排放气体的处理优化方法

城市垃圾焚烧炉排放的烟气中，含有飞灰、HCl、SOx、NOx、重金属和二恶英类（PCDD/Fs）等微量成分（见表4-11）。PCDD/Fs及其前驱物主要产生于焚烧炉内的燃烧过程，降低PCDD/Fs排放的基本措施就是减少它们在燃烧过程中的生成量以及燃烧后的“从头”合成量。PCDD/Fs虽然极其微量（见表4-12），但是由于其毒性剧烈，所以必须用烟气净化设备高效率地加以脱除。

表4-11　城市垃圾焚烧炉产生的原始有害物质浓度［13，14，29］

重金属水银主要来自混在城市垃圾中的废干电池、体温计、日光灯等。在垃圾燃烧过程中，水银几乎全部挥发到燃烧生成的烟气中，排放烟气中一般能检测出0.1～0.5mg/Nm3（平均为0.2mg/m3）的水银。尽管各个国家都对废干电池进行回收以减少水银的排出量，但是仍需要用烟气处理设备加以脱除。

垃圾焚烧炉烟气的净化方法大致分为干法和湿法两类。它们各有优点，由于世界范围内水资源的紧缺，无需排水处理的干法更受重视。干法用于酸性气体处理时，进一步可分为半干法和干法。对于城市垃圾焚烧炉排放的烟气，通常使用不需要排水处理的干法进行处理。这是由于干法除了能够有效而经济地脱除飞灰、氯化氢（HCl）、硫氧化物（SOx）、氮氧化物（NOx）、重金属、二恶英类（PCDD/Fs）等以外，还具有设备体积小，占地面积少，设备运行、维护容易，不发生二次污染等优点。

无论是干法还是湿法，一般都是利用除尘器脱除烟气中的飞灰、重金属、二恶英等。利用消石灰等脱污剂通过反应吸收法脱除酸性气体；而NOx则通过以氨为还原剂的催化脱硝法去除（向炉内喷入氨或尿素的选择性非催化脱硝法也有效）。此外，从脱除二恶英方面考虑，过滤反应除尘器在国内外日益得到广泛普及，而且对设备的小型化要求也将越来越高。

1.酸性气体和水银的脱除效果

通过向烟气中喷射消石灰，可脱除HCl等酸性气体。过去为了脱除这些酸性气体，通常是袋式除尘器前段或后段设置反应装置，而近年则采用在前段注入反应吸收剂，将这些酸性物质截留在滤料上，在滤料上设有用反应助剂（氧化铝粉、石棉绒、高铝矾土等）形成的保护层。从这个意义上讲，布袋除尘器不但是除尘装置，也是反应装置。图4-20描述了袋式除尘器的反应除尘原理。

图4-20　袋式除尘器预涂层除尘净化原理［29］

对于用消石灰脱除酸性气体来说，图4-21表示消石灰当量比α［投入的Ca（OH）2摩尔数与理论上脱除HCl和SO2所需的摩尔数的比值］和HCl脱除率的关系。HCl脱除率依赖于当量比α，当量比为2时，HCl脱除率为80%，而当量比提高到3～4时，HCl脱除率可达95%。

图4-22表示脱硫效果。反应除尘法不但有非常高的除尘效率，并且对SOx也有很高的脱除效率。这是由于消石灰与HCl反应生成的氯化钙（CaCl2）容易吸收SO2，推动了脱硫反应进行的结果。

图4-21　反应除尘中的HCl脱除效果［29］

图4-22　反应除尘中的脱硫效果［29］

城市垃圾焚烧炉的排放烟气一般含有0.1～0.5mg/Nm3（平均为0.2mg/Nm3）水银，瞬时值有时超过1mg/Nm3。烟气中所含水银约90%以HgCl2形式存在，主要形态是蒸汽或附着在飞灰上。图4-23表示排放气体温度与水银脱除率的关系。从图4-23可以看出，水银脱除率随着排气温度的下降而提高，并且当排放气体温度低于150°C时，其脱除率可达90%以上。虽然焚烧炉排放烟气中的水银浓度极为稀薄，脱除率仍可达90%以上。这说明水银不仅能通过凝聚，也能通过反应除尘装置中的粉尘堆积层的吸附被脱除。

图4-23　水银脱除率与排放烟气温度的关系［29］

NOx的处理，由于我国的经济实力和技术水平的限制，在一般的发电厂尚无脱NOx设备，而垃圾焚烧设备的燃烧温度很低，NOx排放较低，因而在近期上脱硝设备的需求不大。读者若要详细了解关于脱硝方面的知识，请阅读有关书籍［29］。

