危險廢物焚燒煙氣中二噁英控制策略探討

劉 凱覃楠鈞施耀華宋曉薇

（1.廣西神州立方環(huán)境資源有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530021；2.廣西壯族自治區(qū)環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，廣西 南寧 530022）

危險廢物焚燒煙氣中二噁英控制策略探討

劉 凱1覃楠鈞2施耀華1宋曉薇2

（1.廣西神州立方環(huán)境資源有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530021；2.廣西壯族自治區(qū)環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，廣西 南寧 530022）

針對我國危險廢物焚燒必然產(chǎn)生二噁英的問題，根據(jù)二噁英生成的機(jī)理和影響因素，探討焚燒物料組成、煙氣溫度、活性炭噴射量等因素對二噁英排放的影響。結(jié)合分析探討結(jié)果，提出在危險廢物應(yīng)進(jìn)行分類收集，并討論了煙氣溫度、活性炭噴射量的控制要求和條件，提供了實(shí)際工程應(yīng)用中危險廢物焚燒煙氣中二噁英的控制策略。

危險廢物；二噁英；煙氣；控制策略

1 前言

危險廢物是指列入國家危險廢物名錄或者根據(jù)國家規(guī)定的危險廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)和鑒別方法認(rèn)定的具有危險特性的廢物，而且通常具有腐蝕性、毒性、易燃性、反應(yīng)性或者感染性等一種或者幾種危險特性，處置不當(dāng)還可能對環(huán)境或者人體健康造成有害影響[1-2]。2008年，中華人民共和國環(huán)境保護(hù)部、國家發(fā)展和改革委員會聯(lián)合頒布并予以實(shí)施了《國家危險廢物名錄》，將我國危險廢物按照廢物類別、行業(yè)來源和危險特性等因素分為49類，即編號HW01-HW49。

根據(jù)環(huán)境保護(hù)部發(fā)布的《2013年環(huán)境統(tǒng)計年報》數(shù)據(jù)顯示，2013年，全國工業(yè)危險廢物產(chǎn)生量為3156.9萬t；綜合利用量為1700.1萬t；處置量為701.2萬t；貯存量為810.8萬 t[3]。而根據(jù)王琪[4]等人的研究，我國的危險廢物管理存在底數(shù)嚴(yán)重不清楚的問題，我國工業(yè)危險廢物占工業(yè)固體廢物總量的2.5%左右，因此估算2013年我國工業(yè)危險廢物產(chǎn)生量應(yīng)為8200萬t左右。

目前危險廢物主要的處理方法主要有化學(xué)反應(yīng)、物理分離、生物處理、焚燒、安全填埋等。而焚燒是最有效、最徹底地處理方法，可實(shí)現(xiàn)危險廢物的減量化和無害化，并可回收利用其余熱[5-6]。采用焚燒方式處理危險廢物在國內(nèi)外也獲得了越來越多的關(guān)注和認(rèn)可[7-10]。2004年原國家環(huán)?？偩职l(fā)布了《全國危險廢物和醫(yī)療廢物處置設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》，規(guī)劃建設(shè)功能齊全的綜合性危險廢物處置中心31個，危險廢物集中處置系統(tǒng)優(yōu)先采用對廢物種類適應(yīng)性強(qiáng)的回轉(zhuǎn)窯焚燒技術(shù)。根據(jù)陳佳[11]的調(diào)研結(jié)果顯示，截止至2012年底，我國共有151處危險廢物焚燒處置設(shè)施，爐型主要為回轉(zhuǎn)窯和熱解爐。

雖然焚燒法處置危險廢物能夠減容、減量，但又不可避免地產(chǎn)生二噁英類有毒物質(zhì)，從而有可能帶來二次污染。隨著社會的發(fā)展，我國危險廢物的焚燒量還將不斷增加，相應(yīng)帶來的是二噁英類有毒物質(zhì)的排放量也將不斷增加。為了控制二噁英的排放，我國相繼發(fā)布實(shí)施了《危險廢物焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》、《危險廢物集中焚燒處置工程建設(shè)技術(shù)要求》，不僅規(guī)定了危險廢物焚燒尾氣中二噁英的排放限值，還對危險廢物焚燒處置提出相應(yīng)的技術(shù)要求[12-13]。

