【深度】生活垃圾焚烧发电烟气处理技术综述及其优化控制建议

摘要：分析了生活垃圾焚烧烟气产生的污染物,及其净化工艺;综述和比较了国外生活垃圾焚烧烟气处理技术,分析了焚烧烟气处理工艺及其可能产生的故障,提出了国内生活垃圾烟气存在的问题;就此提出需进一步优化垃圾焚烧发电烟气处理工艺与控制技术,建议摸索和总结适用于各焚烧发电厂基于设备选型的工艺控制与烟气处理优化的运营方案,对生活垃圾焚烧发电建设与运行具有极为重要的现实意义。

前言

生活垃圾焚烧处理已有相当长时间的历史，最早可追溯到1896年，德国汉堡建立了人类历史上的第一座垃圾焚烧厂。随着工业化的发展，现代化的垃圾焚烧厂开始逐步使用专业的焚烧炉，焚烧产生的热量可用来产生蒸汽发电，实现能源利用，而且产生的飞灰通过固化和稳定化后，可将该有毒有害物质进行无害化处理。目前世界各国的大部分垃圾焚烧厂都配套有完善的烟气处理装置和废水处理系统，从而可最大限度的减少对环境的影响。

相比于国外，国内的垃圾焚烧技术要晚50年随着各级的重视及垃圾发电技术的发展，垃圾焚烧逐渐成为国内许多城市考虑的垃圾处理方式，主要是通过借鉴国外的技术经验来提高国内的垃圾焚烧和余热发电技术。1985年深圳市率先进行垃圾焚烧发电处理，深圳市环境与卫生综合处理厂从日本引进了三菱马丁式垃圾焚烧炉;2002年上海首家垃圾焚烧发电厂建成;2005年天津也开始首座垃圾焚烧发电厂的建设，其采用的是日本先进的SN型炉排炉技术。随后南京、重庆、北京、长沙、广州、珠海等城市根据自身实际情况进行垃圾焚烧发电厂的规划与建设。江苏省主要以垃圾焚烧发电技术处理生活垃圾的主要方式，全省先后建成运营31家生活垃圾焚烧发电厂，实现了废物处理与资源回用利用。

随着城市的生活垃圾处理迫切需求，符合国情的垃圾发电技术的研究促进中国垃圾发电产业化发展。目前国内建立的主要垃圾焚烧发电厂焚烧炉选型既有采用引进国外焚烧炉技术，也有自主研发的焚烧炉技术，主要有日本三菱重工、法国阿尔斯通、比利时吉宝西格斯和国内自主研发的焚烧炉，例如光大国际。

由于垃圾的成分复杂，生活垃圾焚烧整个过程中，若不考虑环境的治理措施，不可避免的会产生譬如渗滤液、烟气、固体废物等二次污染物，而且这些污染物比常规的燃煤发电厂产生的污染物更复杂、毒性更大。如烟气中含有的SO2、HCl、HF 等酸性气体不经处理排放，将会造成酸雨，对生物造成很大危害;烟气中的二噁英对生物和环境影响尤其大，由于存在生殖毒性和遗传毒性而备受公众广泛关注。

然而不同焚烧设备选型、余热锅炉、配套的烟气处理方式、各控制参数等对烟气污染物的控制有着重要影响，特别是二噁英产生与控制。另一方面由于部分垃圾焚烧的不够实现稳定达标或者标准过低所引发的烟气污染现象也越来越多的引发公众关注。因此，优化焚烧技术、烟气处理工艺、参数控制等工艺与技术，促进垃圾焚烧发电实现资源利用、经济可行、绿色环保有着决定作用，也是关注公众切身利益的体现。

1 生活垃圾焚烧烟气净化工艺

生活垃圾焚烧过程中产生的污染物包括废气、废水和废渣，文中主要讨论焚烧烟气中的污染物和控制。烟气中的污染物主要包括粉尘( 细小颗粒物)、酸性气体(HF、HCl 和SO2等)、氮氧化物、重金属和有机污染物( 主要为二噁英)，其中二噁英受到广泛关注;其种类多，毒性大，在生活垃圾的焚烧过程中，由于垃圾成分比较复杂，高温下的反应多且相互影响，二噁英的成因相当复杂，目前的研究成果尚不能完全解释，已知的生成途径有如下几种:原始存在、高温气相合成、从头合成、前驱物合成。

