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  • 垃圾焚烧过程中的四大类污染物详解:成因与控制措施
  • 2017/3/22 阅读次数:[1328]


  • 环保面前,没有旁观者

    在垃圾焚烧被广泛应用于生活垃圾处理的同时,其潜在的二次污染问题受到越来越多的关注,近年来,由此引发的“邻避运动”屡屡发生,垃圾焚烧项目陷入“一闹就停”的尴尬境地。

    但是,在当前“垃圾围城”的严峻形式下,建设垃圾焚烧厂几乎是不可避免。那么,垃圾焚烧过程中究竟会释放出哪些污染物?垃圾焚烧厂如何控制这些污染物的排放?所谓“世纪之毒”二噁英的排放是否可控?


    1 城市生活垃圾焚烧过程中的危害物质分析

    城市生话垃圾焚烧处理的目的是治理城市生活垃圾污染,但由于资金、技术等局限,多数焚烧厂只偏重于垃圾焚烧,未配套热能利用及符合环保要求的污染净化设施,从而形成二次污染,这包括垃圾焚烧后排放的废气、燃烧后的灰渣、飞灰、工艺处理后的废水及恶臭、噪声污染等,尤其是烟气排放的污染。


    垃圾焚烧烟气污染物以气态或固态形式存在,一般分为四类:酸性气态污染物、不完全燃烧的产物、颗粒污染物和重金属污染物。

    以处理能力500t/d的大型垃圾焚烧炉为例,额定工况下正常运行,其配套的余热锅炉出口处烟气流量约(80000~100000)Nm3/h,温度约190~240℃,烟气中污染物典型成份及浓度如表1。
    表1烟气污染物的浓度(单位:mg/Nm3)

    1.1酸性气体
    焚烧烟气中的酸性气体主要由SOx、NOx、HCl、HF组成,均来源于相应垃圾组分的燃烧。SOx由含硫化合物焚烧时氧化所致,大部分为SO2。
    NOx包括NO、NO2、N2O3等,主要由垃圾中含氮化合物分解转换或由空气中的氮在燃烧过程中高温氧化生成。
    HF由含氟塑料燃烧产生。
    HCl来源于垃圾中的有机氯化物和无机氯化物:
    (1)含氯有机物如PVC塑料、橡胶、皮革等高温燃烧时分解生成HCl;
    (2)大量的无机氯化物NaCl、MgCl2等与其它物质反应也会产生HCl,
    如:H2O+2NaCl+SO2+0.5O2→-Na2SO4+2HCl,
    这是垃圾焚烧炉烟气中HCl的主要来源。
    各类酸性气体中,以HCl的生成量最多,危害****。常温下,HCl为无色气体,有刺激性气味,极易溶于水而形成盐酸。HCl对人体的危害很大,能腐蚀皮肤和粘膜,致使声音嘶哑,鼻粘膜溃疡,眼角膜混浊,咳嗽直至咯血,严重者出现肺水肿以至死亡。对于植物,HCl会导致叶子褪绿,进而出现变黄、棕、红至黑色的坏死现象。焚烧产生的酸性气体除污染环境外,还会对焚烧炉膛及其配套的热能回收锅炉造成过热器高温腐蚀和尾部受热面的低温腐蚀。
    1.2微量有机化合物
    主要是垃圾中的氯、碳水化合物等在特殊温度场和特殊触媒作用下反应生成的微量有机化合物,如多环芳烃(PAHs)、多氯联苯(PCBs)、甲醛、二恶英(PCDD)及呋喃(PCDF)等。
    联合国环境规划署于20世纪末公布的报告中指出,垃圾焚烧是二噁英的来源之一。估计在全球范围内,由垃圾焚烧炉排放出的二噁英约占总排放量的10%~40%。垃圾本身可能含有微量成分的二噁英,但主要是焚烧过程中形成的。
    二噁英形成途径可以归纳为:
    1)携带着过渡金属元素和有机氯化合物的垃圾在焚烧炉内高温分解后,能够产生分子氯和氯游离基以及各种二噁英的前驱物,它们通过分子重排、自由基缩合、脱氯或其它分子反应等过程形成二噁英;
    2)由于燃烧不充分,烟气中存在过多的未燃烬物质,如残碳,并与适量的触媒物质,主要是过渡金属,特别是铜,在300~500℃的温度环境下,使高温燃烧中已经分解的二噁英重新生成。
    二噁英、呋喃等有机化合物在常温下稳定,难溶于水,易溶于脂肪并在生物体内积累,不仅具有致癌性,还具有生殖毒性、内分泌毒性和免疫抑制作用。其中2,3,7,8-四氯二苯并二恶英是目前人类发现的最毒的物质。我国于2014年7月1日起实施的《生活垃圾焚烧污染控制标准》(GB18485-2014)规定二噁英的排放标准为0.1ng-TEQ/m3。
    1.3重金属
    垃圾焚烧烟气中的金属化合物一般由垃圾中所含的金属氧化物和盐类组成。这些金属来源于垃圾中的油漆、电池、灯管、化学溶剂、废油、油墨等,其中含有汞、镉、铅等微量有害元素。重金属在焚烧过程中不能被生成和破坏,它们将发生迁移和转化,最后几乎以相同的数量排入环境,最终通过大气、饮水、食物等渠道为人体所摄取而造成危害。
    在焚烧过程中,挥发态的重金属及其化合物随着烟气离开焚烧区域后将经历冷凝过程,形成直径很小的颗粒,这些富集了有毒金属的细小颗粒会被排放到大气中,亦会一直停留在灰烬及其它残余物内。垃圾焚烧排放粉尘中所含的重金属主要存在于可吸入颗粒物中,这些粉尘可溶于水和酸中。
    重金属不能被微生物分解且能在生物体内富集,或形成其它毒性更强的化合物,对人体的组织器官产生致癌、致变作用。目前随着空气污染控制技术的不断改良,除汞外焚烧炉烟气中的重金属含量已大为降低。然而,现代化焚烧炉所排放的重金属数量,仍有可能在环境和人体中累积起来。并且烟气中重金属的含量降低将意味着更多的重金属进入灰烬中,当灰烬随意被弃置时仍会造成环境污染。
    1.4烟尘
    主要是烟气中夹带的不可燃物质及燃烧产物。垃圾中可燃组分因燃烧不完全会形成黑烟,黑烟中含有大量的碳粒子,对人体危害大的重金属主要集中于小于3μm的颗粒物中。

