垃圾焚燒四大類污染物到底有多可怕?“近零排放”有沒有可能?

在垃圾焚燒被廣泛應用于生活垃圾處理的同時,其潛在的二次污染問題受到越來越多的關注,近年來,由此引發的“鄰避運動”屢屢發生,垃圾焚燒項目陷入“一鬧就?!钡膶擂尉车?。但是,在當前“垃圾圍城”的嚴峻形式下,建設垃圾焚燒廠幾乎是不可避免。那么,垃圾焚燒過程中究竟會釋放出哪些污染物?垃圾焚燒廠如何控制這些污染物的排放?所謂“世紀之毒”二噁英的排放是否可控?是否存在更潔凈的燃燒技術,能實現垃圾焚燒的“近零排放”呢?

這篇文章介紹了垃圾焚燒中酸性氣體、重金屬、二惡英等煙氣污染物的形成與危害,并闡述了對各類污染物生成和排放的控制措施,并在此基礎上提出了煙氣加富氧回燃的潔凈燃燒技術,實現垃圾焚燒煙氣污染物的近“零”排放。 國內城市生活垃圾焚燒過程中產生大的危害物質分析 城市生話垃圾焚燒處理的目的是治理城市生活垃圾污染,但由于資金、技術等局限,多數焚燒廠只偏重于垃圾焚燒,未配套熱能利用及符合環保要求的污染凈化設施,從而形成二次污染,這包括垃圾焚燒后排放的廢氣、燃燒后的灰渣、飛灰、工藝處理后的廢水及惡臭、噪聲污染等,尤其是煙氣排放的污染。

垃圾焚燒煙氣污染物以氣態或固態形式存在,一般分為四類:酸性氣態污染物、不完全燃燒的產物、顆粒污染物和重金屬污染物。

以處理能力500t/d的大型垃圾焚燒爐為例,額定工況下正常運行,其配套的余熱鍋爐出口處煙氣流量約(80000~100000)Nm3/h,溫度約190~240℃,煙氣中污染物典型成份及濃度如表1。 

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1.1酸性氣體

焚燒煙氣中的酸性氣體主要由SOx、NOx、HCl、HF組成,均來源于相應垃圾組分的燃燒。SOx由含硫化合物焚燒時氧化所致,大部分為SO2。NOx包括NO、NO2、N2O3等,主要由垃圾中含氮化合物分解轉換或由空氣中的氮在燃燒過程中高溫氧化生成。HCl來源于垃圾中的有機氯化物和無機氯化物:(1)含氯有機物如PVC塑料、橡膠、皮革等高溫燃燒時分解生成HCl;(2)大量的無機氯化物NaCl、MgCl2等與其它物質反應也會產生HCl,如:H2O+2NaCl+SO2+0.5O2→-Na2SO4+2HCl,這是垃圾焚燒爐煙氣中HCl的主要來源。HF由含氟塑料燃燒產生。

各類酸性氣體中,以HCl的生成量最多,危害最大。常溫下,HCl為無色氣體,有刺激性氣味,極易溶于水而形成鹽酸。HCl對人體的危害很大,能腐蝕皮膚和粘膜,致使聲音嘶啞,鼻粘膜潰瘍,眼角膜混濁,咳嗽直至咯血,嚴重者出現肺水腫以至死亡。對于植物,HCl會導致葉子褪綠,進而出現變黃、棕、紅至黑色的壞死現象。焚燒產生的酸性氣體除污染環境外,還會對焚燒爐膛及其配套的熱能回收鍋爐造成過熱器高溫腐蝕和尾部受熱面的低溫腐蝕。

1.2微量有機化合物

主要是垃圾中的氯、碳水化合物等在特殊溫度場和特殊觸媒作用下反應生成的微量有機化合物,如多環芳烴(PAHs)、多氯聯苯(PCBs)、甲醛、二惡英(PCDD)及呋喃(PCDF)等。

聯合國環境規劃署于20世紀末公布的報告中指出,垃圾焚燒是二噁英的來源之一。估計在全球范圍內,由垃圾焚燒爐排放出的二噁英約占總排放量的10%~40%。垃圾本身可能含有微量成分的二噁英,但主要是焚燒過程中形成的。二噁英形成途徑可以歸納為:(1)攜帶著過渡金屬元素和有機氯化合物的垃圾在焚燒爐內高溫分解后,能夠產生分子氯和氯游離基以及各種二噁英的前驅物,它們通過分子重排、自由基縮合、脫氯或其它分子反應等過程形成二噁英;(2)由于燃燒不充分,煙氣中存在過多的未燃燼物質,如殘碳,并與適量的觸媒物質,主要是過渡金屬,特別是銅,在300~500℃的溫度環境下,使高溫燃燒中已經分解的二噁英重新生成。

二噁英、呋喃等有機化合物在常溫下穩定,難溶于水,易溶于脂肪并在生物體內積累,不僅具有致癌性,還具有生殖毒性、內分泌毒性和免疫抑制作用。其中2,3,7,8-四氯二苯并二惡英是目前人類發現的最毒的物質。我國于2014年7月1日起實施的《生活垃圾焚燒污染控制標準》(GB18485-2014)規定二噁英的排放標準為0.1ng-TEQ/m3。