1.1 酸性气体净化装置

酸性气体通常采用碱性介质吸收法，工业上普遍采用的是Ca(OH)2和NaOH，净化工艺有干法、半干法和湿法。

1.1.1 干法脱酸工艺

干法脱酸工艺一般使用碱性吸附剂以干基形式直接喷入位于省煤器与除尘装置之间的水平烟道内，或使吸附剂与酸性气体在干式反应塔内接触，吸附剂与酸性气体之间通过气固相接触并发生中和反应，来去除烟气中的酸性气体。干法工艺设备简单，投资较少;以干粉形式反应，但由于干法存在吸附剂与烟气接触面积小、反应时间短，因此干法脱酸效率低(50%～60%)，一般喷入的吸附剂如消石灰会过量很多( 钙酸比大于3)，因此会导致下游的除尘设备负荷增加。常规的干法脱酸工艺单独使用目前已经很难达到规定的排放要求，因此一般大型的生活垃圾焚烧厂已经很少采用该法。

1.1.2 半干法脱酸工艺

半干法脱酸工艺是目前应用最广泛的。国内大型垃圾焚烧厂大都采用该工艺。半干法工艺一般吸收剂也采用Ca(OH)2，首先制成Ca(OH)2浆液，然后由安装在半干式反应塔顶部的雾化器把吸收剂浆液喷入反应塔，雾化器的高速产生剪切作用，使浆液形成极小粒径的液滴，然后与烟气充分接触，通过液滴中的水分挥发来降低烟气的温度，同时提高烟气湿度，石灰浆液滴与酸性气体进行反应，生成中性盐类，得以去除酸性气体。

在半干法脱酸工艺中，一般反应塔安装在除尘装置(一般为袋式除尘器) 的前面，以便能够捕集含有少量消石灰的烟气;同时，部分未反应的消石灰将附着于袋滤器上，经过脱酸塔的烟气将会在袋滤器上与吸附剂进一步反应，以提高脱酸效率。碱性吸附剂与烟气的进入接触方式有两种，顺流方式和逆流方式，各有优缺点，吸附剂都由塔顶进入，烟气可选择由塔顶上部或下部进入。反应塔的结构包括导流叶片、直径等的设计主要考虑为反应提供足够的空间和反应时间，达到最佳的脱酸效率。

半干法的脱酸效率和吸附剂的利用率要大大高于干法，正常情况下对烟气中HCl 的脱除效率可达90%以上;同时，半干法脱酸过程中也不产生废水，浆液中的水分主要用来冷却高温烟气，降低烟气温度，以提高反应效率;半干法工艺的操作温度一般在150～170℃左右，高于烟气的露点温度，因此烟气经过除尘器后可直接排放。

1.1.3 湿法脱酸工艺

湿法脱酸工艺一般使用湿式洗涤塔，烟气中的HCl 和SO2等酸性气体在洗涤塔内与喷入的碱性吸收剂( 一般为氢氧化钠溶液或消石灰溶液)接触并进行中和反应，以便脱除酸性气体。湿法工艺在欧美等发达国家应用较多，在工业装置上的运行数据证明，脱氯效率可达到95%以上，脱硫效率也可达到80% 以上;同时湿式洗涤塔在去除酸性气体的同时能够有效的降低二噁英和重金属的浓度;因此湿法工艺具有高效全面脱除污染物的优点，是以后发展的重点。

湿法工艺中的湿式洗涤塔一般安装在袋式除尘器的后面，以避免高湿度饱和烟气中的颗粒物堵塞滤布;同时由于烟气先经过袋式除尘器，所以在除尘器前应安装降温塔，使从省煤器出来的高温烟气经过降温后进入除尘器，提高滤布的寿命。

