垃圾焚燒飛灰中二惡英低溫降解中試實驗研究*

陳宋璇，劉海威，黎小保，高玉萍，梁 梅

（中國恩菲工程技術(shù)有限公司中冶垃圾焚燒發(fā)電工程技術(shù)中心，北京 100038）

目前，垃圾焚燒發(fā)電廠廣泛采用噴射活性炭使煙氣中的二惡英排放達標［1］，而吸附在活性炭上的二惡英經(jīng)布袋除塵器的阻攔，轉(zhuǎn)移到了飛灰中，雖然企業(yè)運營中采取了飛灰穩(wěn)定化技術(shù)來處理飛灰，以滿足進入衛(wèi)生填埋場的要求［2］，但飛灰中的二惡英并沒有徹底消除。低溫熱處理法（300～600℃）因處理溫度比高溫熔融法（1 100℃以上）低，而在未來工業(yè)化應(yīng)用中具有明顯的經(jīng)濟優(yōu)勢。國內(nèi)外大量的實驗室研究為低溫熱處理法降解飛灰中的二惡英提供了理論基礎(chǔ)［3-6］。

本研究利用自行研發(fā)的連續(xù)式飛灰處理裝量［7］，進行飛灰中二惡英低溫降解中試實驗。在實現(xiàn)連續(xù)處理量達10 kg/h（最大處理量達到18.4 kg/h）的條件下，溫度為350℃時飛灰中二惡英I-TEQ（毒性當量）降解率達到98.8%、溫度為450℃時飛灰中二惡英I-TEQ（毒性當量）降解率達到99.4%，并以垃圾處理量1 000 t/d的爐排爐垃圾焚燒發(fā)電項目為例，對該裝置工程應(yīng)用的經(jīng)濟性分析。

1 材料與方法

1.1 實驗飛灰

實驗飛灰取自湖北某爐排爐垃圾焚燒發(fā)電廠布袋除塵器底部飛灰，基本化學組成見表1。在溫度120℃時，飛灰進行24 h干燥處理后備用。

表1 飛灰的化學組分 %

1.2 中試裝置及工況

中試裝置設(shè)有飛灰儲倉、進料系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)動力系統(tǒng)、密封系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、填充惰性氣體系統(tǒng)、尾氣冷卻器及飛灰冷卻器。該裝置處理容積為0.18 m3，飛灰有效填充量為8～21.6 kg，中試實驗臺可通過PID控制面板及液晶顯示屏，設(shè)置反應(yīng)物料區(qū)域溫度，調(diào)節(jié)連續(xù)進料螺旋轉(zhuǎn)速，反應(yīng)溫度可調(diào)控范圍為200～600℃，反應(yīng)時間可調(diào)控范圍為30～120 min。中試裝置如圖1所示，實驗工況如表2所示。

表2 實驗工況表

1.3 檢測與分析

分別取原飛灰、350℃飛灰、450℃飛灰樣品2.0 g，按照《同位素稀釋法高分辨氣相色譜/高分辨質(zhì)譜測定四到八氯代二惡英和呋喃》US EPA 1613B（1997）標準方法進行處理和分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 飛灰中二惡英低溫降解效果

表3顯示了在維持惰性氣體氣氛時，原飛灰中的17種有毒PCDD/Fs在350℃和450℃的條件下，產(chǎn)生的降解效果。原飛灰中，各種PCDD/Fs同系物含量為 40.9～1 935.5 ng/kg，其中2，3，7，8-TCDD的含量最低，OCDD的含量最高。在350℃反應(yīng)1 h時，各種PCDD/Fs同系物殘留量為0～38.0 ng/kg，降解率為86.8%～100%，其中OCDF的降解率最低，1，2，3，7，8，9-HxCDD的降解率最高達到100%，PCDD/Fs的ITEQ（毒性當量）從初始的553.6 ng/kg降低到6.7 ng/kg，降解率為98.8%。在450℃反應(yīng)1 h時，各種PCDD/Fs同系物殘留量為0～23.1 ng/kg，降解率為92.0%～100%，其中OCDF的降解率最低，1，2，3，7，8，9-HxCDF 、1，2，3，7，8-PeCDD、1，2，3，4，7，8-HxCDD、1，2，3，6，7，8-HxCDD、1，2，3，7，8，9-HxCDD 的飛灰殘留量都低于檢測限的檢測值，降解率達到100%，PCDD/Fs的ITEQ（毒性當量）從初始的553.6 ng/kg降低到3.4 ng/kg，降解率為99.4%。

