北京市生活垃圾焚烧处理现状及污染控制分析

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  摘要:本文综述了目前北京市生活垃圾焚烧处理的现状,介绍了机械炉排炉焚烧技术的特点和应用现状,分析了北京市生活垃圾焚烧污染控制保障机制。
  关键词:生活垃圾;焚烧现状;技术分析;污染控制
  Analysis on the Solid Waste Incineration Status and Pollution Control in Beijing
  Abstract:The status of domestic waste incineration treatment in Beijing was reviewed. The grate furnace solid waste incineration technology was briefly introduced. And the strengthening pollution prevention management was analyzed.
  Key words:municipal solid waste;incineration;technology analysis;pollution control
  通过建设垃圾焚烧发电厂来处理城市生活垃圾,可以大大减少城市生活垃圾的体积,消除垃圾中的有害细菌和病毒,破坏毒性有机物,焚烧过程产生能量可以回收发电,最大限度实现资源和能量的综合利用。
  1 北京市生活垃圾焚烧处理现状及可行性分析
  1.1生活垃圾焚烧处理现状
  一直以来,北京市生活垃圾处置方式以填埋为主。然而,由于土地资源短缺的矛盾日益突出,生活垃圾填埋场场地选择更加困难,垃圾填埋处理的成本也越来越高。据统计,2015 年北京市生活垃圾产生量达790.33万t,日均2.17 万t,城市生活垃圾的无害化、减量化和资源化已成为北京城市建设亟需实现的关键目标之一。近年来,垃圾焚烧技术凭借其优势在北京市得到了迅速的推广和使用,成为北京市生活垃圾处理的一种较好选择。垃圾焚烧处理的优点主要有:(1)减容效果好,可以使生活垃圾体积减少80%~90%。(2)消毒彻底,能彻底杀灭病原菌,并使垃圾中的有害成分得到完全分解。(3)后续处置对环境影响小,焚烧后的残渣有机物含量一般小于5%,填埋要求低,填埋处理不需使用覆土,填埋场负荷可进一步减小,因此,垃圾采用焚烧处理,对资源回收、减小垃圾填埋的负荷和填埋场环境污染具有显著效益。(4)可以实现资源回收利用,垃圾焚烧产生的热量可用于发电和供热。
  北京现已运行的生活垃圾焚烧厂有三座,包括高安屯、鲁家山、顺义生活垃圾焚烧厂。今年投产运行的有三座,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5~10年,北京市生活垃圾焚烧处理技术将会达到发达国家水平。图1给出了2008~2016年北京市生活垃圾焚烧比例的变换趋势。
  1.2生活垃圾焚烧处理可行性分析
  焚烧处理垃圾的关键在于垃圾的热值,当垃圾的低位热值≤3350kJ/kg时,焚烧需掺煤或烧油助燃。一般要求低位热值在4000kJ/kg以上,最好高于5000 kJ/kg。垃圾中各成分含量、含水率直接影响垃圾的热值。在生活垃圾中塑料、织物、木竹等高热值的成分含量越高,其干基高位热值越高,相应燃烧后产生的灰分越少;垃圾含水率越高,燃烧时水汽化带走的热量就越多。筛分是提高垃圾热值的有效途径。文献研究显示,垃圾经过筛分,其筛上物中高热值成分(塑料、织物、木竹等)含量升高,含水率降低约 10%,热值明显提高[1]。
  北京市城区和近郊区的生活垃圾平均热值已经超过5000 kJ/kg,完全满足焚烧要求,并随着居民生活水平和消费水平的不断提高,城市集中供热及煤气和天然气使用的普及,垃圾中纸张和塑料类包装物增多、灰土减少、可燃成分增加,热值还在不断提高。除此之外,北京市生活垃圾在焚烧前需要在储存仓中进行一定程度的发酵,降低含水率,脱去约15%的水分,以提高焚烧质量。
  2北京市垃圾焚烧处理技术水平分析
  目前世界上应用于焚烧固体废物的各种类型焚烧炉达几十种,按燃烧反应过程可分为直接焚烧和热解气化焚烧;按燃料运动和气固混合方式可分为机械炉排炉、回转窑炉和流化床炉等。目前处理生活垃圾应用最广的为直接焚烧的机械炉排炉,其次为直接焚烧的流化床炉。
