城市生活垃圾焚燒過程中二次污染物的生成與控制

在我國,采用焚燒法處理城市固體垃圾,逐漸得到推廣和應(yīng)用。然而焚燒帶來的二次污染物,如二噁英、細(xì)顆粒、重金屬、HCl以及SOx、NOx等也隨之引起了廣泛關(guān)注。本文對垃圾焚燒過程中各種二次污染物的產(chǎn)生機(jī)理及其控制方法進(jìn)行了綜述。并且指出近期我國城市固體垃圾焚燒煙氣污染物的重點(diǎn)控制對象應(yīng)為顆粒物、HCl、SOx和NOx。天禹智控研發(fā)的氣體在線監(jiān)測設(shè)備可實(shí)時(shí)在線監(jiān)測氣體成分濃度，對垃圾焚燒過程有著重要的意義。 一、二噁英的生成機(jī)理與控制方法 1.1二噁英的結(jié)構(gòu) 二噁英是毒性很強(qiáng)的一類三環(huán)芳香族有機(jī)化合物,有2個或1個氧原子聯(lián)接多個被氯取代的苯環(huán),分別稱為多氯二-并二(PCDDs)和多氯二-并呋喃(PCDFs)。每個苯環(huán)上可以取代1)4個氯原子,共有75個PCDD異構(gòu)體和135個PCDF異構(gòu)體[1]。各種異構(gòu)體的毒性有所差異,其中毒性*強(qiáng)的是2, 3, 7, 8-四氯二苯并二噁英(2, 3, 7, 8-TCDD)。常溫常壓下PCDD/Fs均為固體,熔點(diǎn)較高,通常在300e左右,難溶于水,易溶于脂肪,所以PCDD/Fs容易在生物體內(nèi)積累。對PCDD/Fs的暴露會引起皮膚*瘡、*痛、失聰、憂郁、*眠等癥狀。即使在很微量的情況下,長期攝取時(shí)也會致癌和致畸。 1.2 垃圾焚燒二噁英的形成 一般認(rèn)為,有氯和金屬存在條件下的有機(jī)物燃燒均會產(chǎn)生二噁英。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),城市生活垃圾焚燒產(chǎn)生的二量*多,其次是有害廢棄物焚燒和醫(yī)院廢棄物焚燒等。1990年,日本/二0類發(fā)生總量為3940~8405 g TEQ/Y,主要發(fā)生源如表1所示。 表1 二主要發(fā)生源和發(fā)生量 發(fā)生源 發(fā)生量（g TEQ/Y） 城市垃圾焚燒 3100~7400 有害廢棄物焚燒 460 醫(yī)療廢棄物焚燒 80~240 帖冶煉 250 造紙廠漂白廢液焚燒 40 下水道污泥焚燒 5 城市生活垃圾中含有20%~50%的有機(jī)物,這些有機(jī)物中大多含有碳、氫、氧3種元素。城市生活垃圾分析結(jié)果表明,垃圾中氯元素的來源分為兩類:一類是有機(jī)氯化物如聚氯乙烯塑料(PVC)、氯*和氯酚等,主要分布在廢塑料、廢紙、廢木料以及草木中;另一類是無機(jī)的氯化物如氯化鈉、氯化鎂等,主要分布在廚余、灰土等無機(jī)組分中。這些都是構(gòu)成垃圾焚燒產(chǎn)生二噁英的*基本要素。一般認(rèn)為,垃圾焚燒產(chǎn)生二噁英主要有以下兩個途徑:(1)爐內(nèi)生成:在燃燒過程中,若缺氧燃燒,會生成二噁英的前驅(qū)物,這些前驅(qū)物與垃圾中的氯化物、O2、O離子進(jìn)行復(fù)雜化學(xué)反應(yīng),生成二噁英類物質(zhì);(2)尾部再度合成:不完全燃燒反應(yīng)所生成的二噁英的前驅(qū)物以及垃圾中未燃盡的環(huán)烴物質(zhì),在煙塵中的Cu、Ni、Fe等金屬粒子催化作用下,與煙氣中的氯化物和發(fā)生反應(yīng),生成二噁英類物質(zhì),催化反應(yīng)溫度在300℃左右時(shí),易生成二噁英類物質(zhì)。 