生活垃圾焚燒二惡英生成機理及控制技術分析

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后受較多運行參數的影響，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的各運行參數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、再循環風量、一次風與“二次風+再循環風量”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、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，總結出通過調整垃圾焚燒系統運行參數，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）是幾類結構和理化性質相似的氯原子取代的（簡稱氯代）多環芳香化合物的總稱，包括多氯代二苯并-對-二惡英（PCDDs）和多氯代二苯并呋喃（PCDFs），結構式如圖1 所示。氯原子取代位置不同，可以形成不同異構體，造成PCDDs 有75 種異構體，PCDFs 有135 種異構體，在這210 種異構體中, 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, 具有熱穩定性、低揮發性、脂溶性和環境穩定性的特點，進入人體后會在體內累計，達到一定程度具有致癌、致畸變的作用[2]。

圖1 二惡英結構式

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

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

生活垃圾在進入垃圾焚燒廠之前，先由城市環衛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℃的條件下揮發出來，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域如圖2 所示。

圖2 垃圾焚燒過程二惡英反應區示意圖

3.2 二惡英的控制及處理技術綜述

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、穩定燃燒。

3.2.2 燃燒過程中抑制

目前國內外都采用“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合物，減少過渡金屬反應形成二惡英。

3.2.3 燃燒后區域防止

焚燒爐的燃后區域可以發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，飛灰中的殘碳是二惡英從頭合成的主要碳源，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 運行參數與二惡英排放相關性研究

根據二惡英的生成與控制機理，取垃圾焚燒系統的若干參數進行試驗研究，包括：進入焚燒爐的垃圾來源、再循環風量、一次風與“二次風+再循環風量”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、活性炭孔徑和用量。

4.1 再循環風量對二惡英排放的影響

再循環風量取5000、7000、10000Nm3/h 三種工況，其余參數保持不變，相關運行參數見表1，每個檢測樣開始、中間、結束時對相關參數進行抄表，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。

結果表明，當再循環煙氣量分別為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煙氣量正相關。

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%。初步分析為經過減溫塔減溫后，氣溶膠形態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計

4.2 省煤器出口氧量、一次風與（二次風+再循環風量）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+再循環風量”比例見表2，其余參數保持不變。

表2 一次風與“二次風+再循環風量”比例配置表

從試驗數據可看出，在常規運行工況下—— 一次風與（二次風+再循環風量）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。變動參數如下表。

表4 一次風與“二次風+再循環風量”比例配置表

以國家標準0.1ngTEQ/m3為基數，純生活垃圾、常規垃圾、常規垃圾+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，常規垃圾二惡英比例最高，摻燒污泥對二惡英的產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 的數據可知，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 數據對比，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。可能因為二惡英濃度已經是痕量，對于活性炭吸附來說體現不出來差別。對投加量的試驗采用中孔比例最小的活性炭進行試驗。從結果來看，同樣由于二惡英濃度已經很低，用最低量的活性炭已經對其吸附達到了飽和狀態，再增加活性炭的用量，對吸附效率也沒有提升。

5 結論

垃圾焚燒各參數對二惡英濃度的影響可以看出，再循環煙氣量、一次風與（二次風+再循環風量）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。再循環風量較高時，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，在生產運行中，可結合實際工況，通過適當降低再循環煙氣量、一次風與（二次風+再循環風量）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。