脉冲放电分解垃圾焚烧烟气二英的中试研究

陈正达，施小东，狄耀军，翁林钢，汤宣林

（1.光大环保能源（宁波）有限公司，浙江 宁波 315800；2.浙江大维高新技术股份有限公司，浙江 金华 321031）

随着社会经济的发展，人民生活水平的不断提高，生活中产生的垃圾量在持续增长，成分也日益复杂。根据住房和城乡建设部发布的城市垃圾统计数据，2016年城乡生活垃圾清运量达2.7亿吨，并以每年8%～10%的速度持续增长。目前，卫生填埋和焚烧仍是我国生活垃圾无害化处理的主要方式，据统计，2016年我国生活垃圾无害化处理中，卫生填埋和焚烧处理分别占62%和30%，垃圾焚烧比例近年来增长迅速，是2006年的4倍以上。生活垃圾焚烧处理工艺具有减量化的优势，可解决环卫设施选址难的困境。但生活垃圾焚烧也带来了二次污染，尤其是垃圾燃烧产生的二英，引起了社会广泛关注，也在一定程度上阻碍了垃圾焚烧处理工艺的进一步发展。

Olie等人于1977年最先在阿姆斯特丹垃圾焚烧炉的飞灰以及烟气中检测到了二英[1]，在这之后的40多年中，人们开始从垃圾焚烧炉二英的形成、迁移和控制机理等角度展开探索和研究，取得了丰硕的研究成果。常见的烟气二英处理方法包括催化氧化[2～4]、吸附[5～8]、生物降解[9]和低温等离子体脱除[10]。催化氧化法受烟气条件的限制较大，去除效率稳定性较差；吸附法并没有真正的消除二英，会产生二次污染，处理成本较高；生物降解法处理周期较长，实际工程中不适用[11]。前人的研究大多集中在等离子体处理垃圾焚烧飞灰中的二英[12、13]，对焚烧烟气中较低浓度的二英脱除研究较少，且仅限于实验室和小规模的装置，而对于较大的垃圾焚烧烟气量的中试过程研究更是缺乏。

垃圾焚烧烟气性质随垃圾的变化而产生较大的差异，尤其是烟气中的含水率波动较大。本研究利用少计量的活性炭初步吸附烟气中的二英，并将布袋除尘后较低浓度的二英作为等离子体脱除对象，研究了不同放电电压、不同烟气含水率和不同能量消耗下17种PCDD/Fs同系物的分解情况，分析了其反应机理，为后续工程推广提供了相关理论和实践依据。

1 等离子体分解烟气中二英的中试试验

1.1 试验烟气概况

试验气体来源于浙江某垃圾焚烧电厂布袋除尘后端部分的烟气，烟气流量为7000～10 000m3/h，温度为120℃～140℃，烟气中的O2含量为8%～11%（体积分数），含水率为19%～30%（体积分数），CO2含量为6%～8%（体积分数） ，CO浓度为2～20mg/m3。

1.2 工艺流程简介

原有的垃圾焚烧烟气处理工艺如图1所示，工艺为半干法脱酸→干法脱酸→活性炭吸附→布袋除尘，在布袋除尘的后端抽取7000～10 000m3/h进行深度脱除二英中试试验。系统主要由等离子反应器、等离子高压脉冲电源和控制系统等组成，如图2所示。等离子反应器本体采用针-筒式结构，电源采用等离子高压脉冲电源。垃圾焚烧锅炉烟气经半干法脱酸和布袋除尘后引入到等离子反应器系统，烟气中的二英被脉冲等离子体分解脱毒，净化后的烟气经引风机送入烟道排出。

图1 某垃圾电厂焚烧烟气处理工艺流程图

图2 等离子体分解垃圾焚烧烟气中二英工艺流程图

1.3 反应器及脉冲电源

等离子反应器本体采用针-筒式结构，筒的直径为280mm，采用正电晕的放电方式。等离子高压脉冲电源峰值电压100kV，脉冲宽度500ns，上升沿脉宽小于200ns，工作频率100～800Hz。

