占地面積大，垃圾分解速度緩慢，一般需10～20年。填埋區易產生沼氣、含毒污水，對空氣、土壤和地下、地表水產生污染。且易造成城市垃圾無處堆放。
(2)堆肥法通過微生物的生化作用，將垃圾中的有機質分解腐爛，轉換成肥料。該法對垃圾成分有較高要求，產品肥效低、制造期長，不適應城市生活垃圾的迅速增長。初投資和運行費用較衛生填埋法高。
(3)直接焚燒法可實現城市生活垃圾的無害化、減容化和資源化。
1．2直接焚燒的特點
目前國內垃圾直接焚燒主要采用機械爐排焚燒爐和循環流化床焚燒爐技術。直接焚燒法具有以下特點：
(1)垃圾可直接焚燒，處理簡單、速度快、處理量大。
(2)垃圾焚燒后減容效果顯著，垃圾中可燃成分被燃燒，水分被蒸發排人大氣。作為殘渣部分的不燃成分和灰分只有原體積的10％～20％。
(3)在垃圾燃燒過程中，焚燒爐爐溫高，垃圾所攜帶的大量病菌和各種有害物質、臭氣均會發生高溫熱分解，從而達到對垃圾無臭、無害化處理，有效改善城市衛生條件，保護環境。
(4)垃圾燃燒產生的高溫煙氣可用于蒸汽發電、城市供熱制冷和其他需要蒸汽的地方，實現了廢熱利用和回收能源。
但是。直接焚燒最大的也是致命的缺陷就是其焚燒產物中的SOX、NO。、HCl、粉塵和殘渣中的重金屬。特別是氧化反應產生的劇毒有機物二嗯英含量較大。如果對所排放的這些有毒有害物質不能進行嚴格處理，達不到規定的排放標準，將對周圍環境帶來嚴重的二次污染。因此，我國和世界上其他國家一樣。對垃圾直接焚燒處理后產生的有毒有害廢棄物越來越重視，規定了嚴格的排放標準加以控制。
2機械爐排爐和循環流化床的爐型對比
垃圾焚燒鍋爐是垃圾熱電站的主要設備．也是發展垃圾熱電站的關鍵所在。由于焚燒燃料是具有一定腐蝕性、水分含量大、熱值不穩定的垃圾．因而垃圾焚燒鍋爐及其燃燒設備在設計上有一定的特殊性。由于垃圾焚燒發電熱值比較低。而水分含量比較高，因此，性能優良的燃燒設備是垃圾焚燒鍋爐的關鍵。目前垃圾焚燒鍋爐燃燒方式主要是機械爐排爐和循環流化床。
2．1機械爐排爐
機械爐排爐是以機械式的爐排塊構成的爐床，爐膛具有干燥區、點火區、燃燒區、燃盡區、冷卻區等分區特點。生活垃圾直接在爐排上靠爐排間的相對運動不斷被翻動、攪拌并推向前進。正常運行時，爐溫維持在800℃以上，垃圾進入爐內與熱空氣接觸并升溫、干燥、著火、燃盡。燃燒發出的熱量可以維持爐溫，但在垃圾熱值偏低的情況下需要加入燃料油作為輔助燃料。
2．1．1爐排爐的優點
(1)單臺爐的處理量大，技術成熟。
(2)垃圾在爐內分布均勻、料層穩定、燃燒完全。運行時可視爐內垃圾焚燒狀況調節爐排轉速，控制垃圾爐內的停留時間，使其燃盡。
(3)鼓風機所需功率小，動力消耗小。
(4)因為垃圾在爐排上燃燒，而且不摻燒燃煤，所以煙氣中粉塵含量低，減輕了除塵器的負擔，降低了運行成本。
2．1．2爐排爐的缺點
(1)活動爐排和固定爐排等關鍵部件由耐熱合金鋼制造。設備造價較高。
(2)爐膛的體積較大，爐體的熱損失增加。
(3)垃圾中的灰土容易堵塞爐排的進風通道，并且垃圾容易燃燒結渣，影響設備的正常運行和垃圾焚燒效果。
(4)在垃圾熱值偏低的情況下，為了維持燃燒，保證蒸汽參數，必須向爐內加入燃油或者燃氣，從而使運行成本升高。
2．2循環流化床
在國內，目前比較成熟的大容量、連續運行的生活垃圾焚燒均為循環流化床鍋爐。
循環流化床焚燒原理是借著砂介質的均勻傳熱與蓄熱效果以達到燃燒的目的。在爐內放人一定粒度的砂子，通過底部布風板進入一定壓力的空氣，將砂子吹起，呈沸騰狀。燃料在流化狀態下燃燒。循環流化床鍋爐爐膛運行溫度通常控制在850～900℃。由于循環流化床獨有的內循環。爐內呈現2個旋轉方向相反的強烈湍流區，可使垃圾焚燒在溫度均勻、燃燒條件相同、湍流強度較大的情況下運行，對燃料的干燥、熱解、著火和燃盡極為有利。
