城市生活垃圾焚烧中二恶英的产生与控制方法研究

城市生活垃圾焚烧中二噁英的产生与控制方法研究 摘要：城市垃圾垃圾焚烧二噁英类排放能否得到有效控制事关环境保护与人体健康，也关 系到生活垃圾处理的可持续发展和垃圾能源化利用的关键所在。通过对垃圾焚烧过程中二 噁英的主要生成机理及减少其排放量的方法的探讨，得出了有效实现垃圾焚烧过程中二噁 英减量化控制的措施与建议。 关键词：城市生活垃圾；二噁英；焚烧；控制方法 随着人口和经济的快速发展，全国城市生活垃圾产生量与日俱增。城市生活垃圾的处 理处置问题已经成为环境卫生、环境污染和环境治理亟待解决的问题，目前城市生活垃圾 处理方式主要以卫生填埋、堆肥和焚烧为主。填埋不仅占用大量土地，且生活垃圾中约 50是生物性有机物，易滋生蚊蝇和细菌造成环境二次污；堆肥只对垃圾中有机物质发酵， 无法处理垃圾中占一半以上的无机物，垃圾堆肥前景有限。与现有的优势处理处置技术卫 生填埋比较，焚烧占地量极小，能够实现能量回收利用，提高城市生活垃圾处理减量化、 资源化和无害化水平，改善城市人居环境等起到了良好的推进作用。因此，焚烧将会进一 步发展成为生活垃圾处理的主流技术。但是其产生的二次污染尤其是二噁英污染一直没有 得到有效的解决，已经成为我国垃圾焚烧处理的瓶颈。为使垃圾焚烧发电真正实现无害化， 研究焚烧过程中二噁英污染物的产生机理和控制技术是十分必要的。 1 城市生活垃圾现状 我国城市生活垃圾产生量平均以大约 9%的速度持续大幅度增长，我国 1/3 以上的城市 均深陷垃圾围城困局，现在中国除县城之外的 668 个城市中，有 2/3 的城市处于垃圾包围 之中，1/4 已经无垃圾填埋堆放场地。全国城市垃圾堆存累计侵占土地超过 5 亿平方米， 每年的经济损失高达 300 亿元。中国城市固体生活垃圾总量居世界前列，每年产生垃圾 1.5 亿吨，存量已达 70 亿吨。中国城市生活垃圾的产生量事实上是由城市环境卫生部门收 集与清运的垃圾量。上海和四川两地城镇人口生活垃圾人均产生量的变化如图 1 所示。针 对土地资源紧缺、人口密度高的城市应优先采用焚烧处理技术。 2 国内垃圾焚烧中二噁英的含量 焚烧处理是一种对城市垃圾进行高温热化学处理的技术，是将垃圾作为固体燃料送入 炉膛内燃烧，在 8001000的高温条件下，垃圾中的可燃组分与空气中的氧进行剧烈 的化学反应，释放出热量的过程。在这个过程中城市生活垃圾中的有机物快速分解，体积 迅速减少，同时实现高温杀菌的目的，且有机物所含的热能可通过发电回收。目前垃圾焚 烧系统主要有炉排炉和流化床炉两种工艺，前者配备了翻到型的机械炉排，后者大多为鼓 泡型流化床。垃圾焚烧过程中会产生二噁英污染问题，全国部分循环流化床垃圾焚烧中二 噁英污染物排放数据如图 2 所示，我国规定二噁英含量不准超过 1.0ng-TEQ/Nm3，而现阶 段欧盟标准为 0.1ng-TEQ/Nm3，二噁英的控制水平远落后于欧盟一些国家。我们应该吸收 消化国外技术，根据我国垃圾自身等特点，发展自己的技术和污染控制技术，要做到无害 化地处理城市生活垃圾，减少二噁英污染问题。 3 生活垃圾焚烧中二噁英的生成机理 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，20 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。由于垃圾焚烧过程 中形成二噁英的微观机制相当复杂，迄今为止仍未能对其完全了解。二噁英的生成机理最 主要有从头合成反应和前驱物合成反应两种。 3.1 从头合成 从头合成反应是指碳、氢、氧和氯等元素通过基元反应生成二噁英。从头合成反应主 要发生在垃圾焚烧炉尾部低温区域，飞灰中的碳颗粒在 300500的温度下，可被氧化 成 CO 和 CO2(残碳氧化时有 6575转变为 CO， 约 1%转变为氯苯并继而形成 PCDDFs， 飞灰中碳的气化率越高，PCDDFs 的生成量越大)，也可以通过裂解反应产生芳香族化合 物。在氯存在的情况下，其中极少部分的 C0 和 C02 在催化剂的作用下转化为脂肪族的前驱 物，如果有氧化铝存在，脂肪族前驱物还可以发生催化反应，生成芳香族的前驱物，芳香 族化合物发生氯代反应生成二噁英的前驱物，这些前驱物在(主要是铜)作催化剂的条件下 反应生成二噁英。 3.2 前驱物合成 不完全燃烧及飞灰表面的不均匀催化反应可形成多种有机气相前驱物，如多氯苯酚和 二苯醚，再由这些前驱物在烟气所含金属(尤其是 Cu)的催化作用下与氯化物和 O2反应， 生成二噁英类物质，反应温度在 300左右。 