北京市生活垃圾焚烧现状及二恶英排放减排建议

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垃圾焚烧有望成为北京市生活垃圾主要的处置方式,分析了北京市生活垃圾焚烧现状和生活垃圾焚烧厂二恶英排放情况,并对垃圾焚烧产生的二恶英总量提出科学可行的减排建议。


1 北京市生活垃圾焚烧现状与发展趋势


北京市生活垃圾焚烧行业近几年发展迅速,由生活垃圾年焚烧量和焚烧比例(见图1)可以看出,北京市生活垃圾年焚烧量由2008年的1.26×10 t增加到2014年的1.56×10 t,增加了12.4倍;焚烧比例由2008年的1.87%增加到2014年的21.36%,增加了11.4倍。到2016年,北京市生活垃圾年焚烧量预计将达到3.00×10 t。焚烧比例将达到40%。伴随着北京城市化进程的加快、生活垃圾产生量的逐年增加和生活垃圾热值的提高,焚烧技术将成为北京市生活垃圾首选的处置方式。


北京现已运行的生活垃圾焚烧厂有3座,包括高安屯、鲁家山、顺义生活垃圾焚烧厂。2016年投产运行的有3座,包括高安屯二期、海淀焚烧厂、南宫焚烧厂。开始建设的有阿苏卫生活垃圾焚烧厂。未来5~10a,北京市生活垃圾焚烧处理技术将达到发达国家水平。北京市垃圾焚烧厂都采用了机械炉排炉焚烧技术,其特点是进料垃圾前处理过程简单。而且北京市大部分垃圾焚烧厂具有发电能力,可为北京市民提供用电。北京市生活垃圾焚烧厂的基础参数指标如表1所示。



2 北京市生活垃圾焚烧二恶英排放水平


目前成熟的垃圾焚烧烟气净化技术主要有干法加布袋除尘器、半干法加布袋除尘器和湿法3种,其中半干法加布袋除尘器技术经济性和污染物去除效果都较好,是目前垃圾焚烧烟气净化应用最广的技术。北京市生活垃圾焚烧厂采用“半干法脱酸+活性炭喷射+布袋除尘+SCR脱硝”的烟气组合处理工艺,去除生活垃圾焚烧过程中产生的二恶英。表2给出了北京市2座大型垃圾焚烧厂烟气中二恶英浓度数值和年排放量数值。烟气中二恶英排放量与浓度的关系可用公式(1)和(2)表示。



生活垃圾焚烧产生的飞灰中也含有二恶英,与烟气相比,飞灰中二恶英的检测数据更少。研究表明,机械炉排炉焚烧飞灰中二恶英含量约为流化床焚烧炉的10倍,达到了6.7ng—TEQ/g。北京市生活垃圾焚烧每年要产生数万吨的飞灰,飞灰中二恶英的总量高,应当加以控制。


3 生活垃圾焚烧二恶英污染减排建议


3.1 焚烧前控制

研究证实,含氯有机物是形成二恶英的主要前驱体,含铜和含铁的物质在二恶英的生成中起着催化作用,因此在垃圾焚烧之前应当对垃圾进行前处理,避免含氯有机物和过渡金属进行混合焚烧,利于减少后续焚烧处理过程中二恶英形成。


3.2 焚烧中控制

1)添加抑制剂。在焚烧炉中添加氨、硫、尿素或其他抑制剂(抑制或减缓化学反应),可以抑制焚烧过程中二恶英的形成,二恶英生成量可降低90%。氨水和尿素是碱性物质,能够与形成二恶英的中间体酚类物质发生中和反应,阻滞了Ulman反应的发生,进而减少二恶英的生成。硫的存在可以消耗体系中存在的氯,阻止芳香取代反应的发生。同时硫可以与飞灰中的Cu发生反应,使CuO变成CuSO4,降低飞灰的催化活性。


2)控制反应温度。二恶英在垃圾焚烧过程中可以通过2种途径产生,一种是通过前驱体合成,即含氯的有机物前驱体或是不含氯的有机物前驱体与氯源,在500~800℃发生反应,生成二恶英;另一种是通过“de novo合成(从头合成)”,即含氯、氢、氧的物质,首先吸附在飞灰颗粒表面,在催化剂的作用下,在300oC发生反应生成二恶英。


根据生活垃圾焚烧标准,一般垃圾焚烧炉的设计要求是保证烟气在850℃及以上温度停留时间大于2 s,在实际焚烧过程中,可适当提高焚烧温度及停留时间,消除产生二恶英的反应条件。研究证实,在垃圾焚烧过程中,可以设置一个温度特别高的区域(1 200℃以上),且保证有效的停留时间,生活垃圾焚烧过程中几乎不产生二恶英前驱体,大大降低了后期的重新合成几率,抑制二恶英的生成。同时研究还发现,在温度高于1 200oC时,通过de novo合成反应生成的二恶英也会被迅速的分解掉,分解率可以达到99%以上。


3.3 焚烧后控制

1)烟气中二恶英的脱除。烟气中二恶英控制常采用的方法有活性炭吸附、选择性催化分解、碱性物质吸附等。

活性炭吸附是利用活性炭较大的比表面积吸附二恶英类物质,该种方法对二恶英的脱除效率能够达到95%以上。但是此方法活性炭消耗大,而且还需要对残渣进行处理。


选择性催化氧化一般用于燃煤发电厂脱NOx,但也用在城市生活垃圾焚烧厂脱除二恶英。研究表明,采用TiO2一V2O5一WO3催化剂在选择性催化还原装置中研究焚烧烟气二恶英物质的分解,结果表明,近90%的二恶英实现了分解转化。选择性催化氧化面临的最大问题是催化剂中毒,开发能够满足在烟气这种复杂条件下尚能工作的催化剂还需要进一步的研究。


碱性物质吸附处理烟气中的二恶英也比较常用,常采用的方法是两阶段式洗涤塔,在第1阶段喷入石灰石,消除HC1、HF等酸性气体,抑制二恶英的生成。第2阶段再喷入苏打、碳和专用添加剂来破坏形成的二恶英物质,但碱性物质吸附的方法尚不成熟。


2)飞灰中二恶英的脱除。热处理技术是比较常用的灰渣处理技术。将灰渣送人温度为1200℃以上的熔融炉内熔化,飞灰中的二恶英在高温下,被迅速的分解和燃烧。通过熔融处理后,一般二恶英的分解率能达99%以上。


研究表明,飞灰中添加金属氧化物抑制剂可以降低二恶英的排放,实验中将飞灰和各抑制剂混合后在280℃保持2h,具体效果见表3。这些物质对二恶英的抑制效果都达到了99%以上。



4 结论


随着北京城市生活垃圾产生量逐年增加,焚烧优势逐渐凸显,焚烧会成为生活垃圾处理的首选方式,2016年焚烧比例将会达到40%。北京市垃圾焚烧厂都采用炉排炉焚烧技术。生活垃圾焚烧排放大量的烟气和飞灰,二恶英排放总量多,应当采取措施加以控制。减少生活垃圾焚烧二恶英的排放总量,焚烧前做好细致的前处理工作,进一步改善焚烧炉的焚烧条件,控制反应温度和时间,添加反应抑制剂,对反应后产生的烟气和飞灰应当进行净化处理。