1.4 分析与测试方法

式中：

Ci、C0—等离子体反应器前后烟气中PCDD/Fs同系物的浓度，ng/Nm3；

邓小平为培育和发展中国特色社会主义文化，作了巨大努力。这是成功地开创中国特色社会主义的不可或缺的重要方面。

Vi、Vo—等离子体反应器前后烟气中PCDD/Fs同系物的毒性当量，I-TEQ；

TEF—PCDD/Fs同系物的毒性当量因子。

具体见表1。

表1 PCDD/Fs同系物的毒性当量因子[14]

2 结果与讨论

2.1 等离子体分解烟气中二英的结果与分析

图3 不同电压下的二英各组分浓度占比

图4 不同电压下的二英各组分毒性当量占比

图5 不同电压下二英各组分去除率

图6 不同含水率下二英各组分去除率

图7 不同含水率下二英各组分毒性当量去除率

表2 不同能量消耗与含水率条件下的二英毒性当量去除率

表2 不同能量消耗与含水率条件下的二英毒性当量去除率

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

2.2 等离子体分解二英的机理探讨

电晕放电是由电极间电场的非均匀分布产生的一种放电方式。当在两极之间加上较高的电压却又未达到击穿电压时，在电极曲率半径很小处，会形成很强的局部电场，该区域附近的气体将被击穿，在常压下产生等离子体。本文从等离子体活性粒子的产生和离子键能的角度阐述等离子体对二英的分解途径。

2.2.1 活性粒子的产生

如图8所示，电晕放电等离子体的区域可以划分为电晕核心区和电晕外区。在电晕核心区有大量高能电子存在，与分子充分作用后使得分子获得能量，产生振动和转动，宏观表现为核心区气体温度很高，但是该核心区域范围很小。另外，电晕核心区在大量的高能电子碰撞的作用下，将产生强烈的电离作用，产生多种分子激发态（N2*）、原子（O*）、自由基（O、OH、HO2）、高能电子（e-）和O3等活性粒子，各种粒子之间相互持续作用会产生一系列更为复杂的反应，包括电离、激发、解离、电荷转移、吸附、重组等[16]。此区域各激发态的高能态向低能态的跃迁过程中还产生了强烈的紫外照射。

图8 电晕放电等离子体有效作用区域划分示意图

2.2.2 离子键能

吴祖良[17]运用密度泛函法对二英的键解离能进行了相关计算，结果见表3。

表3 TCDD/Fs的化学键解离能

理论上，当电晕产生的高能电子能量大于化学键的解离能，就能解离该化学键。根据有关研究结果可知[18]，采用纳秒级高压脉冲放电，一般电晕放电中电子密度为1013cm3，电子能量可达5～20eV，大部分电子能量处于5～10eV。该电子能量完全可以满足二英C-Cl键的解离需求。

图9 等离子体分解二英的途径

在电晕外区，对脱氯产生重要影响的高能电子、高温核心区和紫外光因素受到削弱，而氧化性的活性粒子（HO2、OH、O*和O3）则可以通过反应和扩散进入到电晕外区，在电晕外区仍能起到氧化破坏的作用，脱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，经过多次反应之后，生成烷烃和醇类物质，最终在高能电子和活性粒子的共同作用下被氧化成CO2和H2O。因此电晕外区的氧化作用相对增强，但无论是核心区还是扩展区，均存在脱氯和氧化两种作用方式，对二英等有机物的分解共同起作用。

3 结论

（2）烟气中的H2O对等离子分解二英既有促进作用也有负面作用，在含水率19%的工况下，等离子体对不同二英异构体的分解率要明显高于含水率30%时的去除率。

（4）在含水率19%的工况下，电源能量消耗2.6Wh/Nm3时，二英毒性当量分解率可达89%以上。