2．2．1循環流化床的優點
(1)處理垃圾適應性強。循環流化床燃燒穩定，爐內溫度場均勻。由于流化床強烈湍流，擁有大量高溫循環物料，床層熱容量大，可以焚燒大部分的垃圾。
(2)焚燒效率高。由于爐內的氣固、固體相態強烈混合，相互之間不斷碰撞．提高了垃圾的燃燒程度。
(3)垃圾滲濾液可以直接在爐膛內熱分解。
(4)煙氣排放性能好。
(5)焚燒爐啟動停用簡便，燃燒設備無機械運動機構．維護容易，占地面積小。
2．2．2循環流化床的缺點
(1)循環流化床對燃料顆粒粒徑有一定要求。
(2)爐內粉塵濃度大、飛灰量大，加速了水冷壁磨損。
(3)煙氣中高腐蝕性氣體含量大，爐內水冷壁易腐蝕。
(4)爐膛出口煙氣溫度低，而氯化物腐蝕最活躍的溫度是400℃左右，過熱器壁溫應避開這個溫度區。因此焚燒爐一般均為中、低壓鍋爐。
(5)必須加人煤粉作為輔助燃料，運行成本偏高。一般摻煤比為1：5(煤粉：垃圾)。
與機械爐排爐相比，流化床燃燒方式較新。發展歷史大約只有40年，但因其廣泛的燃料適應性，能燃用低熱值、高灰分、高水分的低品位燃料；具有良好的排放性質，能有效實現有害氣體的燃燒過程抑制：具有穩定可靠的運行保證以及便于其它爐型改造等優點而得到了快速的發展．在各種丁業和生活廢棄物的焚燒處理方面實現了大型化和環境友好化的應用。
3污染物的控制策略
3．1二噁英的控制策略
二噁英是一種含有氯的強毒性有機化學物質，自然界中幾乎不存在，它是由氯化物進行不充分燃燒產生的。在焚燒過程和化學反應中二噁英是由苯環與氧、氯等組成的芳香族化合物。
城市生活垃圾的焚燒是二噁英的主要來源。在垃圾燃燒過程中由含氯前驅物生成二噁英，前驅物包括聚氯乙烯、氯代苯、五氯苯酚等，也可以是燃料中的微量雜質或在燃燒后溫度較高區域通過多級反應而生成的有機物。在燃燒中前驅物分子通過重排、自由基縮合、脫氯或其他分子反應等過程會生成二噁英，這部分二噁英在高溫燃燒條件下，大部分會被分解。
當因燃燒不充分而在煙氣中產生過多的未燃盡物質，并遇適量的觸媒物質(主要是重金屬，特別是銅)及合適的溫度區域，在高溫燃燒中已經分解的二嚼英將會重新生成。
在垃圾焚燒丁藝中，控制二噁英的形成源、切斷二噁英的形成途徑以及煙氣和灰渣的控制排放是最為關鍵的幾個核心問題I引。
3．1．1垃圾入爐前的預處理
(1)采用垃圾分選技術對垃圾分類，分選出垃圾中鐵、銅、鎳等重金屬含量高的物質：減少含氯有機物，從源頭減少二噁英生成的氯來源。
(2)采用高硫煤與城市生活垃圾混燒的辦法．控制燃燒條件，通過煤中的硫抑制二噁英的產生。
(3)采用垃圾粉碎的辦法，在垃圾進人焚燒爐前將其完全粉碎，擴大與氧氣的接觸面積使其燃燒充分。
3．1．2爐內控制
(1)采用低CO燃燒技術，改善爐內燃燒條件，調整好一、二次風的分配，使煙氣混合攪拌和二次燃燒完全．保證垃圾燃燒充分．減少二嗯英和不完全燃燒產物類前驅物的產生。CO的濃度越低燃燒就越充分，煙氣中比較理想的CO濃度指標是低于60 mg／m3。
(2)控制二噁英前驅物的多相催化合成。控制爐膛和二次燃燒室溫度不低于850℃、煙氣在爐膛和二次燃燒室的停留時間不少于2 s、氧氣濃度不低于6％。合理控制助燃空氣量以及注入位置，縮短煙氣處于300～500℃溫度區域的時間，控制余熱鍋爐的排煙溫度不超過250cC。
(3)在焚燒爐中加入煤或脫氯劑，利用煤中的硫來抑制二噁英生成，在垃圾焚燒過程中添加脫氯劑實現爐內低溫脫氯，將大部分氣相中的氯轉移到固相殘渣中。從而減少二噁英的爐內再生成和爐后再合成。