  炉排炉作为最早的炉型,基本适应了垃圾分类处理、热值高的特点,在处理组分较为简单、热值较高的垃圾时具有处理量大、工艺成熟的优点,先后发展了顺推炉排、逆推炉排、滚动炉排等炉型,典型的制造厂家有德国马丁、德国鲁奇、比利时西格斯、日本三菱、日立造船、日本田熊公司等。炉排炉焚烧技术实际上代表了国际上的最高水平[2]。
  從垃圾焚烧技术应用情况看,混合垃圾直接焚烧多采用机械炉排炉。目前针对北京市生活垃圾的焚烧处理技术主要是采用机械炉排炉焚烧技术,主要采取该技术的焚烧厂包括:高安屯焚烧厂、顺义焚烧厂、鲁家山焚烧厂、高安屯二期焚烧厂、海淀焚烧厂、南宫焚烧厂和阿苏卫焚烧厂。炉排炉焚烧技术的最大优势是进料垃圾前处理过程简单。机械炉排炉的燃烧区域分为千燥区、燃烧区、燃尽区,垃圾通过进料斗进入倾斜向下的炉排,由于炉排之间的交错运动,将垃圾向下方推动,使垃圾依次通过炉排上的各个区域,直至燃尽排出炉膛。燃烧空气从炉排下部进入并与垃圾混合,高温烟气通过锅炉的受热面产生热蒸汽,同时烟气也得到冷却,最后烟气经烟气处理装置处理后排出。机械炉排炉对材质和加工精度要求高,要求炉排与炉排之间的接触面相当光滑、炉排与炉排之间的间隙相当小。另外炉排炉机械结构复杂,损坏率高,维护量大。机械炉排炉主要特点如下表1所示。
  3 北京市垃圾焚烧污染控制保障机制
  垃圾焚烧法虽然具有减量化显著,资源化利用程度高,无害化彻底的优点,但由于城市生活垃圾成分的多样性、复杂性和不均匀性,在垃圾焚烧的过程中会发生很多复杂的化学反应。这些化学反应会产生对人体和环境有危害的物质即焚烧气体污染物。根据污染物的不同性质,将其分为酸性气体、颗粒物、重金属、有机污染物和恶臭等几类。同时生活垃圾焚烧前的筛分处理产生的渗沥液,必须对其进行有效的净化处置。   3.1 烟气和粉尘控制
  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三种,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。针对酸性气体的处理,通常利用碱性介质(如熟石灰)采用湿法、干法或半干法中和吸收去除 HCl与SOx,HCl 的去除率达 90%以上,SO2的去除率接近 80%,酸性吸收效果较好;利用催化剂脱硝方式去除NOx,NOx的去除率可达到 90%以上,脱硝效果良好。此外,半干式洗涤塔对一般有机污染物及重金属也具有良好的去除效率;半干法洗涤塔搭配布袋除尘器,重金属(汞除外)去除率达 99%以上。
  针对垃圾焚烧产生的粉尘,采用布袋除尘器,除尘率大于99%。布袋除尘器要求运行温度较低,一般250℃以下,使尾气中的重金属及含氯有机物达到饱和,凝结成细颗粒而被滤布吸附去除。同时,控制除尘器入口处的烟气温度低于200℃;并在袋式除尘器的烟道上设置活性炭等反应剂的喷射装置,进一步吸附脱除重金属与二恶英等有害成分。
  3.2 二恶英的控制
  由于二恶英的某些特定的同分异构体对人体具有高毒性,且垃圾焚烧又认为是主要的二恶英产生源,因此,垃圾焚烧处理引起了许多争议。炉排炉前期投资大,燃烧条件难控制,无法使二恶英完全分解,因此该炉型须配备二恶英净化设备。北京市生活垃圾焚烧厂目前主要通过焚烧前、焚烧中和焚烧后3种途径控制二恶英的排放。
  (1)焚烧前源头控制:焚烧前通过源头分类收集,去除含氯的塑料和过渡金属,减少废物中的氯和金属催化剂的含量,利于减少后续焚烧处理过程中二恶英形成;且通过废物分类、脱水和破碎等前处理利于实现后续焚烧处理燃烧室均质燃烧条件,便于更好地控制燃烧温度,也可在一定程度上减少二恶英形成。(2)焚烧中炉内控制:目前二恶英在焚烧过程的生成机理尚未完全清楚,当垃圾和空气充分混合燃烧,烟气在850℃以上停留时间大于2 s时,能极大地减少二恶英在炉内生成,加之烟气冷却过程控制和尾部烟气净化,二恶英排放可以达到严格的排放标准。有研究发现,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%。(3)焚烧后炉外净化:生活垃圾焚烧后产生的烟气中控制二恶英排放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。
