記憶效應對垃圾焚燒爐濕式洗滌塔中二噁英濃度的影響及調控方法

傅立珩，杜海亮，陸 浩，曾育坤

（1. 寧波明州環境能源有限公司，浙江 寧波 315000；2. 上海康恒環境股份有限公司，上海201703）

1 引言

垃圾焚燒爐中二噁英的產生是十分復雜的過程，國際權威機構研究發現，垃圾焚燒過程中二噁英主要有3 種形態：①爐渣，爐渣中二噁英濃度很低，在人體健康可接受范圍，不屬于危險廢物；②飛灰，飛灰吸附二噁英，屬危險廢物；③煙氣，煙氣中二噁英主要源自不完全燃燒，或者新合成的二噁英，具體來說是殘留在飛灰中未燃盡炭以及因吸附等原因在飛灰表面存在的各種碳氫化合物發生部分氧化，生成雜環碳氫化合物，最終被氯化形成的二噁英［1-2］。

濕式洗滌塔是有效脫除酸性氣體的煙氣凈化設備，但部分研究者的研究［3-9］表明濕式洗滌塔并不足以脫除煙氣中的二噁英（PCDD/Fs）、多氯聯苯（PCBs） 和氯苯（CBzs），二噁英會在濕式洗滌塔的壁面或填料上累積，稱為“記憶效應”。研究人員認為二噁英是在濕式洗滌塔運行期間被吸附，隨后緩慢釋放。Gass 等［10］發現二噁英在濕式洗滌塔出口處的當量毒性比在濕式洗滌塔進口處的當量毒性高7.8～26.3 倍。Vogg 等［11］發現聚丙烯對二噁英具有顯著的溫度依賴性和吸附潛力，并且認為二噁英的記憶效應是由吸附在聚丙烯濕法填料上的二噁英產生的。Takaoka 等［12］對兩臺垃圾焚燒爐的濕式洗滌塔進出口煙氣進行了測試分析，發現兩臺濕式洗滌塔出口煙氣中二噁英濃度均高于入口濃度，同時發現洗滌塔的操作方式與結構條件也對消除洗滌塔中氯代芳香化合物的記憶效應有較大影響。

本研究以某試運行階段生活垃圾焚燒爐煙氣凈化系統中濕式洗滌塔為研究對象，對不同運行工況下濕式洗滌塔進出口二噁英濃度進行檢測對比，分析記憶效應對濕式洗滌塔二噁英濃度的影響，并提出減少記憶效應影響的調控方法。

2 材料與方法

2.1 研究對象

濕式洗滌塔工藝流程如圖1 所示。鍋爐出口煙氣經半干法、干法脫酸和活性炭吸附二噁英、重金屬；再經袋式除塵、SCR 脫硝后進入煙氣-煙氣換熱系統（GGH），其中SCR 反應塔后的高溫煙氣向下進入氟塑料GGH 換熱器管程，通過氣-氣換熱來加熱經濕法洗滌凈化后的低溫煙氣，與低溫煙氣換熱后煙氣溫度降至約105 ℃進入濕式洗滌塔。煙氣經冷卻部的冷卻和吸收后進入洗滌塔上部的吸收減濕部，從減濕水槽來的減濕水由減濕水循環泵經熱交換器降溫后，輸送至吸收減濕部上方噴嘴向下噴入，均勻地經過填料床與煙氣充分接觸，然后再回到減濕水槽形成循環。通過加入燒堿溶液可將減濕水pH 維持在6 左右。在吸收減濕部，煙氣溫度進一步降低，煙氣中含水量也隨之降低。這樣，既減少了煙囪出現冒“白煙”的狀況，又由于低溫有利于堿液對酸性氣體的吸收，煙氣中的酸性氣體含量將進一步降低。凈化后約63 ℃的煙氣經塔頂除霧器進入GGH 煙氣- 煙氣換熱器殼程并將煙氣加熱到136 ℃，通過煙囪排入大氣。

圖1 濕式洗滌塔系統工藝

2.2 研究方法

選取某垃圾焚燒廠兩條焚燒線濕式洗滌塔煙氣進口和出口為二噁英取樣點。對比分析不同運行工況下，濕式洗滌塔進出口二噁英濃度數據變化，分析記憶效應對濕式洗滌塔二噁英濃度的影響。最后，對濕式洗滌塔的運行方式進行調控，分析調控方法對二噁英記憶效應抑制的效果。

2.3 檢測方法

本次檢測采用JMS-800D 高分辨氣相色譜- 質譜聯用儀，該儀器是二噁英分析專用高分辨質譜，是進行超低濃度分析的最佳選擇之一，儀器靈敏度S/N30，30fg（R=10 000，HR-SIM），分辨率60 000（10%valley），經常分辨率（穩定工作48 h 以上）10 000（10%valley），加速電壓10 kV，最多能支持150 個樣品連續進行測試。

