垃圾焚烧烟气中重金属排放特征与影响因素的研究意义

摘 要：由于我国城市生活垃圾数量急剧增长，传统填埋法造成“垃圾围城”困境，焚烧法在我国势在必行，然而焚烧法带来的重金属污染问题不容小觑。本文对国内外各种关于垃圾焚烧烟气中重金属排放规律的影响因素做了详细而系统的论述，分析了现行研究中的盲点。同时指出了以江苏省为典型代表，开展垃圾焚烧重金属风险源调查，弄清生活垃圾焚烧烟气中重金属的排放特征，并分析出影响焚烧烟气中重金属含量的影响因素有着十分重要的意义。

关键词：垃圾焚烧 重金属 排放特征 影响因素

中图分类号：X506 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）09（a）-0114-03

1 研究背景

随着我国城镇化的不断发展，城市中的生活垃圾成为“城市病”中的一员。在2005年当中，全国上下中的县城与城市垃圾产量约为1.86亿吨，到了2010年底，县城与城市垃圾的年清运量达到2.21亿吨[1]，其增长的速度很快。而城市垃圾的处理方式有三种：堆肥、焚烧、填埋。其中处理垃圾中填埋法占77%，焚烧法占20%，其他的方法中占3%[1]。

生活垃圾焚烧法在我国势在必行。我国城市生活垃圾数量急剧增长，传统的填埋法造成“垃圾围城”困境，此时，垃圾焚烧技术凭借高温无害化、减容、减重的优点，在我国经济发达地区得到了迅速推广和应用。根据《“十二五”全国城镇生活垃圾无害化处理设施建设规划》要求，到2015年，全国城镇生活垃圾焚烧处理设施能力达到无害化处理总能力的35%以上，其中东部地区达到48%以上。然而，国家重点推荐和扶持的垃圾焚烧法，其带来的二次污染问题，特别是二英和重金属污染问题，近年来引起了市民的强烈关注与担忧。

垃圾焚烧带来的重金属污染危害不容小觑。在垃圾焚烧过程中，垃圾中含有的重金属元素会分解释放出来，在大气中长时间停留，不为环境中的微生物所降解。相反，生物体可以富集重金属，并将其转化为毒性更强化合物，通过食物链放大毒性效应。重金属及其化合物即使在浓度很低的情况下，也具有相当大的毒性，对生态环境造成污染，而最严重的是对人体产生直接的伤害，人群可能通过呼吸吸入、经口摄入、皮肤接触等途径暴露于重金属污染中，它常与致癌性、致畸性、生态毒性等联系在一起。“痛痛病、水俣病”等群体性病症均是由于重金属污染事件引起。

垃圾焚烧过程中重金属污染问题在世界范围内引起了广泛的关注。国外从20世纪60、70年代起开始对垃圾焚烧时重金属的迁移转化规律进行研究，而国内在此方面的研究则是从上级90年代才开始起步。

2 国内外研究现状

2.1 国外研究现状

2.1.1 生活垃圾焚烧烟气中重金属的来源

国外多位学者对不同的垃圾成分进行分析，结果表明，垃圾焚烧产生的重金属汞主要来自于电池、电器、温度计、报纸和杂志等；铅主要来自塑料、颜料、橡胶等；镉主要来自于家用电器、塑料、防锈金属、半导体、颜料等；重金属铬主要来源于报纸、彩色胶卷、纺织品、杂草等。

2.1.2 垃圾焚烧过程中重金属的迁移转化规律

在垃圾焚烧处理时，由于重金属的特性（如沸点）、垃圾的组分（氯、硫、碱金属含量等）、炉内运行环境（熔融温度、时间、气氛、添加剂）等因素的作用，重金属在焚烧过程中会发生迁移和转化，主要分布在烟气、飞灰和底灰中。

Cahill等人[2]通过观察飞灰中重金属化合物的存在形式，首先提出了蒸发-凝结的迁移转化机制。他们在研究中发现重金属多以化合物的形式凝结在飞灰颗粒表面。

S.Yousif等人[3]总结出了固体燃料焚烧过程中重金属迁移转化过程：蒸发和冷凝过程，通常又称为蒸发-冷凝机理。根据蒸发-冷凝机理，挥发的重金属在离开焚烧区域后将经历冷凝过程（Hg除外），当温度低于金属或其化合物的冷凝露点时，这一过程将发生金属（或其化合物）的同类核化（即金属冷凝形成新颗粒）和异相吸附（即金属沉降依附在已经存在的灰颗粒上）。

Hasan Belevi等人[4]将烟气中重金属的形态归为三类：（1）夹带和扬析的颗粒基体中含有的金属种类，这些金属在炉内未经历蒸发过程。（2）细小颗粒中富集的重金属种类，这些金属种类在炉内蒸发而后匀质和异相冷凝。（3）气相金属种类，这些金属在炉内经历挥发，但在烟气中仍然处于气态。

