垃圾焚烧飞灰中二恶英低温降解中试实验研究*

陈宋璇，刘海威，黎小保，高玉萍，梁 梅

（中国恩菲工程技术有限公司中冶垃圾焚烧发电工程技术中心，北京 100038）

目前，垃圾焚烧发电厂广泛采用喷射活性炭使烟气中的二恶英排放达标［1］，而吸附在活性炭上的二恶英经布袋除尘器的阻拦，转移到了飞灰中，虽然企业运营中采取了飞灰稳定化技术来处理飞灰，以满足进入卫生填埋场的要求［2］，但飞灰中的二恶英并没有彻底消除。低温热处理法（300～600℃）因处理温度比高温熔融法（1 100℃以上）低，而在未来工业化应用中具有明显的经济优势。国内外大量的实验室研究为低温热处理法降解飞灰中的二恶英提供了理论基础［3-6］。

本研究利用自行研发的连续式飞灰处理装量［7］，进行飞灰中二恶英低温降解中试实验。在实现连续处理量达10 kg/h（最大处理量达到18.4 kg/h）的条件下，温度为350℃时飞灰中二恶英I-TEQ（毒性当量）降解率达到98.8%、温度为450℃时飞灰中二恶英I-TEQ（毒性当量）降解率达到99.4%，并以垃圾处理量1 000 t/d的炉排炉垃圾焚烧发电项目为例，对该装置工程应用的经济性分析。

1 材料与方法

1.1 实验飞灰

实验飞灰取自湖北某炉排炉垃圾焚烧发电厂布袋除尘器底部飞灰，基本化学组成见表1。在温度120℃时，飞灰进行24 h干燥处理后备用。

表1 飞灰的化学组分 %

1.2 中试装置及工况

中试装置设有飞灰储仓、进料系统、旋转动力系统、密封系统、加热系统、填充惰性气体系统、尾气冷却器及飞灰冷却器。该装置处理容积为0.18 m3，飞灰有效填充量为8～21.6 kg，中试实验台可通过PID控制面板及液晶显示屏，设置反应物料区域温度，调节连续进料螺旋转速，反应温度可调控范围为200～600℃，反应时间可调控范围为30～120 min。中试装置如图1所示，实验工况如表2所示。

表2 实验工况表

1.3 检测与分析

分别取原飞灰、350℃飞灰、450℃飞灰样品2.0 g，按照《同位素稀释法高分辨气相色谱/高分辨质谱测定四到八氯代二恶英和呋喃》US EPA 1613B（1997）标准方法进行处理和分析。

2 结果与讨论

2.1 飞灰中二恶英低温降解效果

表3显示了在维持惰性气体气氛时，原飞灰中的17种有毒PCDD/Fs在350℃和450℃的条件下，产生的降解效果。原飞灰中，各种PCDD/Fs同系物含量为 40.9～1 935.5 ng/kg，其中2，3，7，8-TCDD的含量最低，OCDD的含量最高。在350℃反应1 h时，各种PCDD/Fs同系物残留量为0～38.0 ng/kg，降解率为86.8%～100%，其中OCDF的降解率最低，1，2，3，7，8，9-HxCDD的降解率最高达到100%，PCDD/Fs的ITEQ（毒性当量）从初始的553.6 ng/kg降低到6.7 ng/kg，降解率为98.8%。在450℃反应1 h时，各种PCDD/Fs同系物残留量为0～23.1 ng/kg，降解率为92.0%～100%，其中OCDF的降解率最低，1，2，3，7，8，9-HxCDF 、1，2，3，7，8-PeCDD、1，2，3，4，7，8-HxCDD、1，2，3，6，7，8-HxCDD、1，2，3，7，8，9-HxCDD 的飞灰残留量都低于检测限的检测值，降解率达到100%，PCDD/Fs的ITEQ（毒性当量）从初始的553.6 ng/kg降低到3.4 ng/kg，降解率为99.4%。

而且，相对于350℃条件下，飞灰中的17种PCDD/Fs在450℃条件下的降解效果均有提高，其中OCDD的提高效果最为显著，降解率从86.8%增加到92.0%。不同数目氯原子取代的PCDD/Fs降解效果不同，六氯取代物降解效果明显优于五氯和八氯取代物。

2.2 中试装置工业化应用的经济性分析

以垃圾处理量1 000 t/d的炉排炉垃圾焚烧发电项目为例，取飞灰产生率为垃圾处理量的3%，飞灰比热容为0.82 kJ/（kg·℃），反应温度为350℃，大气温度为15℃，电费价格0.65元/（kW·h）（垃圾焚烧发电厂上网电价）。则飞灰产生量为30 t/d，该装置实行24 h不间断运行，处理量能力需达到1 250 kg/h，所需惰性气体自行制备，系统正常运行总功率为130 kW，运营成本为130 kW×0.65 元/（kW·h）×24 h=2 028 元/d，折合每吨垃圾处理成本增加2 028元/d÷1 000 t/d=2.028元/t。

表3 不同温度下17种有毒PCDD/Fs的降解效果

3 结论

1）在低温热降解中试实验中，采用自行研发的连续式飞灰处理装置，在处理量10 kg/h下，温度为350℃时飞灰中二恶英I-TEQ（毒性当量）降解率达到98.8%、温度为450℃时飞灰中二恶英I-TEQ降解率达到99.4%。不同数目氯原子取代的PCDD/Fs降解效果不同，其中1，2，3，7，8，9-HxCDF、1，2，3，7，8-PeCDD、1，2，3，4，7，8-HxCDD、1，2，3，6，7，8-HxCDD、1，2，3，7，8，9-HxCDD的飞灰在450℃时降解效率达到100%。

2）在垃圾处理量1 000 t/d的炉排炉垃圾焚烧发电厂中，控制反应温度为350℃，实行24 h运行制，该装置处理量能力需达到1 250 kg/h，折合每吨垃圾处理成本增加2.028元。

3）垃圾焚烧飞灰二恶英降解中试实验的结果，为未来的工业化设备生产、工艺工程设计及生产实际运行提供了参考。

［1］陈宋璇，黎小保.生活垃圾焚烧发电中二恶英控制技术研究进展［J］.环境科学与管理，2012，37（5）： 89-93.

［2］环境保护部.GB 16889—2008生活垃圾填埋场污染控制标准［S］.北京：中国环境科学出版社，2008.

［3］Hagenmaier H，Kraft M，Brunner H，et al.Catalytic effects of fly ash from waste incineration facilities on the formation and decomposition of polychlorinated dibenzo-p-dioxins and polychlorinated dibenzofurans［J］.Environ Sci Technol，1987，21 （11）：1080-1094.

［4］纪莎莎，李晓东，徐旭，等.关于医疗垃圾飞灰中二恶英在惰性气氛下的低温热脱附研究［J］.环境科学，2012，33（11）： 3999-4005.

［5］Thuan N T，Dien N T，Chang M B.PCDD/PCDF behavior in low-temperature pyrolysis of PCP-contaminated sandy soil［J］.Sci Total Environ，2013，443（15）： 590-596.

［6］张峰，张海军，陈吉平，等.飞灰中二恶英热脱附行为的研究［J］.环境科学，2008，29（2）：525-528.

［7］高玉萍，黎小保，陈宋璇，等.用于处理焚烧飞灰的设备：中国，203183898［P］.2013-09-11.