垃圾焚燒煙氣中二噁英類(lèi)物質(zhì)脫除技術(shù)研究

樊彥玲，祝文，鄧偉

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垃圾焚燒煙氣中二噁英類(lèi)物質(zhì)脫除技術(shù)研究

樊彥玲，祝文，鄧偉

（西安西礦環(huán)保科技有限公司，陜西 西安 710075）

介紹了垃圾焚燒過(guò)程中二噁英類(lèi)物質(zhì)的生成機(jī)理及其理化特性，提出了二噁英類(lèi)物質(zhì)的控制途徑，為垃圾焚燒煙氣中二噁英類(lèi)物質(zhì)脫除提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持。

垃圾焚燒；二噁英；有機(jī)污染物；垃圾焚燒

1 概述

二噁英類(lèi)物質(zhì)是一種性質(zhì)穩(wěn)定的持久性有機(jī)污染物，有“世紀(jì)之毒”之稱。由于我國(guó)垃圾分類(lèi)意識(shí)和相關(guān)法律制度的缺失，國(guó)內(nèi)垃圾焚燒企業(yè)二噁英類(lèi)物質(zhì)的排放比例可能會(huì)更高。二噁英類(lèi)物質(zhì)毒性嚴(yán)重，具有生物體內(nèi)富集性，危害極大，如果不選用合適的防治措施，將對(duì)周邊生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。

2 垃圾焚燒煙氣中的二噁英類(lèi)物質(zhì)

2.1 二噁英類(lèi)物質(zhì)的生成

二噁英類(lèi)物質(zhì)完全由人類(lèi)活動(dòng)產(chǎn)生，主要來(lái)自垃圾焚燒行業(yè)、造紙業(yè)、含氯工業(yè)以及含鉛汽油的生產(chǎn)和使用等，其中垃圾焚燒過(guò)程產(chǎn)生的二噁英類(lèi)物質(zhì)占總排放量的10%～40%以上。有研究結(jié)果表明，僅少量二噁英類(lèi)物質(zhì)由原生垃圾攜帶而來(lái)，大部分來(lái)源于焚燒過(guò)程。一般認(rèn)為有3種機(jī)理：①高溫合成。焚燒爐內(nèi)局部空間形成短暫缺氧，此時(shí)部分有機(jī)物與氯化氫發(fā)生反應(yīng)，合成PCDD/Fs。有研究結(jié)果顯示，塑料含氯量在2.7%以下時(shí)，二噁英類(lèi)物質(zhì)的生產(chǎn)量幾乎沒(méi)什么區(qū)別，但含氯量一旦大于3.9%時(shí)，生成量可迅速增加10倍以上。②低溫合成。由于不完全燃燒產(chǎn)生的大分子碳與飛灰中的有機(jī)或無(wú)機(jī)氯，在氧化條件和某些金屬的催化作用下，200～350 ℃范圍內(nèi)即可合成微量的PCDD/Fs。③前驅(qū)物合成。二噁英類(lèi)物質(zhì)熱穩(wěn)定性好，在溫度大于500 ℃時(shí)才被降解，大于1 000 ℃時(shí)才被分解，焚燒爐內(nèi)溫度小于850 ℃時(shí)因上一步生成的二噁英類(lèi)物質(zhì)得不到徹底分解，形成大分子碳和聚氯乙烯、聚氯亞乙烯、聚氯樹(shù)脂等二噁英類(lèi)物質(zhì)的前驅(qū)體，從而為低溫合成二噁英類(lèi)物質(zhì)提供了原料。