Bruner等人[5]研究发现，垃圾焚烧后，重金属Hg因其易挥发，主要以气态出现在烟气中，76%的Cd在飞灰颗粒表面凝结，58%的Pb和51%的Zn存在于底灰中，其余在飞灰颗粒表面凝结。其他金属如Cr、Ni、Cu、Co则主要存在于底灰中。

2.1.3 垃圾焚烧烟气中重金属含量的影响因素

Hasan Belevi等人[4]在研究炉中重金属往烟气中迁移转化规律时将决定因素归类为以下三部分：（1）在垃圾给料中重金属元素的出现方式和分布形式。（2）焚烧炉中物理和化学氛围如温度、氧化还原氛围，含氯量以及除了氧气和氯之外的反应物等。（3）动力学参数如滞留时间、垃圾炉内给料的混合程度等。

其他学者也提出了一些影响烟气中重金属含量因素，归纳起来主要有以下几方面。

（1）不同金属的特性。

Davison等人[6]在分析各种金属的氧化物、氯化物、硫化物以及金属单质的熔融特性后，得出了结论：决定重金属在焚烧过程中的迁移转化的关键因素是金属的沸点。Cahill[2]等人也有同样的研究结论。Klain等人[7]根据金属在飞灰表明的富集程度将焚烧过程中出现的重金属作了如下分类：①沸点很高的金属：Al、Ba、Ca、K、Mg、Si等，在燃烧区域不挥发，构成灰的基体，较多的存在于底灰中，飞灰表面很少存在；②沸点较低的金属：As、Cd、Pb、Zn、Se等，在燃烧过程中挥发，然后经历冷凝过程，根据挥发程度不同停留在飞灰或底灰中。

（2）垃圾中的硫含量。

William P Linak等人研究表明[8]，硫会对Cr3+向Cr6+的转化有一定的抑制作用。 J Krissmann等人[9]研究表明，硫也对Hg向Hg2+的转换产生抑制作用。Dirk Verhulst等人[10]研究表明，在较低温度下（≤800 ℃），硫可导致形成稳定的金属硫酸盐，从而抑制重金属的挥发，但在强氧化环境下，硫酸盐挥发不明显。

（3）垃圾中的氯含量。

氯的影响：由于金属氯化态的蒸发压力都高于氧化态，当垃圾内无机氯或有机氯含量较高时，燃烧过程就有氯的存在，一定条件下与重金属反应产生颗粒小、沸点低的氯化物而加剧了重金属的挥发，使其由底灰向飞灰或由飞灰向烟气的迁移增加。Kuen-Sheng Wang等人[11]研究显示，有机氯和无机氯都将增加重金属的挥发，对挥发性强的重金属（Pb、Cd），有机氯的影响大于无机氯，对于难挥发或难熔的重金属（Zn、Cr、Cu），无机氯的影响大于有机氯。Kuen-Sheng Wang等人的另一项研究分析了垃圾组分中不同的氯与金属的比例（CI/M）下，重金属化合物在飞灰和底灰中的分布特性，研究指出氯的存在使重金属的挥发量增加，在CI/M低时易挥发的重金属的挥发量增加，难挥发的重金属只有在CI/M高时才有所增加。Fedje等[12]的实验表明，垃圾中重金属的挥发量会随垃圾组分中的氯含量增加而增加，尤其是对沸点较低的重金属，如Hg、Cd、Pb等。

（4）垃圾中水份或含钠量。

对于垃圾中含水量对焚烧烟气中重金属含量的影响，目前研究结果不太一致。

Li等[13]指出，在相同温度下，垃圾中水分的变化对重金属Pb蒸发特性影响较小，而对Cd的影响则较为显著。Susan.K.D等人[14]指出增加垃圾中的水份含量或者增加垃圾中含钠成份，都将减少飞灰中含铅量，使铅由氯化态转为氧化态。而另外一种情形下，维持恒定的空气流，提高垃圾给料中水份，将使飞灰中金属含量增加，金属由氧化态转向氯化态。同时他还指出，镉和汞不受垃圾中水份和含钠量多少的影响，镉在到达饱和温度时完全冷凝到飞灰中，而汞则以气态排出烟囱。Leo S Morf等人[15]则认为垃圾中含水量与金属迁移系数之间没有明显的关系。

