某生活垃圾焚烧厂掺烧一般工业有机固废烟气净化的应用

戴 勇，余 婷

（上海康恒环境股份有限公司，上海 201703）

0 引言

随着国民经济和人们生活水平的提高，生活垃圾产量日益增多，垃圾围城现象日益明显，生活垃圾随意的堆放对水体、土壤、大气产生严重的环境污染。目前针对生活垃圾无害化处理的方式主要为卫生填埋[1]、焚烧发电、综合利用等。相比较这几种处理方式，垃圾焚烧具有明显的减量化、无害化、资源化的优点，减量化的体积可减少90%，重量可减少80%，且垃圾焚烧产生的热量可以有效利用，用来发电或供暖，使垃圾成为新的资源，实现其社会价值和经济价值。

随着城市工业的发展，一般工业固体废弃物量日益增多，而该固体废物未被列入危废名录，使得减量化去处受限，部分工业固废则直接进入危废厂中热解焚烧，导致处理成本大大提高，由于危废处理厂相对生活垃圾焚烧厂规模较小，同时也加大了危废处理厂的负荷，造成一般工业固废不能够及时处理。一般固体废弃物是资源开发利用的产物，一般为生产边角料、建筑废弃物、包装废弃物、废弃塑料、树脂、橡胶等。相对城市生活垃圾，工业固废具有难降解、污染大的特性，同时部分工业固废热值却高于生活垃圾。针对国内生活垃圾含水率高、热值低的问题，生活垃圾焚烧引入工业固废既能减量化处理工业固废，又能弥补生活垃圾热值不足的问题，因此生活垃圾焚烧掺烧工业固废的研究与应用显得越来越重要。

一般工业固体废弃物因种类繁多，其与生活垃圾相比，成分更加复杂，产量和各组分比例会随时间与地点的变化而产生较大的波动。工业垃圾中硫（S）、氯（Cl）的含量，将直接影响焚烧中产生的酸性气体SO2、HCl以及二噁英的产生量。因此要正确处理工业固废，有效控制工业固废焚烧时SO2、HCl、二噁英的生成和排放，必须详细掌握其特性、分类和组成，以及物理化学特性。因此在工业固废处置技术开发的过程中，工业固废的产量、组分特性等信息具有重要的指导意义。所以为了更好地结合生活垃圾焚烧技术处理工业固废，有必要对工业固废的物化特性进行分析，为焚烧系统的调节和控制以及烟气净化处理工艺的选择提供指导。

垃圾焚烧烟气净化工艺脱酸主流为SDA半干法（石灰浆旋转喷雾）、干法消石灰喷射、湿法洗涤塔NaOH法[2－3]。通常在焚烧生活垃圾时，SDA塔前HCl设计浓度一般在900～1 200 mg/Nm3，SO2一般在600～900 mg/Nm3，该设计浓度按照垃圾中S的含量为0.1%、Cl的含量为0.5%而确定，此方法未考虑在焚烧时S和Cl向气态污染物转化时的转化率。调研多个电厂后发现，在SDA前HCl设计浓度为900～1 200 mg/Nm3、SO2为600～900 mg/Nm3时，仅通过SDA半干法脱酸后，HCl和SO2的环保指标能够达到欧盟（2010/75/EU）HCl/SO2＝10/50 mg/Nm3的排放标准，此时脱酸工艺一般为半干法＋干法，以半干法脱酸为主，干法脱酸为辅。但如果酸性污染物原始浓度过高或排放指标更严格，在半干法＋干法脱酸的基础上需加上湿法洗涤塔NaOH法工艺[4]，以达到排放要求。烟气净化脱硝主要以SNCR和SCR技术为主，当排放指标要求欧盟NOx200 mg/Nm3，一般选择SNCR工艺即可，当满足超低排放NOx100 mg/Nm3以下时，在SNCR的基础上需加上SCR技术进一步脱硝，以达到排放要求。生活垃圾除尘采用袋式除尘器，通过设计风量和风速确定过滤面积，SDA塔和除尘器下的飞灰则通过刮板机输送到飞灰仓，然后经过飞灰螯合固化，最终进行卫生填埋处置。烟气中的重金属和二噁英则通过活性炭吸附进行去除。