湿法工艺最大的优点是对酸性气体去除的比较彻底，但也有一些不足之处，主要包括:(1) 将产生大量的高浓度的无机盐和重金属的废水，容易造成二次污染，增加污水处理的负荷和运行费用。(2)经湿式洗涤塔后的烟气一般温度在60～70℃左右，在烟气露点以下，需在系统中增加再加热器，提高烟气的温度后才能排放，否则烟囱出口会造成白烟现象。(3)湿法工艺一次性投资额高，工艺路线复杂，运行费用也较高。

1.2 除尘工艺

经过烟气脱酸工艺后还含有大量的细小颗粒，需要通过除尘设备加以去除。垃圾焚烧厂一般采用静电除尘器和袋式除尘器两种。

1.2.1 静电除尘器

静电除尘器是在高压电场的作用下使粉尘带电被吸附从而实现气固相分离。静电除尘器除尘效率较高，脱除重金属化合物效果好、可以在高温下使用等优点，但对于粒径在1. 0 μm 以下的颗粒物的捕集效率却不如袋式过滤器，而且静电除尘器的一次性投资较大，占地面积也大，所以在垃圾焚烧烟气处理工艺中使用并不经济。同时还因为经过脱酸系统后的烟气在经过静电除尘器时，本来已经被高温破坏分解的二噁英会经静电除尘器极板的催化，重新生成二噁英类物质，即发生所谓的“再合成现象”。生活垃圾焚烧电厂的粉尘捕集设施必须采用袋式过滤器。

1.2.2 袋式除尘器

袋式除尘器的工作原理是当含尘烟气通过过滤器时，烟气中的微小颗粒被滤料形成的滤层和滤袋上形成的粉尘层捕集而拦截下来，从而达到气固分离。“半干法+ 袋式过滤器”的组合工艺目前在垃圾焚烧的烟气处理上使用最广，袋式过滤器在捕集粒径在0.1 ～ 1.0 μm 的细小颗粒物时的效果要好于静电除尘器;而且袋式过滤器通常安装在干法或半干法脱酸系统后，进入过滤器的烟气温度已低于200℃，不存在二噁英的再合成现象。

袋式除尘器最大的缺点是滤袋材质的质量要求较高，滤袋受烟气温度、含水率和酸性气体的腐蚀等影响较大。如何选择合适的滤袋材质是决定袋式过滤器稳定高效运行的关键。目前随着PTFE滤料材质的开发和使用，可极大改善袋式过滤器的缺陷，由于其运行阻力小、透气过滤性好等优点，有些老装置在改造时选用PTFE 替代原先的滤料后，大大提高了颗粒物的拦截效果，而目前新建的垃圾焚烧电厂更是广泛应用。

1.3 氮氧化物的去除工艺

根据NOx的生成机理，其控制包括两方面:一是通过对垃圾焚烧过程的控制，减少NOx的生成;二是在后处理中，通过化学或物理的方法对已经生成的NOx进行去除。在废弃物的燃烧控制，主要要遵循“3T+E”原则，即燃烧温度、停留时间、较大的湍流度和过量的空气。要综合平衡各因素的影响，选择最佳的运行参数。譬如温度，高温对去除二噁英有利，但会增加热力型NOx的浓度，因此一般炉排炉焚烧系统炉温控制在900℃;在实际燃烧过程中还要控制一二次空气的配风比例、控制燃烧过程的低含氧量等，来降低NOx的生成。垃圾焚烧烟气中的NOx以NO为主，目前在后处理中通过反应脱除NOx的方法按有无使用催化剂分为两种，即选择性非催化还原法( SNCR) 和选择性催化还原法(SCR)。

选择性非催化还原法(SNCR) 是在烟气温度850～1100℃的炉膛区域，喷入含有氨基的还原剂，烟气中的NOx在还原剂和氧的作用下生成N2，以脱除烟气中的NOx。选择性催化还原法(SCR)是在烟气温度200 ～400℃区间，在烟气通过TiO2 - V2O5等催化剂层时，其中的氮氧化物与喷入的NH3在氧气的作用下发生化学反应生成N2，从而达到净化目的。SCR 对NOx的脱除效率高，缺点是一次性投资和运行费用均较高，但对于日趋严格的烟气排放要求，SCR 的运用将是未来的发展趋势。

