生活垃圾焚烧发电项目中二噁英的控制技术

生活垃圾焚烧发电项目中二噁英的控制技术

黄鑫

四川电力设计咨询有限责任公司，四川 成都 610041

摘  要：目前，由于国家政策推动以及环保形势的日益严峻，生活垃圾焚烧发电项目已越建越多，生活垃圾焚烧后所产生的烟气中含有二噁英等污染物，需经烟气处理系统净化，满足达到国家现行标准后的洁净气体才能排至大气。首先，了解二噁英的生成原理，然后解释“3T+E”法和末端控制技术，并提出推荐方案。

关键词：生活垃圾；二噁英；控制技术

1有机污染物控制技术

有机污染物的产生机理极为复杂，伴随有多种化学反应。有机污染物的形成机理，目前还没有成熟的理论，有待于进一步研究。在生活垃圾焚烧产生的有机污染物中，以二噁英（PCDDS）及呋喃（PCDFS）对环境影响最为显著。

1.1 生成原理

二噁英及呋喃是到目前为止发现的无意识合成的副产品中毒性最强的物质，是由苯环与氧、氯等组成的芳香族有机化合物，被认为是能致癌、致畸形、影响生殖机能的微量污染物。PCDDS有75种以上的同分异构体，PCDFS有135种以上的同分异构体，其中毒性最强的是2，3，7，8-四氯联苯（2，3，7，8-TCDD）。

自从1977年荷兰阿姆斯特丹垃圾焚烧厂排放的烟气以及飞灰中检测到二噁英以来，多年来各国研究者对其在垃圾焚烧中的机理进行了深入而广泛的研究。二噁英典型结构如下图。

图5-16 二噁英典型结构示意图

二噁英的生成机理相当复杂，已知的生成途径可能有以下三方面：

（1）垃圾中本身含有微量的二噁英。由于二噁英具有热稳定性，尽管大部分在高温燃烧时得以分解，但仍会有一部分在燃烧以后排放出来。

（2）在燃烧过程中由含氯前体物生成二噁英。含氯前体物包括的聚氯乙烯、氯代苯、五氯苯酚等，在燃烧中前体物分子通过重排、自由基缩合、脱氯或其他分子反应等过程会生成二噁英。这部分二噁英在高温燃烧条件下大部分也会被分解。

（3）当燃烧不充分时，烟气中产生过多的未燃尽物质，在300～500℃的温度环境下，若遇到适量的触媒物质（主要为重金属，特别是铜等），在高温燃烧中已经分解的二噁英将会重新生成。

1.2 过程控制的措施

根据《二噁英污染防治技术政策》，二噁英的防治原则如下：对主要二噁英排放行业实施全过程控制，包括加强源头削减、优化过程控制和完善末端治理。源头削减是指使用管理手段和技术手段，减少生产原料中存在的二噁英前驱物的含量，减小产生二噁英的潜在风险；过程控制是指在生产过程中控制工艺运行参数，避开二噁英的生成条件，减少二噁英的生成；末端治理是指在烟气污控措施上，采用针对性的处理技术，控制二噁英向环境中排放。二噁英在高温燃烧条件下大部分也会被分解。

当燃烧不充分时，烟气中产生过多的未燃尽物质，在300～500℃的温度环境下，若遇到适量的触媒物质（主要为重金属，特别是铜等），在高温燃烧中已经分解的二噁英将会重新生成。

二噁英在一定温度下分解99.99%所需时间见下图。

为降低烟气中的二噁英浓度，首先从焚烧工艺上要尽量抑制二噁英的生成。除选用合适的炉膛结构，使垃圾充分燃烧外，控制二噁英的产生的最有效的方法是“3T+E”法，即控制：