4 垃圾焚烧过程中二噁英的控制方法 垃圾焚烧过程中二噁英的形成机理主要有从头合成反应和前驱物合成反应两种，从生 成机理上讲，有机物在氯和金属存在的条件下焚烧，是生成二噁英的主要途径。因此，控 制二噁英的生成与排放必须从合理有效地解决上述问题人手。 4.1 燃烧前的处理 从源头控制 PCDD/Fs 生成的可能，如将聚氯乙稀等有机氯化物从垃圾中分开，减少其 中有机氯源的含量，可能会减少 PCDD/Fs 的排放。垃圾在进入焚烧炉之前，必须在垃圾池 发酵，减少垃圾的含水量，以便于燃烧。在人焚烧炉之前，应反复抓放，将垃圾松散。炉 内垃圾厚度维持在一定范围内，这样垃圾在炉内干燥时间缩短，从而加快垃圾在炉内燃烧 速度，有利于燃烧稳定，且烟气温度能维持较高状态。 4.2 燃烧过程中的控制 4.2.1 组织良好的燃烧工况 组织好炉内燃烧，使传热与传质充分。其目的在于促使各种垃圾组分、所产生的有机 气体、二噁英及其前驱物进行充分的氧化燃烧，削弱炉内的还原性气氛，减少飞灰含碳量， 抑制二噁英物质的合成。燃烧过程中的各种参数如温度、氧量、停留时间等对 PCDD/Fs 的 形成有着较大的影响，在燃烧过程中采用高精度的燃烧控制系统保证燃烧的稳定，控制炉 膛及二次燃烧室内的温度不低于 850;在高温区送入二次空气，充分搅拌混合增强湍流度， 延长气体在高温区的停留时间(2s)，可抑制 PCDD/Fs 的生成。 4.2.2 添加碱性氧化物 通过给炉内喷入石灰石和氧化钙颗粒，可以吸收 HCl，阻止 HC1 的分解，从而有效地 减少氯源，进而起到减少二噁英生成的作用。炉内喷氨也能起到类似作用。另外，垃圾循 环流化床焚烧技术利用飞灰等碱性氧化物的再循环，也可以很大程度上抑制二噁英的形成。 因为一些化合物可以强烈吸附在飞灰等碱性氧化物表面的活性反应位上，与金属催化剂形 成稳定的惰性化合物，从而减弱或消除了金属及其氧化物催化生成二噁英的机率与活性。 氨基乙醇等胺类化合物也可以很好地阻碍飞灰活性位的反应，反应机理可能是通过形成 Cu 的氮化物来实现。此外，带有孤对电子的分子，也可与 Cu、Fe 及其它过渡金属反应形成稳 定的化合物，从而降低通过催化形成二噁英的可能性。 4.2.3 混煤燃烧 燃烧过程中硫对二噁英生成具有抑制作用，使得燃烧过程中二噁英的排放量降低。因 此，采用含硫高的煤和垃圾混烧可对二噁英的排放起到很好的抑制效果，可以作为中国控 制垃圾焚烧向环境中排放二噁英的有效手段，这样既降低了污染物的排放又解决了我国生 活垃圾热值低不易燃烧的问题。 4.3 燃烧后烟气的处理 在流化床上进行垃圾焚烧，焚烧尾气采用管道喷射吸附工艺净化。从热交换器出来的 烟气，经过一段较长的烟气管道后进人布袋除尘器，经过净化后，由引风机排人烟囱。在 烟气管道人口喷人吸附剂，吸附剂吸附烟气中酸性气体、重金属和多环芳烃后被布袋除尘 器捕集下来，经“L”阀和喷射器实现吸附剂再循环，提高其脱除效果和利用率。 采用急冷技术，控制烟气温度以减少二噁英的生成。因为烟气在含有 HCl、 二噁英前 体物、O2、CuCl2 和 FeCl2 等物质且温度在 400左右时极易生成二噁英。为了扼制焚烧 烟气在净化过程中二噁英的再合成，一般采用控制烟气温度的办法：当 500以上的焚烧 烟气从余热锅炉中排出后，采用急冷技术使烟气在 0.2S 以内急速冷却到 200以下，跃过 易生成二噁英的温度区，使二噁英无法在短时间内生成。与此相配套的设备为急冷塔，但 这种办法需要庞大的烟气处理设备，运行费用高，是一种先产生后处理的工艺路线。 5 结论与建议 垃圾垃圾焚烧二噁英类排放能否得到有效控制事关环境保护与人体健康，也关系到生 活垃圾处理的可持续发展和垃圾能源化利用的关键所在。通过对二噁英的生成机理及减少 其排放量的方法的探讨，可得出有效实现垃圾焚烧过程中二噁英减量化控制的措施与建议： (1)垃圾入炉前进行分选和适当的发酵、干燥处理，这样不但可以把大量重金属以及含氯较 多的物质分选出来，进行二次利用。还可以改善炉内燃烧条件，以便更好的组织燃烧，降 低污染物的生成； (2 )采用循环流化床技术对城市生活垃圾进行焚烧，并采用混煤燃烧方式，燃烧温度大于 850；焚烧炉炉膛内雷诺数 Re 大于 50000；控制垃圾在炉内的停留时问不得少于 2s； (3)尾部烟气净化。采用急冷技术：从 500快速冷却到 200以下；污染物净化设备采用： 半干法洗涤塔+布袋除尘器+吸附剂吸附； (4)对焚烧炉的设计应制定相应的规范，以达到减二噁英的