1.4 烟气二噁英控制方法

垃圾焚烧控制二噁英的技术措施主要有3 种。

1.4.1 燃烧控制

通过焚烧炉内合理地组织燃烧，维持炉内高温(Temperature)、延长气体在高温区的停留时间(Time)、加强炉内垃圾湍动，促进空气与烟气的扩散、混合(Turbulence)。要求炉内温度保持在850℃～950℃，烟气在超过850℃温度下停留时间大于2s，让垃圾充分燃烧。欧盟标准为原始排放浓度小于0. 1ng /Nm3。使含二噁英类的未燃气体完全燃烧，从而把二噁英的生成抑制到最低水平。

1.4.2 除尘器

袋式除尘器对固体颗粒具有高效的拦截效果，可拦截烟气中固相的二噁英。

1.4.3 活性炭喷射吸附去除

通过燃烧管理和袋式除尘器的配合使用，能够使烟气中的二噁英含量降到≤0.1ng /Nm3。这是因为通过焚烧炉和自动燃烧控制系统的配合实现了焚烧炉的完全燃烧，确保烟气在850℃以上滞留2s 以上。袋式除尘器可以拦截固相二噁英，去除率可达90% 以上。最后，向袋式除尘器的前面烟气中喷射少量的活性炭能够高效率地吸附二噁英类物质。3 种方式相结合，可以有效控制二噁英的排放。

2 国外生活垃圾焚烧烟气处理现状

在欧洲发达国家，处理垃圾焚烧比例较高，可达25%以上。欧洲符合现代化水平的规模化的生活垃圾焚烧处理装置建设较早，无论是在焚烧关键设备(焚烧炉)的制造、焚烧技术的管理上，还是烟气处理的技术上都处于世界前列。在欧洲发达国家中，目前运行的生活垃圾焚烧厂多达400 家，还有多套装置在建设中。由于土地资源紧张，日本焚烧发电一直在垃圾处理方式中占有主导地位，垃圾焚烧的比例高达80%，大约有一千多座垃圾焚烧发电厂。

随着人们对垃圾焚烧的认识，生活垃圾焚烧烟气排放标准日趋严格。严格的排放标准就要求新的烟气处理技术和不同工艺的组合使用。譬如SCR(催化脱硝技术) 在欧美等发达国家的垃圾焚烧装置上应用较广泛;在日本普遍采用有机螯合剂对焚烧过程中产生的飞灰进行固化处理。在二噁英的处理上，欧美日等发达国家应用催化法去除二噁英技术(SDDS) 已达十多年，最大限度地减少了二噁英向环境的排放。SDDS 技术的主要优点包括:二噁英排放控制可达0.01 ～ 0.001TEQng /Nm3;可在低温下使用，即160℃～180℃区间;不需要额外的添加剂和反应剂，可同时去除氮氧化物，因此可减少运行成本。

在脱酸工艺应用上，发达国家目前多采用湿法工艺对烟气进行处理，还有较先进的EDV 技术，可以达到非常满意的排放效果。而由于干法工艺的投资少且无额外的废水污染，因此干法处理工艺还在持续提升和进步，如采用更细粒度的石灰和经改性的石灰，采用更先进的喷射装置等，干法工艺在国外的应用有所增加。

目前在烟气处理上应用较多的是多种工艺的组合，如“干法+ 半干法”、“干法+ 湿法”等;在日本的垃圾焚烧厂，“SNCR + 干法+ 布袋除尘器+湿式洗涤塔+ 烟气再加热器”的烟气处理工艺得到了普遍的应用，能够完全满足欧盟烟气排放标准。