    2 垃圾焚烧烟气污染控制

    垃圾焚烧生成的污染物来源于垃圾组分,其存在形式及数量与焚烧条件和净化系统密切相关。从污染物的产生及其排放过程看,控制垃圾焚烧产生的二次污染可以采取以下措施。
    2.1垃圾的收集与预处理
    按照《生活垃圾焚烧污染控制标准》(GB18485-2014)的要求,危险废物不得进入生活垃圾焚烧厂处理,因此要控制污染物的产生,必须从源头上加以避免,所以应积极开展垃圾分类收集,通过分类收集或预分拣控制生活垃圾中氯和重金属含量高的有害物质进入垃圾焚烧厂。
    2.2控制烟气污染物的产生
    根据烟气污染物的形成机理,控制垃圾焚烧条件,使燃烧处于良好状态,减少有害物质的生成。
    2.2.1运用合适的炉膛和炉排结构,使垃圾在焚烧炉得以充分燃烧。而衡量垃圾是否充分燃烧的指标之一是烟气中CO的浓度,CO浓度越低说明燃烧越充分,比较理想的CO浓度指标是低于60mg/m3。
    2.2.2控制焚烧炉内烟气出口温度不低于850℃,烟气在炉膛及二次燃烧室内的停留时间不小于2s,O2的浓度不少于6%,并合理控制助燃空气的风量、温度和注入位置。
    2.2.3由于NOx在高温充分氧化的条件下更易生成,与减少二恶英的控制条件矛盾,一般在燃烧实际运行中保证在垃圾可燃组分充分燃烧的基础上,再兼顾NOx的产生。现在普遍处理措施是在烟气处理系统中增加脱硝装置。



