基于農(nóng)村生活垃圾熱解處理中的煙氣處理工藝選擇及優(yōu)化

文_昝春 中車(chē)資陽(yáng)機(jī)車(chē)有限公司

1 垃圾處理站概況

廣西某鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活垃圾處理站收集該鄉(xiāng)鎮(zhèn)和旅游景點(diǎn)及縣城部分區(qū)域的生活垃圾，以實(shí)現(xiàn)生活垃圾無(wú)害化處理為目的，配置一臺(tái)一體化熱解氣化爐設(shè)備，垃圾處理能力為20t/d，配套了較簡(jiǎn)易的“煙氣降溫+活性炭吸附+布袋除塵”煙氣凈化設(shè)備。

該廠(chǎng)入場(chǎng)生活垃圾量受當(dāng)?shù)厥者\(yùn)體系及風(fēng)俗文化習(xí)慣影響較大，據(jù)統(tǒng)計(jì)，平均每天入場(chǎng)垃圾量約20～25t，如按照年運(yùn)行時(shí)間要求大于8000h計(jì)，則年處理垃圾量約6670t，年產(chǎn)生灰渣量約600t，年排放煙氣量約1.39×107Nm3。根據(jù)類(lèi)似項(xiàng)目垃圾成分分析，該地區(qū)混合生活垃圾含水率為41.75%～56.08%，平均熱值約4370kJ/kg。該鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活垃圾處理站工藝流程如圖1。

圖1 廣西某鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活垃圾處理站工藝流程圖

2 垃圾處理煙氣污染物種類(lèi)

國(guó)內(nèi)農(nóng)村生活垃圾未經(jīng)分類(lèi)，且構(gòu)成成分復(fù)雜，主要以有機(jī)物和無(wú)機(jī)物為主，其中有機(jī)類(lèi)占垃圾總量的38.44%，無(wú)機(jī)類(lèi)占41.16%，可回收類(lèi)占18.67%，有害類(lèi)占1.73%；各類(lèi)物質(zhì)濕基質(zhì)量累計(jì)百分比達(dá)到83.61%。生活垃圾進(jìn)行熱處理后產(chǎn)生大量的煙氣，其中，四大類(lèi)物質(zhì)（N2、O2、CO2、H2O）約占煙氣總量的98%。其余有害污染物包括：①顆粒物：粉塵、PM1-10顆粒物、金屬鹽顆粒物等；②酸性氣體：CO、SOX、NOX、HCl、HF等；③重金屬類(lèi)：汞、鉈、鎘、銻、砷、鉛、鉻、鈷、銅、錳、鎳、錫及其化合物等；④其它：二噁英類(lèi)、未完全燃燒的烴類(lèi)化合物、芳香族含氧化合物、芳香族多環(huán)衍生物、含氮或硫的雜環(huán)化合物等。

3 垃圾處理煙氣凈化工藝分析

3.1 煙氣脫酸處理

3.1.1 酸性氣體去除

在生活垃圾熱解氣化處理煙氣中，其酸性氣體主要包含CO、SOX、NOX、HCl、HF等，而該類(lèi)煙氣常見(jiàn)的脫酸處理方法為干法、半干法和濕法三種，主要除去煙氣中大部分的SOX、HCl和HF氣體，其工藝技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較見(jiàn)表1。

干法：是直接利用空氣將消石灰（Ca(OH)2粉末）通過(guò)噴射器噴入煙氣中，使其發(fā)生反應(yīng)，達(dá)到脫酸的目的。為提高脫酸效率和Ca的使用率，生產(chǎn)工藝中，往往采用使消石灰與煙氣充分混合從而增大接觸面積及反應(yīng)發(fā)生時(shí)間、選用Blaine比表面積較大的消石灰、增加多循環(huán)吸附塔等手段。脫酸反應(yīng)后生成固態(tài)的Ca(OH)2、CaCl2、CaSO3、CaF2等物質(zhì)，后端工藝配置相應(yīng)的布袋除塵器，將其過(guò)濾并收集。相較于其它工藝，干法具有工藝簡(jiǎn)單，設(shè)備投資低，工人操作困難系數(shù)低，干態(tài)產(chǎn)物可直接處理等優(yōu)點(diǎn)，但由于其脫酸效率和Ca的使用率低，導(dǎo)致消石灰的使用量一定程度增加。