1.3二噁英的污染控制方法 1.3.1 改進(jìn)燃燒技術(shù) 采用/3T0(turbulence、temperature、time)技術(shù),一般溫度>850e,停留時(shí)間>2 s,采用二次風(fēng),使燃燒物與空氣充分?jǐn)嚢杌旌?造成富氧燃燒狀態(tài),減少二前驅(qū)物的生成。日本某垃圾焚燒廠采用/3T0技術(shù),使焚燒爐出口PCDD/Fs的排放量從33.1 ng/m3下降到6.1 ng/m3,效果十分明顯。也可采用分段燃燒,一段燃燒處于缺氧還原區(qū),所產(chǎn)生的二噁英類物質(zhì)在二次燃燒室內(nèi)徹底氧化分解,二次燃燒室內(nèi)溫度較高,通常在1000e以上,有研究表明,二噁英去除率可達(dá)99.9999%。另外,有報(bào)道顯示,采用流化床燃燒方式,由于能夠很好地滿足/3T0技術(shù),可使二噁英排放量減少98%。 1.3.2 廢氣處理技術(shù) 在實(shí)現(xiàn)完全燃燒降低二噁英的前驅(qū)物合成后,下面要解決的是殘存的前驅(qū)物重新合成和生成的二噁英捕集的問題。通常采用降低排煙溫度,使氣相中的二噁英轉(zhuǎn)移到灰相中,然后使用布袋除塵器將二噁英除去。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)已證*明,降低溫度在抑制二噁英類物質(zhì)的重新生成和提高吸附捕集效率兩方面均很有效。控制袋式除塵器的入口溫度在150e以下,由于合成二噁英類物質(zhì)的催化反應(yīng)溫度為300e左右,因此其前驅(qū)物不可能在布袋式除塵器中催化合成二噁英物質(zhì)。布袋除塵器在工作時(shí),在濾布表面會形成顆粒層,廢氣中的二噁英類物質(zhì)通過該層被吸附脫除,被吸附的二噁英類物質(zhì)排至灰渣處理系統(tǒng)中。與袋式除塵器不同,若靜電除塵器的入口溫度在300℃左右,殘存的前驅(qū)物重新合成二噁英。所以現(xiàn)在一般要求采用布袋除塵器。該項(xiàng)技術(shù)已應(yīng)用于實(shí)際設(shè)備,取得顯著效果。當(dāng)排煙中微小粒子較少時(shí),該處理方法效果下降,這時(shí)可采用噴射中和酸性氣體成分(HCl、SOx)的熟石灰或石灰漿,與布袋除塵系統(tǒng)聯(lián)合使用,該系統(tǒng)去除二十分有效。也可在布袋除塵器前噴射活性炭粉末,它具有較大的比表面積,吸附能力較強(qiáng),在排煙溫度<220e,活性炭的添加量為飛灰量的5%~6%時(shí),與布袋除塵器聯(lián)合使用,二噁英的去除率在95%以上,采用噴射熟石灰或石灰漿和活性炭粉末去除HCl、SOx和二噁英比較適合我國國情。 研究表明,去除煙氣中的二噁英可以使用能夠同時(shí)使二和NOx分解的觸媒,觸媒材料為V2O5/TiO2。當(dāng)煙氣入口溫度在200e左右時(shí),二噁英去除率高達(dá)90%以上。*近的試驗(yàn)結(jié)果表明,在煙溫410℃和670℃之間噴NH3、SO2、二甲*胺、(CH3)NH和甲硫醇(CH3SH)等物質(zhì),顆粒相二噁英的去除率可達(dá)98%,二噁英總?cè)コ蔬_(dá)42%~78%。 