生活垃圾焚烧发电及烟气处理技术

摘要：现今，生活垃圾中易燃物的比重越来越大，这使得垃圾的焚烧成为不可避免的选择。与此同时，经过燃烧处理后的垃圾产生更高的热量。这一点不仅能有效减少垃圾的体积，还可以将垃圾中的有用能源转化为可再生资源。因此，垃圾焚烧被视为中国在垃圾处理方面的发展趋势。

关键词：生活垃圾；焚烧发电；烟气处理技术

1.城市生活垃圾处理现状

城市现代化的发展需要城市人类活动与生态环境的协调发展。然而，城市生活垃圾的增加成为了影响这种协调发展的主要因素之一。目前，城市生活垃圾的产生量不断增加，严重危害着生态环境。为了解决这一问题，中国的许多城市制定了“减量化、无害化、资源化”处理生活垃圾的目标，并取得了一定的成果。现阶段最常采用的处理方法有4种，即分类回收、卫生填埋、堆肥、焚烧；

垃圾焚烧通过焚烧生活垃圾中的可燃物，以缩减废物体积。垃圾焚烧会将垃圾转化为灰渣、废气和热力。灰渣大多由废物中的无机物质组成，通常以固体和废气中的微粒等形式呈现。废气在排放到大气中之前，需要去除其中污染气体和微粒，其余残余物进行无害化填埋，目前焚烧垃圾所产生的热能一般用于发电。

2.生活垃圾焚烧发电的优势

垃圾焚烧是目前处理生活垃圾的有效途径之一。焚烧技术的主要优势：

（1）无害化彻底：高温燃烧可使垃圾中有害物得到完全分解；完善可靠的烟气净化系统可以将烟气中污染物的含量处理到环保部门要求的范围内。

（2）减容、减量效果好：使垃圾体积减少80～90%；重量减少70%以上。

（3）有利于资源再利用：燃烧产生的热量可用于发电或供热；

（4）焚烧技术比较成熟，焚烧过程采用DCS控制，可保证燃烧过程处于最佳工况，所以二次污染小。

（5）综合效果好：由于污染低、占地面积小，可靠近城市建厂，既节约用地、又减少运输成本，选址相对容易。

因此，在具备经济条件、垃圾热值条件和缺乏卫生填埋场地资源的地区，焚烧处理技术得到了迅速发展。。

3.垃圾焚烧处理工艺

3.1垃圾焚烧

城市生活垃圾由环卫单位运至焚烧厂内垃圾池，垃圾池是一个封闭式且正常运行时空气为负压的建筑物，采用半地下结构。池内的垃圾通过垃圾吊车抓斗抓到焚烧炉给料斗，经溜槽落至给料炉排，再由给料炉排均匀送入焚烧炉内燃烧，焚烧炉运行所需一次风取自垃圾池，满足锅炉运行的同时，使垃圾池维持负压运行状态，避免垃圾发酵过程中产生的臭气外溢；

垃圾在炉排上通过干燥、燃烧和燃烬三个区域，垃圾中的可燃份已完全燃烧，灰渣落入出渣机，经加水冷却后进入灰渣贮坑，出渣机起水封和冷却渣作用。灰渣贮坑上方设有桥式抓斗起重机，可将汇集在灰渣贮坑中的灰渣抓取，装车外运、填埋或综合利用。飞灰收集后在厂内稳定化并检测合格后送入填埋场进行分区填埋。

