O/O2分析系統(tǒng)
生活垃圾焚燒處理已有相當長時間的歷史，最早可追溯到1896年，德國漢堡建立了人類歷史上的第一座垃圾焚燒廠。隨著工業(yè)化的發(fā)展，現(xiàn)代化的垃圾焚燒廠開始逐步使用專業(yè)的焚燒爐，焚燒產(chǎn)生的熱量可用來產(chǎn)生蒸汽發(fā)電，實現(xiàn)能源利用，而且產(chǎn)生的飛灰通過固化和穩(wěn)定化后，可將該有毒有害物質進行無害化處理。目前世界各國的大部分垃圾焚燒廠都配套有完善的煙氣處理裝置和廢水處理系統(tǒng)，從而可最大限度的減少對環(huán)境的影響。
相比于國外，國內的垃圾焚燒技術要晚50年隨著各級的重視及垃圾發(fā)電技術的發(fā)展，垃圾焚燒逐漸成為國內許多城市考慮的垃圾處理方式，主要是通過借鑒國外的技術經(jīng)驗來提高國內的垃圾焚燒和余熱發(fā)電技術。1985年深圳市率先進行垃圾焚燒發(fā)電處理，深圳市環(huán)境與衛(wèi)生綜合處理廠從日本引進了三菱馬丁式垃圾焚燒爐;2002年上海首家垃圾焚燒發(fā)電廠建成;2005年天津也開始首座垃圾焚燒發(fā)電廠的建設，其采用的是日本先進的SN型爐排爐技術。隨后南京、重慶、北京、長沙、廣州、珠海等城市根據(jù)自身實際情況進行垃圾焚燒發(fā)電廠的規(guī)劃與建設。江蘇省主要以垃圾焚燒發(fā)電技術處理生活垃圾的主要方式，全省先后建成運營31家生活垃圾焚燒發(fā)電廠，實現(xiàn)了廢物處理與資源回用利用。
隨著城市的生活垃圾處理迫切需求，符合國情的垃圾發(fā)電技術的研究促進中國垃圾發(fā)電產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。目前國內建立的主要垃圾焚燒發(fā)電廠焚燒爐選型既有采用引進國外焚燒爐技術，也有自主研發(fā)的焚燒爐技術，主要有日本三菱重工、法國阿爾斯通、比利時吉寶西格斯和國內自主研發(fā)的焚燒爐，例如光大國際。
由于垃圾的成分復雜，生活垃圾焚燒整個過程中，若不考慮環(huán)境的治理措施，不可避免的會產(chǎn)生譬如滲濾液、煙氣、固體廢物等二次污染物，而且這些污染物比常規(guī)的燃煤發(fā)電廠產(chǎn)生的污染物更復雜、毒性更大。如煙氣中含有的SO2、HCl、HF 等酸性氣體不經(jīng)處理排放，將會造成酸雨，對生物造成很大危害;煙氣中的二噁英對生物和環(huán)境影響尤其大，由于存在生殖毒性和遺傳毒性而備受公眾廣泛關注。
然而不同焚燒設備選型、余熱鍋爐、配套的煙氣處理方式、各控制參數(shù)等對煙氣污染物的控制有著重要影響，特別是二噁英產(chǎn)生與控制。另一方面由于部分垃圾焚燒的不夠實現(xiàn)穩(wěn)定達標或者標準過低所引發(fā)的煙氣污染現(xiàn)象也越來越多的引發(fā)公眾關注。因此，優(yōu)化焚燒技術、煙氣處理工藝、參數(shù)控制等工藝與技術，促進垃圾焚燒發(fā)電實現(xiàn)資源利用、經(jīng)濟可行、綠色環(huán)保有著決定作用，也是關注公眾切身利益的體現(xiàn)。
1 生活垃圾焚燒煙氣凈化工藝
生活垃圾焚燒過程中產(chǎn)生的污染物包括廢氣、廢水和廢渣，文中主要討論焚燒煙氣中的污染物和控制。煙氣中的污染物主要包括粉塵( 細小顆粒物)、酸性氣體(HF、HCl 和SO2等)、氮氧化物、重金屬和有機污染物( 主要為二噁英)，其中二噁英受到廣泛關注;其種類多，毒性大，在生活垃圾的焚燒過程中，由于垃圾成分比較復雜，高溫下的反應多且相互影響，二噁英的成因相當復雜，目前的研究成果尚不能完全解釋，已知的生成途徑有如下幾種:原始存在、高溫氣相合成、從頭合成、前驅物合成。
