简述几种农村生活垃圾处理烟气净化工艺，对比分析各工艺之间的技术经济性。以广西某乡镇生活垃圾处理站为例，基于其使用的生活垃圾热解气化处理技术，结合检测数据分析该烟气处理工艺的合理性和优劣性。最后，对该工艺提出相应的优化方案，为此后类似项目提供技术应用指导。
关键词：农村生活垃圾；热解气化；烟气净化；工艺；
1 垃圾处理站概况
广西某乡镇生活垃圾处理站收集该乡镇和旅游景点及县城部分区域的生活垃圾，以实现生活垃圾无害化处理为目的，配置一台一体化热解气化炉设备，垃圾处理能力为20t/d，配套了较简易的“烟气降温+活性炭吸附+布袋除尘”烟气净化设备。
该厂入场生活垃圾量受当地收运体系及风俗文化习惯影响较大，据统计，平均每天入场垃圾量约20~25t，如按照年运行时间要求大于8000h计，则年处理垃圾量约6670t，年产生灰渣量约600t，年排放烟气量约1.39×107Nm3。根据类似项目垃圾成分分析，该地区混合生活垃圾含水率为41.75%~56.08%，平均热值约4370kJ/kg。该乡镇生活垃圾处理站工艺流程如图1。
图1 广西某乡镇生活垃圾处理站工艺流程图
2 垃圾处理烟气污染物种类
国内农村生活垃圾未经分类，且构成成分复杂，主要以有机物和无机物为主，其中有机类占垃圾总量的38.44%，无机类占41.16%，可回收类占18.67%，有害类占1.73%；各类物质湿基质量累计百分比达到83.61%。生活垃圾进行热处理后产生大量的烟气，其中，四大类物质 (N2、O2、CO2、H2O) 约占烟气总量的98%。其余有害污染物包括： (1) 颗粒物：粉尘、PM1-10颗粒物、金属盐颗粒物等； (2) 酸性气体：CO、SOX、NOX、HCl、HF等； (3) 重金属类：汞、铊、镉、锑、砷、铅、铬、钴、铜、锰、镍、锡及其化合物等； (4) 其它：二噁英类、未完全燃烧的烃类化合物、芳香族含氧化合物、芳香族多环衍生物、含氮或硫的杂环化合物等。
3 垃圾处理烟气净化工艺分析
3.1 烟气脱酸处理
3.1.1 酸性气体去除
在生活垃圾热解气化处理烟气中，其酸性气体主要包含CO、SOX、NOX、HCl、HF等，而该类烟气常见的脱酸处理方法为干法、半干法和湿法三种，主要除去烟气中大部分的SOX、HCl和HF气体，其工艺技术经济性比较见表1。
干法：是直接利用空气将消石灰 (Ca(OH)2粉末) 通过喷射器喷入烟气中，使其发生反应，达到脱酸的目的。为提高脱酸效率和Ca的使用率，生产工艺中，往往采用使消石灰与烟气充分混合从而增大接触面积及反应发生时间、选用Blaine比表面积较大的消石灰、增加多循环吸附塔等手段。脱酸反应后生成固态的Ca(OH)2、CaCl2、CaSO3、CaF2等物质，后端工艺配置相应的布袋除尘器，将其过滤并收集。相较于其它工艺，干法具有工艺简单，设备投资低，工人操作困难系数低，干态产物可直接处理等优点，但由于其脱酸效率和Ca的使用率低，导致消石灰的使用量一定程度增加。
半干法：利用生石灰 (CaO) 或消石灰作为原料，并将其制备成石灰浆液，雾化后喷入烟气中，使其与酸性气体发生反应达到净化效果。相对于干法而言，半干法脱酸对操作水平要求较高，且实际控制参数尤其重要，脱酸塔设备的进出口温度将直接影响着浆液中的水分是否被蒸发及反应生成物是否以固态形式排出。此外，反应停留时间、吸收剂的粒度、浆液雾化喷射效果等也都直接影响着半干法的脱酸效率。半干法介于湿法与干法之间，具有脱酸效率高，投资成本较低，吸收剂使用量较低等特点，在实际工程中被广泛使用。
湿法：将碱性溶液直接喷入洗涤塔内，气液两相直接接触并发生反应达到脱酸的效果。由于是气液反应，其脱酸反应速度快、效率高、吸收剂利用率高。在国内，湿法脱酸大多运用于大型燃煤电厂烟气脱硫处理，而在生活垃圾热处理烟气净化中运用极少，原因大致为：生活垃圾热处理产生烟气中含硫量远不及燃煤电厂；湿法脱酸虽效果好，但工艺复杂，配套设备较多，投资成本高；产生的废水需另配套处理系统；并容易产生“白烟”现象。
表1 常见几种生活垃圾热处理后产生的烟气净化工艺技术经济性比较
综合对比：虽然干法工艺相对于湿法和半干法而言脱酸效率较低，但因其工艺简单，对操作水平要求相对较低，且投资和运行费用明显低于湿法和半干法工艺；末端干态产物处理更容易，整个工艺中不产生废水和“白烟”现象等问题，能有效的避免二次污染。