對二噁英濃度檢測時，樣本中的平均含氧量不同，為了便于比較，采用以下公式將樣品分析結果折算至干基標態下11%O2二噁英的當量毒性：

M=N×10/（21-K）

式中：M 為二噁英TEQ 濃度折算值（ng/m3）；N 為樣品TEQ 分析測定值（ng/m3）；K 為平均含氧量（%）。

具體檢測過程：本次檢測分別在1# 和2# 兩條焚燒線上進行，且主要以1#線為主，首先確定兩條焚燒線的兩個檢測點，分別是進口檢測點A和出口檢測點B，進口樣品采用氣固分開檢測。每處檢測點采集3 個樣品并取平均值。檢測時，以毒性最強的2，3，7，8-TCDD 的TEF 為1，其他二噁英異構體的毒性折算成相應的相對毒性強度。

3 結果與討論

3.1 檢測結果及分析

首先對1#線濕法系統進出口二噁英濃度進行檢測，且1#線從濕式洗滌塔投運開始每天排出污水量10 t。圖2 為1#線運行1 個月后，濕式洗滌塔進出口二噁英同系物分布情況。總體來說，B 點測定值低于A 點氣固兩相測定值之和，即出口二噁英濃度低于進口二噁英濃度。運行兩個月后，二噁英同系物分布如圖3 所示，B 點測定值明顯高于A 點氣固兩相測定值之和，即出口二噁英濃度高于進口二噁英濃度，且增加的二噁英同系物以PCDFs 為主。

在濕法系統中，濕式洗滌塔對進入反應塔的煙氣進行脫酸、降塵洗滌。此過程中，二噁英也隨著顆粒物進入冷卻液、減濕液中。濕式洗滌塔運行1 個月后出口二噁英濃度小于進口二噁英濃度，說明煙氣中攜帶的部分二噁英進入濕式洗滌塔系統。隨著運行時間的增加，冷卻液、減濕液的污染物持續集聚，二噁英會積累在濕法系統中。由于二噁英在水中溶解度非常低，在濕式洗滌塔內的二噁英會從溶液中的顆粒物中再次脫附釋放出來。濕式洗滌塔運行2 個月后，其出口二噁英濃度高于進口濃度，這表明由于二噁英的記憶效應，濕式洗滌塔內累積的二噁英會隨時不可控地釋放出來，使得濕式洗滌塔出口二噁英濃度高于進口二噁英濃度。

圖2 1#線運行1 個月濕式洗滌塔進出口二噁英同系物分布

圖3 1#線運行2 個月濕式洗滌塔進出口二噁英同系物分布

然后，對2#線濕式洗滌塔進出口二噁英濃度情況進行了檢測。1#線和2#線濕式洗滌塔在冷卻部和減濕部溫度、鹽度、pH、出口煙氣的濕度、冷卻水量、排污量的控制方面區別不大。有區別的是兩條線的操作條件：1#線濕式洗滌塔運行兩個月，每天污水排放量均為10 t；2#線第1 個月不進行排污，后1 個月每天排污10 t。兩條線運行兩個月后檢測結果如圖4 所示。可以看出，1#線濕式洗滌塔出口二噁英濃度略高于進口二噁英濃度，2#線濕式洗滌塔出口二噁英濃度是進口濃度的10 倍左右。一方面說明濕法系統在長時間運行后，濕式洗滌塔出口二噁英濃度要高于進口二噁英濃度，進一步驗證了二噁英“記憶效應”的存在及其造成的不利影響；另一方面也說明濕式洗滌塔是否進行排污對出口二噁英濃度有較大影響。

圖4 1#線和2#線濕式洗滌塔進出口二噁英濃度變化

由上文數據規律及濕式洗滌塔運行過程分析可知，由于持續的水循環，二噁英在洗滌溶液和細顆粒中的累積可能是濕式洗滌塔中二噁英濃度增加的一個重要原因。另外，通過閱讀國內外其他學者一些研究資料，Takaoka 等［12］、王天嬌［13］和Ma 等［14］對濕法系統不同部位的二噁英指紋分布特征進行檢測分析，發現濕式洗滌塔出口的二噁英同系物譜同洗滌液懸浮顆粒和濕式洗滌塔污泥中的二噁英同系物譜非常類似，三者與飛灰中二噁英同系物譜亦相似，說明煙氣中攜帶的飛灰顆粒是濕式洗滌塔記憶效應的二噁英來源。飛灰顆粒進入濕式洗滌塔后滯留在洗滌液和污泥中，隨著不斷累積，飛灰顆粒吸附的二噁英會再次脫附釋放進入煙氣，造成出口二噁英濃度升高。綜合上述分析，可以認為記憶效應產生的主要原因是洗滌塔內表面和填料表面對二噁英類的吸附與脫附。針對此問題，本研究提出的新調控措施是增加濕式洗滌塔循環水量以及減少塔內的儲存液體流量。

