戴 勇，余 婷

（上?？岛悱h(huán)境股份有限公司，上海 201703）

0 引言

隨著國民經(jīng)濟和人們生活水平的提高，生活垃圾產(chǎn)量日益增多，垃圾圍城現(xiàn)象日益明顯，生活垃圾隨意的堆放對水體、土壤、大氣產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境污染。目前針對生活垃圾無害化處理的方式主要為衛(wèi)生填埋[1]、焚燒發(fā)電、綜合利用等。相比較這幾種處理方式，垃圾焚燒具有明顯的減量化、無害化、資源化的優(yōu)點，減量化的體積可減少90%，重量可減少80%，且垃圾焚燒產(chǎn)生的熱量可以有效利用，用來發(fā)電或供暖，使垃圾成為新的資源，實現(xiàn)其社會價值和經(jīng)濟價值。

隨著城市工業(yè)的發(fā)展，一般工業(yè)固體廢棄物量日益增多，而該固體廢物未被列入危廢名錄，使得減量化去處受限，部分工業(yè)固廢則直接進(jìn)入危廢廠中熱解焚燒，導(dǎo)致處理成本大大提高，由于危廢處理廠相對生活垃圾焚燒廠規(guī)模較小，同時也加大了危廢處理廠的負(fù)荷，造成一般工業(yè)固廢不能夠及時處理。一般固體廢棄物是資源開發(fā)利用的產(chǎn)物，一般為生產(chǎn)邊角料、建筑廢棄物、包裝廢棄物、廢棄塑料、樹脂、橡膠等。相對城市生活垃圾，工業(yè)固廢具有難降解、污染大的特性，同時部分工業(yè)固廢熱值卻高于生活垃圾。針對國內(nèi)生活垃圾含水率高、熱值低的問題，生活垃圾焚燒引入工業(yè)固廢既能減量化處理工業(yè)固廢，又能彌補生活垃圾熱值不足的問題，因此生活垃圾焚燒摻燒工業(yè)固廢的研究與應(yīng)用顯得越來越重要。

一般工業(yè)固體廢棄物因種類繁多，其與生活垃圾相比，成分更加復(fù)雜，產(chǎn)量和各組分比例會隨時間與地點的變化而產(chǎn)生較大的波動。工業(yè)垃圾中硫（S）、氯（Cl）的含量，將直接影響焚燒中產(chǎn)生的酸性氣體SO2、HCl以及二噁英的產(chǎn)生量。因此要正確處理工業(yè)固廢，有效控制工業(yè)固廢焚燒時SO2、HCl、二噁英的生成和排放，必須詳細(xì)掌握其特性、分類和組成，以及物理化學(xué)特性。因此在工業(yè)固廢處置技術(shù)開發(fā)的過程中，工業(yè)固廢的產(chǎn)量、組分特性等信息具有重要的指導(dǎo)意義。所以為了更好地結(jié)合生活垃圾焚燒技術(shù)處理工業(yè)固廢，有必要對工業(yè)固廢的物化特性進(jìn)行分析，為焚燒系統(tǒng)的調(diào)節(jié)和控制以及煙氣凈化處理工藝的選擇提供指導(dǎo)。