由于农村生活垃圾分散式集中处理项目大多地处偏远、项目投资较低，且设备使用环境条件较差，工人操作水平较低；加上设备运行维护较困难，一旦设备运行出现故障很难及时得到解决。所以在实际项目中，选用工艺简单、操作要求较低及稳定性好的烟气处理工艺更能保证项目长期稳定运行。结合以上对比，干法脱酸在该类型案例中的适用性，可能更占据较大的优势，且容易被广泛推广使用。
3.1.2 NOX控制
生活垃圾中含有较多的含氮物质，经热处理后生成大量NOX，而NOX作为《生活垃圾焚烧污染控制标准》的重要控制指标。在国内，该烟气中NOX控制主要采用低氮燃烧控制技术和选择性还原法脱硝技术 (SCR、SNCR) 进行解决，本次结合案例情况，主要针对低氮燃烧控制技术进行简要介绍。
农村生活垃圾热解处理大多使用立式炉型+二燃室的方式，垃圾在热解气化炉中，缺氧条件下发生多层级的燃烧，垃圾依次进行干燥、干馏、热解和燃烧等过程，产生的烟气夹杂着可燃性物质 (CO、H2、焦油) 在二燃室中富氧燃烧。该过程中的缺氧燃烧条件加上合理控制垃圾热解的温度，能有效控制燃料氮转化为挥发分氮。而对于多层级和分段燃烧，研究显示，空气分级燃烧和燃料分级燃烧在工业锅炉低氮燃烧技术对NOX的控制有着显著的效果，氮氧化物浓度可降低达30%。项目实践也证明，充分利用低氮燃烧控制技术可有效的控制NOX排放<300mg/Nm3。
3.2 二噁英类控制
在生活垃圾热处理过程中，二噁英类的形成受众多因素影响，其生成机理极其复杂，至今未有明确的结论。目前据研究显示，烟气中二噁英类的形成过程主要包含高温生成、从头合成、前驱物生成和低温逆合成等。张刚通过对垃圾焚烧运行参数 (炉温、锅炉出口温度、布袋出口温度、烟气流量、O2和H2O) 和常规污染因子 (CO2、SO2、NOX、HCl、CO、烟尘、HF和NH3) 与二噁英的关联展开研究，研究结果发现：在一定条件下，炉温、锅炉出口温度、布袋出口温度、含水量、CO2含量、SO2含量、HCl与二噁英的排放存在一定的线性相关关系，而烟气流量、氧含量、NOX浓度、CO含量、烟尘含量、HF和NH3则不存在线性相关性。Mi Yan等通过实验研究显示，飞灰中氯苯的形成随含氧量的增加而显著增强，为了减少有机污染物的形成和排放，在保证有效燃烧条件下，控制过量氧含量在10%以内可以遏制二噁英的生成。
结合以上研究，通过控制二噁英生成的影响因素可以有效减少烟气中二噁英类物质的产生。目前，在垃圾热处理过程中，为有效遏制二噁英的生成对环境产生影响，普遍采用生成过程控制和末端治理两种方式。“3T+E”控制工艺作为燃烧过程控制的重要手段，是有效控制二噁英产生所必不可少的方法。即： (1) 控制焚烧炉和二燃室温度不低于850℃； (2) 控制烟气在炉膛和二燃室内的停留时间不小于2s； (3) 保证燃烧过程中的湍流程度足够大； (4) 控制燃烧过程中的过剩空气量。此外，根据炉型和整体工艺的设计需要，配置相适应的二燃室，使烟气在二燃室中高温富氧燃烧，烟气中的污染物也能够有效的得到分解；在工艺中采取烟气急冷措施 (增设冷却塔) ，缩短烟气在500~200℃温度区间的停留时间，可有效减少二噁英类物质的逆向合成；对于部分气态和附着在飞灰表面的二噁英类物质，选用碘吸附值大于1000mg/g的粉状活性炭，利用其多孔性和吸附特性，可吸附烟气中的二噁英及重金属等，吸附后的活性炭被布袋除尘器进行过滤拦截，收集后与飞灰进行集中处理。
3.3 重金属的去除
在生活垃圾热处理烟气中，重金属的迁移分布受其自身特性、垃圾组分、垃圾性质、运行工况等因数影响。烟气中重金属主要以气态或吸附态形式存在。研究显示，部分沸点很高的金属元素主要以化合物的形式存在于灰渣中，仅有小部分富集于飞灰表面；而沸点较低的金属在烟气冷却降温过程中，当其温度低于自身及其化合物的冷凝露点时，将凝结成小颗粒状物质富集在飞灰中；剩余的金属则以气态形式存在于烟气中。
在实际工艺中，金属及重金属的去除方法大多采用喷射吸附剂和尾气洗涤的方式，利用吸附剂 (活性炭、高岭土、矿物质粉) 的吸附特性将其吸附形成颗粒物并被布袋除尘器拦截，或利用湿法或半干法喷淋去除水溶性较强的重金属物质。目前，垃圾处理烟气中则大多采用“半干法+活性炭吸附+布袋除尘”的组合工艺进行处理，处理后的烟气均能满足《生活垃圾焚烧污染控制标准》GB18485-2014排放要求。