半干法：利用生石灰（CaO）或消石灰作為原料，并將其制備成石灰漿液，霧化后噴入煙氣中，使其與酸性氣體發(fā)生反應(yīng)達(dá)到凈化效果。相對(duì)于干法而言，半干法脫酸對(duì)操作水平要求較高，且實(shí)際控制參數(shù)尤其重要，脫酸塔設(shè)備的進(jìn)出口溫度將直接影響著漿液中的水分是否被蒸發(fā)及反應(yīng)生成物是否以固態(tài)形式排出。此外，反應(yīng)停留時(shí)間、吸收劑的粒度、漿液霧化噴射效果等也都直接影響著半干法的脫酸效率。半干法介于濕法與干法之間，具有脫酸效率高，投資成本較低，吸收劑使用量較低等特點(diǎn)，在實(shí)際工程中被廣泛使用。

濕法：將堿性溶液直接噴入洗滌塔內(nèi)，氣液兩相直接接觸并發(fā)生反應(yīng)達(dá)到脫酸的效果。由于是氣液反應(yīng)，其脫酸反應(yīng)速度快、效率高、吸收劑利用率高。在國(guó)內(nèi)，濕法脫酸大多運(yùn)用于大型燃煤電廠(chǎng)煙氣脫硫處理，而在生活垃圾熱處理煙氣凈化中運(yùn)用極少，原因大致為：生活垃圾熱處理產(chǎn)生煙氣中含硫量遠(yuǎn)不及燃煤電廠(chǎng)；濕法脫酸雖效果好，但工藝復(fù)雜，配套設(shè)備較多，投資成本高；產(chǎn)生的廢水需另配套處理系統(tǒng)；并容易產(chǎn)生“白煙”現(xiàn)象。

表1 常見(jiàn)幾種生活垃圾熱處理后產(chǎn)生的煙氣凈化工藝技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較

綜合對(duì)比：雖然干法工藝相對(duì)于濕法和半干法而言脫酸效率較低，但因其工藝簡(jiǎn)單，對(duì)操作水平要求相對(duì)較低，且投資和運(yùn)行費(fèi)用明顯低于濕法和半干法工藝；末端干態(tài)產(chǎn)物處理更容易,整個(gè)工藝中不產(chǎn)生廢水和“白煙”現(xiàn)象等問(wèn)題，能有效的避免二次污染。

由于農(nóng)村生活垃圾分散式集中處理項(xiàng)目大多地處偏遠(yuǎn)、項(xiàng)目投資較低，且設(shè)備使用環(huán)境條件較差，工人操作水平較低；加上設(shè)備運(yùn)行維護(hù)較困難，一旦設(shè)備運(yùn)行出現(xiàn)故障很難及時(shí)得到解決。所以在實(shí)際項(xiàng)目中，選用工藝簡(jiǎn)單、操作要求較低及穩(wěn)定性好的煙氣處理工藝更能保證項(xiàng)目長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。結(jié)合以上對(duì)比，干法脫酸在該類(lèi)型案例中的適用性，可能更占據(jù)較大的優(yōu)勢(shì)，且容易被廣泛推廣使用。

3.1.2 NOX控制

生活垃圾中含有較多的含氮物質(zhì)，經(jīng)熱處理后生成大量NOX，而NOX作為《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》的重要控制指標(biāo)。在國(guó)內(nèi)，該煙氣中NOX控制主要采用低氮燃燒控制技術(shù)和選擇性還原法脫硝技術(shù)（SCR、SNCR）進(jìn)行解決，本次結(jié)合案例情況，主要針對(duì)低氮燃燒控制技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