（1）温度（Temperature）：保证烟气在进入余热锅炉前温度不低于850℃，将二噁英在炉内完全分解。

（2）时间（Time）：烟气在炉膛及二次燃烧室内的停留时间大于2秒。

（3）湍流（Turbulence）：优化炉型和二次空气喷入方法，充分混合搅拌烟气达到完全燃烧。

图5-17 二噁英（TCDD）分解99.99%所需时间

（4）过量的空气（Excess Air）：氧气浓度不小于6%，保证充分燃烧。

另外，在烟气净化过程中，尽量缩短250～800℃特别是300～500℃温度区域温度域的停留时间，降低除尘器前的烟气温度，避免二噁英再次产生。

1.3 末端处理技术

目前二噁英的末端处理技术主要包括物理吸附和催化氧化分解法等。

（1）物理吸附

物理吸附一般而言即指活性炭吸附。具体来说包括固定床、移动床、活性炭喷射三种工艺，从捕集效率的角度而言，三者难分伯仲。但固定床和移动床一般位于布袋除器之后，运行过程中易出现活性炭颗粒磨损从而导致尾气粉尘超标的问题，同时设备投资也较高；活性炭喷射吸附工艺即在布袋除尘器入口前将活性炭粉末分散于烟气中，吸附二噁英后被布袋除尘器捕集。该工艺克服了固定床和移动床的缺点，但活性炭的消耗量相对较高。但综合来看，活性炭喷射吸附仍然是物理吸附工艺的最佳选择。

大量研究发现，活性炭喷射吸附方案下二噁英的去除效率受到烟气温度、活性炭喷射量、活性炭性能、喷射方式和除尘装置的影响。当烟气温度在160、190℃时，喷入活性炭后二噁英的去除效率可达到97%～98%，随着温度提高，去除率有所下降；喷射速率为100mg/ Nm3时，活性炭喷射加布袋除尘可达到95%以上的二噁英去除效率，当喷射速率超过150mg/ Nm3后，二噁英的去除效率趋于稳定；欧盟在其焚烧行业最佳可行性技术参考文件《

Integrated Pollution Prevention and Control Reference Document on the Best Available Techniques for Waste Incineration》中建议，通常活性炭的喷入计量在0.5～1.0kg/t垃圾（喷射速率约100～200mg/ Nm3，以每吨垃圾产生烟气量5000 Nm3），能满足0.1ngI-TEQ/ Nm3的二噁英排放限值。

活性炭喷射吸附在去除二噁英的同时，对烟气中燃烧形成的不完全产物（PICs）如多氯联苯（PCB）、氯苯、氯酚和多环芳烃（PAH）等物质也能达到90%的去除，同时对重金属汞也能高效吸附去除使其达到排放限值。然而吸附了污染物的活性炭被下端的除尘装置捕集，转移到了固相飞灰中。对城市生活焚烧炉飞灰的实验研究表明，布袋除尘器前喷射活性炭粉末后，飞灰中二噁英类污染物的质量浓度是没有喷射时的1.5～2倍左右。因此，该方案中的飞灰要根据危险废物处置要求安全处置。

（2）催化分解法

催化氧化分解法是利用催化剂在低温下氧化二噁英，具有分解效率高的优点，可以将气态二噁英分解效率达到98.0%～99.9%，结合布袋除尘，出口二噁英质量浓度可以达到0.002～0.05ngI-TEQ/Nm3。该工艺目前属于该领域内的前沿技术，由于中间体的检测困难等原因，迄今为止对其动力学机制尚未完全清楚。催化剂基体大多采用二氧化钛，同时通过表面修饰进一步提高其活性。

1.4 推荐方案

从两种技术的比较可以看出，虽然本项目的烟尘浓度可以保证控制在8mg/Nm3内，采用催化分解法在经济方面有一定的优势，但目前催化分解法的低温催化剂尚在研发中，在国内的业绩较少，而活性炭喷射吸附技术成熟，处理效率完全能满足项目的二噁英排放指标要求，同时对汞也有较好的去除效果。

综合考虑上述因素，为稳妥起见，生活垃圾焚烧发电项目推荐采用活性炭喷射吸附的方式进行二噁英的末端处理技术。

参考文献：

[1]王辉.浅谈生活垃圾焚烧发电项目造价控制措施与方法.,2022-08.