1.3.3 灰渣熔融處理技術(shù) 通過改進(jìn)燃燒和廢氣處理技術(shù),*大限度減少排入大氣的二噁英類物質(zhì)的量,被吸附的二噁英類物質(zhì)隨顆粒一起進(jìn)入灰渣系統(tǒng)中,所以灰渣中的二噁英的量比大氣中的二噁英的量多得多。熔融處理技術(shù)是通常的灰渣處理技術(shù),將灰渣送入溫度為1200℃以上的熔化爐內(nèi)熔化,灰渣中的二類物質(zhì)在高溫下,被迅速分解和燃燒。實(shí)驗(yàn)證*,通過灰渣熔融處理過后,PCDD/PCDF的分解率達(dá)99.77%。因此,灰渣熔融處理技術(shù)是一種較為有效的灰渣處理手段。 二、 HCl的生成機(jī)理與控制方法 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,對于植物,HCl會導(dǎo)致葉子褪綠,進(jìn)而出現(xiàn)變黃、棕、紅至黑色的壞死現(xiàn)象。HCl對余熱鍋爐會造成過熱器高溫腐蝕和尾部受熱面的低溫腐蝕,例如深圳市垃圾焚燒爐過熱器曾經(jīng)只運(yùn)行100 d就被HCl高溫腐蝕損毀。 2.1 HCl的生成機(jī)理 一般認(rèn)為垃圾焚燒爐煙氣中HCl的來源有兩個: （1）垃圾中的有機(jī)氯,如PVC塑料、橡膠、皮革等燃燒時(shí)分解生成HCl; (2) 垃圾中的無機(jī)氯化物如NaCl(來自廚房垃圾)與其他物質(zhì)反應(yīng)生成HCl,化學(xué)反應(yīng)為: H2O+2NaCl+SO2+0.5O2yNa2SO4+2HCl{(1) 2NaCl +mSiO2+ H2O = 2HCl + Na2O#mSiO2(2)(其中m=2, 4) H2O+MgCl2+SO2+0.5O2yMgSO4+2HCl{(3) 2.2 HCl的脫除方法 2.2.1 抑制燃燒時(shí)HCl的生成量 Courtemanche等研究發(fā)現(xiàn),在850~1050e爐溫范圍內(nèi),向爐內(nèi)噴入磨碎的氫氧化鈣、氫氧化鎂、醋酸鈣、醋酸鎂、醋酸鎂鈣、甲酸鈣、丙酸鈣和苯甲酸鈣粉等吸收劑時(shí),可以減少HCl的生成量,HCl的脫除率為98%。文獻(xiàn)也介紹了向爐內(nèi)噴氨減少HCl的方法。 2.2.2 采用HCl煙氣處理裝置 干式系統(tǒng):煙氣和吸收劑在吸收塔內(nèi)反應(yīng)脫除HCl。吸收劑采用Ca(OH)2。Ca(OH)2吸收劑在反應(yīng)塔內(nèi)脫除HCl的反應(yīng)為: Ca(OH)2+2HClyCaCl2+2H2O(4) 半干式系統(tǒng):石灰漿在噴霧吸收反應(yīng)塔內(nèi)被霧化,霧滴與熱煙氣相接觸,經(jīng)過復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)反應(yīng)過程,HCl被脫除,脫除率較干式系統(tǒng)高,但成本也相應(yīng)提高。濕式系統(tǒng):煙氣先經(jīng)過布袋除塵器或靜電除塵器后再進(jìn)入濕式洗滌塔,脫除HCl的反應(yīng)同式(4)。該系統(tǒng)HCl脫除率*高,但成本也*高。煙氣懸浮吸收系統(tǒng)(gas suspension absorber,GSA)是氣態(tài)污染物凈化設(shè)備,是以循環(huán)流化床技術(shù)為基礎(chǔ)的煙氣凈化裝置,廣泛應(yīng)用于垃圾焚燒爐氣態(tài)污染物的控制。