農(nóng)村生活垃圾熱解處理大多使用立式爐型+二燃室的方式，垃圾在熱解氣化爐中，缺氧條件下發(fā)生多層級(jí)的燃燒，垃圾依次進(jìn)行干燥、干餾、熱解和燃燒等過(guò)程，產(chǎn)生的煙氣夾雜著可燃性物質(zhì)（CO、H2、焦油）在二燃室中富氧燃燒。該過(guò)程中的缺氧燃燒條件加上合理控制垃圾熱解的溫度，能有效控制燃料氮轉(zhuǎn)化為揮發(fā)分氮。而對(duì)于多層級(jí)和分段燃燒，研究顯示，空氣分級(jí)燃燒和燃料分級(jí)燃燒在工業(yè)鍋爐低氮燃燒技術(shù)對(duì)NOX的控制有著顯著的效果，氮氧化物濃度可降低達(dá)30%。項(xiàng)目實(shí)踐也證明，充分利用低氮燃燒控制技術(shù)可有效的控制NOX排放＜300mg/Nm3。

3.2 二噁英類(lèi)控制

在生活垃圾熱處理過(guò)程中，二噁英類(lèi)的形成受眾多因素影響，其生成機(jī)理極其復(fù)雜，至今未有明確的結(jié)論。目前據(jù)研究顯示，煙氣中二噁英類(lèi)的形成過(guò)程主要包含高溫生成、從頭合成、前驅(qū)物生成和低溫逆合成等。張剛通過(guò)對(duì)垃圾焚燒運(yùn)行參數(shù)（爐溫、鍋爐出口溫度、布袋出口溫度、煙氣流量、O2和H2O）和常規(guī)污染因子（CO2、SO2、NOX、HCl、CO、煙塵、HF和NH3）與二噁英的關(guān)聯(lián)展開(kāi)研究，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在一定條件下，爐溫、鍋爐出口溫度、布袋出口溫度、含水量、CO2含量、SO2含量、HCl與二噁英的排放存在一定的線(xiàn)性相關(guān)關(guān)系，而煙氣流量、氧含量、NOX濃度、CO含量、煙塵含量、HF和NH3則不存在線(xiàn)性相關(guān)性。Mi Yan等通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究顯示，飛灰中氯苯的形成隨含氧量的增加而顯著增強(qiáng)，為了減少有機(jī)污染物的形成和排放,在保證有效燃燒條件下，控制過(guò)量氧含量在10%以?xún)?nèi)可以遏制二噁英的生成。

結(jié)合以上研究，通過(guò)控制二噁英生成的影響因素可以有效減少煙氣中二噁英類(lèi)物質(zhì)的產(chǎn)生。目前，在垃圾熱處理過(guò)程中，為有效遏制二噁英的生成對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響，普遍采用生成過(guò)程控制和末端治理兩種方式?！?T+E”控制工藝作為燃燒過(guò)程控制的重要手段，是有效控制二噁英產(chǎn)生所必不可少的方法。即：①控制焚燒爐和二燃室溫度不低于850℃；②控制煙氣在爐膛和二燃室內(nèi)的停留時(shí)間不小于2s；③保證燃燒過(guò)程中的湍流程度足夠大；④控制燃燒過(guò)程中的過(guò)?？諝饬?。此外，根據(jù)爐型和整體工藝的設(shè)計(jì)需要，配置相適應(yīng)的二燃室，使煙氣在二燃室中高溫富氧燃燒，煙氣中的污染物也能夠有效的得到分解；在工藝中采取煙氣急冷措施（增設(shè)冷卻塔），縮短煙氣在500～200℃溫度區(qū)間的停留時(shí)間，可有效減少二噁英類(lèi)物質(zhì)的逆向合成；對(duì)于部分氣態(tài)和附著在飛灰表面的二噁英類(lèi)物質(zhì)，選用碘吸附值大于1000mg/g的粉狀活性炭，利用其多孔性和吸附特性，可吸附煙氣中的二噁英及重金屬等，吸附后的活性炭被布袋除塵器進(jìn)行過(guò)濾攔截，收集后與飛灰進(jìn)行集中處理。