本文為了進(jìn)一步加快推進(jìn)我國危險廢物焚燒處置行業(yè)二噁英的減排工作，結(jié)合某個危險廢物焚燒處置設(shè)施，探討焚燒物料組成、煙氣溫度、活性炭噴射量等因素對二噁英排放的影響，以期有助于危險廢物焚燒處置經(jīng)營者根據(jù)自身情況進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)調(diào)整和設(shè)備選型。

2 基本情況

2.1研究對象

本文特選取廣西某危險廢物處置中心的危險廢物焚燒處置設(shè)施作為研究對象。本危險廢物焚燒處置設(shè)施處理的廢物以固態(tài)、液態(tài)廢物為主，平均危險廢物焚燒量為31.28 t·d-1，其中醫(yī)療廢物20.13 t·d-1、干化污泥2.8 t·d-1、廢油漆渣2.00 t·d-1、無塵紙1.25 t·d-1、廢活性炭2.20 t·d-1、廢有機(jī)溶劑1.40 t·d-1、廢樹脂 1.50 t·d-1。焚燒產(chǎn)生的煙氣量為 18.3 km3·d-1，煙氣中還含有一定量的粉塵、酸性氣體、二噁英及重金屬汞、鎘、鉛等。

2.2危險廢物焚燒處置工藝流程簡述

該中心危險廢物焚燒處置設(shè)施的焚燒爐爐型為回轉(zhuǎn)窯，煙氣凈化系統(tǒng)與我國目前危險廢物焚燒行業(yè)大部分設(shè)施一樣[14]，選用“急冷+活性炭噴射+布袋除塵器+半干法脫酸”凈化工藝。工藝流程如圖 1所示。各類危險廢物摻混配比后進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯，在回轉(zhuǎn)窯中翻動、干燥、氣化、燃燒，經(jīng)過45～70 min的高溫焚燒，到達(dá)回轉(zhuǎn)窯出口時，危險廢物徹底焚燒成高溫?zé)煔夂突以?。焚燒灰渣從回轉(zhuǎn)窯出口處進(jìn)入水封刮板出渣機(jī)，水冷后進(jìn)入灰倉，定期送到穩(wěn)定化/固化車間進(jìn)行處理。燃燒產(chǎn)生的煙氣從回轉(zhuǎn)窯出口處進(jìn)入二燃室，在二燃室再次經(jīng)過高溫燃燒，停留時間在2s以上，使煙氣中的微量有機(jī)物及二噁英得以充分分解。二燃室后設(shè)置余熱鍋爐，以回收高溫?zé)煔庵械牟糠譄崮堋Ｔ谟酂徨仩t中煙氣溫度從1100～1200 ℃降至550 ℃左右，然后煙氣經(jīng)煙道從上方進(jìn)入急冷塔，急冷塔上設(shè)置的雙流體噴頭。在噴頭的內(nèi)部，在壓縮空氣的作用下，壓縮空氣與水經(jīng)過若干次的打擊，水被霧化成直徑0.1 mm左右的水滴，被霧化后的水滴與高溫?zé)煔獬浞謸Q熱，在短時間內(nèi)迅速蒸發(fā)，帶走熱量。使得煙氣溫度在瞬間（一般為 0.7s左右）被降至 200 ℃。由于煙氣在 200～500 ℃之間停留時間小于1s，因此防止了二噁英的再合成。

煙氣經(jīng)過急冷塔后進(jìn)入脫酸塔，在此處加入的消石灰粉與煙氣中的酸性氣體進(jìn)行充分混合，去除大部分的酸性氣體。煙氣在進(jìn)入布袋除塵器之前，利用虹吸原理將活性炭粉噴入管道當(dāng)中，吸附煙氣中的二噁英等有毒有害成分。從布袋除塵器底部排出、收集的飛灰經(jīng)螺旋輸送機(jī)、埋刮板輸送機(jī)收集運(yùn)往穩(wěn)定化/固化車間進(jìn)行處理。煙氣經(jīng)過袋式除塵器除塵后進(jìn)入洗滌塔，去除前端未完全去除的酸性氣體和有害物質(zhì)。經(jīng)過洗滌塔后的煙氣中含有大量的水汽，此后在經(jīng)過引風(fēng)機(jī)時造成積水，并在經(jīng)過煙囪后形成白煙，對周圍的環(huán)境造成嚴(yán)重污染。為了解決形成白煙的問題，在洗滌塔后設(shè)置煙氣加熱器，將洗滌后溫度大約74 ℃的煙氣升高到大約120 ℃，解決了煙氣中的水汽對引風(fēng)機(jī)及煙囪的腐蝕，也解決煙囪冒白煙的問題。

