垃圾焚烧中抑制二噁英二次生成的方法探讨

李秀莉

(湖南永清环保研究设计院,长沙410005)

垃圾焚烧可实现城市垃圾减量化,是目前最有效、经济的垃圾处理技术之一,不过如果焚烧工艺不当烟气的排放会含大量极毒的二噁英,目前从生活垃圾焚烧厂排放出来的二噁英已经占某些国家二噁英排放总量的相当大的比例,严格控制垃圾焚烧中二噁英产生是十分重要的。

生活垃圾在焚烧过程中的二噁英的生成机理相当复杂。首先生活垃圾中本身就含有微量的二噁英,由于二噁英具有热稳定性,尽管大部分在高温燃烧时得以分解,但仍会有一部分在燃烧以后排放出来。其次,在燃烧过程中由前体物生成二噁英,包括聚氯乙烯、氯代苯、五氯苯酚等含氯前体物,在燃烧中前体物分子通过重排、自由基缩合、脱氯或其他分子反应等过程会生成二噁英,虽然这部分二噁英在高温燃烧条件下大部分会被分解,但还是有一小部分会随烟气排出。另外,当燃烧不充分烟气中含过多的未燃烬物质时,已经分解的二噁英残余物在锅炉尾部300～500℃的温度环境遇到某些触媒物质(主要为重金属,特别是铜等)将会重新生成二噁英,因此为了减少二噁英的排放,除了控制燃烧过程使其完全分解外,还要避免二噁英在低温区的再次合成。

目前垃圾焚烧项目的主流技术都采用炉排炉作为焚烧主体,焚烧后炉排炉产生的高温烟气进入余热锅炉第一通道(二燃室)放热,为了保证二噁英的充分分解锅炉的设计要求控制合适的烟气流速及温度,保证烟气在第一通道内850℃以上的高温段停留2 s以上,充分分解二噁英。按通常的换热方式设计的换热余热锅炉,烟气经过的第二、三通道采用水冷结构(内壁不敷设耐火材料),第四通道至对流蒸发屏末端的侧墙采用水冷壁结构,烟气在经过省煤器区域排出锅炉,烟气温度200℃左右;由于烟气从500℃降到300℃的过程中没有采取使之急冷的有效措施,导致二噁英再次生成,尽管在后续的烟气处理过程中喷入活性碳可以保证烟气中二噁英能够达标排放,但是飞灰中二噁英的浓度将很高,给飞灰处理带来困难。况且,二噁英的检测周期较长(通常三个月采样一次,每次检测则需要1～2星期),也不可能随时监控及时控制二噁英的排放。

为了避免二噁英的再次生成,可以考虑让余热锅炉出口烟气以一种直接换热的方式进行急冷。改进方案将余热锅炉排烟提高至500℃,从锅炉中排出后立即被送入速冷塔,在速冷塔中直接喷入雾化水与烟气进行快速热量交换,冷至300℃出塔。出塔烟气可用作一、二次风空气预热器(将空气预器设为烟气—空气预热器)的热源。

以某城市垃圾为例,其低位发热量4 800～7 500 kJ/kg,元素分析如表1。经计算,燃烧每1 kg垃圾需要空气量2.65 m3,产生烟气量3.41 m3。某城市垃圾的元素分析结果见表1,进入急冷塔的烟气成分见表2。

表1 某城市垃圾的元素分析 %

表2 烟气成分 %

计算结果表明,每1 kg垃圾燃烧产生的烟气从500℃降至300℃,需喷水0.35 kg水,冷却水汽化后混入到烟气中,降温后出急冷塔的混合烟气体积变为3.85 m3,烟气主要成分如表3。

表3 烟气成分 %

出急冷塔烟气进入空气预热器,可将燃烧所需空气从22℃升温至230℃左右,同时烟气的温度被降至160℃左右,此部分烟气再进入后续脱酸及除尘系统进行烟气净化处理,与原来的200～250℃相比,由于温度较低,后期的脱硫效率也可以有很大提高。

采用原来的工艺500℃的热烟气在余热锅炉中降至200℃,每 1 kg垃圾燃烧产生的烟气量为3.41 m3,500℃烟气焓值742 kJ/m3,200℃烟气焓值284.5 kJ/m3,每1 kg垃圾燃烧产生的烟气从500℃至200℃放热1 559 kJ。烟气在空气预热器中放出热即为出入空气预热器烟气热焓差 ,如果忽略散热损失时,那么出入急冷塔热量守衡,进入空气预热器热焓即为入急冷塔烟气和水的热焓总和。由于喷水前 500℃烟气焓值为 742 kJ/m3,烟气量3.41 m3;喷水0.35 kg,水的平均热焓80.9 kJ/kg;喷水降温后160℃烟气焓值为229 kJ/m3,出急冷塔的混合烟气体积为3.85 m3,通过计算可以得到,每燃烧1 kg垃圾进入空气预热器的热焓为1 675 kJ,大于原来方法的1 559 kJ,烟气的余热在喷水降温的方案中还是可以得到有效利用。

垃圾焚烧处理技术,可从工艺上进行改进,缩短烟气在500～300℃的急冷时间,抑制二噁英的二次生成,再结合后续的烟气处理,使排入大气的烟气二噁英浓度达到排放标准且尽可能降得更低,既进行了垃圾的减量化无害化处理,又不对人们健康造成损害。