二噁英在垃圾焚烧过程中的产生与控制
摘要: 介绍了二噁英在焚烧过程中的产生机理及对环境的危害, 提出了垃圾焚烧过程中二噁英的有效控制方法。
关键词: 二噁英,垃圾焚烧,污染控制
焚烧法处理并利用其余热发电或供热是按“三化” 原则处理城市垃圾最有前途的方法, 但垃圾焚烧厂的兴建和长期运行带来二次污染问题, 尤其是焚烧过程中产生的二噁英的污染已引起全世界的关注。据统计, 在全球范围内, 由垃圾焚烧炉排放出的二噁英约占二噁英总排放量的10%～40%。我国政府制定二噁英排放的标准为1ngTEQ/m3 并于2003 年6 月1 日起在全国范围内实行, 而世界发达国家如日本、瑞士等国家二噁英排放标准为0.1ngTEQ/ m3。因此, 在垃圾焚烧过程中, 必须采取有效的措施严格控制二噁英的产生和排放。
1 二噁英的结构性质和危害
1.1 二噁英的结构性质
二噁英(Dioxin) 是一种毒性极强的特殊有机化合物, 主要包括多氯代二苯并二噁英( PCDDs ) 和多氯代二苯并呋喃( PCDFs ) , 它们分别有75 种和135 种同族体。其中以2, 3, 7, 8 四氯二苯二噁英( TCDD) 毒性最大, 其毒性比氰化物大1000 倍, 比马钱子碱大500 倍, 是目前人类发现的毒性最强的物质, 毒性当量因子定为 1。
二噁英具有亲脂性及化学稳定性, 700°C 以上才开始分解, 易在土壤和生物体内沉积, 在土壤中降解的半衰期为12 年, 在空气中光化学分解的半衰期为8.3 天, 在人体内的半衰期平均为7 年, 可以通过食物链中的脂质发生转移和生物富集。另外, 二噁英蒸气压很低, 在标准状态下低于7.2×10-6Pa , 在一般环境温度下不易从表面挥发。
1.2 二噁英的危害
二噁英主要污染空气、土壤和水体, 进而污染动物、植物和水生生物。人主要是通过空气、饮水、食物而受害。据调查, 人类90%以上的受害来自于膳食, 其中动物性食品是主要来源。二噁英能够导致严重的皮肤损伤性疾病, 具有强烈的致癌、致畸作用。1997 年世界卫生组织国际癌症研究中心将其列为一级致癌物, 同时它还具有生殖毒性、免疫毒性和内分泌毒性。如果人体短时间暴露于较高浓度的二噁英中, 就可能导致皮肤损伤, 如出现氯痤疮及皮肤黑斑, 还使肝功能产生病变。如果长期暴露则会对免疫系统、发育中的神经系统、内分泌系统和生殖功能造成损害。研究表明, 暴露于高浓度二噁英环境下的工人其癌症死亡率比普通人群高60 个百分点。部分国家规定的二噁英日允许摄入量( TDI) 如表1 所示。
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2 二噁英在垃圾焚烧过程中的产生
一般认为, 有氯和金属元素存在条件下的有机物燃烧均会产生二噁英。通过分析发现, 城市生活垃圾中含有大量的有机氯化物( 如聚氯乙烯塑料、氯苯等) 和无机氯化物( 如氯化钠、氯化镁等) , 其中有机物的含量达到20%～50%, 这促使城市生活垃圾焚烧过程中产生的二噁英量最大, 其次为有毒有害废物焚烧。
二噁英产生途径可归纳为两个方面: 一方面, 氯源 ( 如PVC、氯气、HCl 等) 、二噁英前驱物和反应催化剂 (Cu、Fe ) 的存在, 当炉膛温度低于850℃, 停留时间小于 2s 时, 部分有机物就会与分子氯或氯游离基反应生成二噁英; 另一方面, 垃圾燃烧过程中和焚烧结束时, 由于燃烧条件的变化导致二噁英的重新生成。如垃圾燃烧不充分时, 烟气中存在过多的未燃尽物质, 当遇到适量的过渡性金属, 特别是铜, 在300～500℃的低温环境下, 使高温燃烧分解的二噁英重新生成。
3 垃圾焚烧过程中二噁英的控制
3.1 焚烧前垃圾预处理
垃圾预处理的目的就是尽量减少进入焚烧系统中能对二噁英的生成起作用的物质的量, 一方面通过预分拣的方法来减少生活垃圾中氯和重金属含量高的物质进入垃圾焚烧系统, 从而减少二噁英合成反应中所需的反应物和重金属催化剂的量; 另一方面采用高硫煤与城市生活垃圾混烧的方法, 不但能够提高燃烧的稳定性而且燃烧产生的SO2 对二噁英的产生有抑制作用。
3.2 焚烧过程中改进燃烧技术
焚烧过程中对二噁英的控制主要通过两个途径实现: ①采用“3T”( temperature 、turbulence 、time ) 技术, 一般温度>850℃, 停留时间>2s , 采用二次风, 使燃烧物与空气充分搅拌混合, 造成富氧燃烧状态, 减少二噁英前驱物质的生成。如近年美国开发的焚烧炉, 烟气经二次燃烧室借助辅助燃油燃烧, 温度在1200℃左右, 经冷却后进入气体净化器, 对二噁英去除率可达99.9%。 ②采用分段燃烧, 一段燃烧处于缺氧还原区, 所产生的二类物质在二次燃烧室内彻底氧化分解, 二次燃烧室内温度较高, 通常在1000℃以上。研究表明, 二噁英去除率可达99.9999%。
3.3 焚烧后处理
焚烧过程中生成的二噁英在随烟气温度下降的过程中大部分是以固态形式附着在飞灰颗粒表面, 小部分仍保留在气相中。因此, 垃圾焚烧后二噁英处理包括焚烧后烟气处理和焚烧后灰渣处理两方面。
3.3.1 焚烧后烟气处理
焚烧后烟气中含有少量的二噁英, 处理方法有: ① 减少烟气在200～350℃浓度区的滞留时间, 以减少二噁英类物质的再次生成; ②采用燃油或燃气对烟气进一步燃烧排放; ③降低排烟温度, 使气相中的二噁英转移到灰相中, 然后用布袋除尘器将二噁英除去; ④烟气通过电除尘器, 温度保持在240～280℃处理; ⑤采用喷射中和酸性气体成分的熟石灰或石灰浆, 与布袋除尘系统联合使用, 有效去除二噁英; ⑥在烟气中喷入活性炭或多孔性吸附剂吸附, 再用布袋除尘器捕集; ⑦垃圾焚烧流化床锅炉系统中运用湿法除尘器脱除二噁英。
通过上述方法, 烟气中大部分二噁英能有效去除, 但⑦法中存在除尘废水和水中的废渣需进一步处理的问题。
3.3.2 焚烧后灰渣处理
垃圾焚烧后二噁英被吸附在飞灰上, 随颗粒物一起进入灰渣系统, 所以灰渣中二噁英的量比大气中二噁英的量多得多, 通过对焚烧后灰渣的处理可有效减少二噁英危害。灰渣处理通常采用熔融处理技术, 即将灰渣送入温度为1200℃以上的熔化炉内熔化, 灰渣中的二噁英类物质在高温下被迅速分解和燃烧。实验证明, 通过灰渣熔融处理后, 二噁英类物质的分解率达99.77%。
4 结语
针对焚烧过程中产生的二噁英, 采取有效的措施对之加以控制, 从而更好地推进垃圾焚烧技术的发展, 真正实现垃圾的减量化、资源化和无害化。
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