固體廢物焚燒過程中的污染物排放控制技術(shù)研究

摘要：為降低二噁英等污染物的含量，實(shí)現(xiàn)固體廢物的無害化處理，以典型循環(huán)流化床生活垃圾焚燒爐為研究對象，分析固體廢物焚燒過程中的污染物排放控制技術(shù)，并提出4種抑制二噁英產(chǎn)生的方法。研究表明，降低Cl2濃度、調(diào)整焚燒爐溫度、使用抑制劑以及利用飛灰分解過程均能抑制二噁英的生成。

關(guān)鍵詞：固體廢物；污染物；排放控制；二噁英；產(chǎn)生機(jī)理；抑制劑

中圖分類號：X705 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500（2025）01-0-03

Research on Pollutant Emission Control Technology in Solid Waste Incineration Process

Abstract： In order to reduce the content of pollutants such as dioxins and achieve harmless treatment of solid waste incineration， a typical circulating fluidized bed municipal solid waste incinerator is taken as the research object. The pollutant emission control technology during the solid waste incineration process is analyzed， and four methods to suppress the production of dioxins are proposed. Research has shown that reducing Cl2 concentration， adjusting incinerator temperature， using inhibitors， and utilizing fly ash decomposition processes can all inhibit the generation of dioxins.

Keywords： solid waste; pollutants; emission control; dioxin; generation mechanism; inhibitors

固體廢物燃燒可以釋放熱能，是人們?nèi)粘Ｉ钆c生產(chǎn)中的重要能源之一[1]。隨著生活水平的不斷提高，各種垃圾的產(chǎn)生量逐年增加。無論是燃料燃燒還是垃圾廢物處理，都會產(chǎn)生煙氣與飛灰，這些物質(zhì)與其他成分反應(yīng)可能生成二噁英[2]。二噁英是一種具有強(qiáng)毒性的有機(jī)化合物，具有穩(wěn)定性好、耐酸性強(qiáng)、不易溶解、不易降解等特點(diǎn)。因此，減少二噁英的排放與分解二噁英成為實(shí)現(xiàn)固體廢物焚燒無害化的關(guān)鍵措施。

1 固體廢物焚燒工藝設(shè)計(jì)

以典型循環(huán)流化床生活垃圾焚燒爐作為研究對象，分析固體廢物焚燒過程中的污染物排放控制技術(shù)。典型循環(huán)流化床生活垃圾焚燒爐與采樣點(diǎn)如圖1所示。

從圖1可以看出，該焚燒爐包含料倉、爐膛、分離器、鍋爐系統(tǒng)、脫酸塔、布袋除塵系統(tǒng)以及煙囪等設(shè)備，主要用于焚燒生活垃圾[3]。在試驗(yàn)過程中，將煙氣采樣點(diǎn)分別設(shè)置于鍋爐系統(tǒng)之后與煙囪中，將飛灰采樣點(diǎn)設(shè)置于布袋除塵系統(tǒng)底部，將爐膛溫度控制在850 ℃以上。采樣期間，典型循環(huán)流化床生活垃圾焚燒爐運(yùn)行工況如下。在無抑制劑和有抑制劑的情況下，爐膛溫度分別為860、855 ℃，爐膛出口的溫度分別為866、860 ℃，低過出口的溫度分別為445、440 ℃，煙囪的溫度保持在160 ℃，固體廢物的處理量為20 t/h，煙氣量為100 000 m3/h，飛灰的產(chǎn)率為1.75 t/h，抑制劑的添加量分別為0、20 kg/h，活性炭的用量為20 kg/h[4]。

2 固體廢物焚燒過程中二噁英的控制與降解

2.1 Cl2濃度對二噁英的影響

在固體廢物焚燒過程中，氯元素主要呈現(xiàn)為HCl與Cl2兩種形態(tài)。值得注意的是，在進(jìn)行苯環(huán)氯化反應(yīng)時，起作用的是Cl2。因此，研究人員普遍認(rèn)為Cl2的含量對二噁英的形成有重要影響[5]。在固體廢物的焚燒環(huán)節(jié)，飛灰分解后會釋放出NH3，NH3能夠與Cl2和HCl發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而阻止氯化反應(yīng)的進(jìn)行，化學(xué)反應(yīng)式為

8NH3+3Cl2→6NH4Cl+N2（1）

NH3+HCl→NH4Cl（2）

上述化學(xué)反應(yīng)不僅能抑制氯化反應(yīng)，還能削弱金屬銅及其化合物作為催化劑的活性，進(jìn)而抑制Deacon反應(yīng)，如式（3）所示。

4HCl+O2→2Cl2+2H2O（3）

通過式（1）～式（3）可以看出，HCl通過氧化法也轉(zhuǎn)化為Cl2，而Cl2再次與飛灰分解產(chǎn)生的NH3反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)氯元素的閉路循環(huán)，也降低了Cl2的濃度，進(jìn)而影響二噁英的從頭合成機(jī)理。

2.2 工藝參數(shù)控制對二噁英的影響

在固體廢物焚燒的流程中，焚燒爐的運(yùn)行狀態(tài)主要遵循“3T+E”原則來進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制。這一原則通過控制溫度（Temperature）、時間（Time）、湍流（Turbulence）和過量空氣量（Excess Oxygen）等參數(shù)，來抑制氯酚、氯苯等二噁英前驅(qū)物產(chǎn)生，以此控制二噁英的從頭生成[6]。焚燒過程中的不同溫度會影響二噁英的分解程度，如圖2所示。