（5）垃圾焚烧的运行环境。

运行环境通常指焚烧炉型、焚烧温度以及气氛（氧化或还原）、烟气停留时间等。

其中以燃烧区域温度的研究最多，但各项研究结果并不一致。Nowaka等[16]试验表明，随温度升高金属的蒸发量相应增加。William P Linak等人[8]指出，温度的增加，使Pb、Cd挥发量增加，对Ni的影响则很小。Robert G Barton[17]研究表明，温度对重金属迁移的影响很大，Pb、Zn、Cu、Cr的蒸发压随温度增加上升明显。而Leo S Morf[18]和Ming Yen Wey等人[19]则认为温度对重金属的影响不大。

气氛条件的影响：Mazza的实验研究[20]表明，Pd、Cd的挥发在不同气氛下具有相同的趋势，但挥发强度不同（氮气>合成气>合成气+HCl>空气）。该项研究还得出，气体中的HCl成分的存在使Pb、Cd的挥发强度略有降低，但延长了其挥发时间，整体上促进Pd、Cd的挥发释放。

（6）其他因素。

Salati等人研究表明，垃圾中的活性有机质对重金属的转移有影响。

2.2 国内研究现状

目前，关于我国垃圾焚烧重金属释放的研究较少，处于刚刚起步阶段。

陆胜勇等[21]把重金属的整个迁移过程分为6步，蒸发（挥发态的化合物）―― 化学反应―― 颗粒的夹带和扬析―― 金属蒸汽的冷凝，颗粒凝聚蒸汽―― 颗粒的炉壁沉降―― 烟气净化（颗粒捕集等）。但其中夹带、扬析以及净化等过程与重金属本身无关，而和锅炉的运行以及设备性能有关。

孙路石等人[22]研究表明，垃圾焚烧过程中，重金属的挥发性有较大差异，其中Cd和Pb挥发性较强，最大释放率分别为55%和22%，Zn的挥发程度较低，仅为3%左右。该研究还显示，垃圾焚烧过程中，气氛条件对Cd和Pb的挥发性影响较大，在还原条件下Cd和Pb比在氧化气氛下更容易气化，同时，烟气中HCl的存在会促进这两种金属的挥发，Zn在焚烧过程中挥发性基本不受气氛的影响。

陈勇、张衍国等人[23]研究表明，硫化合物对Cd、Pb迁移分布特性有显著影响。对于Cd，硫化合物的加入使其在底渣中的分布较未加入时显著增加，在飞灰中的分布相应减少。对于Pb，S和Na2S的加入使其在底渣中的分布减少，但Na2SO4的加入使其在底渣中的分布增多，在飞灰中的分布于底渣中的分布相应呈相反趋势，烟气中，实验条件下均未检测到重金属Cd、Pb的分布。

陈勇、张衍国等人[24]的另一项研究进一步表明：（1）温度对Pb与其它物质的化学反应及其生成物挥发性有着重要影响，温度的升高使Pb在底渣中分布呈线性下降，逐渐向飞灰和烟气中迁移。（2）初始重金属浓度对Pb在底渣和飞灰中的分布有着重要影响，初始重金属浓度越高，Pb在底渣中分布越多，飞灰中反之。（3）Pb在烟气中的分布主要受温度影响，基本不受初始重金属浓度的影响。（4）垃圾焚烧停留时间的增加使得Pb在底渣中的分布逐渐减少，飞灰中反之。

2.3 国内外现行研究中的盲点

目前关于垃圾焚烧烟气中重金属的研究，主要集中在以下几个方面：（1）焚烧中重金属的迁移转化规律。（2）焚烧中影响重金属分布的主要因素（金属特性、垃圾中其他组分含量、焚烧运行参数）。（3）研究方法上，除了传统的实验研究外，重金属的热力平衡和化学平衡的数值计算法也有很大发展。

然而，目前国内外的研究中，垃圾焚烧重金属的迁移转化机理性研究较多，却有一些盲点值得我们探讨：（1）鲜见某区域范围内垃圾焚烧烟气中重金属的实际排放特征与排放量的统计。（2）少有在实际工程中验证烟气中与垃圾原料中重金属含量的关系的实例。（3）少见焚烧烟气中重金属含量与烟气其他因子的相关性研究。

3 研究意义

在《重金属污染综合防治“十二五”规划》中，我国首次提出了重金属总量控制的目标，江苏省属于被纳入重金属重点治理的省区之一。此次总量控制的重金属主要有5种，即汞、铬、镉、铅和类金属砷。

由于江苏经济发达，地少人多，适合垃圾焚烧技术的推广和应用，近年来全省垃圾焚烧企业发展迅速，企业数目和处理量均居于全国同行业前列。针对目前江苏省垃圾焚烧产生的重金属名录不详、污染水平不明、分布状况不清等特点，以江苏省为典型代表，开展垃圾焚烧重金属风险源调查，弄清生活垃圾焚烧烟气中重金属的排放特征，并分析出影响焚烧烟气中重金属含量的影响因素有着十分重要的意义。

参考文献

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