2.2 二噁英類(lèi)物質(zhì)的理化特性

二噁英類(lèi)物質(zhì)包括多氯代二苯并二噁英（PCDDs）和多氯代二苯并呋喃（PCDFs）2類(lèi)物質(zhì)，均含有2個(gè)氯代芳香環(huán)和1個(gè)氧雜環(huán)。二噁英類(lèi)物質(zhì)的蒸氣壓很低，25 ℃時(shí)僅為2.3×10-4Pa，熔點(diǎn)為305 ℃，在水中的溶解度僅為0.2 ng/L，熱穩(wěn)定性好，超過(guò)1 000 ℃才被分解破壞。二噁英類(lèi)物質(zhì)具有親脂性且難溶于水，毒性強(qiáng)且具有生物體內(nèi)富集性，生物降解能力差。全國(guó)每年約有5 kg二噁英類(lèi)物質(zhì)被排放到環(huán)境中，其中2，3，7，8-四氯二苯并二噁英為人類(lèi)已知毒性最強(qiáng)的污染物，1盎司（28.35 g）即可毒殺1 000 000人。二噁英類(lèi)物質(zhì)是混合物，國(guó)際上常把同類(lèi)物折算成2，3，7，8-四氯二苯并二噁英的量來(lái)表示，稱為國(guó)際毒性當(dāng)量TEQ，《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18485—2014）規(guī)定，二噁英類(lèi)物質(zhì)的排放限制為0.1 ng-TEQ/Nm3。目前，二噁英類(lèi)物質(zhì)劇毒的檢測(cè)尚無(wú)法實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)，一般是將樣品送至實(shí)驗(yàn)室離線檢測(cè)分析，檢測(cè)頻率為每年1或2次。

3 二噁英類(lèi)物質(zhì)的控制

3.1 入爐前垃圾分類(lèi)

可將垃圾中含有的塑料、織物等成分進(jìn)行有效分選，控制入爐的氯量；采用磁選或重選等方法將金屬、玻璃、磚塊等不燃物去除；廚余垃圾單獨(dú)送至生物堆肥，將成分簡(jiǎn)單的高熱值垃圾送至焚燒爐，提高蒸汽量的同時(shí)減少有害物質(zhì)的生成。

3.2 控制燃燒條件

在燃燒溫度大于850 ℃的條件下，煙氣含氧率保持在6%～8%，合理控制助燃空氣的風(fēng)量、溫度和注入位置，加強(qiáng)爐內(nèi)湍流度，延長(zhǎng)焚燒煙氣在爐內(nèi)的停留時(shí)間（大于2 s）可以有效降低爐內(nèi)二噁英類(lèi)物質(zhì)的生成。另外，從焚燒爐出來(lái)的煙氣在短時(shí)間內(nèi)急劇下降至150 ℃以下，可有效遏制二噁英類(lèi)物質(zhì)的再生成。參與二噁英類(lèi)物質(zhì)合成的氯源主要以Cl2或HCl的形式存在，通過(guò)加入堿性物質(zhì)將焚燒中產(chǎn)生的Cl-提前固定下來(lái)。可以使Cl-固定下來(lái)的主要有硫及硫化物、用于爐內(nèi)脫硝的尿素等氮氧化物及石灰等堿性氧化物。其中，硫化物不僅可以固定Cl-，還能與爐內(nèi)飛灰中催化二噁英生成的CuO等物質(zhì)反應(yīng)，降低飛灰的催化能力。有研究結(jié)果表明，加入白云石后，二噁英生成量可減少94%.

3.3 二噁英類(lèi)物質(zhì)傳統(tǒng)控制工藝

活性炭吸附法去除二噁英類(lèi)物質(zhì)。目前，國(guó)內(nèi)垃圾焚燒企業(yè)絕大多數(shù)采用活性炭噴射吸附法+布袋除塵器+飛灰穩(wěn)定技術(shù)的組合工藝控制二噁英類(lèi)物質(zhì)的排放濃度，通常將活性炭粉噴射入煙道氣中，吸附了二噁英類(lèi)物質(zhì)的活性炭被布袋除塵器捕集后進(jìn)入飛灰穩(wěn)定系統(tǒng)，凈化后煙氣從煙囪排放。有研究結(jié)果表明，活性炭的噴入量達(dá)到0.5 kg/t垃圾，二噁英類(lèi)物質(zhì)排放濃度可滿足0.1 ng-TEQ/Nm3的國(guó)家排放濃度限值要求。