  3.3 渗沥液污染防治
  采用机械炉排炉焚烧技术,如果垃圾渗沥液不能很好地排出,焚烧炉炉膛燃烧温度很难达到850℃以上,必须采用喷油助燃或掺入一定数量热值高的工业垃圾,因此,垃圾贮存坑必须具备良好的渗沥液排出系统,使垃圾中的水分降低后再入炉焚烧。针对垃圾筛分排出的渗沥液,主要的处理方法包括物理化学法和生物法[3]。物理化学法主要有气浮、絮凝沉淀、膜分离(如纳滤、反渗透)、微电解氧化还原、化学氧化、光催化、光氧化和湿式氧化等。生物法分为好氧生物处理法、厌氧生物处理法以及二者的结合。其中,好氧生物处理法包括膜生化反应器法、间歇式活性污泥法、生物膜法等。厌氧生物处理法包括上流式厌氧污泥床、膨胀颗粒污泥床、厌氧复合床反应器、上流式厌氧滤池、厌氧折流板反应器等。
  3.4灰渣治理
  灰渣主要为垃圾焚烧残渣和除尘器等的排灰,目前主要的治理措施包括:(1)焚烧炉排出的残渣经检测合格后可进行填埋或者净化处理后作为再生资源(如建筑材料)利用;(2)残渣中的废铁经磁选机选出后可回收;(3)飞灰因富含二恶英和重金属,属于危险废物,必须合理处置。飞灰可经适当处置后送危险废物填埋场进行最终处置,也可采用固化稳定化后送入普通填埋场定期填埋或应用于建筑等领域进行资源化利用。李新明等研究表明,水泥、混凝土、制砖陶瓷、玻璃陶瓷、沥青路面、路基、堤坝、农业、吸附剂、污泥调理等 11 种资源化利用途径中,飞灰用作路基材料所需技术层次较低,并在使用过程中避免与人直接接触,环境影响较小,且飞灰用量较大,是目前我国进行垃圾焚烧飞灰资源化利用较好途径。另外,飞灰还可采用酸或其他溶剂提取法处置,以提取危害性较大的重金属,然后将飞灰和重金属分别进行资源化利用。
  3.5恶臭控制
  垃圾焚烧发电厂主要恶臭污染源为垃圾储存仓,根据焚烧工艺的要求和发酵后垃圾热值高的优点,垃圾在焚烧前需要在储存仓中进行一定程度的发酵,降低含水率,以提高焚烧质量,因此在储存的过程中为恶臭物质的产生提供了较好的厌氧条件。其次是垃圾中转站等几个环节由于在输送和中转过程中恶臭物质随风飘散而导致对周围环境的影响[4]。
  针对垃圾在储存、输送以及中转过程中产生的恶臭,北京市生活垃圾焚烧厂采取的控制措施有:(1)采用封闭式垃圾运输车;(2)在卸料平台进出口处安装电动卷帘门,加装风幕机密闭;(3)设置自动卸料门,建立全密闭的垃圾储坑;(4)在垃圾储坑上方抽气作为助燃空气,使垃圾池内形成负压,把抽出的恶臭气体送到锅炉内助燃,进行燃烧脱臭,而不排放到厂外;(5)加强垃圾储坑的操作管理,利用抓斗不断地对垃圾进行搅拌翻动,可使进炉垃圾热值均匀,又可避免垃圾的厌氧发酵,减少恶臭的产生;(6)定期排空在垃圾储坑中残剩的垃圾;(7)合理设置新风机组和进风管道,并开启锅炉房门窗以维持垃圾吊装控制室和观光走廊的正压,抑制垃圾储坑异味外溢;(8)卸料区采用除臭风炮和喷洒除臭液进行除臭,并及时冲刷清洗地面,杜绝臭味外逸;(9)种植绿化隔离带。
  针对垃圾焚烧处理产生的各种污染物,北京市垃圾焚烧厂通过采取以上一系列措施,控制污染物的排放,使焚烧满足“生活垃圾焚烧污染控制标准(GB 18485-2014)”。
  4.小結
  (1)随着北京城市化进程加快,生活垃圾产量逐年增加,焚烧优势逐渐凸显,同时因为北京市生活垃圾湿基低位热值的不断提高,焚烧会成为北京生活垃圾处理的首选方式,2016年焚烧比例已经达到40%,未来这一比重会向发达国家靠近。
  (2)炉排炉焚烧技术实际上代表了国际上的最高水平。从垃圾焚烧技术应用情况看,混合垃圾直接焚烧多采用机械炉排炉。北京市垃圾焚烧厂都采用炉排炉焚烧技术,包括:高安屯焚烧厂、顺义焚烧厂、鲁家山焚烧厂、高安屯二期焚烧厂、海淀焚烧厂、南宫焚烧厂和阿苏卫焚烧厂。
  (3)由于城市生活垃圾成分的多样性、复杂性和不均匀性,在垃圾焚烧的过程中会发生很多复杂的化学反应。这些化学反应会产生对人体和环境有危害的物质。针对产生的污染物,北京市垃圾焚烧厂主要实现了对烟气和粉尘控制,二恶英的控制,渗沥液污染防治、灰渣治理和恶臭控制。通过采取一系列措施,焚烧污染物排放满足“生活垃圾焚烧污染控制标准(GB 18485-2014)”。
  参考文献:
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