3.2烟气处理

生活垃圾焚烧产生的烟气中含有大量的污染物，主要的污染物质有下列几种：

（1）不完全燃烧产物（简称PIC）：燃烧不良而产生的副产品，包括一氧化碳、炭黑、烃、烯、酮、醇、有机酸及聚合物等。

（2）颗粒物：废物中惰性金属盐类、金属氧化物或不完全燃烧物质等。

（3）酸性气体：包括氯化氢、卤化氢（氟、溴、碘等）、硫氧化物（SO2及SO3）、氮氧化物（NOx），以及五氧化磷（PO5）和磷酸（H3PO4）。

（4）重金属污染物：包括铅、铬、汞、镉、砷等元素态、氧化物及氯化物等。

（5）二噁英类：PCDDS/PCDFS。

上述这些物质视其数量和性质，对环境都有不同程度的危害。20世纪90年代以来，各国家越来越重视焚烧烟气的污染控制，垃圾焚烧排放标准日益严格，用于烟气净化的一次性工程投资和运行费用也越来越高。高效的焚烧烟气净化系统的设计和运行管理，是防止垃圾焚烧厂二次污染的关键，也是烟气净化效果达到规定排放指标的保证。

3.2.1脱酸技术

酸性气体的去除工艺主要有干法、半干法、湿法三种，在工程上均广泛应用。三种工艺的各自优缺点如下：

（1）干法净化工艺

干法工艺是用压缩空气将碱性固体粉末（石灰或碳酸氢钠）直接喷入炉内、烟管或烟管上某段反应器内，使碱性固体粉末与酸性气体充分接触和反应，从而去除酸性气体。为了提高反应速率，实际碱性固体的用量约为反应需求量的3～4倍，固体停留时间至少需ls以上。

干法结合布袋除尘器组成的干法工艺是烟气净化系统中较为常见的组合工艺，其优点是设备简单，维修容易，造价便宜，能耗低，消石灰输送管线不易阻塞，特别是净化后烟气温度高，有利于烟囱排气扩散，不会产生“白烟”现象，净化后的烟气不需要二次加热，腐蚀性小。但由于固体与气体的接触时间有限且传质效果不佳，常须超量加药，药剂的消耗量大，同其他两种方法相比，干法的整体去除效率较低，产生的反应物及未反应物量亦较多，最终需要妥善处置。

目前干法主要针对循环流化床焚烧炉项目，主要应用于炉内投加价格低廉的石灰石，利用流化床形成的流化状态增加与废气的接触面积，提高传质效果，从而提升脱酸效果；机械炉排炉项目中一般与半干法结合，形成“半干法+干法”的组合工艺，利用其应用灵活，工艺简单的优势，作为运行中的有效调节手段。

（2）湿法净化工艺

湿法脱酸采用洗涤塔形式。其脱酸系统由湿式洗涤塔、循环水（液）喷射系统、循环冷却水（液）系统、NaOH储存与制备系统等组成。

湿式洗涤塔分为冷却部分和吸收减湿部分。烟气首先进入冷却部分。在冷却部分中，通过从冷却部分上方向烟气中喷入冷却液，把烟气温度冷却到60～70℃，同时，冷却液吸收烟气中的HCl和SO2等酸性气体。之后，通过冷却部分的烟气被引入吸收减湿部分。在吸收减湿部分中，吸收液（含10%～20%NaOH溶液）经雾化器雾化从吸收减湿部分上方向烟气中喷入，并均匀地经过填充层与烟气充分接触反应，进一步去除HCl和SO2等酸性气体。反应后的吸收液从吸收减湿部分下部排入减湿水槽。净化后的烟气流经塔顶除雾器，烟气中夹带的水雾在较低温度环境下凝聚成大粒径的液滴，沿除雾器叶片的下部滑落，回到溶液池。

吸收减湿液在达到设定的盐浓度之前循环使用，一旦达到设定的盐浓度须排出部分吸收液，并补充新的NaOH溶液。

（3）半干法净化工艺

半干法是介于湿法和干法之间的一种工艺。目前国内垃圾发电项目应用较多的半干法工艺有增湿灰循环半干法和旋转喷雾半干法，根据锅炉出口烟气温度及后续布袋除尘的温度要求，前者一般用于循环流化床焚烧炉，后者则一般用于机械炉排炉项目。