垃圾焚燒煙氣凈化工藝脫酸主流為SDA半干法（石灰漿旋轉(zhuǎn)噴霧）、干法消石灰噴射、濕法洗滌塔NaOH法[2－3]。通常在焚燒生活垃圾時，SDA塔前HCl設(shè)計濃度一般在900～1 200 mg/Nm3，SO2一般在600～900 mg/Nm3，該設(shè)計濃度按照垃圾中S的含量為0.1%、Cl的含量為0.5%而確定，此方法未考慮在焚燒時S和Cl向氣態(tài)污染物轉(zhuǎn)化時的轉(zhuǎn)化率。調(diào)研多個電廠后發(fā)現(xiàn)，在SDA前HCl設(shè)計濃度為900～1 200 mg/Nm3、SO2為600～900 mg/Nm3時，僅通過SDA半干法脫酸后，HCl和SO2的環(huán)保指標(biāo)能夠達(dá)到歐盟（2010/75/EU）HCl/SO2＝10/50 mg/Nm3的排放標(biāo)準(zhǔn)，此時脫酸工藝一般為半干法＋干法，以半干法脫酸為主，干法脫酸為輔。但如果酸性污染物原始濃度過高或排放指標(biāo)更嚴(yán)格，在半干法＋干法脫酸的基礎(chǔ)上需加上濕法洗滌塔NaOH法工藝[4]，以達(dá)到排放要求。煙氣凈化脫硝主要以SNCR和SCR技術(shù)為主，當(dāng)排放指標(biāo)要求歐盟NOx200 mg/Nm3，一般選擇SNCR工藝即可，當(dāng)滿足超低排放NOx100 mg/Nm3以下時，在SNCR的基礎(chǔ)上需加上SCR技術(shù)進(jìn)一步脫硝，以達(dá)到排放要求。生活垃圾除塵采用袋式除塵器，通過設(shè)計風(fēng)量和風(fēng)速確定過濾面積，SDA塔和除塵器下的飛灰則通過刮板機輸送到飛灰倉，然后經(jīng)過飛灰螯合固化，最終進(jìn)行衛(wèi)生填埋處置。煙氣中的重金屬和二噁英則通過活性炭吸附進(jìn)行去除。

本文以擬建的1×500 t/d中摻燒70 t/d一般工業(yè)固廢的生活垃圾焚燒發(fā)電廠為例，調(diào)研了該廠所在城市的工業(yè)固廢的產(chǎn)量與種類。通過元素分析，得到了各種工業(yè)固廢和混合垃圾中S和Cl的含量；通過多組焚燒模擬試驗，得到了S和Cl的轉(zhuǎn)化率，從而確定了SDA塔前酸性污染物原始污染物濃度，通過SDA半干法技術(shù)和濕法NaOH技術(shù)，分別確定了SDA脫酸率及濕法NaOH脫酸率。同時介紹了摻燒工業(yè)垃圾對脫硝和飛灰螯合的影響，并根據(jù)不同污染物設(shè)計濃度對整個煙氣凈化進(jìn)行了經(jīng)濟分析。

1 垃圾調(diào)研分析

根據(jù)該城市年鑒數(shù)據(jù)分析，該城市企業(yè)主要業(yè)務(wù)為橡膠、汽車配套、沖鋒衣等行業(yè)。其中橡膠企業(yè)210家，沖鋒衣制衣企業(yè)300余家，汽車坐墊腳墊企業(yè)約為30家。本次工業(yè)固廢抽樣調(diào)研主要采取實地調(diào)研法和產(chǎn)值估算法，得出該城市工業(yè)固廢的調(diào)研數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 調(diào)研企業(yè)固廢物理組分特性Table1 Research on the characteristics of physical components of solid waste in enterprises

分析該城市一般工業(yè)廢棄物的成分組成可以發(fā)現(xiàn)，該城市工業(yè)固廢主要以海綿、棉布、PVC皮革、橡膠、塑料、包裝輔材、滌綸為主。其中PVC和塑料是主要含氯物質(zhì)的來源，重量總和約占38%，而橡膠產(chǎn)品和包裝輔材是主要含硫物質(zhì)的來源，重量總和約占15%。該城市工業(yè)固廢中PVC、塑料、橡膠、包裝輔材總量超過工業(yè)固廢總量的50%，具有較高的熱值，便于焚燒爐的焚燒處理，但是含氯塑料焚燒時可能產(chǎn)生的HCl容易造成設(shè)備的高溫腐蝕，塑料不完全燃燒可能造成多環(huán)芳烴和二噁英等污染物的產(chǎn)生和排放，同時橡膠和包裝輔材的焚燒會產(chǎn)生高濃度的SO2和黑煙。

2 污染物濃度確定和工藝選擇

2.1 酸性污染物組分初步分析

根據(jù)工業(yè)垃圾調(diào)研報告數(shù)據(jù)以及結(jié)合鍋爐計算的煙風(fēng)參數(shù)，對500 t垃圾摻燒70 t工業(yè)固廢時，進(jìn)行了鍋爐出口酸性污染物初步估算。