由圖2可知，將焚燒溫度設(shè)置為500 ℃時，二噁英產(chǎn)生量最高可達(dá)18 pg/g；將焚燒溫度設(shè)置為850 ℃時，二噁英產(chǎn)生量最高可達(dá)8 pg/g；將焚燒溫度設(shè)置為1 000 ℃時，二噁英產(chǎn)生量時刻保持在5 pg/g。由此可見，通過提高焚燒溫度，能夠最大程度分解固體廢物焚燒過程中的二噁英。在固體廢物焚燒過程中，湍流度能夠影響固體廢物與空氣的混合程度，湍流度越高，固體廢物燃燒越充分，從而減少二噁英的生成。此外，將固體廢物焚燒過程的氧氣含量設(shè)置在6%～10%時，固體廢物可以充分燃燒，產(chǎn)生的碳較少，以此避免過多的前驅(qū)體生成二噁英。

2.3 抑制劑對二噁英的影響

對硫銨磷基復(fù)合抑制劑進(jìn)行深入研究，分析其對二噁英的抑制作用。試驗(yàn)過程中的煙氣溫度保持在400～450 ℃，采用高精度給料設(shè)備將硫銨磷基復(fù)合抑制劑均勻噴射至余熱鍋爐兩側(cè)。在煙道內(nèi)部兩側(cè)安裝兩臺高精度給料設(shè)備，將抑制劑噴射量設(shè)置為固體廢物處理質(zhì)量的0.12%，約為20 kg/h。為提高阻滯工況的穩(wěn)定性，在采樣前12 h開始噴射抑制劑。采用最新型的硫銨磷基復(fù)合抑制劑，該抑制劑呈白色粉末形態(tài)，其顆粒大小至少達(dá)到100目篩分標(biāo)準(zhǔn)，水分含量極低，不超過1%，且熔點(diǎn)設(shè)定在230 ℃以下。其關(guān)鍵化學(xué)成分的質(zhì)量占比如下：硫占21.0%，氮占24.5%，磷占13.5%。此外，所使用的活性炭材質(zhì)精選自椰殼，外觀為黑色粉末狀，具有極高的比表面積，超過900 m2/g。在焚燒過程中，將硫銨磷基復(fù)合抑制劑均勻噴射至余熱鍋爐兩側(cè)，添加抑制劑前后飛灰中的元素變化情況如圖3所示。

如圖3所示，添加抑制劑前后，大部分元素的含量未受明顯影響。在飛灰的成分中，Ca元素的含量始終是最高的，其所占比例超過20%，然后是Si元素，約占12%。硫銨磷基復(fù)合抑制劑對于Cl元素的影響較大，添加抑制劑前Cl元素約為7.5%，添加抑制劑后Cl元素約為4.3%。在燃燒作用下，硫銨磷基復(fù)合抑制劑的硫基成分會分解成SO2，能將飛灰中的Cl2轉(zhuǎn)化為易于去除的氣態(tài)HCl，進(jìn)而減少飛灰的氯含量。此外，在高溫作用下，抑制劑中的氮基成分會分解為NH3。隨后，飛灰表層的HCl與NH3發(fā)生反應(yīng)，生成NH4Cl。NH4Cl經(jīng)過熱分解后，會隨著煙氣排出，從而降低煙氣中的氯含量。Cl是生成二噁英的關(guān)鍵因素，而在典型的循環(huán)流化床生活垃圾焚燒爐中，高Cl含量往往導(dǎo)致二噁英的高生成量。因此，通過添加這種抑制劑，可以減少煙氣中的氯含量，從而抑制二噁英的生成。

2.4 飛灰分解對二噁英的抑制作用

當(dāng)溫度達(dá)到135 ℃時，飛灰開始分解，直至溫度高達(dá)600 ℃時，飛灰的分解率高達(dá)100%。飛灰分解過程中會產(chǎn)生NH3。固體廢物焚燒過程中的余炭與NH3結(jié)合，并占據(jù)余炭表面的活性位點(diǎn)，促使那些原本可能轉(zhuǎn)化為二噁英的有機(jī)物轉(zhuǎn)而合成為含氮有機(jī)物，從而有效降低二噁英的產(chǎn)生量。這樣一來，煙氣中釋放到周圍環(huán)境的二噁英所帶來的長期危害也相應(yīng)降低。NH3中的H原子具有極高的活性，會攻擊C-O鍵中的O原子及與之相連的C原子，進(jìn)而導(dǎo)致二噁英分子發(fā)生開環(huán)反應(yīng)。此過程是實(shí)現(xiàn)二噁英抑制與降解的關(guān)鍵。

3 結(jié)論

以典型循環(huán)流化床生活垃圾焚燒爐為研究對象，提出4種減少二噁英排放的方法：一是降低Cl2濃度控制氯化反應(yīng)；二是提高焚燒溫度減少二噁英產(chǎn)生；三是添加硫銨磷基復(fù)合抑制劑降低飛灰氯含量；四是利用飛灰中的活性成分破壞二噁英的C-O鍵，從而抑制其生成。這些方法能夠有效降低二噁英的產(chǎn)生量，具有一定的應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)

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