將未處理的焚燒煙氣引入文丘里管,借助于文氏管內(nèi)的噴嘴使Ca(OH)2干粉和水或石灰漿霧化后噴注于煙氣中,在氣體高度紊流狀態(tài)下,使氣固混合達(dá)到均勻狀態(tài)后進(jìn)入循環(huán)流化床內(nèi)。GSA內(nèi)/固-氣0比的平均范圍約為0.5~1kg/m3,大量的吸收劑固體粒子在GSA內(nèi)處于/流化0狀態(tài),與煙氣中的酸性氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng),凈化后的煙氣夾帶著固體粒子進(jìn)入旋風(fēng)分離器,分離下來的吸收劑通過給料裝置回送至反應(yīng)塔(GSA)內(nèi),實(shí)現(xiàn)物料循環(huán)。該系統(tǒng)造價(jià)是濕式系統(tǒng)的60%。該系統(tǒng)用于丹麥Kara 4號垃圾焚燒爐的測量結(jié)果見表2所示。 三、細(xì)顆粒和重金屬污染物的控制 垃圾破碎和燃燒過程中會產(chǎn)生大量的細(xì)顆粒,顆粒的粒徑大小是決定其毒性作用的主要因素。實(shí)驗(yàn)表明,小于1.1Lm的顆粒很容易進(jìn)入肺泡,被吸附在細(xì)顆粒上的有害物質(zhì)會被人體吸收到血液中,顆粒粒徑愈小,致突變活性愈高。細(xì)顆粒中含重金屬元素包括Hg、Pd、Cd、Cr、Cu、Ni、Zn、Mn等,在這些污染物中含有為數(shù)可觀的致癌、致突變、致畸化合物和若干有毒有害化學(xué)成分。對人體危害大的元素主要集中在小于3Lm的顆粒物中。所以,只要除掉煙氣中的細(xì)顆粒,就能減少重金屬的危害。 表2 GAS用于丹麥Kara 4號垃圾焚燒爐的測量結(jié)果 名稱 單位 進(jìn)口濃度 出口濃度 去除率(%) HCl mg/m3(11%O2) / 9 / SO2 mg/m3(11%O2) / 51 / HF mg/m3(11%O2) / 0.2 / 汞化物 mg/m3(11%O2) 0.122 0.007 94 二噁英 ng-TEQ/m 32.2 0.0024 99.1 國內(nèi)外對垃圾焚燒重金屬污染的控制研究大致可分焚燒前控制、焚燒過程中控制以及焚燒后控制三方面。 焚燒前控制:將垃圾分類分揀,將重金屬濃度含量較高的廢舊電池及電器、雜質(zhì)等從原生垃圾中分揀出,可以大大減少垃圾焚燒產(chǎn)物中汞、鉛和鎘的含量。 焚燒過程中控制:主要是采用控制空氣燃燒法(CAO),即將垃圾在600~650e左右的一燃室熱解、氣化和固定碳燃燒,這樣重金屬不會升華,而保留在灰中。在二燃室中可燃?xì)怏w在高溫下燃盡,從而在燃燒過程中降低重金屬的排放。 焚燒后控制:通常去除重金屬污染的方法有: (1)降溫使重金屬自然凝聚成核或冷凝成粒狀物后被除塵設(shè)備捕集; (2)噴射諸如活性炭等粉末,吸附重金屬形成較大顆粒而被除塵設(shè)備捕集; (3)催化轉(zhuǎn)變,改變重金屬種類,使飽和溫度低的重金屬元素形成飽和溫度高的且較易凝結(jié)的氧化物或絡(luò)合物,被除塵設(shè)備捕集; (4)將尾氣通過濕式洗滌塔,去除其中水溶性的重金屬化合物。對于汞的吸附目前應(yīng)用較多的方法就是向煙氣中噴入特殊*劑,如向煙氣中逆噴Na2S形成HgS,因其不溶,顆粒大而較易捕獲,汞去除率達(dá)60%~90%。另外一種目前較為成熟、應(yīng)用*多的控制技術(shù)是,向煙氣中噴入粉末狀活性炭,其吸附機(jī)理為:氣體分子向炭基體擴(kuò)散,由于分子間范德華力的作用,而將這些擴(kuò)散來的分子保留在表面,其脫除汞的效率達(dá)90%。