圖1　危險廢物焚燒處置設(shè)施工藝流程圖

2.3二噁英分析方法

二噁英檢測方法依據(jù)《環(huán)境空氣和廢氣 二（噁）英類的測定同位素稀釋高分辨氣相色譜高分辨質(zhì)譜法》（HJ77.2-2008）標(biāo)準(zhǔn)方法。分析儀器采用 HP6890GC/Waters Autospec Premier。

3 二噁英控制策略探討

3.1焚燒原料組分控制對二噁英產(chǎn)生的影響

二噁英不是天然產(chǎn)物，而是含氯的碳?xì)浠衔镌谌紵^程中形成的，有氯和金屬元素存在條件下的有機(jī)物燃燒均會產(chǎn)生二噁英[15]。因此減少二噁英排放最有效、最直接的辦法就是通過控制焚燒原料的組成，盡量減少能促進(jìn)二噁英形成的物質(zhì)，從源頭控制二噁英的產(chǎn)生。危險廢物在進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯前，先進(jìn)行預(yù)處理，剔除部分水分，通過分揀、分離、回收金屬類廢物（銅被證明是非?；顫姷拇呋瘎x，雖然其他金屬化合物也有催化能力，但能力都相對較弱，所以應(yīng)注重銅類廢物的分類回收[16]），減少不可燃組份，并盡可能的避免氯、含苯環(huán)類廢物進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯焚燒，從而減少二噁英合成反應(yīng)中所需的反應(yīng)物和重金屬催化劑的量。然而對于本危險廢物焚燒處置設(shè)施而言，焚燒原料中含有 64%左右的醫(yī)療廢物，而醫(yī)用廢塑料、廢棄醫(yī)用藥品均提供了二噁英形成所需要的氯源。醫(yī)用廢塑料本身是可實(shí)現(xiàn)多次再生的資源，而近年來新興的高溫蒸汽消毒、化學(xué)消毒、微波消毒等非焚燒技術(shù)可將分類收集篩選的醫(yī)用廢塑料破碎并滅菌消毒后加以再生利用，減少了焚燒原料組分中氯含量，從而控制二噁英的產(chǎn)生。各類危險廢物根據(jù)的成分、熱值等參數(shù)及廢物間的相容性進(jìn)行摻混配比，使焚燒物料能夠獲得足夠熱量強(qiáng)度，確保進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯后得以充分燃燒[17]。

3.2煙氣溫度對煙氣中二噁英形成的影響

溫度是控制二噁英排放的關(guān)鍵因素，二噁英在850 ℃以上且停留時間在2 s以上則會得到有效地分解，但在200～500℃范圍內(nèi)二噁英又容易合成，尤其在350 ℃合成速率最高[18]。所以應(yīng)采用急冷設(shè)備降低煙氣溫度，盡可能縮短煙氣在處理和排放過程中處于200～500 ℃的時間，避開二噁英合成的溫度區(qū)域，控制煙氣進(jìn)入布袋除塵器入口的溫度低于200 ℃，防止焚燒后再合成[19]。王偉與李永華等人[20,21]認(rèn)為，在理論上通過利用改進(jìn)的急冷工藝，使急冷塔以噴水的形式與煙氣進(jìn)行熱量交換，能夠?qū)煔鉁囟仍?.22 s以內(nèi)，從500 °C迅速降至200 °C以下，進(jìn)而抑制二噁英的二次合成。

3.3活性炭噴射量對危險廢物焚燒煙氣中二噁英脫除效果的影響

“活性碳吸附+布袋除塵器”為控制二噁英排放最有效的的工藝技術(shù)，當(dāng)運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化時，較容易實(shí)現(xiàn)使煙氣中二噁英濃度低于0.1 TEQ ng·m-3[22]?；钚蕴烤哂泻軓?qiáng)的吸附性能，不僅可吸附二噁英，還能吸附常規(guī)污染物與重金屬等，而通?；钚蕴繃娚淞康牟煌瑫Χf英的脫除效果存在一定的影響[23]。