計算公式：

式中：W為小時入爐垃圾量；HCl為Cl總含量，%；V為標(biāo)況濕煙氣量；HS為S總含量，%。

煙風(fēng)參數(shù)：MCR工況煙氣量（含回流量）為～120 000 Nm3/h；煙氣回流量為～24 000 Nm3/h，濕基；O2為4.8%；H2O為19.2%。

（1）鍋爐出口污染物HCl濃度估算

PVC的典型分子式為(C2H3Cl)n，Cl元素質(zhì)量含量為56.8%。根據(jù)5.6 t PVC皮革（70 t工業(yè)垃圾中的8%）中Cl元素含量為56.8%，21 t塑料中Cl元素含量19%（70 t工業(yè)垃圾中的30%塑料，按照其中1/3是PVC來考慮）和其余473.4 t垃圾中Cl元素含量為0.5%，計算得到垃圾中Cl元素含量為1.91%。根據(jù)上述公式計算得出鍋爐出口污染物HCl濃度約為3 200 mg/Nm3（干基，11%O2）。若70 t工業(yè)垃圾中的30%塑料中有2/3按照PVC來考慮，同理計算得出垃圾中Cl元素含量為2.7%，鍋爐出口污染物HCl濃度約為4 500 mg/Nm3（干基，11%O2）。

（2）鍋爐出口污染物SO2濃度估算

查詢相關(guān)文獻(xiàn)可得橡膠中硫元素含量為0.001%～5%[5]，因此橡膠中硫元素含量取中間值3%。根據(jù)26 t塑膠（70 t工業(yè)垃圾中的37%）中硫元素含量3%和其余474 t垃圾中硫元素含量0.1%，計算得垃圾中硫元素含量為0.25%，鍋爐出口污染物SOx濃度約為1 100 mg/Nm3（干基，11%O2）。同時按照橡膠中硫元素含量取最大值5%，同理計算得垃圾中硫元素含量為0.355%，鍋爐出口污染物SOx濃度為1 541 mg/Nm3，取1 600 mg/Nm3（干基，11%O2）。

通常在生活垃圾焚燒煙氣凈化設(shè)計時，SDA塔前HCl設(shè)計濃度一般在900～1 200 mg/Nm3，SO2一般在600～900 mg/Nm3，該設(shè)計濃度按照垃圾中S的含量為0.1%、Cl的含量為0.5%而確定。根據(jù)上述酸性污染物估算結(jié)果可看出，HCl的原始污染物濃度在3 200～4 500 mg/Nm3，SO2原始污染物濃度在1 000～1 600 mg/Nm3。由此可看出生活垃圾焚燒摻燒工業(yè)垃圾時所產(chǎn)生的理論酸性污染物濃度已然超過常規(guī)設(shè)計值，由于半干法系統(tǒng)HCl的極限設(shè)計濃度為3 000 mg/Nm3，因此此時估算的酸性污染物濃度不能直接用于設(shè)計計算。但考慮到數(shù)據(jù)為經(jīng)驗估算值及未考慮Cl和S在焚燒時轉(zhuǎn)化率的問題，因此本文考慮從元素分析實驗和燃燒模擬實驗確定Cl、S的原始含量及焚燒時向氣態(tài)的轉(zhuǎn)化率。

2.2 工業(yè)廢棄物元素分析

由于工業(yè)廢物中含有大量的氯元素，焚燒時會促進(jìn)二噁英類物質(zhì)的生成及HCl的生成，因此掌握準(zhǔn)確的含氯量對控制焚燒有重要意義，同時能夠有助于進(jìn)行煙氣凈化設(shè)計。

（1）Cl/S元素分析試驗

本試驗采取高溫燃燒水解－離子色譜法，對工業(yè)固廢中氯氟進(jìn)行測定。樣品首先在純氧及水蒸氣下1 050℃焚燒30 min，用堿液吸收煙氣中的Cl/F，分析溶液中Cl/F含量，折算得到原始固體樣品中Cl/F的質(zhì)量含量。檢測依據(jù)根據(jù)國標(biāo)GB/T3558－1996《煤中氯的測定方法》。本試驗中所用儀器為離子色譜儀（Metrohm，Ba?sic792）。硫元素采用開元元素分析儀，5E－CHN2000進(jìn)行分析試驗。元素分析試驗結(jié)果如表2所示。

