浅谈危险废物协同焚烧的多路径交互作用机制

赵 岩

（沈阳环境科学研究院，辽宁 沈阳 110167）

目前国内的危险废物焚烧技术体系主要是基于国外的相关成功经验建立起来的，在引进消化和自主创新的过程中，虽然国内的设备制造和工艺集成水平得到了显著提升，但对于危险废物窑炉内焚烧机理的基础研究却明显滞后，相关的文献报道很少。由于国内危险废物的数量和种类日益增多，成分和性质日趋纷繁，焚烧窑炉内涉及到的化学反应过程也更加复杂。危险废物的燃烧反应机理，特别是多种废物协同焚烧的交互反应机制不仅与残渣热灼减率、二噁英浓度、一氧化碳浓度等被严格限制的排放指标密切相关，而且直接影响了给料量、窑炉温度分布、供风量、辅助燃料量和烟气流量等设施运行参数。因此，对此方面基础研究的缺失，已经成为了制约我国危险废物焚烧处置技术发展的瓶颈之一。我国科技部发布的《“固废资源化”重点专项2019年度项目申报指南》已经明确提出，研究多种有机危废协同稳定焚烧交互反应机制，为核心装备国产化率达到100%的危废协同稳定强制焚烧技术的开发提供科学依据。

1 国内外研究现状

国内外对于危险废物焚烧过程的研究，主要集中于反应器几何结构[1-2]和运行条件[3-4]等外部因素[5-6]对物料运动规律[7-8]、燃烧火焰[9-10]和温度分布[11-12]以及焚烧效率[13-14]等方面的影响。其中，国内的相关研究成果主要来源于工程实践中的数据总结和经验积累；基础研究工作则主要来自于国外学者，研究方法为数值模拟、小试实验以及二者结合。然而，目前国内外还缺乏对废物本身燃烧反应机理的探索，尤其是对多种危险废物协同焚烧交互反应机制的研究。由于上述基础研究的缺失，目前国内所有的危险废物焚烧设施均仅仅依靠以物料的相容性、含水率、热值、形态、污染元素等为主要指标的粗放配伍方式，通过加权平均来控制窑炉的入口条件，而对窑炉内各种废物的脱水、热解和燃烧特性以及多种废物之间的相互作用效应的认识明显不足，缺乏对多种废物协同焚烧过程的调控意识。

2 交互作用机制分析

一般而言，窑炉内危险废物的焚烧过程可以分为三个步骤：（1）废物水分的析出，即脱水干燥；（2）废物挥发分的释放，即热解；（3）废物半焦及挥发分的燃烧反应。其中第一个步骤是物理过程，后两个步骤是化学反应。热解是危险废物进行化学反应的第一步，它决定了气、液、固三相产物的生成量、结构和性质；而固相产物即半焦的燃烧是整个危险废物焚烧过程中最为缓慢的步骤，它的反应速率直接决定了《危险废物焚烧污染控制标准》（GB 18484-2020）中最重要的限制指标之一——残渣热灼减率以及整个焚烧系统的处置效率；此外，气相和液相产物的产率和性质又与二燃室中的气相燃烧过程直接相关，并对焚烧系统最终排放的一氧化碳、二噁英、恶臭物质（或VOCs）等大气污染物浓度产生影响。因此，针对危险废物的热解反应和半焦的燃烧反应展开基础研究，应该是探索多种废物协同焚烧机理的主要方向。

不同种类的可焚烧危险废物，在有机质的化学结构和无机质的组成含量方面均存在很大差异。在化学结构方面，不同危险废物有机质中的芳香环、脂肪链、含氧、氮、硫等官能团的含量显著不同；在无机组分方面，不同危险废物中Na、K、Ca、Mg、Fe等金属元素的含量具有明显差异，而已有大量关于生物质和煤[15]等固体燃料的研究表明，这些金属对有机质的热解和燃烧反应具有复杂的催化作用。结构决定性质和功能。上述两方面的差异决定了不同种类危险废物热解生成挥发分的产率和组成以及半焦的燃烧反应性均显著不同。