    3.烟气净化处理
    烟气净化系统是城市生活垃圾焚烧污染控制的关键,烟气净化后各种污染物的排放浓度应达到新国标的规定。目前国内烟气净化普遍采用半干法+干法+活性炭吸附+布袋除尘工艺。分为两步:
    第一步脱酸,除去酸性气体;
    第二步除尘,收集颗粒物、重金属和二噁英类有机物。
    3.1除尘
    除尘器是烟气净化系统的末端设备。国标GB18485-2014中规定生活垃圾焚烧炉除尘装置必须采用袋式除尘器。袋式除尘器不仅收捕一般颗粒物,而且能收除挥发性重金属或其氯化物、硫酸盐或氧化物凝结成直径≤0.5μm的气溶胶,还能收除吸附在灰分或活性炭颗粒上的二恶英等有机类污染物。
    袋式除尘系统中的布袋是由玻璃纤维制成滤布,对尾气进行过滤,达到除尘及吸附二噁英的目的。烟尘颗粒在滤布表面堆积形成致密的薄层,因此布袋式除尘器对粉尘去除率一般都很高。受布袋玻璃纤维的耐热强度限制,尾气温度一般须控制在250℃左右,低于二噁英的再合成温度。
    3.2二恶英类和重金属污染物的去除
    二噁英及重金属在飞灰和炉渣中的比例差别很大。由于飞灰的比表面积很大,对二噁英有很强的吸附作用,导致飞灰中二噁英浓度很高,通常占焚烧过程二恶英总排放量的70%左右。而大部分的重金属(>70%)都仍留存于炉渣中,仅Hg和Cd在高温下挥发,进入飞灰中或小部分随焚烧烟气排放。
    为提高烟气中二噁英类和重金属污染物的去除率,可以采取以下方法:(1)减少烟气在200~350℃温度域的停留时间,有利于减少二噁英类污染物再次生成,控制除尘器入口烟气温度低于200℃,有利于有机类及重金属污染物的脱除,即在设计和运行中采用“温度控制”;(2)在喷雾反应塔和除尘器之间,通过混粉器在烟气中喷入活性炭或多孔性吸附剂,可吸附二噁英类和重金属污染物,再用布袋除尘器捕集。
    3.3酸性气体的去除
    酸性气体HCl、SOx、HF通常利用Ca(OH)2、NaOH等碱性物质采用湿法、干法或半干法中和吸收去除。其中,湿法技术效率高,可达97%以上,但有大量污水排出,造成再次污染。干法技术无污水排放,但脱除效率仅达60%~70%。半干法技术有较高的脱除效率(可达90%左右),药品用量少,且无污水排放,因此为烟气脱酸的主要适用技术。
    半干法脱酸装置包括给料系统、混合系统和反应系统,一般设置在除尘器之前。脱酸剂CaO在给料系统制成粉状Ca(OH)2,再进入混合系统与烟气、少量的水充分混合,最后以喷雾状进入反应系统。HCl、SOx、HF等酸性成分被吸收,生成中性、干燥的细小固体颗粒,随烟气进入下一步净化系统。
    主要反应有:
    2HCl+Ca(OH)2=CaCl2+2H2O
    SO2+Ca(OH)2=CaSO3+H2O
    半干法工艺要充分考虑固体物质的干燥问题,防止固体物质在收集时发生堵塞与粘附。
    3.4脱硝
    常采用氨接触还原法来控制NOx的排放。起还原作用的氨水与烟气中的NOx反应,在充当催化剂的活性炭的作用下,NOx被还原为无害的氮气和水。NOx的排放量可减少90%以上,脱硝效果好。
    化学反应如下:
    4NO+4NH3+O2=4N2+6H2O
    6NO2+8NH3=7N2+12H2O
    3.5灰渣处理
    除尘设备收集的焚烧飞灰与垃圾焚烧炉渣应分别收集、贮存和运输。飞灰按危险废物处理,而炉渣按一般固体废物处理。除尘器收集下来的飞灰,经过添加螯合剂固化后送至飞灰暂存间,经检测合格后用专用密闭车辆送出填埋。由于飞灰中含有大量重金属及有机类污染物是危险废物,填埋前必须先进行固化处理或稳定化处理。炉渣中重金属浓度非常低,可以认为基本上没有什么毒性,被收集与冷却后,输送至炉坑,再由运输车送往填埋场作最终处理,或用作路基或建筑材料。
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