垃圾焚燒電廠二噁英的形成與控制分析

成軍旗

（深圳希諾檢測有限公司，廣東 深圳 518172）

垃圾焚燒用于發電能夠很好地實現對垃圾的無害化處理，通過資源轉化來提升循環經濟發展效率。當前垃圾焚燒發電技術已經成為世界許多國家，尤其是發達國家進行生活垃圾處理的主要方式。相關統計數據顯示，截止到2019年底，我國已經建成并投產垃圾焚燒電廠超過300座，在建的生活垃圾焚燒電廠有121座。我國現有的垃圾焚燒電廠生活垃圾處理規模能夠達到每天36萬噸，占垃圾總處理量的61.2%[1]。垃圾焚燒發電技術雖然已經比較普及，但是也產生了較大爭議，原因就在于垃圾焚燒過程中會產生大量的有毒有害物質，也就是本文提到的二噁英。二噁英是一種無色無味、劇毒且熔點較高、極難溶于水的顆粒物，在進行垃圾焚燒時通常吸附在焚燒產生的煙氣或飛灰上。二噁英對人體有較大的危害性，因此在進行垃圾焚燒處理時，相關部門必須嚴格控制二噁英的排放，在確保達到國家控制標準的前提下，從二噁英的形成機制及二噁英產生的因素入手，做到源頭治理，不斷提升垃圾焚燒電廠二噁英的控制水平，進而切實提高垃圾焚燒發電的無害化水平。

1 二噁英的危害

相關研究顯示，二噁英對人體有較大危害。二噁英可以吸附在煙氣、粉塵或脂類的食物上，通過呼吸道、消化道、皮膚等進入人體，尤其是經脂類食物由消化道進入人體的占比高達90%，進入人體的二噁英會積蓄在脂肪或肝臟中，達到一定數量就會對人體健康帶來損害。具體的損害分為三個方面：（1）首先是急性中毒，二噁英急性中毒可以致使人或動物死亡。1968年，日本曾發生多環芳烴污染米糖油事件，其中多環芳烴就屬于二噁英類化合物，造成幾十萬只雞和16人死亡[2]。二噁英這一類化合物的致死作用會在中毒后幾周到數月間表現出來，具有延遲性致死的危害。（2）二噁英對人體生殖系統有影響，尤其是對男性，相關研究表明，二噁英具有抗雄激素的作用，可以使雄性性激素水平明顯下降；而對于女性，二噁英可使流產率上升、受孕率降低。在美國，女性子宮內膜異位癥發病率上升，有關專家認為這可能與二噁英飲食暴露有關。（3）二噁英會對人體免疫系統造成一定影響，抑制體液免疫和細胞免疫，該項研究還在持續和深入進行中。由此可見，二噁英是一種對人體乃至動物都極具危害性的化合物質，同時也是目前已知的毒性最強的有機化合物，我們比較熟悉氰化鉀這一類有毒化合物，而二噁英是氰化鉀毒性的1 000倍[3]，因此必須要對其加以控制。

2 垃圾焚燒電廠二噁英的形成途徑

二噁英的形成機制比較復雜，垃圾焚燒電廠在進行垃圾焚燒處理的過程中，在入爐前、入爐后以及低溫處理各個階段都有可能形成二噁英，其作用機理具有復雜性和多變性，本文根據相關研究，將垃圾焚燒時二噁英的形成途徑歸納為以下三種。

2.1 原始存在

二噁英是自然界中本身就存在的一類物質，如發生森林火災后，氯酚轉化就會在自然界中生成二噁英，因此有部分生活垃圾本身就含有微量的二噁英。此外還有部分垃圾雖然其本身不含二噁英，但是垃圾中卻存在氯和金屬等元素，比如塑料、橡膠制品中含有氯化合物，廚余垃圾中大多含有氯化鈉，而廢電池、日光燈管、廢舊報紙以及顏料這一類垃圾中含有鉛、汞等有害金屬元素，這些有機物在燃燒時也會產生二噁英。經過焚燒后，可能會有一部分垃圾中自帶的二噁英未經分解，吸附在煙氣或飛灰上被排放出去，但是隨煙氣被釋放的二噁英含量是極少的，目前幾乎所有的垃圾焚燒電廠焚燒爐的溫度都會保持在850 ℃ 以上，因此絕大部分二噁英會發生分解。

2.2 燃燒過程中合成

垃圾焚燒電廠在進行垃圾焚燒時，有一部分二噁英是在焚燒過程中合成的。而焚燒過程中合成二噁英的前提條件是垃圾的不完全、不充分燃燒。當垃圾不能充分或完全燃燒時，會形成氯苯、氯酚、PCB等前驅物，這些前驅物經過二次化學反應就會生成二噁英。

2.3 從頭合成

從頭合成也是垃圾焚燒過程中二噁英形成的主要途徑。二噁英的合成需要一定外界條件，這個外界條件主要是指較低的溫度和催化劑。在較低溫度條件下，即200～500 ℃之間，前驅物很容易在飛灰中氯化銅、氯化酚等的催化下，與垃圾中其他的碳、氯、氫、氧等元素發生化合反應，從而生成二噁英。以氯化苯酚的合成為例，其在垃圾焚燒過程中，氯元素與氫元素發生反應，生成氫化氯；氫化氯與空氣中的氧相互作用，生成氯氣；氯氣與芳香環化合物發生反應，生成氯化芳香環化合物；氯化芳香環化合物又在氯化銅等金屬氧化物的催化下形成氯化苯酚，其化學結構式如圖1。