近年来对低阶煤和生物质等低阶燃料的研究表明，热解过程中的挥发分—半焦交互作用，这样一种在目前所有工业化应用的燃烧和气化反应器中均普遍存在的现象，对低阶燃料的热化学反应过程具有不容忽视的影响。这种交互作用具体体现在以下三个路径：

（1）挥发分中小体积的活性基团，如H自由基和羟基，与半焦发生相互反应，置换出半焦中的Na、K、Ca等催化活性金属；

（2）大分子挥发分在半焦表面发生热分解，而小分子自由基则渗透进半焦基质中而对挥发分前驱体产生稳定化作用，二者均会对半焦的化学结构产生影响；

（3）挥发分中携带的一些气相催化活性金属在半焦表面发生沉积。

在窑炉中多种危险废物协同焚烧的热解阶段，也一定存在着这种多路径的挥发分—半焦交互作用：来自其中一种废物的挥发分，将与其他废物的半焦发生作用；同时，来自其他废物的挥发分，也将与这种废物的半焦发生作用。此外，在半焦燃烧阶段，不同废物的半焦直接接触并混合在一起，这将导致Na、K、Ca等催化活性金属在不同半焦表面之间的迁移，即发生半焦—半焦交互作用。最终，上述多路径的挥发分—半焦和半焦—半焦交互作用将对混合挥发分的产率和组成，以及混合半焦的化学结构、催化活性金属含量和燃烧反应性产生显著影响。以两种危险废物的协同焚烧为例，图1和图2分别给出了多路径交互作用发生的情形及其对混合半焦和挥发分影响的逻辑关系。

图1 两种危险废物协同焚烧过程中的交互作用

图2 交互作用对混合半焦和挥发分影响的逻辑关系

然而，深奥的自然原理总是隐藏在纷繁的表面现象之后，需要人们去不断探索、发现与思考。一些针对生物质和煤混合燃烧及气化的基础研究发现，上述多路径交互作用对混合半焦燃烧或气化反应性的最终影响是复杂的。一些学者认为交互作用抑制了混合半焦的反应性；而另一些学者则得到了相反的结论；还有一些学者发现，随着燃烧反应的进行，交互作用对反应性的影响由抑制转向促进；同时，一些学者则指出交互作用的影响效果与物料的种类及混合比例密切相关。因此，可以预见，危险废物协同焚烧交互作用的影响将更加复杂。

3 交互作用研究方向

综上所述，笔者认为危险废物协同焚烧的多路径交互作用研究应从以下几个方面开展：（1）典型危险废物的化学结构和催化活性金属对热解反应的联合影响机制。（2）危险废物半焦的化学结构和催化活性金属对半焦燃烧反应的联合影响机制。（3）挥发分—半焦交互作用对典型危险废物协同热解和半焦协同燃烧的多路径影响机制。（4）半焦—半焦交互作用对典型危险废物半焦协同燃烧的多路径影响机制。（5）建立包含典型危险废物的大分子网络结构、催化活性金属含量、热解及半焦燃烧失重特征、动力学参数等理化特性数据的焚烧处置数据库。（6）研究和建立充分考虑交互作用机制，立足于协同焚烧过程调控的精细化配伍方案。

4 结论

由于危险废物种类繁多，结构和性质差异巨大，多种废物协同焚烧过程中，热解阶段的挥发分—半焦以及燃烧阶段的半焦—半焦交互作用均将是复杂的。对此展开研究，不仅有助于深入理解和认识危险废物协同热解和燃烧反应的基本科学原理与规律，而且将进一步丰富和完善现有关于危险废物热解和燃烧反应动力学的基础理论，为我国危险废物焚烧处置科学、技术和装备的发展提供新的科学数据，并填补国内外对于危险废物协同热解和燃烧交互作用机制研究的空白。