脈沖放電分解垃圾焚燒煙氣二英的中試研究

陳正達，施小東，狄耀軍，翁林鋼，湯宣林

（1.光大環保能源（寧波）有限公司，浙江 寧波 315800；2.浙江大維高新技術股份有限公司，浙江 金華 321031）

隨著社會經濟的發展，人民生活水平的不斷提高，生活中產生的垃圾量在持續增長，成分也日益復雜。根據住房和城鄉建設部發布的城市垃圾統計數據，2016年城鄉生活垃圾清運量達2.7億噸，并以每年8%～10%的速度持續增長。目前，衛生填埋和焚燒仍是我國生活垃圾無害化處理的主要方式，據統計，2016年我國生活垃圾無害化處理中，衛生填埋和焚燒處理分別占62%和30%，垃圾焚燒比例近年來增長迅速，是2006年的4倍以上。生活垃圾焚燒處理工藝具有減量化的優勢，可解決環衛設施選址難的困境。但生活垃圾焚燒也帶來了二次污染，尤其是垃圾燃燒產生的二英，引起了社會廣泛關注，也在一定程度上阻礙了垃圾焚燒處理工藝的進一步發展。

Olie等人于1977年最先在阿姆斯特丹垃圾焚燒爐的飛灰以及煙氣中檢測到了二英[1]，在這之后的40多年中，人們開始從垃圾焚燒爐二英的形成、遷移和控制機理等角度展開探索和研究，取得了豐碩的研究成果。常見的煙氣二英處理方法包括催化氧化[2～4]、吸附[5～8]、生物降解[9]和低溫等離子體脫除[10]。催化氧化法受煙氣條件的限制較大，去除效率穩定性較差；吸附法并沒有真正的消除二英，會產生二次污染，處理成本較高；生物降解法處理周期較長，實際工程中不適用[11]。前人的研究大多集中在等離子體處理垃圾焚燒飛灰中的二英[12、13]，對焚燒煙氣中較低濃度的二英脫除研究較少，且僅限于實驗室和小規模的裝置，而對于較大的垃圾焚燒煙氣量的中試過程研究更是缺乏。

垃圾焚燒煙氣性質隨垃圾的變化而產生較大的差異，尤其是煙氣中的含水率波動較大。本研究利用少計量的活性炭初步吸附煙氣中的二英，并將布袋除塵后較低濃度的二英作為等離子體脫除對象，研究了不同放電電壓、不同煙氣含水率和不同能量消耗下17種PCDD/Fs同系物的分解情況，分析了其反應機理，為后續工程推廣提供了相關理論和實踐依據。

1 等離子體分解煙氣中二英的中試試驗

1.1 試驗煙氣概況

試驗氣體來源于浙江某垃圾焚燒電廠布袋除塵后端部分的煙氣，煙氣流量為7000～10 000m3/h，溫度為120℃～140℃，煙氣中的O2含量為8%～11%（體積分數），含水率為19%～30%（體積分數），CO2含量為6%～8%（體積分數） ，CO濃度為2～20mg/m3。

1.2 工藝流程簡介

原有的垃圾焚燒煙氣處理工藝如圖1所示，工藝為半干法脫酸→干法脫酸→活性炭吸附→布袋除塵，在布袋除塵的后端抽取7000～10 000m3/h進行深度脫除二英中試試驗。系統主要由等離子反應器、等離子高壓脈沖電源和控制系統等組成，如圖2所示。等離子反應器本體采用針-筒式結構，電源采用等離子高壓脈沖電源。垃圾焚燒鍋爐煙氣經半干法脫酸和布袋除塵后引入到等離子反應器系統，煙氣中的二英被脈沖等離子體分解脫毒，凈化后的煙氣經引風機送入煙道排出。

圖1 某垃圾電廠焚燒煙氣處理工藝流程圖

圖2 等離子體分解垃圾焚燒煙氣中二英工藝流程圖

1.3 反應器及脈沖電源

等離子反應器本體采用針-筒式結構，筒的直徑為280mm，采用正電暈的放電方式。等離子高壓脈沖電源峰值電壓100kV，脈沖寬度500ns，上升沿脈寬小于200ns，工作頻率100～800Hz。