3.4 二噁英類(lèi)物質(zhì)新控制工藝

3.4.1 電子束分解技術(shù)

采用加速器產(chǎn)生高能電子束作用于焚燒煙氣，絕大部分能量被煙氣中的O2、N2、H2O等成分吸收后產(chǎn)生活性粒子，進(jìn)而破壞二噁英類(lèi)物質(zhì)的化學(xué)鍵，將其分解為小分子物質(zhì)。該技術(shù)會(huì)大大增加投資和運(yùn)行成本，目前尚未實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。

3.4.2 光催化技術(shù)

該技術(shù)主要利用了半導(dǎo)體材料，可以使二噁英類(lèi)物質(zhì)吸收光能后化學(xué)鍵斷裂的速度加快，進(jìn)而將其分解去除。該過(guò)程的本質(zhì)是TiO2在吸收光能后容易產(chǎn)生電子和空穴對(duì)，空穴易與二氧化鈦表面吸附的水和氫氧根反應(yīng)生產(chǎn)強(qiáng)氧化性羥基。該羥基的反應(yīng)足以破壞二噁英類(lèi)物質(zhì)中的各類(lèi)化學(xué)鍵，使其最終分解為CO2、H2O和HCl等小分子物質(zhì)。該技術(shù)目前尚停留在理論研究階段，還需要在光響應(yīng)范圍、載體回收利用和光能利用率方面加大研究力度，推進(jìn)工業(yè)化進(jìn)程。

3.4.3 催化分解技術(shù)

二噁英類(lèi)物質(zhì)在SCR脫硝催化劑表面上被催化分解，其分解率可高達(dá)99.9%.二噁英類(lèi)物質(zhì)的分解要求SCR脫硝的運(yùn)行溫度低于275 ℃，高于275 ℃的反應(yīng)溫度會(huì)促使二噁英類(lèi)物質(zhì)的再生成；煙溫在275～300 ℃，二噁英類(lèi)物質(zhì)的分解速度依然大于生成速率，然而其脫除效率已經(jīng)降低；煙溫高于300 ℃，且煙氣中存在碳?xì)浠衔锛癏Cl時(shí)，SCR出口的二噁英類(lèi)物質(zhì)濃度將大于SCR入口濃度。由于國(guó)內(nèi)催化劑性能（尤其是低溫性能）還需進(jìn)一步優(yōu)化，該技術(shù)目前尚未進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用。

4 結(jié)束語(yǔ)

焚燒技術(shù)在解決城市生活垃圾污染問(wèn)題上具有其他技術(shù)無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，能否有效解決垃圾焚燒技術(shù)帶來(lái)的二次污染問(wèn)題是制約該技術(shù)發(fā)展的決定性因素之一。活性炭噴射吸附法+布袋除塵器+飛灰穩(wěn)定技術(shù)的傳統(tǒng)組合工藝能有效控制二噁英類(lèi)物質(zhì)的排放濃度，但該技術(shù)只是將二噁英類(lèi)物質(zhì)吸附捕集并未分解，即沒(méi)有從根本上解決污染問(wèn)題。而電子束分解技術(shù)、光催化技術(shù)和催化分解技術(shù)能將二噁英類(lèi)物質(zhì)降解為小分子，因此，我國(guó)尚需繼續(xù)研發(fā)二噁英類(lèi)物質(zhì)脫除新技術(shù)，為新技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

［1］梁東東，李大江，郭持皓，等.垃圾焚燒煙氣中二噁英脫除技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀［J］.中國(guó)資源綜合利用，2016（01）：41-45.

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2095－6835（2018）21－0075－02

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10.15913/j.cnki.kjycx.2018.21.075

〔編輯：張思楠〕