本文以拟建的1×500 t/d中掺烧70 t/d一般工业固废的生活垃圾焚烧发电厂为例，调研了该厂所在城市的工业固废的产量与种类。通过元素分析，得到了各种工业固废和混合垃圾中S和Cl的含量；通过多组焚烧模拟试验，得到了S和Cl的转化率，从而确定了SDA塔前酸性污染物原始污染物浓度，通过SDA半干法技术和湿法NaOH技术，分别确定了SDA脱酸率及湿法NaOH脱酸率。同时介绍了掺烧工业垃圾对脱硝和飞灰螯合的影响，并根据不同污染物设计浓度对整个烟气净化进行了经济分析。

1 垃圾调研分析

根据该城市年鉴数据分析，该城市企业主要业务为橡胶、汽车配套、冲锋衣等行业。其中橡胶企业210家，冲锋衣制衣企业300余家，汽车坐垫脚垫企业约为30家。本次工业固废抽样调研主要采取实地调研法和产值估算法，得出该城市工业固废的调研数据，如表1所示。

表1 调研企业固废物理组分特性Table1 Research on the characteristics of physical components of solid waste in enterprises

分析该城市一般工业废弃物的成分组成可以发现，该城市工业固废主要以海绵、棉布、PVC皮革、橡胶、塑料、包装辅材、涤纶为主。其中PVC和塑料是主要含氯物质的来源，重量总和约占38%，而橡胶产品和包装辅材是主要含硫物质的来源，重量总和约占15%。该城市工业固废中PVC、塑料、橡胶、包装辅材总量超过工业固废总量的50%，具有较高的热值，便于焚烧炉的焚烧处理，但是含氯塑料焚烧时可能产生的HCl容易造成设备的高温腐蚀，塑料不完全燃烧可能造成多环芳烃和二噁英等污染物的产生和排放，同时橡胶和包装辅材的焚烧会产生高浓度的SO2和黑烟。

2 污染物浓度确定和工艺选择

2.1 酸性污染物组分初步分析

根据工业垃圾调研报告数据以及结合锅炉计算的烟风参数，对500 t垃圾掺烧70 t工业固废时，进行了锅炉出口酸性污染物初步估算。

计算公式：

式中：W为小时入炉垃圾量；HCl为Cl总含量，%；V为标况湿烟气量；HS为S总含量，%。

烟风参数：MCR工况烟气量（含回流量）为～120 000 Nm3/h；烟气回流量为～24 000 Nm3/h，湿基；O2为4.8%；H2O为19.2%。

（1）锅炉出口污染物HCl浓度估算

PVC的典型分子式为(C2H3Cl)n，Cl元素质量含量为56.8%。根据5.6 t PVC皮革（70 t工业垃圾中的8%）中Cl元素含量为56.8%，21 t塑料中Cl元素含量19%（70 t工业垃圾中的30%塑料，按照其中1/3是PVC来考虑）和其余473.4 t垃圾中Cl元素含量为0.5%，计算得到垃圾中Cl元素含量为1.91%。根据上述公式计算得出锅炉出口污染物HCl浓度约为3 200 mg/Nm3（干基，11%O2）。若70 t工业垃圾中的30%塑料中有2/3按照PVC来考虑，同理计算得出垃圾中Cl元素含量为2.7%，锅炉出口污染物HCl浓度约为4 500 mg/Nm3（干基，11%O2）。

