生活垃圾焚烧烟气净化处理技术

王 根，戚 磊，李名洲

（1.浙江碧连天环境技术有限公司，浙江杭州 310000；2.浙江百能科技有限公司，浙江杭州 311121；3.浙江大学，浙江杭州 310058）

1 烟气中污染物的来源及危害

垃圾焚烧过程产生的烟气中污染物主要包括粉尘、SO2、NOx、重金属等。粉尘是指生活垃圾焚烧时产生的飞灰，其主要成分是硅、铝和镁。当垃圾中有机物含量较高时，烟气中会产生少量的氯化氢；当垃圾含水量较高时，会产生二噁英。重金属主要来源于垃圾焚烧过程中烟气排放的二噁英、重金属等，其中二噁英是最常见的致癌物质，会对人体健康产生严重威胁。SO2主要来源于垃圾焚烧过程中产生的飞灰和炉渣。飞灰是指没有经过破碎、分选等预处理的炉渣，一般含有20%～50%的C2S。烟气中飞灰含有大量重金属和二噁英等物质，会直接造成环境二次污染；垃圾焚烧后产生的炉渣为多孔结构且含有一定水分，很容易黏附在飞灰表面，从而在飞灰表面形成一层坚硬的灰层，降低飞灰的流动性，影响其与烟气混合，从而增加了二次污染。烟气中污染物产生后会对人体健康造成较大危害。

1.1 二噁英的控制

二噁英是由含氯化合物在高温条件下与空气中的氧气反应生成的，因此，在生活垃圾焚烧中需要对其进行控制。首先，可以通过在烟气进入炉膛前采取高温燃烧等方式，将二噁英彻底分解掉；其次，可以通过在二噁英生成的区域加装活性炭喷射装置进行吸附，并保证其运行温度高于500℃，以加快二噁英的分解速度；第三，可以通过在燃烧炉内添加含氯化合物进行控制。常见的含氯化合物有氯化氢、氯化铵、氯乙酸等，其中氯化氢是一种具有较强氧化性的物质，可以加快二噁英分解速度；氯乙酸是两种具有较强碱性的物质，可以抑制二噁英的生成。最后还可以通过在炉膛内加入含硫量较高的燃料，来抑制二噁英生成。

1.2 粉尘的控制

垃圾焚烧烟气中粉尘主要有3种：①固体颗粒，如炉渣、飞灰等，在烟气中的停留时间长，在高温状态下会发生凝聚并沉积于炉膛内壁；②水蒸气，一般不参与烟气和灰渣的反应，但在烟气温度低于水蒸气饱和温度时会凝结于炉内壁，且随着温度降低而附着于炉壁上；③金属颗粒，垃圾焚烧时会产生金属粉尘。随着国内垃圾焚烧厂的迅速发展，生活垃圾焚烧发电已成为一种趋势。但目前还存在以下问题：①由于缺乏生活垃圾特性分析及系统设计经验，导致炉温控制不均匀、燃烧工况复杂多变。②国内对于垃圾焚烧厂的设计缺乏统一规范，致使运行参数和维护管理标准不一。③环保设施和烟气处理设施缺少有效的联锁控制。

1.3 重金属污染控制

重金属污染物的排放是导致生态环境恶化的重要因素之一，近年来在我国已引起了广泛关注。随着生活垃圾焚烧量不断增加，在焚烧过程中会产生大量的重金属污染物，其中以重金属Pb、Zn、Cd 最为常见。为有效控制重金属污染物排放，需对生活垃圾焚烧过程中产生的重金属污染进行控制。在生活垃圾焚烧烟气净化处理中，可采取以下几种措施：①控制焚烧温度，进而降低重金属在高温烟气中的活性；②采用燃烧前投加添加剂，如石灰或其他碱性物质，以降低烟气中重金属的含量；③在焚烧前对烟气进行除尘处理。目前我国对于生活垃圾焚烧烟气净化处理工艺较为成熟，主要有以下几种：①对焚烧后烟气进行冷却；②对烟气进行雾化处理；③对高温烟气进行喷雾干燥；④对烟气中的重金属进行吸附处理。

2 烟气净化技术

2.1 干法脱硫技术

干法脱硫技术是目前国际上广泛使用的一种生活垃圾焚烧烟气净化处理技术，该技术具有对操作环境要求低、投资和运行成本较低、对垃圾处理量要求低、无二次污染、脱除效率高等优点。但该技术存在的主要问题是：①工艺复杂，脱硫塔的建设和运行费用较高；②受垃圾种类、水分含量和焚烧温度等因素影响较大，受灰渣影响较大，目前该技术也存在着灰渣问题；③干法脱硫效率一般在70%左右，受温度影响较大，如果不能稳定运行或由于其他原因造成脱硫效率下降时，则烟气中的二氧化硫浓度还会进一步升高；④该技术对运行的工艺控制要求比较高，由于干法脱硫受垃圾焚烧情况和操作条件影响较大，所以主要适用于处理低硫和较低浓度的烟气。