1.1 酸性氣體凈化裝置
酸性氣體通常采用堿性介質吸收法，工業(yè)上普遍采用的是Ca(OH)2和NaOH，凈化工藝有干法、半干法和濕法。
1.1.1 干法脫酸工藝
干法脫酸工藝一般使用堿性吸附劑以干基形式直接噴入位于省煤器與除塵裝置之間的水平煙道內，或使吸附劑與酸性氣體在干式反應塔內接觸，吸附劑與酸性氣體之間通過氣固相接觸并發(fā)生中和反應，來去除煙氣中的酸性氣體。干法工藝設備簡單，投資較少;以干粉形式反應，但由于干法存在吸附劑與煙氣接觸面積小、反應時間短，因此干法脫酸效率低(50%～60%)，一般噴入的吸附劑如消石灰會過量很多( 鈣酸比大于3)，因此會導致下游的除塵設備負荷增加。常規(guī)的干法脫酸工藝單獨使用目前已經(jīng)很難達到規(guī)定的排放要求，因此一般大型的生活垃圾焚燒廠已經(jīng)很少采用該法。
1.1.2 半干法脫酸工藝
半干法脫酸工藝是目前應用最廣泛的。國內大型垃圾焚燒廠大都采用該工藝。半干法工藝一般吸收劑也采用Ca(OH)2，首先制成Ca(OH)2漿液，然后由安裝在半干式反應塔頂部的霧化器把吸收劑漿液噴入反應塔，霧化器的高速產(chǎn)生剪切作用，使?jié){液形成極小粒徑的液滴，然后與煙氣充分接觸，通過液滴中的水分揮發(fā)來降低煙氣的溫度，同時提高煙氣濕度，石灰漿液滴與酸性氣體進行反應，生成中性鹽類，得以去除酸性氣體。
在半干法脫酸工藝中，一般反應塔安裝在除塵裝置(一般為袋式除塵器) 的前面，以便能夠捕集含有少量消石灰的煙氣;同時，部分未反應的消石灰將附著于袋濾器上，經(jīng)過脫酸塔的煙氣將會在袋濾器上與吸附劑進一步反應，以提高脫酸效率。堿性吸附劑與煙氣的進入接觸方式有兩種，順流方式和逆流方式，各有優(yōu)缺點，吸附劑都由塔頂進入，煙氣可選擇由塔頂上部或下部進入。反應塔的結構包括導流葉片、直徑等的設計主要考慮為反應提供足夠的空間和反應時間，達到最佳的脫酸效率。
半干法的脫酸效率和吸附劑的利用率要大大高于干法，正常情況下對煙氣中HCl 的脫除效率可達90%以上;同時，半干法脫酸過程中也不產(chǎn)生廢水，漿液中的水分主要用來冷卻高溫煙氣，降低煙氣溫度，以提高反應效率;半干法工藝的操作溫度一般在150～170℃左右，高于煙氣的露點溫度，因此煙氣經(jīng)過除塵器后可直接排放。
1.1.3 濕法脫酸工藝
濕法脫酸工藝一般使用濕式洗滌塔，煙氣中的HCl 和SO2等酸性氣體在洗滌塔內與噴入的堿性吸收劑( 一般為氫氧化鈉溶液或消石灰溶液)接觸并進行中和反應，以便脫除酸性氣體。濕法工藝在歐美等發(fā)達國家應用較多，在工業(yè)裝置上的運行數(shù)據(jù)證明，脫氯效率可達到95%以上，脫硫效率也可達到80% 以上;同時濕式洗滌塔在去除酸性氣體的同時能夠有效的降低二噁英和重金屬的濃度;因此濕法工藝具有高效全面脫除污染物的優(yōu)點，是以后發(fā)展的重點。
濕法工藝中的濕式洗滌塔一般安裝在袋式除塵器的后面，以避免高濕度飽和煙氣中的顆粒物堵塞濾布;同時由于煙氣先經(jīng)過袋式除塵器，所以在除塵器前應安裝降溫塔，使從省煤器出來的高溫煙氣經(jīng)過降溫后進入除塵器，提高濾布的壽命。
濕法工藝最大的優(yōu)點是對酸性氣體去除的比較徹底，但也有一些不足之處，主要包括:(1) 將產(chǎn)生大量的高濃度的無機鹽和重金屬的廢水，容易造成二次污染，增加污水處理的負荷和運行費用。(2)經(jīng)濕式洗滌塔后的煙氣一般溫度在60～70℃左右，在煙氣露點以下，需在系統(tǒng)中增加再加熱器，提高煙氣的溫度后才能排放，否則煙囪出口會造成白煙現(xiàn)象。(3)濕法工藝一次性投資額高，工藝路線復雜，運行費用也較高。