2.二恶英的脱除

降低二恶英的排放浓度，仅靠完全燃烧很难达到欧美国家的规定值0.1TEQ-ng/Nm3的要求，由于从余热锅炉出口到烟囱之间通过“从头”合成也可以生成PCDD/Fs，有必要采取“急冷”措施降低“从头”合成的PCDD/Fs量和设置高效的排放烟气处理装置脱除PCDD/Fs。降低PCDD/Fs的方法有降低进入除尘器的温度（300°C以下）、使用布袋除尘器、喷射活性炭吸附等。如表4-13所示，日本一垃圾焚烧炉排放烟气处理装置，该装置装备了气体冷却室、布袋除尘器、催化剂脱硝装置（SCR），该装置进口的二恶英浓度为0.92～1.55TEQ-ng/Nm3，而在装置出口的浓度则降低到了0.03～0.08TEQ-ng/Nm3，完全达到了日本对新建焚烧炉的排放要求（0.1TEQ-ng/Nm3）。通过降低布袋除尘器进口排放气体的温度（150～180°C），可以明显提高二恶英的脱除率（见图4-24）。

表4-13　袋式除尘器烟气处理装置的二恶英测定结果［29］

注测定点，除尘装置的进口和出口；烟气温度，200°C；单位，ng/Nm3；O2，12%；飞灰，ng/g，系指除尘器捕集下来的飞灰；ND表示未检出。

3.清华大学垃圾焚烧炉脱酸除尘技术简介

图4-25是清华大学热能系应用于垃圾焚烧的烟气脱硫除尘系统图（ZL 00243229.3）。

图4-24　布袋除尘器的PCDD/Fs排放浓度以及脱除率和温度的关系(www.xing528.com)

图4-25　清华大学热能系垃圾焚烧尾气处理系统示意图

1—焚烧炉；2—干式除尘器；3—脱酸洗涤塔；4—脱雾洗涤塔；5—沉淀池；6—澄清池；7—加药池；8—石灰消化器；9—循环泵；10—引风机；11—烟囱；12—旁路烟道；13—清洗液喷淋头；14—折流堰；15—溢水槽

由焚烧炉1出来的烟气经过干式除尘器2，进入脱酸洗涤塔3，脱酸洗涤塔内有一个渐缩然后膨胀的喉部，喉部对气流有加速作用，在喉部及转弯处布置有清洗液喷口13，并且在水平通流部分加有折流堰14，加强烟气与清洗液的混合接触。反应后的烟气流过脱雾洗涤塔4，脱雾洗涤塔4的结构为两个旋风分离器并联，在脱雾洗涤塔的内壁上开有溢水槽15，溢水槽15的结构为内凹的三角形槽，使水沿槽流入下面的沉淀池5中。沉淀池中的水经过沉淀后，流入澄清池6进一步澄清，最后流入到加药池7中，与通过石灰消化器8加入的生石灰CaO混合，形成碱性清洗液，经泵送回脱酸塔，实现水的循环利用。旁路烟道12用于提高经过脱雾除尘塔后的烟气温度，防止烟气中水分冷凝产生水滴冲击引风机叶片，旁路烟气量可根据运行情况酌定。经过本装置处理后的北京朝来农艺园垃圾焚烧厂（150t/d）排放指标如表4-14所示。

由于湿法脱酸除尘，导致水中富集二恶英及其它污染，不便处理，产生二次污染，笔者在长春垃圾焚烧发电厂的尾气处理中采用了蒸汽活化石灰脱污除尘的方法（见图4-26）。从垃圾焚烧炉排放出的原始烟气，首先进入由改进的陶瓷多管构成的粗除尘器进行粗除尘，粗除尘后的烟气进入活化反应塔，烟气中的酸性气体与喷入活化反应塔的活性脱污剂发生反应，酸性气体被吸收，吸收了酸性气体的乏脱污剂随烟气经布袋除尘器后被脱除，实现了脱污的目的。为了进一步降低PCDD/Fs和重金属的排放，向活化反应塔中同时喷入活性炭。

对于医疗垃圾焚烧炉，由于排放标准更加苛刻，笔者在清华大学开发了布袋除尘器、活性炭吸附塔和填料塔脱除酸性气体的工艺（见图4-27）。从焚烧炉排放出的原始烟气首先进入活性炭喷射装置，按50～150mg活性炭/Nm3烟气的比例注入活性炭，吸附烟气中的重金属和PCDD/Fs等，然后进入布袋除尘器，飞灰、重金属、PCDD/Fs等被脱除，经过除尘后的烟气进入湿式填料洗涤塔，进一步脱除酸性气体，经洗涤后的烟气进入烟气再热器再热，然后排放至烟囱。