表2 工業(yè)固廢中Cl/S元素分析結(jié)果Table2 Cl/S elemental analysis results in industrial solid waste

從實驗分析結(jié)果可看出，該城市工業(yè)固體廢棄物S的含量在0.35%～1.24%，工業(yè)固體廢棄物的S含量平均值為0.44%，按照焚燒比例與生活垃圾混合后S的含量平均值為0.25%，很明顯大于垃圾焚燒常規(guī)設(shè)計值0.1%，其中含S高的主要集中在汽車腳墊和汽車坐墊，符合該行業(yè)含S高的特性。同時該城市工業(yè)固體廢棄物Cl的含量在0.04%～9.92%，工業(yè)固體廢棄物的Cl含量平均值為2.33%，按照焚燒比例與生活垃圾混合后Cl的含量平均值為1.73%，很明顯大于垃圾焚燒常規(guī)設(shè)計值0.5%，其中含Cl高的主要集中在沖鋒衣和包裝輔料，這是由于該行業(yè)PVC成分較高。

（2）Cl/S元素燃燒轉(zhuǎn)化率試驗

由于生活垃圾焚燒時，垃圾中的S和Cl不會完全轉(zhuǎn)向氣態(tài)酸性污染物，還有一部分則以鹽的形式存在于爐渣或飛灰中，因此為了能夠更好進(jìn)行煙氣凈化設(shè)計，通過模擬焚燒試驗掌握準(zhǔn)確S和Cl的轉(zhuǎn)化率具有很重要的意義。

本試驗利用管式爐模擬實際焚燒。取約2 g樣品在300 ml/min空氣和爐溫950℃條件下逐漸燃燒20 min，利用NaOH溶液吸收，對液體樣品進(jìn)行檢測。水中Cl離子用離子色譜儀（Metrohm，Basic792）測定，水中S元素含量用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測定，檢測依據(jù)按照HJ776－2015執(zhí)行。管式爐模擬焚燒試驗結(jié)果如表3所示。

表3 模擬焚燒試驗S和Cl轉(zhuǎn)化率結(jié)果Table3 S and Cl conversion results of simulated incineration test

從模擬焚燒試驗結(jié)果可知，工業(yè)固體廢棄物與生活垃圾混合的垃圾經(jīng)過焚燒后，S和Cl并沒有完全100%轉(zhuǎn)到酸性氣態(tài)污染物，而是一部分以鹽的形式存在于爐渣或飛灰中。

通過元素分析試驗和模擬焚燒轉(zhuǎn)化率試驗，按照上述計算公式對不同類型垃圾焚燒產(chǎn)生的酸性污染物濃度進(jìn)行折算，研究了余熱鍋爐出口HCl和SO2的原始濃度，如表4～5所示，可看出混合垃圾中的Cl和S如果100%轉(zhuǎn)向HCl和SO2，對應(yīng)的原始濃度分別為3 000 mg/Nm3、900 mg/Nm3。Cl在最高轉(zhuǎn)化率、平均轉(zhuǎn)化率、最低轉(zhuǎn)化率分別對應(yīng)的煙氣中，HCl的濃度為2 202 mg/Nm3、1 419 mg/Nm3、648 mg/Nm3，同時S在最高轉(zhuǎn)化率、平均轉(zhuǎn)化率、最低轉(zhuǎn)化率分別對應(yīng)的煙氣中，SO2的濃度為529 mg/Nm3、450 mg/Nm3、370 mg/Nm3?？?慮 垃 圾 焚 燒時各種不確定性因素以及垃圾摻雜時的均勻性，因此余熱鍋爐出口按照最大轉(zhuǎn)化率進(jìn)行設(shè)計，最終確定HCl和SO2設(shè)計濃度分別為2 200 mg/Nm3、600 mg/Nm3。

表4 不同轉(zhuǎn)化率下HCl的原始濃度Table4 The original concentration of HCl at different conversion rates