1.2 除塵工藝
經(jīng)過煙氣脫酸工藝后還含有大量的細小顆粒，需要通過除塵設備加以去除。垃圾焚燒廠一般采用靜電除塵器和袋式除塵器兩種。
1.2.1 靜電除塵器
靜電除塵器是在高壓電場的作用下使粉塵帶電被吸附從而實現(xiàn)氣固相分離。靜電除塵器除塵效率較高，脫除重金屬化合物效果好、可以在高溫下使用等優(yōu)點，但對于粒徑在1. 0 μm 以下的顆粒物的捕集效率卻不如袋式過濾器，而且靜電除塵器的一次性投資較大，占地面積也大，所以在垃圾焚燒煙氣處理工藝中使用并不經(jīng)濟。同時還因為經(jīng)過脫酸系統(tǒng)后的煙氣在經(jīng)過靜電除塵器時，本來已經(jīng)被高溫破壞分解的二噁英會經(jīng)靜電除塵器極板的催化，重新生成二噁英類物質，即發(fā)生所謂的“再合成現(xiàn)象”。生活垃圾焚燒電廠的粉塵捕集設施必須采用袋式過濾器。
1.2.2 袋式除塵器
袋式除塵器的工作原理是當含塵煙氣通過過濾器時，煙氣中的微小顆粒被濾料形成的濾層和濾袋上形成的粉塵層捕集而攔截下來，從而達到氣固分離�！鞍敫煞�+ 袋式過濾器”的組合工藝目前在垃圾焚燒的煙氣處理上使用最廣，袋式過濾器在捕集粒徑在0.1 ～ 1.0 μm 的細小顆粒物時的效果要好于靜電除塵器;而且袋式過濾器通常安裝在干法或半干法脫酸系統(tǒng)后，進入過濾器的煙氣溫度已低于200℃，不存在二噁英的再合成現(xiàn)象。
袋式除塵器最大的缺點是濾袋材質的質量要求較高，濾袋受煙氣溫度、含水率和酸性氣體的腐蝕等影響較大。如何選擇合適的濾袋材質是決定袋式過濾器穩(wěn)定高效運行的關鍵。目前隨著PTFE濾料材質的開發(fā)和使用，可極大改善袋式過濾器的缺陷，由于其運行阻力小、透氣過濾性好等優(yōu)點，有些老裝置在改造時選用PTFE 替代原先的濾料后，大大提高了顆粒物的攔截效果，而目前新建的垃圾焚燒電廠更是廣泛應用。
1.3 氮氧化物的去除工藝
根據(jù)NOx的生成機理，其控制包括兩方面:一是通過對垃圾焚燒過程的控制，減少NOx的生成;二是在后處理中，通過化學或物理的方法對已經(jīng)生成的NOx進行去除。在廢棄物的燃燒控制，主要要遵循“3T+E”原則，即燃燒溫度、停留時間、較大的湍流度和過量的空氣。要綜合平衡各因素的影響，選擇最佳的運行參數(shù)。譬如溫度，高溫對去除二噁英有利，但會增加熱力型NOx的濃度，因此一般爐排爐焚燒系統(tǒng)爐溫控制在900℃;在實際燃燒過程中還要控制一二次空氣的配風比例、控制燃燒過程的低含氧量等，來降低NOx的生成。垃圾焚燒煙氣中的NOx以NO為主，目前在后處理中通過反應脫除NOx的方法按有無使用催化劑分為兩種，即選擇性非催化還原法( SNCR) 和選擇性催化還原法(SCR)。
選擇性非催化還原法(SNCR) 是在煙氣溫度850～1100℃的爐膛區(qū)域，噴入含有氨基的還原劑，煙氣中的NOx在還原劑和氧的作用下生成N2，以脫除煙氣中的NOx。選擇性催化還原法(SCR)是在煙氣溫度200 ～400℃區(qū)間，在煙氣通過TiO2 - V2O5等催化劑層時，其中的氮氧化物與噴入的NH3在氧氣的作用下發(fā)生化學反應生成N2，從而達到凈化目的。SCR 對NOx的脫除效率高，缺點是一次性投資和運行費用均較高，但對于日趨嚴格的煙氣排放要求，SCR 的運用將是未來的發(fā)展趨勢。
1.4 煙氣二噁英控制方法
垃圾焚燒控制二噁英的技術措施主要有3 種。