3.3 重金屬的去除

在生活垃圾熱處理煙氣中，重金屬的遷移分布受其自身特性、垃圾組分、垃圾性質(zhì)、運(yùn)行工況等因數(shù)影響。煙氣中重金屬主要以氣態(tài)或吸附態(tài)形式存在。研究顯示，部分沸點(diǎn)很高的金屬元素主要以化合物的形式存在于灰渣中，僅有小部分富集于飛灰表面；而沸點(diǎn)較低的金屬在煙氣冷卻降溫過(guò)程中，當(dāng)其溫度低于自身及其化合物的冷凝露點(diǎn)時(shí)，將凝結(jié)成小顆粒狀物質(zhì)富集在飛灰中；剩余的金屬則以氣態(tài)形式存在于煙氣中。

在實(shí)際工藝中，金屬及重金屬的去除方法大多采用噴射吸附劑和尾氣洗滌的方式，利用吸附劑（活性炭、高嶺土、礦物質(zhì)粉）的吸附特性將其吸附形成顆粒物并被布袋除塵器攔截，或利用濕法或半干法噴淋去除水溶性較強(qiáng)的重金屬物質(zhì)。目前，垃圾處理煙氣中則大多采用“半干法+活性炭吸附+布袋除塵”的組合工藝進(jìn)行處理，處理后的煙氣均能滿(mǎn)足《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》GB18485-2014排放要求。

3.4 顆粒物的去除

目前，對(duì)于垃圾熱處理煙氣中顆粒物的去除，一般采用靜電除塵和袋式除塵兩種方式。

相對(duì)于電除塵而言，因布袋除塵器具有高效除塵、抗腐蝕性好、投資低、運(yùn)行維護(hù)方便等特點(diǎn)。且近年來(lái)國(guó)內(nèi)布袋制造技術(shù)和工藝得到迅猛發(fā)展，其耐溫耐腐蝕、高強(qiáng)低伸、低阻高效、使用壽命等性能得到很好的提升，各類(lèi)新型（改性）覆膜濾袋得以發(fā)展并在工程中得到運(yùn)用，除塵效率≥99.8%，可實(shí)現(xiàn)顆粒物排放小于10mg/Nm3。

另外，根據(jù)《生活垃圾焚燒處理工程技術(shù)規(guī)范》CJJ-2009中要求，煙氣凈化系統(tǒng)必須設(shè)置袋式除塵器。結(jié)合整體工藝設(shè)計(jì)，選用布袋除塵器的作用不僅僅在于除去煙氣中原有的顆粒物。因前端噴射的吸附劑可吸附煙氣中的重金屬及二噁英類(lèi)物質(zhì)，再利用布袋除塵器對(duì)粉塵進(jìn)行有效攔截，可大大提高煙氣的凈化效果。

4 該廠(chǎng)煙氣處理工藝分析

該廠(chǎng)生活垃圾無(wú)害化處理采用熱解氣化技術(shù)，煙氣處理工藝采用“二燃室+換熱器+活性炭吸附+布袋除塵器”，該技術(shù)采取低氧燃燒+分段燃燒手段，實(shí)現(xiàn)了生活垃圾的無(wú)害化及減量化處理，且煙氣排放達(dá)到國(guó)家要求。

經(jīng)由煙囪取樣口采樣，樣品檢測(cè)分析得出煙氣中二噁英類(lèi)物質(zhì)的濃度如表2所示。

表2 該廠(chǎng)煙氣二噁英采樣條件及排放濃度

煙氣中其它各項(xiàng)污染物經(jīng)檢測(cè)分析，各參數(shù)如表3所示。

表3 該廠(chǎng)煙氣各項(xiàng)污染物的排放濃度

根據(jù)圖1中工藝流程并結(jié)合案例本身可以看出，該煙氣處理工藝設(shè)計(jì)不能滿(mǎn)足最基本的技術(shù)要求，并存在工藝不完善、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、設(shè)備配置簡(jiǎn)易、未實(shí)現(xiàn)熱能回收利用、自動(dòng)化程度低等特點(diǎn)。設(shè)備配置簡(jiǎn)單、選型不合理等因素且造成設(shè)備長(zhǎng)期超負(fù)荷運(yùn)行，引起設(shè)備運(yùn)行頻繁出現(xiàn)故障、不能有效保證工藝參數(shù)，從而導(dǎo)致煙氣排放不穩(wěn)定。