表5 不同轉(zhuǎn)化率下SO2的原始濃度Table5 Original concentration of SO2 at different conversion rates

2.3 脫酸工藝的確定

垃圾焚燒行業(yè)脫酸工藝常規(guī)為SDA半干法（石灰漿旋轉(zhuǎn)噴霧）、干法消石灰噴射、濕法洗滌塔NaOH法，常規(guī)組合工藝搭配為半干法旋轉(zhuǎn)噴霧＋干法噴射或半干法旋轉(zhuǎn)噴霧＋干法噴射＋濕法洗滌塔NaOH法。

該垃圾焚燒電廠余熱鍋爐出口HCl和SO2設(shè)計濃度分別為2 200 mg/Nm3、600 mg/Nm3，HCl和SO2的排放要求為歐盟標(biāo)準(zhǔn)，即HCl和SO2排放指標(biāo)分別為10 mg/Nm3、50 mg/Nm3。

SDA旋轉(zhuǎn)噴霧反應(yīng)設(shè)計一般根據(jù)旋轉(zhuǎn)噴霧器（霧化器）性能進(jìn)行煙氣脫酸設(shè)計，考慮垃圾焚燒產(chǎn)生飛灰易潮濕板結(jié)，造成除塵器及飛灰輸送的堵塞等因素，SDA塔前后設(shè)計溫度一般為190/155℃。由于反應(yīng)塔前污染物濃度比常規(guī)高出很多，因此為了達(dá)到更大的噴漿量，余熱鍋爐出口設(shè)計溫度提升至210℃。通過旋轉(zhuǎn)霧化器的性能參數(shù)及余熱鍋爐出口設(shè)計的煙風(fēng)參數(shù)，計算得出SDA反應(yīng)塔的脫酸效率如表6所示。從表中可看出半干法系統(tǒng)對HCl的脫酸效率達(dá)到93%，但對SO2的脫酸效率只有60%，這是因為煙氣中HCl比SO2容易吸收反應(yīng)，因此優(yōu)先脫出HCl，經(jīng)過半干法脫酸后HCl和SO2的濃度分別為155 mg/Nm3、241 mg/Nm3，并不能達(dá)到歐盟的排放標(biāo)準(zhǔn)。干法系統(tǒng)通常作為半干法的輔助系統(tǒng)，但由于其脫酸反應(yīng)的不穩(wěn)定性、較差的脫酸效率以及較高的物料消耗量，并不適合作為連續(xù)運行時的二次脫酸反應(yīng)系統(tǒng)，因此為了煙氣凈化能夠穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放，后面增加濕式洗滌塔NaOH吸收系統(tǒng)。脫酸反應(yīng)計算結(jié)果如表6所示，由表可知，濕法塔系統(tǒng)酸性污染物濃度設(shè)計濃度相對提高，并沒有按照SDA塔出口執(zhí)行，這是以防前端系統(tǒng)出現(xiàn)波動而增設(shè)的余量，從計算結(jié)果可看出，經(jīng)過濕法塔脫酸后，酸性污染物的濃度能夠優(yōu)于歐盟標(biāo)準(zhǔn)排放，滿足該電廠的環(huán)保指標(biāo)。因此該電廠脫酸系統(tǒng)工藝流程為半干法旋轉(zhuǎn)噴霧＋干法消石灰＋濕式洗滌塔NaOH法。

表6 脫酸反應(yīng)計算結(jié)果Table6 Calculation results of deacidification reaction

3 其他污染物濃度確定和工藝選擇

3.1 NO x工藝的確定

前文介紹由于摻燒的工業(yè)垃圾中含較高的S和Cl，從而直接影響酸性污染物的原始濃度。對于NOx的影響主要是工業(yè)垃圾熱值較高，在焚燒爐中直接會增加熱力型NOx含量，因此該電廠NOx原始濃度比常規(guī)設(shè)計濃度大，原始濃度設(shè)計為500 mg/Nm3。該電廠NOx環(huán)保指標(biāo)為75 mg/Nm3，常規(guī)NOx脫硝工藝為SNCR和SCR，由于SNCR脫硝能力只有60%左右，因此NOx脫硝需SNCR＋SCR組合工藝。