1.3重金屬

垃圾焚燒煙氣中的金屬化合物一般由垃圾中所含的金屬氧化物和鹽類組成。這些金屬來源于垃圾中的油漆、電池、燈管、化學溶劑、廢油、油墨等,其中含有汞、鎘、鉛等微量有害元素。重金屬在焚燒過程中不能被生成和破壞,它們將發生遷移和轉化,最后幾乎以相同的數量排入環境,最終通過大氣、飲水、食物等渠道為人體所攝取而造成危害。

在焚燒過程中,揮發態的重金屬及其化合物隨著煙氣離開焚燒區域后將經歷冷凝過程,形成直徑很小的顆粒,這些富集了有毒金屬的細小顆粒會被排放到大氣中,亦會一直停留在灰燼及其它殘余物內。垃圾焚燒排放粉塵中所含的重金屬主要存在于可吸入顆粒物中,這些粉塵可溶于水和酸中。

重金屬不能被微生物分解且能在生物體內富集,或形成其它毒性更強的化合物,對人體的組織器官產生致癌、致變作用。目前隨著空氣污染控制技術的不斷改良,除汞外焚燒爐煙氣中的重金屬含量已大為降低。然而,現代化焚燒爐所排放的重金屬數量,仍有可能在環境和人體中累積起來。并且煙氣中重金屬的含量降低將意味著更多的重金屬進入灰燼中,當灰燼隨意被棄置時仍會造成環境污染。

1.4煙塵

主要是煙氣中夾帶的不可燃物質及燃燒產物。垃圾中可燃組分因燃燒不完全會形成黑煙,黑煙中含有大量的碳粒子,對人體危害大的重金屬主要集中于小于3μm的顆粒物中。

垃圾焚燒煙氣污染控制

垃圾焚燒生成的污染物來源于垃圾組分,其存在形式及數量與焚燒條件和凈化系統密切相關。從污染物的產生及其排放過程看,控制垃圾焚燒產生的二次污染可以采取以下措施。

2.1垃圾的收集與預處理

按照《生活垃圾焚燒污染控制標準》(GB18485-2014)的要求,危險廢物不得進入生活垃圾焚燒廠處理,因此要控制污染物的產生,必須從源頭上加以避免,所以應積極開展垃圾分類收集,通過分類收集或預分揀控制生活垃圾中氯和重金屬含量高的有害物質進入垃圾焚燒廠。

2.2控制煙氣污染物的產生

根據煙氣污染物的形成機理,控制垃圾焚燒條件,使燃燒處于良好狀態,減少有害物質的生成。

2.2.1運用合適的爐膛和爐排結構,使垃圾在焚燒爐得以充分燃燒。而衡量垃圾是否充分燃燒的指標之一是煙氣中CO的濃度,CO濃度越低說明燃燒越充分,比較理想的CO濃度指標是低于60mg/m3。

2.2.2控制焚燒爐內煙氣出口溫度不低于850℃,煙氣在爐膛及二次燃燒室內的停留時間不小于2s,O2的濃度不少于6%,并合理控制助燃空氣的風量、溫度和注入位置。

2.2.3由于NOx在高溫充分氧化的條件下更易生成,與減少二惡英的控制條件矛盾,一般在燃燒實際運行中保證在垃圾可燃組分充分燃燒的基礎上,再兼顧NOx的產生?,F在普遍處理措施是在煙氣處理系統中增加脫硝裝置。

3.煙氣凈化處理

煙氣凈化系統是城市生活垃圾焚燒污染控制的關鍵,煙氣凈化后各種污染物的排放濃度應達到新國標的規定。目前國內煙氣凈化普遍采用半干法+干法+活性炭吸附+布袋除塵工藝,分為兩步:第一步脫酸,除去酸性氣體;第二步除塵,收集顆粒物、重金屬和二噁英類有機物。

3.3.1除塵

除塵器是煙氣凈化系統的末端設備。國標GB18485-2014中規定生活垃圾焚燒爐除塵裝置必須采用袋式除塵器。袋式除塵器不僅收捕一般顆粒物,而且能收除揮發性重金屬或其氯化物、硫酸鹽或氧化物凝結成直徑≤0.5μm的氣溶膠,還能收除吸附在灰分或活性炭顆粒上的二惡英等有機類污染物。

袋式除塵系統中的布袋是由玻璃纖維制成濾布,對尾氣進行過濾,達到除塵及吸附二噁英的目的。煙塵顆粒在濾布表面堆積形成致密的薄層,因此布袋式除塵器對粉塵去除率一般都很高。受布袋玻璃纖維的耐熱強度限制,尾氣溫度一般須控制在250℃左右,低于二噁英的再合成溫度。

