垃圾焚烧电厂二噁英的形成与控制分析

成军旗

（深圳希诺检测有限公司，广东 深圳 518172）

垃圾焚烧用于发电能够很好地实现对垃圾的无害化处理，通过资源转化来提升循环经济发展效率。当前垃圾焚烧发电技术已经成为世界许多国家，尤其是发达国家进行生活垃圾处理的主要方式。相关统计数据显示，截止到2019年底，我国已经建成并投产垃圾焚烧电厂超过300座，在建的生活垃圾焚烧电厂有121座。我国现有的垃圾焚烧电厂生活垃圾处理规模能够达到每天36万吨，占垃圾总处理量的61.2%[1]。垃圾焚烧发电技术虽然已经比较普及，但是也产生了较大争议，原因就在于垃圾焚烧过程中会产生大量的有毒有害物质，也就是本文提到的二噁英。二噁英是一种无色无味、剧毒且熔点较高、极难溶于水的颗粒物，在进行垃圾焚烧时通常吸附在焚烧产生的烟气或飞灰上。二噁英对人体有较大的危害性，因此在进行垃圾焚烧处理时，相关部门必须严格控制二噁英的排放，在确保达到国家控制标准的前提下，从二噁英的形成机制及二噁英产生的因素入手，做到源头治理，不断提升垃圾焚烧电厂二噁英的控制水平，进而切实提高垃圾焚烧发电的无害化水平。

1 二噁英的危害

相关研究显示，二噁英对人体有较大危害。二噁英可以吸附在烟气、粉尘或脂类的食物上，通过呼吸道、消化道、皮肤等进入人体，尤其是经脂类食物由消化道进入人体的占比高达90%，进入人体的二噁英会积蓄在脂肪或肝脏中，达到一定数量就会对人体健康带来损害。具体的损害分为三个方面：（1）首先是急性中毒，二噁英急性中毒可以致使人或动物死亡。1968年，日本曾发生多环芳烃污染米糖油事件，其中多环芳烃就属于二噁英类化合物，造成几十万只鸡和16人死亡[2]。二噁英这一类化合物的致死作用会在中毒后几周到数月间表现出来，具有延迟性致死的危害。（2）二噁英对人体生殖系统有影响，尤其是对男性，相关研究表明，二噁英具有抗雄激素的作用，可以使雄性性激素水平明显下降；而对于女性，二噁英可使流产率上升、受孕率降低。在美国，女性子宫内膜异位症发病率上升，有关专家认为这可能与二噁英饮食暴露有关。（3）二噁英会对人体免疫系统造成一定影响，抑制体液免疫和细胞免疫，该项研究还在持续和深入进行中。由此可见，二噁英是一种对人体乃至动物都极具危害性的化合物质，同时也是目前已知的毒性最强的有机化合物，我们比较熟悉氰化钾这一类有毒化合物，而二噁英是氰化钾毒性的1 000倍[3]，因此必须要对其加以控制。

2 垃圾焚烧电厂二噁英的形成途径

二噁英的形成机制比较复杂，垃圾焚烧电厂在进行垃圾焚烧处理的过程中，在入炉前、入炉后以及低温处理各个阶段都有可能形成二噁英，其作用机理具有复杂性和多变性，本文根据相关研究，将垃圾焚烧时二噁英的形成途径归纳为以下三种。

2.1 原始存在

二噁英是自然界中本身就存在的一类物质，如发生森林火灾后，氯酚转化就会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。此外还有部分垃圾虽然其本身不含二噁英，但是垃圾中却存在氯和金属等元素，比如塑料、橡胶制品中含有氯化合物，厨余垃圾中大多含有氯化钠，而废电池、日光灯管、废旧报纸以及颜料这一类垃圾中含有铅、汞等有害金属元素，这些有机物在燃烧时也会产生二噁英。经过焚烧后，可能会有一部分垃圾中自带的二噁英未经分解，吸附在烟气或飞灰上被排放出去，但是随烟气被释放的二噁英含量是极少的，目前几乎所有的垃圾焚烧电厂焚烧炉的温度都会保持在850 ℃ 以上，因此绝大部分二噁英会发生分解。

2.2 燃烧过程中合成

垃圾焚烧电厂在进行垃圾焚烧时，有一部分二噁英是在焚烧过程中合成的。而焚烧过程中合成二噁英的前提条件是垃圾的不完全、不充分燃烧。当垃圾不能充分或完全燃烧时，会形成氯苯、氯酚、PCB等前驱物，这些前驱物经过二次化学反应就会生成二噁英。

2.3 从头合成

从头合成也是垃圾焚烧过程中二噁英形成的主要途径。二噁英的合成需要一定外界条件，这个外界条件主要是指较低的温度和催化剂。在较低温度条件下，即200～500 ℃之间，前驱物很容易在飞灰中氯化铜、氯化酚等的催化下，与垃圾中其他的碳、氯、氢、氧等元素发生化合反应，从而生成二噁英。以氯化苯酚的合成为例，其在垃圾焚烧过程中，氯元素与氢元素发生反应，生成氢化氯；氢化氯与空气中的氧相互作用，生成氯气；氯气与芳香环化合物发生反应，生成氯化芳香环化合物；氯化芳香环化合物又在氯化铜等金属氧化物的催化下形成氯化苯酚，其化学结构式如图1。