3.2 除塵、二噁英的去除

垃圾焚燒行業(yè)常規(guī)除塵工藝選擇袋式除塵器，該電廠SDA塔后設(shè)置袋式除塵器裝置進(jìn)行除塵，同時除塵器入口煙道設(shè)置活性炭噴射裝置，對煙氣中的重金屬和二噁英進(jìn)行去除，摻燒工業(yè)垃圾原始Cl含量高，將直接增加煙氣中二噁英的濃度[6]，同時部分工業(yè)垃圾中含較高的重金屬，因此活性炭物料消耗量較常規(guī)項目要適當(dāng)增加，同時飛灰穩(wěn)定化螯合時也需適當(dāng)提高螯合劑的濃度。

因此該電廠煙氣凈化工藝路線確定為“SNCR＋半干法（旋轉(zhuǎn)噴霧）＋干法（消石灰噴射）＋活性炭吸附＋袋式除塵＋濕法＋SCR”。

4 經(jīng)濟分析

該電廠主要酸性污染物濃度較常規(guī)項目高出許多，運行時煙氣處理成本必然增加。因此對摻燒工業(yè)垃圾的電廠與常規(guī)電廠做以下經(jīng)濟分析對比，如表7所示。從表中可看出摻燒工業(yè)垃圾后消石灰物料消耗較高，同時導(dǎo)致飛灰量增多，飛灰螯合費用增加，堿液消耗同時也增多，這是由于酸性污染物濃度高造成的；活性炭和氨水的耗量增加，這是由于二噁英、重金屬、熱力型NOx增多造成的；摻燒工業(yè)垃圾將導(dǎo)致煙氣量增大，因此SCR系統(tǒng)蒸汽耗量增多。

表7 運行成本經(jīng)濟分析Table7 Economic analysis of operating costs

相同煙氣凈化工藝比較時，常規(guī)電廠運行成本約54.02元/t垃圾，摻燒工業(yè)垃圾后運行費用增加至91.22元/t垃圾，運行費用增加37.2元。但由于工業(yè)垃圾熱值較高，每噸垃圾發(fā)電量相對會有很大的提升，折算為多發(fā)電的經(jīng)濟為61.09元/t垃圾，因此電廠經(jīng)濟效率提升23.89元/t垃圾。

5 結(jié)束語

本文以擬建的1×500 t/d中摻燒70 t/d一般工業(yè)固廢的生活垃圾焚燒發(fā)電廠為例，調(diào)研了該廠所在城市的工業(yè)固廢的產(chǎn)量與種類。

通過元素分析，得到了各種工業(yè)固廢和混合垃圾中S和Cl的含量，其中S含量主要集中在汽車腳墊和汽車坐墊，Cl含量主要集中在沖鋒衣和包裝輔料。通過焚燒模擬試驗，得到了S和Cl的最高轉(zhuǎn)化率，確定了HCl和SO2設(shè)計濃度分別為2 200 mg/Nm3、600 mg/Nm3，然后根據(jù)脫酸效率計算，確定脫酸工藝為半干法旋轉(zhuǎn)噴霧＋干法消石灰＋濕式洗滌塔NaOH法的組合工藝。

從脫酸、脫硝、除塵以及重金屬方面確定該項目煙氣凈化工藝路線為“SNCR＋半干法（旋轉(zhuǎn)噴霧）＋干法（消石灰噴射）＋活性炭吸附＋袋式除塵＋濕法＋SCR”。同時從脫酸、脫硝、飛灰螯合、活性炭吸附、發(fā)電量等幾個方面進(jìn)行經(jīng)濟對比，得出摻燒工業(yè)垃圾后運行成本增高，但結(jié)合發(fā)電量整廠經(jīng)濟效益會提高。

建議設(shè)計煙氣凈化系統(tǒng)時應(yīng)重視煙氣中HCl濃度波動、高溫腐蝕以及二噁英的控制，同時在項目后期運行時應(yīng)合理控制摻燒含Cl和S高的工業(yè)垃圾的摻燒量。