本文初步實(shí)驗(yàn)研究活性炭的噴射量對二噁英脫除效果的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。由圖2可知，在煙氣處理系統(tǒng)中，投入活性炭粉末量越多，對二噁英的去除效率越高。當(dāng)活性炭濃度為0 mg·Nm-3時，二噁英的TEQ的濃度大約為1.4688 TEQ ng·Nm-3，并未到二噁英排放限值0.5 TEQ ng·Nm-3要求；當(dāng)活性炭濃度為 200 mg·Nm-3時，二噁英的 TEQ的濃度大約為0.3064 TEQ ng·Nm-3，低于排放限值要求；而當(dāng)活性炭濃度增至500～600 mg·Nm-3時，脫除率提高并不明顯，相對于噴射量的成本而言，明顯是不合理的。但是對于工程應(yīng)用而言，并不能保證危險廢物焚燒的原料組分不變，也不能時刻保證物料得以充分燃燒，所以在應(yīng)用當(dāng)中往往會比理論的噴射量多一倍，即理論上活性炭濃度為200～300 mg·Nm-3即可使二噁英達(dá)標(biāo)排放，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)增至500～600 mg·Nm-3?；钚蕴繃娚溲b置是有必要的，“活性碳吸附+布袋除塵器”工藝技術(shù)可以比較方便地運(yùn)用于實(shí)際工程，也可較容易的實(shí)現(xiàn)煙氣中二噁英的濃度達(dá)標(biāo)排放，然而這種技術(shù)只是將煙氣中的二噁英轉(zhuǎn)移到了飛灰中。對于本危險廢物焚燒處置設(shè)施的監(jiān)測結(jié)果表明焚燒產(chǎn)生的飛灰中二噁英類最大為3823 TEQ ng·kg-1，所以對飛灰中的二噁英的處理也是一個重要問題。

圖2　活性炭噴射量對危險廢物焚燒煙氣中二噁英脫除效果的影響

4 結(jié)論

針對二噁英產(chǎn)生所需的物理、化學(xué)條件，可通過控制調(diào)整焚燒原料組分、煙氣溫度、活性炭噴射量來排放煙氣中二噁英的排放。

（1）對焚燒原料應(yīng)進(jìn)行分類收集，回收其中金屬類廢物、醫(yī)用廢塑料，不僅能夠有效控制氮源減少催化劑含量，還可以實(shí)現(xiàn)廢物的資源化利用。

（2）通過才用急冷設(shè)備，盡可能控制煙氣在二噁英合成的溫度區(qū)域（200～500 ℃）的停留時間，可以有效的減少了二噁英的產(chǎn)生。

（3）活性炭噴射裝置是有必要的，當(dāng)活性炭噴射量為200～300 mg·Nm-3時，二噁英的排放能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)限值的要求，但在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)增至500～600 mg·Nm-3，以確保不同工況下危險廢物焚燒煙氣中二噁英能夠達(dá)標(biāo)排放。

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The control strategy discussion on the PCDD/Fs in hazardous waste incineration flue gas

For the problem of hazardous waste incineration is bound to produce PCDD/Fs, according to the mechanism and influencing factors of PCDD/Fs generation, this study discusses how the composition of burning material and flue-gas temperature and quantity of activated carbon ejecting affect the emission of PCDD/Fs. Combining with the analysis results, proposing the hazardous waste should be classified collection, and discussing the control requirements and conditions of flue-gas temperature and quantity of activated carbon ejecting, offering the control strategy on the PCDD/Fs in hazardous waste incineration flue gas in actually engineering project.

Hazardous waste; PCDD/Fs; flue gas; control strategy

X511

A

1008-1151(2015)10-0017-03

2015-09-11

2014人才小高地“錫多金屬礦選礦行業(yè)清潔生產(chǎn)節(jié)水與資源化利用”。

劉凱（1976－），男，湖北武漢人，廣西神州立方環(huán)境資源有限責(zé)任公司工程師，碩士研究生，從事固體廢物處置、環(huán)境工程等工作。