（2）锅炉出口污染物SO2浓度估算

查询相关文献可得橡胶中硫元素含量为0.001%～5%[5]，因此橡胶中硫元素含量取中间值3%。根据26 t塑胶（70 t工业垃圾中的37%）中硫元素含量3%和其余474 t垃圾中硫元素含量0.1%，计算得垃圾中硫元素含量为0.25%，锅炉出口污染物SOx浓度约为1 100 mg/Nm3（干基，11%O2）。同时按照橡胶中硫元素含量取最大值5%，同理计算得垃圾中硫元素含量为0.355%，锅炉出口污染物SOx浓度为1 541 mg/Nm3，取1 600 mg/Nm3（干基，11%O2）。

通常在生活垃圾焚烧烟气净化设计时，SDA塔前HCl设计浓度一般在900～1 200 mg/Nm3，SO2一般在600～900 mg/Nm3，该设计浓度按照垃圾中S的含量为0.1%、Cl的含量为0.5%而确定。根据上述酸性污染物估算结果可看出，HCl的原始污染物浓度在3 200～4 500 mg/Nm3，SO2原始污染物浓度在1 000～1 600 mg/Nm3。由此可看出生活垃圾焚烧掺烧工业垃圾时所产生的理论酸性污染物浓度已然超过常规设计值，由于半干法系统HCl的极限设计浓度为3 000 mg/Nm3，因此此时估算的酸性污染物浓度不能直接用于设计计算。但考虑到数据为经验估算值及未考虑Cl和S在焚烧时转化率的问题，因此本文考虑从元素分析实验和燃烧模拟实验确定Cl、S的原始含量及焚烧时向气态的转化率。

2.2 工业废弃物元素分析

由于工业废物中含有大量的氯元素，焚烧时会促进二噁英类物质的生成及HCl的生成，因此掌握准确的含氯量对控制焚烧有重要意义，同时能够有助于进行烟气净化设计。

（1）Cl/S元素分析试验

本试验采取高温燃烧水解－离子色谱法，对工业固废中氯氟进行测定。样品首先在纯氧及水蒸气下1 050℃焚烧30 min，用碱液吸收烟气中的Cl/F，分析溶液中Cl/F含量，折算得到原始固体样品中Cl/F的质量含量。检测依据根据国标GB/T3558－1996《煤中氯的测定方法》。本试验中所用仪器为离子色谱仪（Metrohm，Ba⁃sic792）。硫元素采用开元元素分析仪，5E－CHN2000进行分析试验。元素分析试验结果如表2所示。

表2 工业固废中Cl/S元素分析结果Table2 Cl/S elemental analysis results in industrial solid waste

从实验分析结果可看出，该城市工业固体废弃物S的含量在0.35%～1.24%，工业固体废弃物的S含量平均值为0.44%，按照焚烧比例与生活垃圾混合后S的含量平均值为0.25%，很明显大于垃圾焚烧常规设计值0.1%，其中含S高的主要集中在汽车脚垫和汽车坐垫，符合该行业含S高的特性。同时该城市工业固体废弃物Cl的含量在0.04%～9.92%，工业固体废弃物的Cl含量平均值为2.33%，按照焚烧比例与生活垃圾混合后Cl的含量平均值为1.73%，很明显大于垃圾焚烧常规设计值0.5%，其中含Cl高的主要集中在冲锋衣和包装辅料，这是由于该行业PVC成分较高。

（2）Cl/S元素燃烧转化率试验

由于生活垃圾焚烧时，垃圾中的S和Cl不会完全转向气态酸性污染物，还有一部分则以盐的形式存在于炉渣或飞灰中，因此为了能够更好进行烟气净化设计，通过模拟焚烧试验掌握准确S和Cl的转化率具有很重要的意义。

本试验利用管式炉模拟实际焚烧。取约2 g样品在300 ml/min空气和炉温950℃条件下逐渐燃烧20 min，利用NaOH溶液吸收，对液体样品进行检测。水中Cl离子用离子色谱仪（Metrohm，Basic792）测定，水中S元素含量用电感耦合等离子体发射光谱法测定，检测依据按照HJ776－2015执行。管式炉模拟焚烧试验结果如表3所示。