图1 氯化苯酚化学结构式

3 影响二噁英产生的因素

垃圾焚烧电厂要更好地实现对二噁英排放的控制，在大致了解其形成途径的基础上，还要分析影响二噁英产生的因素，通过要素控制真正做到源头治理。

3.1 温度

首先是温度，温度可以说是影响二噁英 形成最为主要的因素。相关研究表明，二噁英生成的最佳温度是400 ℃，各温度相对于400 ℃的二噁英生成量控制曲线如图2所示。通过控制曲线图可以看出，要想最大限度地分解二噁英，必须要将焚烧温度控制在600 ℃以 上，最佳温度是在850 ℃以上。

图2 各温度相较于400 ℃的二噁英生成量变化曲线图

3.2 氯化物

氯化物同样也是影响二噁英形成的主要因素，无论是气态氯化物还是固态氯化物都可以为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。另外像氯化铜、氯化酚等氯化物在焚烧过程中既可以为二噁英的生成提供氯原子，同时又可以充当催化剂的角色，尤其是氯化铜，其是活跃度最高的催化剂。

3.3 水分

水分也是影响垃圾焚烧中二噁英形成的重要因素，水分主要对二噁英的生成量和衍生物分布造成影响。水分的存在会提供氢原子，加速氢氧自由基的生成反应。我国之所以在垃圾焚烧过程中二噁英排放量高于其他发达国家，其中一个非常重要的原因就是我国生活垃圾含水量偏高。我国垃圾分类起步较晚，有非常多的湿垃圾参与混合焚烧，导致焚烧热值不稳定，水分含量过大，在一定程度上致使二噁英排放量较高。

4 垃圾焚烧电厂二噁英的控制

根据二噁英的形成途径和影响因素，垃圾焚烧电厂要实现对二噁英的控制，更好抑制二噁英的生成，能够采取的控制措施主要包含以下几种。

4.1 垃圾分类

垃圾分类是垃圾焚 烧电厂控制二噁英形成的主要措施，通过垃圾分类，将生活垃圾分为可回收垃圾、有害垃圾、干垃圾和湿垃圾等几大类。在进行垃圾焚烧时，垃圾焚烧电厂可以将湿垃圾、含氯及氯化物的塑料橡胶制品以及有害垃圾中的废旧电池、废旧灯泡等进行分拣，这样能够大大减少入炉焚烧垃圾的含水量以及氯化物和有害金属的含量，从而真正实现源头控制。

4.2 温度控制

在做好垃圾分类处理的基础上，入炉焚烧的过程要做好温度控制，这也是抑制二噁英形成最为有效的手段。首先根据国际通用的燃烧技术和标准，焚烧炉温度要高于850 ℃，并且在850 ℃条件下焚烧烟气停留时间要长于两秒，通过充分燃烧能够极大降低焚烧炉内二噁英的生成量。其次，除了炉内的温度控制之外，垃圾焚烧电厂还要做好烟气的温度控制，尤其是在烟气排放口，温度在300～500 ℃之间时，前驱物很容易发生反应生成二噁英，因此在进行二噁英控制时还要避免炉外的低温合成，所采取的办法就是快速降低烟气温度，将排出的烟气温度快速降低到200 ℃以下，并保持每秒的降温速率在750 ℃左右[4]，这样快速降温可以有效抑制二噁英的合成。

4.3 添加抑制剂

氯化物是生成二噁英必不可少的一类元素，因此可以从控制氯源的角度入手，通过添加抑制剂的方法降低氯化物的含量，从而有效抑制二噁英的合成。常用的抑制剂包括氨类抑制剂、碱性抑制剂、硫氧化合物等[5]。比如在焚烧过程中添加碱性抑制剂，能够减少飞灰、烟气的酸度，从而减少飞灰及烟气中氯化氢的含量[6]；再如使用硫氧化合物能够使氯化铜这一类的催化剂活性降低，并且与氯化酚这一类的酚类物质发生硫化反应，还可以消耗前驱物，进而有效抑制二噁英的生成。

4.4 物理吸附

垃圾焚烧电厂在进行二噁英控制时，通常采用的一个思路就是提高尾气的净化效率，而尾气净化主要通过物理吸附手段来完成[7-8]。目前有不少垃圾焚烧电厂都采用活性炭+布袋除尘工艺进行物理吸附，具体做法是使用活性炭喷枪进行活性炭喷射，并根据尾气的浓度和总量灵活控制参数，完成活性炭喷射后二噁英会吸附在活性炭表面，然后再经由布袋除尘器进行过滤。结果表明，通过物理吸附，烟气中二噁英的脱除率高达99%。

5 结语

综上，本文主要分析了垃圾焚烧电厂二噁英的形成途径以及影响二噁英生成的因素，进而从控制生成要素的角度入手，提出几点较为可行的控制二噁英的方法。相信通过不断地实践和研究，垃圾焚烧的二噁英控制技术能够持续优化和升级，使我国垃圾焚烧处理的二噁英排放量达到并超过国际标准。