旋转喷雾半干式脱酸塔实际上是一个喷雾系统，利用高效雾化器将消石灰浆液从塔底向上或从塔顶向下喷入喷雾干燥塔中，将锅炉出口烟气的温度降低40～50℃。尾气与喷入的石灰浆成同向流或逆向流的方式充分接触，并产生酸碱中和反应。由于雾化效果佳（液滴的直径可低至30μm左右），气、液接触面大，不仅可以有效降低气体的温度，中和酸性气体，并且石灰浆中的水分可在喷雾干燥塔内完全蒸发，不产生废水。这种系统最主要的设备为雾化器，目前使用的雾化器为旋转雾化器及双流体喷嘴。

半干式脱酸工艺的典型流程包含一个冷却气体及中和酸性气体的喷雾塔及除尘用的布袋除尘器室。气体的停留时间为10～15s。单独使用石灰浆时对酸性气体去除效率约在90%左右，但利用反应药剂（石灰乳）在布袋除尘器滤布表面进行的二次反应，可提高整个系统对酸性气体的去除效率（HCl：98%；SO2：90%以上）。本法最大的特性是结合了干式法与湿式法的优点，构造简单，投资低，压差小，能源消耗少，液体使用量远较湿系统低；较干式法的去除效率高，也免除了湿式法产生经过多废水的问题；操作温度高于气体饱和温度，尾气不产生雾状水蒸汽团。但是喷嘴易堵塞，塔内壁容易为固体化学物质附着及堆积，设计和操作中要很好控制加水量。

（4）酸性气体去除工艺比较

根据上表可知，采用目前应用最广泛的“半干法+干法+布袋除尘器”的组合即可满足脱酸效率要求，且具备较好的运行调节灵活性为：

① 污染物浓度较低情况下，只运行半干法脱酸系统，烟气排放即可达标。

② 特殊情况下，当烟气中酸性气体含量较多时，在半干式反应塔内喷射石灰浆液的同时，在烟道内喷射熟石灰粉，由于石灰浆液与酸性气体的反应效率极高，因此可确保烟气排放达标。

③ 旋转雾化器检修或退出时，备用干法脱酸系统投入运行。

3.2.2粉尘颗粒物控制技术

垃圾焚烧烟气中的粉尘是焚烧过程中产生的微小无机颗粒状物质，主要是：

（1）被燃烧空气和烟气吹起的小颗粒灰分；

（2）未充分燃烧的炭等可燃物；

（3）因高温而挥发的盐类和重金属等在冷却净化过程中又凝缩或发生化学反应而产生的物质。其中第一种占主要成分。

焚烧烟气中粉尘的主要成分为惰性无机物质，如灰分、无机盐类、可凝结的气体污染物质及有害的重金属氧化物，其含量在450～20000mg/m³之间。

除尘设备的种类主要有：重力沉降室、旋风（离心）除尘器、喷淋塔、文式洗涤器、静电除尘器及布袋除尘器等。

重力沉降室、旋风除尘器和喷淋塔等无法有效去除直径为5～10μm的粉尘，只能视为除尘的前处理设备。静电集尘器、文式洗涤器及布袋除尘器等三类为垃圾焚烧尾气净化系统中最主要的除尘设备。文式洗涤器多用于危险废物焚烧处理。而静电集尘器具有促进二噁英生成的环境，易造成二噁英的超标。

因此，生活垃圾焚烧尾气净化系统中普遍采用布袋除尘器，美国、欧盟和加拿大环保局均推荐采用布袋除尘器收集粉尘，国家环境保护总局发布的《生活垃圾焚烧污染控制标准》也规定使用布袋除尘器进行除尘。

3.2.3氮氧化物控制技术

NOx的生成量主要与炉内温度及垃圾化学成分有关。燃烧产生的NOx可分成两大类：一为燃烧空气中所含有氮和氧，在高温状态下反应而产生的热力型NOx，通常需至1200℃以上高温始发生；另一为燃料中所含的各种氮化合物在燃烧时被氧化而产生的燃料型NOx。