表3 模拟焚烧试验S和Cl转化率结果Table3 S and Cl conversion results of simulated incineration test

从模拟焚烧试验结果可知，工业固体废弃物与生活垃圾混合的垃圾经过焚烧后，S和Cl并没有完全100%转到酸性气态污染物，而是一部分以盐的形式存在于炉渣或飞灰中。

通过元素分析试验和模拟焚烧转化率试验，按照上述计算公式对不同类型垃圾焚烧产生的酸性污染物浓度进行折算，研究了余热锅炉出口HCl和SO2的原始浓度，如表4～5所示，可看出混合垃圾中的Cl和S如果100%转向HCl和SO2，对应的原始浓度分别为3 000 mg/Nm3、900 mg/Nm3。Cl在最高转化率、平均转化率、最低转化率分别对应的烟气中，HCl的浓度为2 202 mg/Nm3、1 419 mg/Nm3、648 mg/Nm3，同时S在最高转化率、平均转化率、最低转化率分别对应的烟气中，SO2的浓度为529 mg/Nm3、450 mg/Nm3、370 mg/Nm3。考 虑 垃 圾 焚 烧时各种不确定性因素以及垃圾掺杂时的均匀性，因此余热锅炉出口按照最大转化率进行设计，最终确定HCl和SO2设计浓度分别为2 200 mg/Nm3、600 mg/Nm3。

表4 不同转化率下HCl的原始浓度Table4 The original concentration of HCl at different conversion rates

表5 不同转化率下SO2的原始浓度Table5 Original concentration of SO2 at different conversion rates

2.3 脱酸工艺的确定

垃圾焚烧行业脱酸工艺常规为SDA半干法（石灰浆旋转喷雾）、干法消石灰喷射、湿法洗涤塔NaOH法，常规组合工艺搭配为半干法旋转喷雾＋干法喷射或半干法旋转喷雾＋干法喷射＋湿法洗涤塔NaOH法。

该垃圾焚烧电厂余热锅炉出口HCl和SO2设计浓度分别为2 200 mg/Nm3、600 mg/Nm3，HCl和SO2的排放要求为欧盟标准，即HCl和SO2排放指标分别为10 mg/Nm3、50 mg/Nm3。

SDA旋转喷雾反应设计一般根据旋转喷雾器（雾化器）性能进行烟气脱酸设计，考虑垃圾焚烧产生飞灰易潮湿板结，造成除尘器及飞灰输送的堵塞等因素，SDA塔前后设计温度一般为190/155℃。由于反应塔前污染物浓度比常规高出很多，因此为了达到更大的喷浆量，余热锅炉出口设计温度提升至210℃。通过旋转雾化器的性能参数及余热锅炉出口设计的烟风参数，计算得出SDA反应塔的脱酸效率如表6所示。从表中可看出半干法系统对HCl的脱酸效率达到93%，但对SO2的脱酸效率只有60%，这是因为烟气中HCl比SO2容易吸收反应，因此优先脱出HCl，经过半干法脱酸后HCl和SO2的浓度分别为155 mg/Nm3、241 mg/Nm3，并不能达到欧盟的排放标准。干法系统通常作为半干法的辅助系统，但由于其脱酸反应的不稳定性、较差的脱酸效率以及较高的物料消耗量，并不适合作为连续运行时的二次脱酸反应系统，因此为了烟气净化能够稳定达标排放，后面增加湿式洗涤塔NaOH吸收系统。脱酸反应计算结果如表6所示，由表可知，湿法塔系统酸性污染物浓度设计浓度相对提高，并没有按照SDA塔出口执行，这是以防前端系统出现波动而增设的余量，从计算结果可看出，经过湿法塔脱酸后，酸性污染物的浓度能够优于欧盟标准排放，满足该电厂的环保指标。因此该电厂脱酸系统工艺流程为半干法旋转喷雾＋干法消石灰＋湿式洗涤塔NaOH法。