1.4 分析與測試方法

式中：

Ci、C0—等離子體反應器前后煙氣中PCDD/Fs同系物的濃度，ng/Nm3；

鄧小平為培育和發展中國特色社會主義文化，作了巨大努力。這是成功地開創中國特色社會主義的不可或缺的重要方面。

Vi、Vo—等離子體反應器前后煙氣中PCDD/Fs同系物的毒性當量，I-TEQ；

TEF—PCDD/Fs同系物的毒性當量因子。

具體見表1。

表1 PCDD/Fs同系物的毒性當量因子[14]

2 結果與討論

2.1 等離子體分解煙氣中二英的結果與分析

圖3 不同電壓下的二英各組分濃度占比

圖4 不同電壓下的二英各組分毒性當量占比

圖5 不同電壓下二英各組分去除率

圖6 不同含水率下二英各組分去除率

圖7 不同含水率下二英各組分毒性當量去除率

表2 不同能量消耗與含水率條件下的二英毒性當量去除率

表2 不同能量消耗與含水率條件下的二英毒性當量去除率

2.4 19 81.4 2.3 24 75.2 2.1 30 49.1 2.6 19 89.6

2.2 等離子體分解二英的機理探討

電暈放電是由電極間電場的非均勻分布產生的一種放電方式。當在兩極之間加上較高的電壓卻又未達到擊穿電壓時，在電極曲率半徑很小處，會形成很強的局部電場，該區域附近的氣體將被擊穿，在常壓下產生等離子體。本文從等離子體活性粒子的產生和離子鍵能的角度闡述等離子體對二英的分解途徑。

2.2.1 活性粒子的產生

如圖8所示，電暈放電等離子體的區域可以劃分為電暈核心區和電暈外區。在電暈核心區有大量高能電子存在，與分子充分作用后使得分子獲得能量，產生振動和轉動，宏觀表現為核心區氣體溫度很高，但是該核心區域范圍很小。另外，電暈核心區在大量的高能電子碰撞的作用下，將產生強烈的電離作用，產生多種分子激發態（N2*）、原子（O*）、自由基（O、OH、HO2）、高能電子（e-）和O3等活性粒子，各種粒子之間相互持續作用會產生一系列更為復雜的反應，包括電離、激發、解離、電荷轉移、吸附、重組等[16]。此區域各激發態的高能態向低能態的躍遷過程中還產生了強烈的紫外照射。

圖8 電暈放電等離子體有效作用區域劃分示意圖

2.2.2 離子鍵能

吳祖良[17]運用密度泛函法對二英的鍵解離能進行了相關計算，結果見表3。

表3 TCDD/Fs的化學鍵解離能

理論上，當電暈產生的高能電子能量大于化學鍵的解離能，就能解離該化學鍵。根據有關研究結果可知[18]，采用納秒級高壓脈沖放電，一般電暈放電中電子密度為1013cm3，電子能量可達5～20eV，大部分電子能量處于5～10eV。該電子能量完全可以滿足二英C-Cl鍵的解離需求。

圖9 等離子體分解二英的途徑

在電暈外區，對脫氯產生重要影響的高能電子、高溫核心區和紫外光因素受到削弱，而氧化性的活性粒子（HO2、OH、O*和O3）則可以通過反應和擴散進入到電暈外區，在電暈外區仍能起到氧化破壞的作用，脫氯后的二英分子在活性粒子的氧化作用下被分解成乙苯、甲苯和苯甲醛等分子，經過多次反應之后，生成烷烴和醇類物質，最終在高能電子和活性粒子的共同作用下被氧化成CO2和H2O。因此電暈外區的氧化作用相對增強，但無論是核心區還是擴展區，均存在脫氯和氧化兩種作用方式，對二英等有機物的分解共同起作用。

3 結論

（2）煙氣中的H2O對等離子分解二英既有促進作用也有負面作用，在含水率19%的工況下，等離子體對不同二英異構體的分解率要明顯高于含水率30%時的去除率。

（4）在含水率19%的工況下，電源能量消耗2.6Wh/Nm3時，二英毒性當量分解率可達89%以上。