3．1．3煙氣凈化處理
(1)急冷洗滌法炯氣處理技術。采用急劇冷卻的方法降低煙氣溫度，既可以抑制二噁英的再合成，同時又能除去HCl、S0：、煙塵等污染物。
(2)用布袋除塵器去除吸附在亞細粒子灰塵上的二噫英。
(3)霧狀活性炭粉末吸附法。活性炭在常溫時對二噁英等平面構造的芳香族碳氫化合物有吸附性。先向煙氣中噴人活性炭或高爐焦炭吸附二嗯英，再用布袋除塵器收集，收集下來的活性炭或高爐焦炭還可以循環使用。吸附飽和后的炭可以與燃料混合燃燒。
(4)用催化劑分解二噁英。將含有二噁英的飛灰在低于250℃的環境里與半導體物催化劑拌勻，在紫外線照射下。二噁英被分解并不會重新生成。
(5)納米管清除二噁英。美國密執安大學的一項研究表明，多壁碳納米管清除二噁英效率很高，它通過二噁英的苯環與納米管表面強烈反應，達到降低二噁英的目的。
(6)使用電子束讓廢氣中的空氣和水生成活性氧等易反應性物質，進而破壞二噁英的化學結構。日本原子能研究所的科學家們使用電子束照射廢氣的方法分解、清除其中的二噁英，效果良好。
(7)吸收法清除二噁英。采用噴淋吸收塔后加布袋除塵器，煙氣通過噴淋吸收塔時，與霧化的吸收劑相混合，使煙氣在噴淋吸收塔出口溫度為 130～150℃，而后煙氣中的二噁英包裹在吸收劑餅中被布袋除塵器除去。
3．1．4處理灰渣中的二噁英
(1)由于二噁英在飛灰上被吸附或生成，收集后飛灰中二噁英的濃度最高，所以必須作為有毒有害物質送安全填埋場進行無害化處理。若有條件可對其進行低溫(300～400℃)加熱脫氯處理，或采用熔化爐在1 200～1 400℃下熔融固化后再送安全填埋場處置，以減少二嚼英的排放。
(2)底渣中仍殘留相當數量的二噁英，雖然濃度與飛灰相比很小。但仍可以與飛灰一起進行無害化處理。
3．2酸性氣體的處理
對垃圾焚燒尾氣中酸性氣體(主要包括SO。、 HF、NOx、HCl)的凈化主要是通過酸堿中和反應進行。其凈化方法主要有3種：
(1)干式洗氣法。用壓縮空氣將石灰粉末直接加入煙道中或者煙道中某段反應器內，使堿性粉末與酸性廢氣充分接觸和反應，從而中和酸性氣體并加以去除。此法投資省，操作維護運行費用低，耗水、耗電少，但藥劑消耗量大，去除效率低。
(2)濕式洗氣法。在煙道中建一個填料吸收塔，煙氣在塔內與堿性溶液對流混合，不斷在填料中的空隙及表面接觸及反應，使尾氣中的酸性氣體被吸收去除。其優點是去除率高，但投資高，耗電、耗水量大，產生的廢水需要進行處理。
(3)半干式洗氣法。介于干式與濕式之間，通過半干法洗氣塔(實質是噴霧干燥裝置)，利用霧化器將熟石灰漿從塔頂或底部或切向加人塔內，煙氣與石灰漿同向或逆向在塔內流動并充分接觸發生中和反應。由于液滴直徑小、表面積大，不僅與尾氣液滴充分接觸，同時水分在塔內能完全蒸發，不產生廢水。此法綜合了干法與濕法的優點。但是制漿系統較為復雜。
4 結語
(1)國外發達國家和地區因垃圾品質較好并且較穩定，熱值比較高，通常采用爐排焚燒爐。而國內因為垃圾水分比較大、熱值相對比較低，各個地區垃圾情況也有較大差異．采用爐排爐還是循環流化床要根據具體情況而定。
(2)污染物排放必須達到國家排放標準，防止對環境造成二次污染。
(3)由于二噁英自然界本不存在，其生成途徑主要來自于垃圾焚燒。所以要加大控制力度，從垃圾源頭、爐內燃燒控制、煙氣和灰渣排放等各個環節上減少二噁英的產生。
垃圾發電不但是一個電力工程。也是一個市政工程。因地制宜地建設垃圾電廠，可以加快我國大中城市垃圾處理和資源再生的步伐。
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