單從二噁英取樣條件和檢測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，煙氣排放出現(xiàn)波動(dòng)性較大，二噁英類(lèi)污染物的排放指標(biāo)不穩(wěn)定。部分原因歸結(jié)于垃圾未破碎、入爐物料不均勻且成分復(fù)雜，從而引起燃燒工況不穩(wěn)定；而另一部分原因與活性炭的選型及投加量也存在關(guān)系，實(shí)際工藝操作中，活性炭的投加量?jī)H在150mg/m3左右。

在該工藝中，未采取嚴(yán)格的脫銷(xiāo)脫酸措施前提下，根據(jù)酸性氣體（SO2、CO、HCl）的檢測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，其檢測(cè)值遠(yuǎn)小于污染物限值（1h均值），而且同類(lèi)項(xiàng)目的檢測(cè)結(jié)果均與此相似。結(jié)合該工藝與焚燒工藝對(duì)比分析，說(shuō)明低氧燃燒和分段燃燒控制對(duì)污染物的產(chǎn)生量起到較明顯的作用，尤其是NOX的排放檢測(cè)指標(biāo)長(zhǎng)期穩(wěn)定小于300mg/m3。

工藝中采用的活性炭吸附和布袋除塵器過(guò)濾攔截對(duì)重金屬及顆粒物的去除起到明顯的作用，其排放檢測(cè)值均達(dá)到污染物限值要求。

5 煙氣處理工藝優(yōu)化

針對(duì)原工藝中存在工藝不完整、設(shè)備配置不齊全、未實(shí)現(xiàn)熱能回收利用等問(wèn)題，本次對(duì)工藝進(jìn)行如下優(yōu)化：

選用釬焊熱管式余熱回收裝置將出口煙氣溫度降至240～180℃，同時(shí)每小時(shí)可產(chǎn)生80℃、12.5t高溫水或0.4MPa、152℃、1.3t飽和蒸汽，產(chǎn)生的蒸汽或熱水可為配套工程提供熱源，用于醫(yī)療垃圾的高溫殺菌或餐廚垃圾的生物發(fā)酵，也可實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)的部分供熱供暖問(wèn)題，達(dá)到資源化利用的目的。

煙氣采用干法脫酸工藝，消石灰通過(guò)噴射裝置定量投加到煙氣中，本工藝中Ca(OH)2的投加量可控制在300～500mg/m3，在吸附塔中使其與煙氣充分混合并發(fā)生反應(yīng)，吸附塔底部設(shè)置出料口。

選用粉末狀活性炭作為重金屬及二噁英類(lèi)的吸附劑，活性炭碘吸附值應(yīng)大于1000mg/g，其投加量可控制在150～200mg/m3，噴射裝置安裝于布袋除塵器前端管道上，利用管道內(nèi)煙氣自身流動(dòng)與其混合并吸附其中的污染物。

選用脈沖式布袋除塵器進(jìn)行除塵過(guò)濾攔截，材料可選PTFE覆膜布袋，最高耐溫240℃，透氣率為30～50m3/m2.min，布袋設(shè)計(jì)流速0.8～1.0m/min，出口顆粒物排放濃度小于20mg/Nm3。

6 結(jié)束語(yǔ)

目前，我國(guó)生活垃圾焚燒煙氣處理工藝已相對(duì)成熟，各種組合工藝在工程中也得以運(yùn)用。在具體實(shí)施中，我們更應(yīng)切合實(shí)際項(xiàng)目情況，結(jié)合煙氣凈化效率、投資成本、運(yùn)行維護(hù)等因素綜合分析，選擇適合本項(xiàng)目的煙氣處理工藝。本文中經(jīng)工藝分析和優(yōu)化后，建議類(lèi)似農(nóng)村生活垃圾處理項(xiàng)目中的煙氣處理采用“干法+活性炭吸附+布袋除塵”的組合工藝。該工藝技術(shù)成熟、投資成本低、操作簡(jiǎn)單、可有效避免二次污染的產(chǎn)生，且能長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行并達(dá)標(biāo)排放。