3.3.2二惡英類和重金屬污染物的去除

二噁英及重金屬在飛灰和爐渣中的比例差別很大。由于飛灰的比表面積很大,對二噁英有很強的吸附作用,導致飛灰中二噁英濃度很高,通常占焚燒過程二惡英總排放量的70%左右。而大部分的重金屬(>70%)都仍留存于爐渣中,僅Hg和Cd在高溫下揮發,進入飛灰中或小部分隨焚燒煙氣排放。

為提高煙氣中二噁英類和重金屬污染物的去除率,可以采取以下方法:(1)減少煙氣在200~350℃溫度域的停留時間,有利于減少二噁英類污染物再次生成,控制除塵器入口煙氣溫度低于200℃,有利于有機類及重金屬污染物的脫除,即在設計和運行中采用“溫度控制”;(2)在噴霧反應塔和除塵器之間,通過混粉器在煙氣中噴入活性炭或多孔性吸附劑,可吸附二噁英類和重金屬污染物,再用布袋除塵器捕集。

3.3.3酸性氣體的去除

酸性氣體HCl、SOx、HF通常利用Ca(OH)2、NaOH等堿性物質采用濕法、干法或半干法中和吸收去除。其中,濕法技術效率高,可達97%以上,但有大量污水排出,造成再次污染。干法技術無污水排放,但脫除效率僅達60%~70%。半干法技術有較高的脫除效率(可達90%左右),藥品用量少,且無污水排放,因此為煙氣脫酸的主要適用技術。 半干法脫酸裝置包括給料系統、混合系統和反應系統,一般設置在除塵器之前。脫酸劑CaO在給料系統制成粉狀Ca(OH)2,再進入混合系統與煙氣、少量的水充分混合,最后以噴霧狀進入反應系統。HCl、SOx、HF等酸性成分被吸收,生成中性、干燥的細小固體顆粒,隨煙氣進入下一步凈化系統。

主要反應有:

2HCl+Ca(OH)2=CaCl2+2H2O

SO2+Ca(OH)2=CaSO3+H2O

半干法工藝要充分考慮固體物質的干燥問題,防止固體物質在收集時發生堵塞與粘附。

3.3.4脫硝

常采用氨接觸還原法來控制NOx的排放。起還原作用的氨水與煙氣中的NOx反應,在充當催化劑的活性炭的作用下,NOx被還原為無害的氮氣和水。NOx的排放量可減少90%以上,脫硝效果好。

化學反應如下:

4NO+4NH3+O2=4N2+6H2O

6NO2+8NH3=7N2+12H2O

3.3.5灰渣處理

除塵設備收集的焚燒飛灰與垃圾焚燒爐渣應分別收集、貯存和運輸。飛灰按危險廢物處理,而爐渣按一般固體廢物處理。除塵器收集下來的飛灰,經過添加螯合劑固化后送至飛灰暫存間,經檢測合格后用專用密閉車輛送出填埋。由于飛灰中含有大量重金屬及有機類污染物是危險廢物,填埋前必須先進行固化處理或穩定化處理。爐渣中重金屬濃度非常低,可以認為基本上沒有什么毒性,被收集與冷卻后,輸送至爐坑,再由運輸車送往填埋場作最終處理,或用作路基或建筑材料。

總之,以上所述技術的充分應用,能保證垃圾焚燒處理產生污染物的控制排放。是不是有更潔凈的燃燒技術,能實現垃圾焚燒污染物的近“零排放”呢?

當今,發電企業節能減排中最據前沿和炙手可熱的富氧燃燒技術和二氧化碳捕捉技術,特別值得垃圾焚燒污染物實現近“零排放”借鑒!

富氧燃燒技術被發達國家稱之為“資源創造性潔凈燃燒技術。城市垃圾焚燒處理,富氧燃燒會使垃圾著火點下降,火焰溫度升高。而且由于焚燒產生的煙氣多次被循環處理,大大低于排放標準,實現近零排放!因富氧燃燒助燃氣體中惰性成分的氮氣濃度大大降低,大大減少了這部分的熱損失,無謂的能源消耗大幅度降低,同時煙氣無需外加脫硝處理即可實現“近零”排放。

富氧燃燒,大大提高了燃燒溫度,大幅度減少煙氣在200∽350℃溫度域的停留時間,同時徹底解決了由于NOx在高溫充分氧化的條件下更易生成,與減少二噁英強化燃燒的控制條件矛盾。相關的實驗證明,高溫下,酸性氣體、微量有機化合物、噁英等較低溫會大幅度的減少生成。同時由于煙氣的多次循環利用,減少了燃燒氣體的排放總量。從而,有效地控制了焚燒煙氣污染物的排放!

總之,通用垃圾焚燒產生煙氣后的處理,會因富氧燃燒垃圾技術的應用,變成了焚燒前的有效控制,從源頭上實現污染物的控制。盡管此技術在實際操作中還有很多的問題有待研究,但其在垃圾焚燒處理上的開發應用,必將成為超低排放的技術發展方向,為實現垃圾焚燒處理超低排放開拓出一條實用而經濟的新技術。

來源:新江環保