1.4.1 燃燒控制
通過焚燒爐內合理地組織燃燒，維持爐內高溫(Temperature)、延長氣體在高溫區(qū)的停留時間(Time)、加強爐內垃圾湍動，促進空氣與煙氣的擴散、混合(Turbulence)。要求爐內溫度保持在850℃～950℃，煙氣在超過850℃溫度下停留時間大于2s，讓垃圾充分燃燒。歐盟標準為原始排放濃度小于0. 1ng /Nm3。使含二噁英類的未燃氣體完全燃燒，從而把二噁英的生成抑制到最低水平。
1.4.2 除塵器
袋式除塵器對固體顆粒具有高效的攔截效果，可攔截煙氣中固相的二噁英。
1.4.3 活性炭噴射吸附去除
通過燃燒管理和袋式除塵器的配合使用，能夠使煙氣中的二噁英含量降到≤0.1ng /Nm3。這是因為通過焚燒爐和自動燃燒控制系統(tǒng)的配合實現(xiàn)了焚燒爐的完全燃燒，確保煙氣在850℃以上滯留2s 以上。袋式除塵器可以攔截固相二噁英，去除率可達90% 以上。最后，向袋式除塵器的前面煙氣中噴射少量的活性炭能夠高效率地吸附二噁英類物質。3 種方式相結合，可以有效控制二噁英的排放。
2 國外生活垃圾焚燒煙氣處理現(xiàn)狀
在歐洲發(fā)達國家，處理垃圾焚燒比例較高，可達25%以上。歐洲符合現(xiàn)代化水平的規(guī)�；纳罾贌幚硌b置建設較早，無論是在焚燒關鍵設備(焚燒爐)的制造、焚燒技術的管理上，還是煙氣處理的技術上都處于世界前列。在歐洲發(fā)達國家中，目前運行的生活垃圾焚燒廠多達400 家，還有多套裝置在建設中。由于土地資源緊張，日本焚燒發(fā)電一直在垃圾處理方式中占有主導地位，垃圾焚燒的比例高達80%，大約有一千多座垃圾焚燒發(fā)電廠。
隨著人們對垃圾焚燒的認識，生活垃圾焚燒煙氣排放標準日趨嚴格。嚴格的排放標準就要求新的煙氣處理技術和不同工藝的組合使用。譬如SCR(催化脫硝技術) 在歐美等發(fā)達國家的垃圾焚燒裝置上應用較廣泛;在日本普遍采用有機螯合劑對焚燒過程中產(chǎn)生的飛灰進行固化處理。在二噁英的處理上，歐美日等發(fā)達國家應用催化法去除二噁英技術(SDDS) 已達十多年，最大限度地減少了二噁英向環(huán)境的排放。SDDS 技術的主要優(yōu)點包括:二噁英排放控制可達0.01 ～ 0.001TEQng /Nm3;可在低溫下使用，即160℃～180℃區(qū)間;不需要額外的添加劑和反應劑，可同時去除氮氧化物，因此可減少運行成本。
在脫酸工藝應用上，發(fā)達國家目前多采用濕法工藝對煙氣進行處理，還有較先進的EDV 技術，可以達到非常滿意的排放效果。而由于干法工藝的投資少且無額外的廢水污染，因此干法處理工藝還在持續(xù)提升和進步，如采用更細粒度的石灰和經(jīng)改性的石灰，采用更先進的噴射裝置等，干法工藝在國外的應用有所增加。
目前在煙氣處理上應用較多的是多種工藝的組合，如“干法+ 半干法”、“干法+ 濕法”等;在日本的垃圾焚燒廠，“SNCR + 干法+ 布袋除塵器+濕式洗滌塔+ 煙氣再加熱器”的煙氣處理工藝得到了普遍的應用，能夠完全滿足歐盟煙氣排放標準。
歐洲上世紀60、70 年代建設的垃圾焚燒發(fā)電項目未配置完善的煙氣凈化系統(tǒng)，80、90年代隨著環(huán)保標準的提升，逐步形成了以靜電除塵、濕式洗滌、SCR 為主的煙氣凈化工藝，后續(xù)改造也基本延續(xù)了這一工藝路線，最近建設項目的煙氣凈化工藝的發(fā)展趨勢為“SNCR(爐內) + 半干法脫酸+ 干法脫酸+ 活性炭吸附+ 布袋除塵”(2008 年建成的柏林Vettenfall 項目即采用該工藝)，這一工藝流程簡捷、投資運行成本可控，而且可完全滿足歐盟標準。