3.4 颗粒物的去除
目前，对于垃圾热处理烟气中颗粒物的去除，一般采用静电除尘和袋式除尘两种方式。
相对于电除尘而言，因布袋除尘器具有高效除尘、抗腐蚀性好、投资低、运行维护方便等特点。且近年来国内布袋制造技术和工艺得到迅猛发展，其耐温耐腐蚀、高强低伸、低阻高效、使用寿命等性能得到很好的提升，各类新型 (改性) 覆膜滤袋得以发展并在工程中得到运用，除尘效率≥99.8%，可实现颗粒物排放小于10mg/Nm3。
另外，根据《生活垃圾焚烧处理工程技术规范》CJJ-2009中要求，烟气净化系统必须设置袋式除尘器。结合整体工艺设计，选用布袋除尘器的作用不仅仅在于除去烟气中原有的颗粒物。因前端喷射的吸附剂可吸附烟气中的重金属及二噁英类物质，再利用布袋除尘器对粉尘进行有效拦截，可大大提高烟气的净化效果。
4 该厂烟气处理工艺分析
该厂生活垃圾无害化处理采用热解气化技术，烟气处理工艺采用“二燃室+换热器+活性炭吸附+布袋除尘器”，该技术采取低氧燃烧+分段燃烧手段，实现了生活垃圾的无害化及减量化处理，且烟气排放达到国家要求。
经由烟囱取样口采样，样品检测分析得出烟气中二噁英类物质的浓度如表2所示。
表2 该厂烟气二噁英采样条件及排放浓度
烟气中其它各项污染物经检测分析，各参数如表3所示。
表3 该厂烟气各项污染物的排放浓度
根据图1中工艺流程并结合案例本身可以看出，该烟气处理工艺设计不能满足最基本的技术要求，并存在工艺不完善、设计简单、设备配置简易、未实现热能回收利用、自动化程度低等特点。设备配置简单、选型不合理等因素且造成设备长期超负荷运行，引起设备运行频繁出现故障、不能有效保证工艺参数，从而导致烟气排放不稳定。
单从二噁英取样条件和检测数据来看，烟气排放出现波动性较大，二噁英类污染物的排放指标不稳定。部分原因归结于垃圾未破碎、入炉物料不均匀且成分复杂，从而引起燃烧工况不稳定；而另一部分原因与活性炭的选型及投加量也存在关系，实际工艺操作中，活性炭的投加量仅在150mg/m3左右。
在该工艺中，未采取严格的脱销脱酸措施前提下，根据酸性气体 (SO2、CO、HCl) 的检测数据可以看出，其检测值远小于污染物限值 (1h均值) ，而且同类项目的检测结果均与此相似。结合该工艺与焚烧工艺对比分析，说明低氧燃烧和分段燃烧控制对污染物的产生量起到较明显的作用，尤其是NOX的排放检测指标长期稳定小于300mg/m3。
工艺中采用的活性炭吸附和布袋除尘器过滤拦截对重金属及颗粒物的去除起到明显的作用，其排放检测值均达到污染物限值要求。
5 烟气处理工艺优化
针对原工艺中存在工艺不完整、设备配置不齐全、未实现热能回收利用等问题，本次对工艺进行如下优化：
选用钎焊热管式余热回收装置将出口烟气温度降至240~180℃，同时每小时可产生80℃、12.5t高温水或0.4MPa、152℃、1.3t饱和蒸汽，产生的蒸汽或热水可为配套工程提供热源，用于医疗垃圾的高温杀菌或餐厨垃圾的生物发酵，也可实现区域内的部分供热供暖问题，达到资源化利用的目的。
烟气采用干法脱酸工艺，消石灰通过喷射装置定量投加到烟气中，本工艺中Ca (OH)2的投加量可控制在300~500mg/m3，在吸附塔中使其与烟气充分混合并发生反应，吸附塔底部设置出料口。
选用粉末状活性炭作为重金属及二噁英类的吸附剂，活性炭碘吸附值应大于1000mg/g，其投加量可控制在150~200mg/m3，喷射装置安装于布袋除尘器前端管道上，利用管道内烟气自身流动与其混合并吸附其中的污染物。
选用脉冲式布袋除尘器进行除尘过滤拦截，材料可选PTFE覆膜布袋，最高耐温240℃，透气率为30~50m3/m2.min，布袋设计流速0.8~1.0m/min，出口颗粒物排放浓度小于20mg/Nm3。
6 结束语
目前，我国生活垃圾焚烧烟气处理工艺已相对成熟，各种组合工艺在工程中也得以运用。在具体实施中，我们更应切合实际项目情况，结合烟气净化效率、投资成本、运行维护等因素综合分析，选择适合本项目的烟气处理工艺。本文中经工艺分析和优化后，建议类似农村生活垃圾处理项目中的烟气处理采用“干法+活性炭吸附+布袋除尘”的组合工艺。该工艺技术成熟、投资成本低、操作简单、可有效避免二次污染的产生，且能长期稳定运行并达标排放。
原标题：基于农村生活垃圾热解处理中的烟气处理工艺选择及优化