2.2 干法脱硫工艺流程

干法脱硫装置一般由吸收塔、循环泵、喷枪、石膏浆液制备系统、除雾器等组成，吸收塔位于烟气在燃烧室内的下部，由下向上分层布置，上部为吸收剂喷洒面。吸收剂由脱硫液输送系统喷入吸收塔内，通过喷枪将吸收剂直接喷射到烟气与吸收剂接触的部位。当烟气流过吸收塔时，吸收剂中的有效成分被烟气中的SO2氧化成亚硫酸钙；由于亚硫酸钙与水溶液结合成亚硫酸钙，所以吸收塔内必须保持有充足的水分。另外，吸收塔内设有文丘里管状喷嘴，通过文丘里管将吸收塔内气-液传质过程和吸收剂对烟气中SO2的化学反应过程结合起来。所以烟气中仍存在部分亚硫酸钙。石膏浆液制备后送入脱硫塔内，通过喷枪将部分石膏浆液喷射到吸收塔内，然后将石膏浆液在循环泵的作用下输送到除雾器。

2.3 脱硫效果分析

采用干法脱硫技术后，在脱硫剂利用率和脱除率方面都有很大提高。当脱硫剂利用率为90%时，平均脱硫效率可达85%；当脱硫剂利用率为80%时，平均脱硫效率可达78%。同时干法脱硫工艺的脱硫剂利用率及脱除率均有较大提高，这说明采用干法脱硫技术后，对提高脱硫效果有很好的效果。在脱硫剂利用率和脱除率方面都有很大的提高，但在脱硫剂利用率方面，由于使用的是粉煤灰作为脱硫剂，其主要成分为氧化硅和氧化铝，这两种物质都是碱性物质，所以对脱硫有一定的影响。采用干法脱硫技术后，对脱硫效率的提高很大程度上是因为粉煤灰在高温下会与氧化硅和氧化铝发生化学反应，从而使其反应性能得到较大的改善，同时该反应可以提高脱硫效率。但粉煤灰作为脱硫剂会增加设备成本和投资成本，因此必须严格控制其用量。

2.4 湿法脱硫

湿法脱硫技术是在湿法喷淋吸收的基础上发展起来的。传统的湿法脱硫工艺主要采用石灰石-石膏法，其脱硫效率在70%左右，而且对粉尘、SO2、颗粒物的脱除效率较高。但由于石灰石浆制备过程中使用了大量的石灰石，不仅增加了生产成本，而且增加了对石灰石的依赖，因此从环保角度来讲不是最理想的方法。近年来，由于石灰石-石膏法脱硫效率较低，且运行费用较高，而氧化钙-石灰石法脱硫技术越来越受到重视。该技术利用亚硝酸作为氧化剂，在通过喷淋吸收塔前将烟气中的NOx氧化为NO2。亚硝酸可以由氧化剂或其他物质制备，但通常通过化学方法获得。烟气中的SO2被氧化成SO3后可得到脱硫产物，即石膏。目前广泛使用的技术主要是FGD 工艺和FGD 与SNCR 联合工艺。FGD 工艺是在原有脱硫设备中引入FGD 来对烟气中的SO2进行脱除。FGD工艺的主要特点是：①脱硫效率高；②脱硫产物易脱水，可用于建材行业；③脱除烟气中的NOx容易控制；④操作简单、灵活、适用于连续运转；⑤运行稳定，设备制造技术成熟。目前国内应用最多的FGD 工艺是以水或循环水为介质的湿式脱硫工艺，简称湿法脱硫。这种脱硫方法与其他脱硫方法相比，具有以下优点：①可再生，无二次污染；②原料来源广泛；③烟气中SO2浓度高，能有效脱除；④易于实现废水处理回收利用等优点。但是这种工艺在我国也存在着一些缺点：①FGD 工艺需要大量再生水或循环水作为介质；②对于原料来源不是很广泛的城市垃圾焚烧厂，脱硫率不高且存在运行成本偏高等问题；③FGD 与SNCR 联合工艺在我国运行较少，而且对于烟气中SO2浓度不是很高时使用这种联合工艺具有一定局限性。这种工艺一般用于处理含硫较高的垃圾焚烧烟气，脱硫率可达95%以上，具有运行成本低、排放指标低等优点。在国内一些垃圾焚烧发电厂中，以这种工艺处理垃圾焚烧烟气时运行稳定、脱硫效果好、无二次污染现象、副产物可以回收利用等。但是由于这种工艺在我国还不是很成熟，目前还没有推广开来。