4.国外垃圾焚烧尾气处理介绍

国外常用的垃圾焚烧尾气处理方法有干法、半干法和湿法。

（1）干法。例如德国的Geiselbullach垃圾焚烧处理厂，该厂有3台焚烧炉，每台焚烧炉的垃圾处理能力为6t/h，其中1983、1986年建的2台锅炉装有干法清洗系统。图4-28是该生产线的一个侧视图。焚烧炉排放出的原始烟气进入干法反应器脱污后，直接进入布袋除尘器，净化后的烟气经引风机排放入烟囱。该厂焚烧炉释放的烟气经干法处理后典型排放结果为：HCl 30～40mg/Nm3，HF 0.1～0.2mg/Nm3；SO2 60～70mg/Nm3。干法处理的特点是，整个过程都是干的，不含水分，由于不含水，因而烟囱和设备腐蚀较弱。缺点是对汞的吸收效果不佳，除尘器捕集下来的飞灰中含过剩的吸收剂。

表4-14　北京朝来农艺园垃圾焚烧厂常规污染物及PCDD/Fs的检测

①欧共体标准，国标尚未规定。
②N.D—低于检出限。
所有数据均已换算到11%O2的国家标准状况下。
测试标准符合《生活垃圾焚烧污染控制标准》GB18485-2001。

（2）半干法。半干法与干法有很多相似的地方，其不同之处在于，在反应器内喷入的不是干态氢氧化钙，而是喷入浆状消石灰，半干法氢氧化钙的消耗量小于干法，化学当量比仅为1.2～1.5，而干法的化学当量比为1.5～3。从1986年开始，Josefstrasse垃圾焚烧厂使用了半干法进行烟气处理，采用的设备为Niro半干法吸收器，见图4-29。焚烧炉排放出的烟气首先进入半干法烟气净化系统，烟气中的酸性气体与石灰乳发生反应，烟气然后进入电除尘器。该套烟气净化设备设置了选择性催化还原（SCR）降低NOx，因而从电除尘器中排放出的烟气必须加热到250～350°C，以利于在催化剂的作用下发生如下反应为

图4-29　Josefstrasse垃圾焚烧发电厂半干法处理流程示意图［13］

1—焚烧炉；2—废热锅炉；3—半干法烟气净化器；4—电除尘器；5—脱NOx反应器；6—引风机；7—烟气预热器；8—烟囱；9—水；10—石灰乳；11—氨罐；12—蒸发器；13—氨计量系统；14—辅助燃烧加热系统

为提高进入脱NOx反应器中烟气的温度，设置了辅助燃烧加热系统。进入第一个反应器的烟气温度为200～250°C，离开系统后的温度为125～130°C。通过在线测量净化后及原始烟气中HCl和NOx的浓度，确定石灰乳的喷浆量以及喷氨量，达到有效脱污的目的。典型的运行数据见表4-15，焚烧炉排放烟气经过净化后有害物质浓度见表4-16。

表4-15　Josefstrasse垃圾焚烧发电厂运行参数［13］

表4-16　Josefstrasse垃圾焚烧发电厂烟气有害物质排放浓度［13］

（3）湿法系统。湿法使用烟气清洗的组合系统，飞灰通过布袋除尘器或者电除尘器脱除，经过除尘器后大量的重金属被除尘器捕集。表4-17为典型的静电除尘器飞灰中重金属含量（按每吨垃圾计）。

表4-17　静电除尘器飞灰中重金属含量［13］

图4-30为Bonn垃圾焚烧厂流程及湿法脱污示意图，在焚烧炉850～1000°C的炉膛部位喷入氨气进行式（4-11）的脱NOx反应。焚烧炉排放烟气进入电除尘器，除尘后烟气进入湿法洗涤塔，洗涤塔内部按烟气流向可分为：①急冷段，烟气被冷却和饱和；②酸洗段，HCl和HF被吸收；③中和洗涤段，通常用苛性钠，吸收硫氧化物；④微尘和气溶胶吸收段。经洗涤塔洗涤的烟气进入烟气再热器，然后进入布袋除尘器，最后排放至烟囱。对于焚烧炉内未反应的氨，经洗涤后形成NH＋4，溶入洗涤废水中，将洗涤废水中加入Ca（OH）2，使pH值到达11，这样废水中的氨又可释放出来，经脱氨的废水进入干燥器，在从炉膛引出的一部分烟气作用下干燥。