而且，相對于350℃條件下，飛灰中的17種PCDD/Fs在450℃條件下的降解效果均有提高，其中OCDD的提高效果最為顯著，降解率從86.8%增加到92.0%。不同數(shù)目氯原子取代的PCDD/Fs降解效果不同，六氯取代物降解效果明顯優(yōu)于五氯和八氯取代物。

2.2 中試裝置工業(yè)化應(yīng)用的經(jīng)濟性分析

以垃圾處理量1 000 t/d的爐排爐垃圾焚燒發(fā)電項目為例，取飛灰產(chǎn)生率為垃圾處理量的3%，飛灰比熱容為0.82 kJ/（kg·℃），反應(yīng)溫度為350℃，大氣溫度為15℃，電費價格0.65元/（kW·h）（垃圾焚燒發(fā)電廠上網(wǎng)電價）。則飛灰產(chǎn)生量為30 t/d，該裝置實行24 h不間斷運行，處理量能力需達到1 250 kg/h，所需惰性氣體自行制備，系統(tǒng)正常運行總功率為130 kW，運營成本為130 kW×0.65 元/（kW·h）×24 h=2 028 元/d，折合每噸垃圾處理成本增加2 028元/d÷1 000 t/d=2.028元/t。

表3 不同溫度下17種有毒PCDD/Fs的降解效果

3 結(jié)論

1）在低溫熱降解中試實驗中，采用自行研發(fā)的連續(xù)式飛灰處理裝置，在處理量10 kg/h下，溫度為350℃時飛灰中二惡英I-TEQ（毒性當量）降解率達到98.8%、溫度為450℃時飛灰中二惡英I-TEQ降解率達到99.4%。不同數(shù)目氯原子取代的PCDD/Fs降解效果不同，其中1，2，3，7，8，9-HxCDF、1，2，3，7，8-PeCDD、1，2，3，4，7，8-HxCDD、1，2，3，6，7，8-HxCDD、1，2，3，7，8，9-HxCDD的飛灰在450℃時降解效率達到100%。

2）在垃圾處理量1 000 t/d的爐排爐垃圾焚燒發(fā)電廠中，控制反應(yīng)溫度為350℃，實行24 h運行制，該裝置處理量能力需達到1 250 kg/h，折合每噸垃圾處理成本增加2.028元。

3）垃圾焚燒飛灰二惡英降解中試實驗的結(jié)果，為未來的工業(yè)化設(shè)備生產(chǎn)、工藝工程設(shè)計及生產(chǎn)實際運行提供了參考。

［1］陳宋璇，黎小保.生活垃圾焚燒發(fā)電中二惡英控制技術(shù)研究進展［J］.環(huán)境科學與管理，2012，37（5）： 89-93.

［2］環(huán)境保護部.GB 16889—2008生活垃圾填埋場污染控制標準［S］.北京：中國環(huán)境科學出版社，2008.

［3］Hagenmaier H，Kraft M，Brunner H，et al.Catalytic effects of fly ash from waste incineration facilities on the formation and decomposition of polychlorinated dibenzo-p-dioxins and polychlorinated dibenzofurans［J］.Environ Sci Technol，1987，21 （11）：1080-1094.

［4］紀莎莎，李曉東，徐旭，等.關(guān)于醫(yī)療垃圾飛灰中二惡英在惰性氣氛下的低溫熱脫附研究［J］.環(huán)境科學，2012，33（11）： 3999-4005.

［5］Thuan N T，Dien N T，Chang M B.PCDD/PCDF behavior in low-temperature pyrolysis of PCP-contaminated sandy soil［J］.Sci Total Environ，2013，443（15）： 590-596.

［6］張峰，張海軍，陳吉平，等.飛灰中二惡英熱脫附行為的研究［J］.環(huán)境科學，2008，29（2）：525-528.

［7］高玉萍，黎小保，陳宋璇，等.用于處理焚燒飛灰的設(shè)備：中國，203183898［P］.2013-09-11.