3.2 調控方法

濕式洗滌塔洗滌液、污泥和填充料中會累積存量的二噁英。為減少二噁英的記憶效應，需要定期對累積的存量二噁英進行清除，避免其在運行過程中再次釋放。結合濕式洗滌塔實際運行情況，從第3 個月開始，對1#線濕法系統的運行方式進行了調整，以期減少二噁英記憶效應的影響，具體調控措施為：①在原有運行方式中，濕式洗滌塔排污量按10 t/d 控制，現將排污量增大為20 t/d；②對濕法系統的冷卻部和減濕部每隔15 d進行全部換水，避免洗滌塔中冷卻液、減濕液的污染物長期積累。

連續運行數月后，濕式洗滌塔進出口二噁英濃度變化如圖5 所示，其中前2 個月為原調控方式下的數據，后4 個月為采用新的調控措施后的數據。采用新調控措施后，檢測發現第3 個月濕式洗滌塔出口二噁英的TEQ 濃度約為0.005 ng/m3，低于之前的0.06 ng/m3，亦明顯低于進口二噁英濃度0.015 ng/m3。在后來幾個月的檢測中，濕式洗滌塔出口二噁英的TEQ 濃度檢測結果均為0.002～0.020 ng/m3，與進口二噁英濃度數據對比，出口二噁英濃度更低。由此可見，優化濕式洗滌塔排污方式后，采用定期全部換水和加大定期排污量的方式可大幅度減小二噁英記憶效應所帶來的影響。

圖5 1#線不同工況下濕式洗滌塔進出口二噁英濃度

由上述分析可知，濕式洗滌塔中二噁英類的吸附和解吸是二噁英記憶效應的關鍵過程，改變排污方式可以大幅降低二噁英記憶效應的影響。同時有研究資料表明，濕式洗滌塔中填充料的材質同樣對二噁英的吸附特性有著至關重要的影響。Kreisz 等［6］發現當濕式洗滌塔填充料為聚丙烯時，填充材料從65 ℃加熱至90 ℃后，二噁英濃度可增加10 倍左右，而對于丁基橡膠結構填充料，將溫度從100 ℃升高至160 ℃，二噁英濃度可增加500 倍。此外，Kreisz 等［6］觀察到當其他類型的聚丙烯填充料也被加熱到高溫時，二噁英濃度也會有所增加。本試驗對象的濕式洗滌塔的填充料為聚丙烯材質，高氯化合物如二噁英由于其較低的蒸汽壓而被強吸附在聚丙烯材料上，隨后在高溫條件下蒸發，對最終排放的二噁英濃度可能產生較大影響。后續將進行進一步的試驗和調控，以期在垃圾焚燒廠合適的運管條件下，盡可能降低記憶效應對二噁英污染物排放的影響。

4 結論及建議

以某試運行階段生活垃圾焚燒爐煙氣凈化系統中濕式洗滌塔為研究對象，對不同運行時間和排污方式下濕式洗滌塔進出口二噁英濃度進行檢測對比，分析記憶效應對濕式洗滌塔二噁英濃度的影響，并提出減少記憶效應影響的調控方法。

1） 在濕式洗滌塔凈化煙氣過程中，煙氣中二噁英隨著顆粒物進入濕式洗滌塔的冷卻液、減濕液、填充料等部位。隨著濕式洗滌塔運行時間的增加，二噁英會積累在濕法系統中，形成二噁英記憶效應。在運行工況變化時，濕式洗滌塔中積累的二噁英會再次脫附釋放出來，使得濕式洗滌塔出口二噁英濃度高于入口濃度。

2） 通過增加濕式洗滌塔排污量，對濕法系統的冷卻部和減濕部定期換水，避免洗滌塔中冷卻液、減濕液的污染物長期積累，可以有效減少記憶效應對濕式洗滌塔出口二噁英濃度的影響。

3） 應盡量避免選擇聚丙烯類對二噁英具有強吸附性的材質作為濕式洗滌塔填充料，同時在二噁英檢測過程中應保持濕式洗滌塔運行穩定，避免溫度頻繁波動，減少二噁英記憶效應對檢測結果準確性的干擾，避免誤判。