欧洲上世纪60、70 年代建设的垃圾焚烧发电项目未配置完善的烟气净化系统，80、90年代随着环保标准的提升，逐步形成了以静电除尘、湿式洗涤、SCR 为主的烟气净化工艺，后续改造也基本延续了这一工艺路线，最近建设项目的烟气净化工艺的发展趋势为“SNCR(炉内) + 半干法脱酸+ 干法脱酸+ 活性炭吸附+ 布袋除尘”(2008 年建成的柏林Vettenfall 项目即采用该工艺)，这一工艺流程简捷、投资运行成本可控，而且可完全满足欧盟标准。

3 国内生活垃圾焚烧烟气处理现状

中国的垃圾焚烧发电厂近几年呈现爆发增长，但在烟气的处理技术上，存在发展不平衡的现象。一些老式的或小型的垃圾焚烧发电厂，烟气处理工艺比较落后，尽管有的经过改造，还是不能保证稳定达标排放。近年来新建的或在建的大型垃圾焚烧发电厂，烟气处理技术大幅度提升，目前使用较多的是“SNCR 脱硝+ 半干法+ 干法+ 活性炭吸附+ 袋式除尘器”工艺，同时为了适应未来环保要求，大型生活垃圾焚烧发电厂自提污染物控制水平，采用“SNCR 脱硝+ 半干法+ 干法+ 活性炭吸附+ 袋式除尘器+ SCR”，有效地控制烟气污染物的排放。

由于国内的垃圾没有经过分拣，成分复杂，而且不同季节垃圾的成分不同，可能在垃圾焚烧管理上还存在不到位现象，导致烟气超标排放;同时焚烧系统在出现故障时，烟气的初期排放管理不严，也会出现超标排放现象。烟气处理系统运行中，譬如高速旋转雾化器经常出现堵塞等故障，导致半干法不能正常工作，而且有些处理设施的备用设备通常没有，类似的情况导致烟气排放经常不达标。在政府的监控管理上，也存在不到位现象，由于监测的频率不高，同时如监测二噁英的昂贵仪器的缺乏，导致不能对垃圾焚烧厂进行有效的监督。因此中国的垃圾焚烧烟气处理水平还有待提升以满足公众对于自身健康和保护环境的诉求。

4 生活垃圾焚烧烟气处理存在问题

(1) 中国的垃圾焚烧设备大都从国外引进，而国外的垃圾普遍经过分类处理，可燃物含量高，有害物质如重金属含量少，因此国外的垃圾焚烧设备比较适用于热值高的垃圾，对于国内的低热值、高水分的垃圾焚烧存在适应性差的问题;按引进的国外参数进行管理，引起垃圾焚烧的不完全而导致烟气污染的加重。另外，由于国内垃圾多为混合垃圾，且垃圾成分存在地区差异大，季节性差异大等因素，致使焚烧运行不平稳，烟气处理水平的波动大。

(2) 发达国家的生活垃圾分类水平高，一般可回收的垃圾都经过分拣，如塑料与一般的垃圾会分开，因此焚烧垃圾中的塑料含量较低，而国内的生活垃圾含有大量的塑料，如含氯的PVC 等，在焚烧过程中会形成HCl、二噁英类等，导致酸性气体超标排放的机率增加。

(3) 焚烧设备选型、余热锅炉温度控制、烟气处理控制等影响烟气稳定达标排放，特别是各单元温度控制与二噁英控制技术需优化进一步提升。

5 建议与前景

为了解决目前社会公众关注的垃圾焚烧烟气排放的敏感问题，适应新形势下对污染治理高要求的发展趋势，提升公众对垃圾焚烧的认识。根据采用焚烧技术、烟气处理工艺、以及烟气达标排放情况，整合设备选型、运营控制参数，需进一步优化垃圾焚烧发电和烟气处理工艺与控制技术;并结合烟气处理设备故障时，研究事故排放时对环境影响最小的情景。摸索和总结适用于各焚烧发电厂基于设备选型的工艺控制与烟气处理优化的运营方案，从而实现垃圾发电污染控制技术示范和烟气稳定达标排放，以促进企业实现资源回收、经济效益、环境效益，对生活垃圾焚烧发电建设与运行具有极为重要的现实意义。

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