生活垃圾焚燒二惡英生成機理及控制技術(shù)分析

郝介秀

（上海天馬再生能源有限公司，上海201603）

1 項目概況

生活垃圾進入焚燒系統(tǒng)后受較多運行參數(shù)的影響，生成的二惡英濃度也隨之變化。本文主要研究垃圾焚燒系統(tǒng)的各運行參數(shù)對焚燒過程中二惡英排放濃度的影響，分析的各影響要素包括：進入焚燒爐的垃圾來源、再循環(huán)風量、一次風與“二次風+再循環(huán)風量”的比例、省煤器出口氧量、省煤器出口CO 濃度、布袋吹灰、濕法洗滌塔運行參數(shù)、活性炭孔徑和用量。并對二惡英濃度進行固、液、氣的三相分析，總結(jié)出通過調(diào)整垃圾焚燒系統(tǒng)運行參數(shù)，來降低二惡英排放濃度的方法。

2 二惡英的理化特性

二惡英（PCDD/Fs）是幾類結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)相似的氯原子取代的（簡稱氯代）多環(huán)芳香化合物的總稱，包括多氯代二苯并-對-二惡英（PCDDs）和多氯代二苯并呋喃（PCDFs），結(jié)構(gòu)式如圖1 所示。氯原子取代位置不同，可以形成不同異構(gòu)體，造成PCDDs 有75 種異構(gòu)體，PCDFs 有135 種異構(gòu)體，在這210 種異構(gòu)體中, 只有2,3,7,8 四個位置均被氯原子取代的化合物才具有生理毒性[1]。二惡英在常溫下為固態(tài), 具有熱穩(wěn)定性、低揮發(fā)性、脂溶性和環(huán)境穩(wěn)定性的特點，進入人體后會在體內(nèi)累計，達到一定程度具有致癌、致畸變的作用[2]。

圖1 二惡英結(jié)構(gòu)式

3 垃圾焚燒過程二惡英的生成與去除機理

3.1 二惡英的生成機理

垃圾焚燒發(fā)電廠由下列系統(tǒng)及設(shè)備組成：垃圾接收與儲存系統(tǒng)、進料系統(tǒng)、垃圾焚燒系統(tǒng)、煙氣凈化系統(tǒng)、給水除氧系統(tǒng)及汽輪機、化學水和綜合水系統(tǒng)、滲濾液處理系統(tǒng)、飛灰固化系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)。

生活垃圾在進入垃圾焚燒廠之前，先由城市環(huán)衛(wèi)部門收集后裝到專用垃圾車，之后運至焚燒廠垃圾坑儲存，經(jīng)過篩選后對大件垃圾進行粉碎，然后用垃圾抓斗將垃圾抓取送入焚燒爐的給料溜管，再由推料器推入爐膛，與空氣混合后進行燃燒[3]。

大量研究表明, 生活垃圾焚燒爐二惡英的排放主要來自以下三個途徑：（1）源頭。指垃圾中原有的二惡英，在焚燒過程中未完全分解，最后隨煙氣、爐渣等排出的二惡英含量。（2）高溫合成。含C、H 的低沸點有機物在500-800℃的條件下?lián)]發(fā)出來，在缺氧條件下，和HCl 生成二惡英。（3）低溫異相合成。包括從頭合成和前驅(qū)物合成。從頭合成指在250-350℃的條件下，大分子C 和Cl 元素反正生成二惡英；前驅(qū)物合成是指未完全燃燒的氯酚和氯苯的熱解重排生成了二惡英[4]。二惡英在垃圾焚燒過程中的反應區(qū)域如圖2 所示。

圖2 垃圾焚燒過程二惡英反應區(qū)示意圖

3.2 二惡英的控制及處理技術(shù)綜述

3.2.1 燃燒前控制

二惡英的生成源頭就是因為有氯元素的存在，同時金屬的存在也會加劇二惡英的產(chǎn)生。而生活垃圾中的一些塑料制品、廚余中的無機氯會生成二惡英。因此將垃圾中的金屬和玻璃分離出來，同時經(jīng)過分揀剔除垃圾中的不可燃成分和水分，余下的生活垃圾經(jīng)過破碎、壓縮制成垃圾衍生燃料RDF（Refuse derived fuel），其組成與熱值相似、金屬含量低、比表面積大，可保證快速、充分、穩(wěn)定燃燒。