圖1 氯化苯酚化學結構式

3 影響二噁英產生的因素

垃圾焚燒電廠要更好地實現對二噁英排放的控制，在大致了解其形成途徑的基礎上，還要分析影響二噁英產生的因素，通過要素控制真正做到源頭治理。

3.1 溫度

首先是溫度，溫度可以說是影響二噁英 形成最為主要的因素。相關研究表明，二噁英生成的最佳溫度是400 ℃，各溫度相對于400 ℃的二噁英生成量控制曲線如圖2所示。通過控制曲線圖可以看出，要想最大限度地分解二噁英，必須要將焚燒溫度控制在600 ℃以 上，最佳溫度是在850 ℃以上。

圖2 各溫度相較于400 ℃的二噁英生成量變化曲線圖

3.2 氯化物

氯化物同樣也是影響二噁英形成的主要因素，無論是氣態氯化物還是固態氯化物都可以為多氯二苯并二噁英以及多氯二苯并呋喃的生成提供所需的氯原子。另外像氯化銅、氯化酚等氯化物在焚燒過程中既可以為二噁英的生成提供氯原子，同時又可以充當催化劑的角色，尤其是氯化銅，其是活躍度最高的催化劑。

3.3 水分

水分也是影響垃圾焚燒中二噁英形成的重要因素，水分主要對二噁英的生成量和衍生物分布造成影響。水分的存在會提供氫原子，加速氫氧自由基的生成反應。我國之所以在垃圾焚燒過程中二噁英排放量高于其他發達國家，其中一個非常重要的原因就是我國生活垃圾含水量偏高。我國垃圾分類起步較晚，有非常多的濕垃圾參與混合焚燒，導致焚燒熱值不穩定，水分含量過大，在一定程度上致使二噁英排放量較高。

4 垃圾焚燒電廠二噁英的控制

根據二噁英的形成途徑和影響因素，垃圾焚燒電廠要實現對二噁英的控制，更好抑制二噁英的生成，能夠采取的控制措施主要包含以下幾種。

4.1 垃圾分類

垃圾分類是垃圾焚 燒電廠控制二噁英形成的主要措施，通過垃圾分類，將生活垃圾分為可回收垃圾、有害垃圾、干垃圾和濕垃圾等幾大類。在進行垃圾焚燒時，垃圾焚燒電廠可以將濕垃圾、含氯及氯化物的塑料橡膠制品以及有害垃圾中的廢舊電池、廢舊燈泡等進行分揀，這樣能夠大大減少入爐焚燒垃圾的含水量以及氯化物和有害金屬的含量，從而真正實現源頭控制。

4.2 溫度控制

在做好垃圾分類處理的基礎上，入爐焚燒的過程要做好溫度控制，這也是抑制二噁英形成最為有效的手段。首先根據國際通用的燃燒技術和標準，焚燒爐溫度要高于850 ℃，并且在850 ℃條件下焚燒煙氣停留時間要長于兩秒，通過充分燃燒能夠極大降低焚燒爐內二噁英的生成量。其次，除了爐內的溫度控制之外，垃圾焚燒電廠還要做好煙氣的溫度控制，尤其是在煙氣排放口，溫度在300～500 ℃之間時，前驅物很容易發生反應生成二噁英，因此在進行二噁英控制時還要避免爐外的低溫合成，所采取的辦法就是快速降低煙氣溫度，將排出的煙氣溫度快速降低到200 ℃以下，并保持每秒的降溫速率在750 ℃左右[4]，這樣快速降溫可以有效抑制二噁英的合成。

4.3 添加抑制劑

氯化物是生成二噁英必不可少的一類元素，因此可以從控制氯源的角度入手，通過添加抑制劑的方法降低氯化物的含量，從而有效抑制二噁英的合成。常用的抑制劑包括氨類抑制劑、堿性抑制劑、硫氧化合物等[5]。比如在焚燒過程中添加堿性抑制劑，能夠減少飛灰、煙氣的酸度，從而減少飛灰及煙氣中氯化氫的含量[6]；再如使用硫氧化合物能夠使氯化銅這一類的催化劑活性降低，并且與氯化酚這一類的酚類物質發生硫化反應，還可以消耗前驅物，進而有效抑制二噁英的生成。

4.4 物理吸附

垃圾焚燒電廠在進行二噁英控制時，通常采用的一個思路就是提高尾氣的凈化效率，而尾氣凈化主要通過物理吸附手段來完成[7-8]。目前有不少垃圾焚燒電廠都采用活性炭+布袋除塵工藝進行物理吸附，具體做法是使用活性炭噴槍進行活性炭噴射，并根據尾氣的濃度和總量靈活控制參數，完成活性炭噴射后二噁英會吸附在活性炭表面，然后再經由布袋除塵器進行過濾。結果表明，通過物理吸附，煙氣中二噁英的脫除率高達99%。

5 結語

綜上，本文主要分析了垃圾焚燒電廠二噁英的形成途徑以及影響二噁英生成的因素，進而從控制生成要素的角度入手，提出幾點較為可行的控制二噁英的方法。相信通過不斷地實踐和研究，垃圾焚燒的二噁英控制技術能夠持續優化和升級，使我國垃圾焚燒處理的二噁英排放量達到并超過國際標準。