表6 脱酸反应计算结果Table6 Calculation results of deacidification reaction

3 其他污染物浓度确定和工艺选择

3.1 NO x工艺的确定

前文介绍由于掺烧的工业垃圾中含较高的S和Cl，从而直接影响酸性污染物的原始浓度。对于NOx的影响主要是工业垃圾热值较高，在焚烧炉中直接会增加热力型NOx含量，因此该电厂NOx原始浓度比常规设计浓度大，原始浓度设计为500 mg/Nm3。该电厂NOx环保指标为75 mg/Nm3，常规NOx脱硝工艺为SNCR和SCR，由于SNCR脱硝能力只有60%左右，因此NOx脱硝需SNCR＋SCR组合工艺。

3.2 除尘、二噁英的去除

垃圾焚烧行业常规除尘工艺选择袋式除尘器，该电厂SDA塔后设置袋式除尘器装置进行除尘，同时除尘器入口烟道设置活性炭喷射装置，对烟气中的重金属和二噁英进行去除，掺烧工业垃圾原始Cl含量高，将直接增加烟气中二噁英的浓度[6]，同时部分工业垃圾中含较高的重金属，因此活性炭物料消耗量较常规项目要适当增加，同时飞灰稳定化螯合时也需适当提高螯合剂的浓度。

因此该电厂烟气净化工艺路线确定为“SNCR＋半干法（旋转喷雾）＋干法（消石灰喷射）＋活性炭吸附＋袋式除尘＋湿法＋SCR”。

4 经济分析

该电厂主要酸性污染物浓度较常规项目高出许多，运行时烟气处理成本必然增加。因此对掺烧工业垃圾的电厂与常规电厂做以下经济分析对比，如表7所示。从表中可看出掺烧工业垃圾后消石灰物料消耗较高，同时导致飞灰量增多，飞灰螯合费用增加，碱液消耗同时也增多，这是由于酸性污染物浓度高造成的；活性炭和氨水的耗量增加，这是由于二噁英、重金属、热力型NOx增多造成的；掺烧工业垃圾将导致烟气量增大，因此SCR系统蒸汽耗量增多。

表7 运行成本经济分析Table7 Economic analysis of operating costs

相同烟气净化工艺比较时，常规电厂运行成本约54.02元/t垃圾，掺烧工业垃圾后运行费用增加至91.22元/t垃圾，运行费用增加37.2元。但由于工业垃圾热值较高，每吨垃圾发电量相对会有很大的提升，折算为多发电的经济为61.09元/t垃圾，因此电厂经济效率提升23.89元/t垃圾。

5 结束语

本文以拟建的1×500 t/d中掺烧70 t/d一般工业固废的生活垃圾焚烧发电厂为例，调研了该厂所在城市的工业固废的产量与种类。

通过元素分析，得到了各种工业固废和混合垃圾中S和Cl的含量，其中S含量主要集中在汽车脚垫和汽车坐垫，Cl含量主要集中在冲锋衣和包装辅料。通过焚烧模拟试验，得到了S和Cl的最高转化率，确定了HCl和SO2设计浓度分别为2 200 mg/Nm3、600 mg/Nm3，然后根据脱酸效率计算，确定脱酸工艺为半干法旋转喷雾＋干法消石灰＋湿式洗涤塔NaOH法的组合工艺。

从脱酸、脱硝、除尘以及重金属方面确定该项目烟气净化工艺路线为“SNCR＋半干法（旋转喷雾）＋干法（消石灰喷射）＋活性炭吸附＋袋式除尘＋湿法＋SCR”。同时从脱酸、脱硝、飞灰螯合、活性炭吸附、发电量等几个方面进行经济对比，得出掺烧工业垃圾后运行成本增高，但结合发电量整厂经济效益会提高。

建议设计烟气净化系统时应重视烟气中HCl浓度波动、高温腐蚀以及二噁英的控制，同时在项目后期运行时应合理控制掺烧含Cl和S高的工业垃圾的掺烧量。