2.5 低温SCR脱硝技术

低温SCR 脱硝技术是一种有效的烟气脱硝技术。目前，国内垃圾焚烧厂大部分采用常规的SCR 脱硝工艺，该工艺以氨为还原剂，还原温度在300℃左右，存在氨逃逸问题。低温SCR 脱硝技术通过在烟气中添加尿素，将烟气中的氮氧化物还原为氮气和水，从而达到脱硝目的。目前常用的低温SCR 脱硝系统主要有两种形式。①尿素选择性催化还原工艺（简称SCR 工艺）：该工艺采用低成本尿素溶液为还原剂，在600～650℃条件下将氮氧化物还原为氮气和水。尿素是一种无毒物质，无爆炸危险，且不会产生二次污染。此外，该工艺无须复杂的催化剂和昂贵的还原剂成本，是目前主流的烟气脱硝技术。②选择性非催化还原工艺（简称SNCR）：该工艺使用低成本的NH3作为还原剂。与传统的SCR 不同，该工艺不存在氨逃逸问题，且不需要昂贵的催化剂。

2.6 有机污染物的去除

生活垃圾焚烧烟气中的有机污染物主要包括有机氯化物、二噁英和重金属等，其中二噁英是一种极具毒性的化学物质。该类物质对人体的危害极大，当其含量达到一定水平时，会对人类健康造成严重危害，同时也会对环境造成严重污染。因此对二噁英进行去除是生活垃圾焚烧烟气净化处理的重要环节。目前主要通过两种方法进行二噁英的去除：一种是采用活性炭吸附法，另一种是采用物理吸附法，在燃烧炉内加入活性炭，然后通过燃烧烟气来将其吸附，使其能够与烟气中的二噁英进行有效结合。由于生活垃圾中含有较多的重金属物质，如铜、铅、锌等，因此在对焚烧烟气进行净化处理时，应注重去除这些重金属物质。通常可以将其去除率控制在70%。

2.7 酸性气体的控制

垃圾焚烧烟气中含有大量的酸性气体，其不仅会对焚烧炉的使用寿命产生影响，而且还会对周围环境造成一定污染。因此，在生活垃圾焚烧烟气净化处理中，需要加强对酸性气体的控制，避免酸性气体超标排放。其具体做法是在焚烧炉顶部设置一个烟道系统，通过该系统对烟气进行再循环处理，当烟气温度降至200℃时，冷凝液被收集并排放到大气中。一般情况下，主要采用碱性吸收剂或湿式净化处理方法进行处理。前者主要是利用碱性溶液与废气中的酸性气体发生反应来实现去除目标。

3 垃圾焚烧烟气净化技术比较与选择建议

1）从污染物种类看，烟气净化技术的主要污染物包括二噁英、重金属（汞、镉、铅）、二氯乙烷和NOx。二噁英具有极强的毒性和极长的生物半衰期，对环境造成严重污染；由于空气中的水分和二氧化化碳在大气中分解而来；NOx以氮氧化物为主，主要由空气中氧气及二氧化氮在空气中被燃烧产生，烟气净化系统中以喷氨水的方式抑制其生成。

2）从污染物产生量看，垃圾焚烧过程中产生的烟气中污染物浓度较高，尤其是二噁英对人体健康的危害更为严重。垃圾焚烧后烟气净化技术主要分为干法净化和湿法净化2种，其中干法净化技术存在净化效率低、投资大、运行费用高等问题，但可以实现污染物排放标准要求。湿法净化技术能够去除二噁英，且脱除效率高、投资小，但会产生废水。目前国内主流的烟气净化技术包括选择性催化还原技术（SCR）、SNCR、活性炭喷射等。

4 结束语

生活垃圾焚烧烟气净化处理工艺从运行能耗、运行成本、二次污染、废物处置等方面进行比较分析，可以看出，SNCR 脱硝是当前最为成熟的生活垃圾焚烧烟气净化处理工艺，但由于其占地面积较大和设备投资较高，目前国内生活垃圾焚烧烟气净化处理采用较少。针对垃圾焚烧烟气污染物的控制技术，主要包括湿式脱酸工艺、半干式脱硫脱硝等技术。其中，半干式脱硫脱硝技术具有工艺流程简单、占地面积小、操作方便等优点，在垃圾焚烧烟气净化处理领域具有很好的应用前景。对于城市生活垃圾焚烧烟气净化处理工艺的选择，应结合实际情况进行合理分析和综合决策。