3.2.2 燃燒過程中抑制

目前國內(nèi)外都采用“3T”原則來控制二惡英的生成，即Temperature（燃燒溫度）——保持在800℃以上；Turbulence（湍流度）——在高溫區(qū)送入二次空氣并充分攪拌增強混合湍流度；Time（停留時間）——保證燃燒氣體在高溫區(qū)的停留時間大于2s。

另外，通過在二惡英生成的化學反應中加入一些化合物，如堿性化合物（NH3、CaO、NaOH、Na2CO3等）改變酸度以減少飛灰表面的二惡英生成；還可以加入一些含硫化合物（Na2S、Na2S2O3、CS2O3、SO2等）催化過渡金屬形成其他絡(luò)合物，減少過渡金屬反應形成二惡英。

3.2.3 燃燒后區(qū)域防止

焚燒爐的燃后區(qū)域可以發(fā)生二惡英的從頭合成，在300℃～325℃時的生成量最大，故應縮短煙氣在此溫度段的停留時間；另外，飛灰中的殘?zhí)际嵌河念^合成的主要碳源，所以應定期清除飛灰；也可向煙氣中噴入化學抑制劑（如二氧化硫、氨水、二甲胺、甲硫醇等）阻止二惡英的生成[5]。

4 運行參數(shù)與二惡英排放相關(guān)性研究

根據(jù)二惡英的生成與控制機理，取垃圾焚燒系統(tǒng)的若干參數(shù)進行試驗研究，包括：進入焚燒爐的垃圾來源、再循環(huán)風量、一次風與“二次風+再循環(huán)風量”的比例、省煤器出口氧量、省煤器出口CO 濃度、布袋吹灰、濕法洗滌塔運行參數(shù)、活性炭孔徑和用量。

4.1 再循環(huán)風量對二惡英排放的影響

再循環(huán)風量取5000、7000、10000Nm3/h 三種工況，其余參數(shù)保持不變，相關(guān)運行參數(shù)見表1，每個檢測樣開始、中間、結(jié)束時對相關(guān)參數(shù)進行抄表，每個工況做三個樣品，取平均值。

表1 實驗工況運行參數(shù)一覽表

備注：測試點為省煤器出口、布袋除塵器后、煙囪出口，檢測樣品中氣、固、液三相中二惡英濃度分別測試。

結(jié)果表明，當再循環(huán)煙氣量分別為5000、7000 和10000Nm3/h 時，余熱鍋爐出口二惡英源強分別為0.0257、0.0381、0.044mg/Nm3，可看出余熱鍋爐出口煙氣中二惡英濃度與再循環(huán)煙氣量正相關(guān)。

如圖3，布袋除塵器后氣相、液相、固相二惡英平均濃度分別是源強濃度的184%、75%、16%。初步分析為經(jīng)過減溫塔減溫后，氣溶膠形態(tài)的二惡英大幅度增長，而布袋對于氣相二惡英去除效率較差，對液相二惡英去除效率一般，對固相二惡英的去除效率較高。

圖3 布袋后二惡英濃度與源強之比統(tǒng)計

4.2 省煤器出口氧量、一次風與（二次風+再循環(huán)風量）比例對二惡英排放的影響

將本階段試驗的省煤器出口氧量固定在6～6.5%，與第一階段工況做比對，分析省煤器出口氧量對二惡英濃度的影響。一次風與“二次風+再循環(huán)風量”比例見表2，其余參數(shù)保持不變。