3 國內生活垃圾焚燒煙氣處理現(xiàn)狀
中國的垃圾焚燒發(fā)電廠近幾年呈現(xiàn)爆發(fā)增長，但在煙氣的處理技術上，存在發(fā)展不平衡的現(xiàn)象。一些老式的或小型的垃圾焚燒發(fā)電廠，煙氣處理工藝比較落后，盡管有的經(jīng)過改造，還是不能保證穩(wěn)定達標排放。近年來新建的或在建的大型垃圾焚燒發(fā)電廠，煙氣處理技術大幅度提升，目前使用較多的是“SNCR 脫硝+ 半干法+ 干法+ 活性炭吸附+ 袋式除塵器”工藝，同時為了適應未來環(huán)保要求，大型生活垃圾焚燒發(fā)電廠自提污染物控制水平，采用“SNCR 脫硝+ 半干法+ 干法+ 活性炭吸附+ 袋式除塵器+ SCR”，有效地控制煙氣污染物的排放。
由于國內的垃圾沒有經(jīng)過分揀，成分復雜，而且不同季節(jié)垃圾的成分不同，可能在垃圾焚燒管理上還存在不到位現(xiàn)象，導致煙氣超標排放;同時焚燒系統(tǒng)在出現(xiàn)故障時，煙氣的初期排放管理不嚴，也會出現(xiàn)超標排放現(xiàn)象。煙氣處理系統(tǒng)運行中，譬如高速旋轉霧化器經(jīng)常出現(xiàn)堵塞等故障，導致半干法不能正常工作，而且有些處理設施的備用設備通常沒有，類似的情況導致煙氣排放經(jīng)常不達標。在政府的監(jiān)控管理上，也存在不到位現(xiàn)象，由于監(jiān)測的頻率不高，同時如監(jiān)測二噁英的昂貴儀器的缺乏，導致不能對垃圾焚燒廠進行有效的監(jiān)督。因此中國的垃圾焚燒煙氣處理水平還有待提升以滿足公眾對于自身健康和保護環(huán)境的訴求。
4 生活垃圾焚燒煙氣處理存在問題
(1) 中國的垃圾焚燒設備大都從國外引進，而國外的垃圾普遍經(jīng)過分類處理，可燃物含量高，有害物質如重金屬含量少，因此國外的垃圾焚燒設備比較適用于熱值高的垃圾，對于國內的低熱值、高水分的垃圾焚燒存在適應性差的問題;按引進的國外參數(shù)進行管理，引起垃圾焚燒的不完全而導致煙氣污染的加重。另外，由于國內垃圾多為混合垃圾，且垃圾成分存在地區(qū)差異大，季節(jié)性差異大等因素，致使焚燒運行不平穩(wěn)，煙氣處理水平的波動大。
(2) 發(fā)達國家的生活垃圾分類水平高，一般可回收的垃圾都經(jīng)過分揀，如塑料與一般的垃圾會分開，因此焚燒垃圾中的塑料含量較低，而國內的生活垃圾含有大量的塑料，如含氯的PVC 等，在焚燒過程中會形成HCl、二噁英類等，導致酸性氣體超標排放的機率增加。
(3) 焚燒設備選型、余熱鍋爐溫度控制、煙氣處理控制等影響煙氣穩(wěn)定達標排放，特別是各單元溫度控制與二噁英控制技術需優(yōu)化進一步提升。
5 建議與前景
為了解決目前社會公眾關注的垃圾焚燒煙氣排放的敏感問題，適應新形勢下對污染治理高要求的發(fā)展趨勢，提升公眾對垃圾焚燒的認識。根據(jù)采用焚燒技術、煙氣處理工藝、以及煙氣達標排放情況，整合設備選型、運營控制參數(shù)，需進一步優(yōu)化垃圾焚燒發(fā)電和煙氣處理工藝與控制技術;并結合煙氣處理設備故障時，研究事故排放時對環(huán)境影響最小的情景。摸索和總結適用于各焚燒發(fā)電廠基于設備選型的工藝控制與煙氣處理優(yōu)化的運營方案，從而實現(xiàn)垃圾發(fā)電污染控制技術示范和煙氣穩(wěn)定達標排放，以促進企業(yè)實現(xiàn)資源回收、經(jīng)濟效益、環(huán)境效益，對生活垃圾焚燒發(fā)電建設與運行具有極為重要的現(xiàn)實意義。