受生活垃圾热值限值，焚烧炉内的高温区（850℃～950℃）尚不足以达到形成热力型NOx的温度，故大部分NOx的形成是由于垃圾中所含的氮形成，在低氮燃烧前提下，其浓度一般在350mg/Nm³左右；

现氮氧化物控制技术有选择性非催化还原法（SNCR）及选择性催化还原法（SCR）两种。

SNCR是将氨或尿素等还原剂喷入焚烧炉内之高温区，将NOx分解成N2与O2的方法。该工艺不需催化剂，但脱硝效率低，高温喷射对锅炉受热面安全有一定影响。为控制氨逃逸，避免过量喷氨生成的氯化铵导致从烟囱排出烟气时变成白烟，而且还会产生铵盐沉积在锅炉省煤器上，NOx去除率一般会控制在50%左右。

SCR是布置在袋式除尘器后端，袋式除尘器出口烟气经升温后进入SCR反应塔，塔内设置催化剂，以喷入烟气中的氨作为还原剂，让NOx的还原反应在催化剂的存在下，得以有效进行。

SCR工艺长久以来即被广泛应用于处理由燃天然气、燃煤锅炉所产生较洁净的烟气，但使用于尚含有SOx、粒状污染物等污浊烟气时，则会降低触媒活性及粒状污染物附着造成阻塞等困扰。因此在垃圾焚烧厂使用SCR技术进行去除NOx时，大都先将烟气内的酸性污染物及粒状污染物去除掉后，再导引清洁的烟气进入SCR系统进行去除NOx。按照催化剂的不同，SCR可以分为低温催化剂SCR和中温催化剂SCR。

3.2.4重金属控制技术

垃圾焚烧烟气中的重金属化合物主要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不可避免会混入的油漆、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，只能发生迁移和转化，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、累积而造成危害。

垃圾焚烧厂烟气中重金属浓度的高低，与垃圾的组成、性质、重金属存在形式、焚烧炉的操作及空气污染控制方式等有密切关系。烟气中重金属主要以气态或吸附态形式存在。气化温度较高的重金属及其化合物在烟气处理系统降温过程中凝结成粒状物质，然后被除尘设备收集去除；气化温度较低的重金属元素无法充分凝结，但飞灰表面的催化作用可能使其转化成气化温度较高、较易凝结的金属氧化物或氯化物，从而被除尘设备收集去除；仍以气态存在的重金属物质，将被吸附于飞灰上或被喷入的活性炭粉末吸附而被除尘设备一并收集去除。

活性炭粉末不仅可以吸附烟气中呈气态的重金属元素及其化合物，而且可以吸附一部分布袋除尘器无法捕集的超细粉尘以及吸附在这些粉尘上的重金属而被除尘设备一并收集去除。但是，挥发性较高的铅、镉和汞等少数重金属则不易被完全去除。

工厂已有的运行结果表明：布袋除尘器与半干式脱酸塔并用时，除了汞之外，对其它重金属的去除效果均非常好，且进入除尘器的尾气温度愈低，去除效果愈好。汞由于其饱和蒸气压较高，不易凝结，通过布袋上的飞灰层对气态汞的吸附作用去除，其净化效果与烟气中飞灰含量、活性炭喷射量及布袋中飞灰层厚度有直接关系。

4.结论

总之，虽然中国在环保治理水平方面已经取得了很大进步，但仍面临垃圾问题的挑战。垃圾焚烧作为一种可行的垃圾处理方法，在今后的发展中将成为重要的选择。然而，中国需要在技术创新和环保措施方面加强努力，以确保垃圾焚烧所带来的环境问题得到有效控制。同时，倡导垃圾分类和加强回收工作也是解决垃圾问题必不可少的措施。只有综合考虑各种因素，中国才能实现可持续的垃圾管理与城市化进程的健康发展。

参考文献：

[1]李鹏飞.城市生活垃圾焚烧发电项目垃圾池环氧玻璃钢防腐工程[J].安装，2022（1）：78-80.