表2 一次風與“二次風+再循環(huán)風量”比例配置表

從試驗數(shù)據(jù)可看出，在常規(guī)運行工況下—— 一次風與（二次風+再循環(huán)風量）比例在9-10：1，省煤器出口氧量無論在5～5.5%或6～6.5%，余熱鍋爐出口二惡英源強濃度相差不大；從表3 可看出，省煤器出口氧含量在6～6.5%，煙囪出口二惡英濃度隨著風量配比升高而有所增加。

表3 風量配比的影響

4.3 不同垃圾來源對二惡英排放的影響

天馬垃圾焚燒廠的垃圾來源包括：普通生活垃圾、建筑垃圾分選可燃物和干化后污泥。其中，普通生活垃圾和建筑垃圾分選可燃物是每天進廠常規(guī)垃圾（生活垃圾：分揀可燃物=3：1），干化后污泥摻燒量控制在5～6.5%以內(nèi)。變動參數(shù)如下表。

表4 一次風與“二次風+再循環(huán)風量”比例配置表

以國家標準0.1ngTEQ/m3為基數(shù)，純生活垃圾、常規(guī)垃圾、常規(guī)垃圾+5%污泥工況下省煤器后二惡英濃度為國家標準的205.7%、221.7%、154%，由此可看出，常規(guī)垃圾二惡英比例最高，摻燒污泥對二惡英的產(chǎn)生有一定的抑制作用。

4.4 濕法洗滌塔運行工況、布袋差壓對二惡英排放的影響

表5 濕法洗滌塔運行工況、布袋差壓配置表

從表6 可看出，洗滌塔出口煙氣溫度降低和洗滌塔電導的降低，二惡英去除效率有輕微的提高。由工況15 的數(shù)據(jù)可知，布袋吹灰對二惡英的濃度基本沒有影響。

表6 尾排二惡英去除效率統(tǒng)計表

4.5 布袋差壓、省煤器后CO 濃度對二惡英排放的影響

表7 布袋差壓、省煤器后CO 濃度配置表

工況16 與17 數(shù)據(jù)對比，當省煤器后CO 濃度高到100mg/Nm3時，省煤器后二惡英濃度沒有明顯升高。工況16 與18 對比可看出，布袋吹灰對二惡英的濃度沒有較大的影響。當省煤器后CO 濃度由降低到10mg/Nm3時（工況18 和19），省煤器后二惡英濃度也隨之降低。

4.6 活性炭孔徑與用量對二惡英排放的影響

表8 活性炭孔徑與用量配置表

如表8，先對活性炭中孔比例進行分析，篩選出最優(yōu)孔徑比例的活性炭后，再進行活性炭投加量的研究。對氣、液、固二惡英綜合去除效率分析，工況20 為98.46%，工況21 為97.08%，工況22 為98.45%，結(jié)果顯示，活性炭孔徑比例的分布對二惡英的去除效率基本沒有影響?？赡芤驗槎河舛纫呀?jīng)是痕量，對于活性炭吸附來說體現(xiàn)不出來差別。對投加量的試驗采用中孔比例最小的活性炭進行試驗。從結(jié)果來看，同樣由于二惡英濃度已經(jīng)很低，用最低量的活性炭已經(jīng)對其吸附達到了飽和狀態(tài)，再增加活性炭的用量，對吸附效率也沒有提升。

5 結(jié)論

垃圾焚燒各參數(shù)對二惡英濃度的影響可以看出，再循環(huán)煙氣量、一次風與（二次風+再循環(huán)風量）比例、省煤器后CO 濃度與余熱鍋爐出口煙氣中二惡英濃度正相關(guān)。再循環(huán)風量較高時，摻燒5%的污泥會導致二惡英源強增加27%；反之，摻燒污泥對二惡英的產(chǎn)生有一定的抑制作用。省煤器出口氧量對二惡英源強影響不大。洗滌塔出口煙氣溫度和洗滌塔電導的降低，對二惡英去除效率有一定的提高。因此，在生產(chǎn)運行中，可結(jié)合實際工況，通過適當降低再循環(huán)煙氣量、一次風與（二次風+再循環(huán)風量）比例、省煤器后CO 濃度、洗滌塔出口煙氣溫度和電導來降低二惡英的排放濃度。