垃圾衍生燃料（RDF）焚烧污染物排放研究
随着我国经济的高速发展，人民生活水平的迅速提高，城市生活垃圾产生量急剧增加，造成的环境污染日益严重。处理城市生活垃圾，实现无害化、资源化和减量化，己成为我国必须解决的重大问题。目前国外兴起的垃圾衍生燃料RDF(RefuseDerivedFuel)可作为供热锅炉、发电锅炉、水泥窑炉的燃料。燃烧后的灰渣可作为制造水泥的有效成分，为垃圾的资源化拓宽了道路。
1 RDF技术
所谓垃圾衍生燃料，是指将垃圾中的可燃物(如塑料、纤维、橡胶、木头、食物废料等)破碎、干燥后，加入添加剂，压缩成所需形状的固体燃料。
RDF 技术可以追溯到1973年。经过30a的发展，技术日趋成熟，已在美国、日本、英国和瑞典等国家大量运用，见表1。美国是世界上利用RDF发电最早的国家，已有RDF发电站3处，占垃圾发电站的21.6％。近年来日本也兴起了建设RDF发电站的热潮，日本NKK、川崎重工、神户制钢等公司展开了RDF资源化利用的相关研究。欧美及日本等国家，迄今已将城市生活垃圾(MSW)中间处理技术推向以RDF为主的处理方式。意大利预计在2003年，将垃圾填埋的处理量从原先的80％降至35％，将其以RDF和其它的处理技术进行处理。可见，RDF技术极具发展潜力。
我国对RDF技术的研究起步较晚，仅有中科院广州能源所、同济大学和清华大学等少数几家单位在从事这方面的研究。最近，由中国科学院广州能源研究所与日本名古屋大学、丰田汽车公司共同研制的垃圾衍生燃料中试热态试验装置，在广州能源所五山园区建成，为我国推广RDF技术成功地迈出了第一步。
RDF技术之所以对广大学者和用户产生如此大的吸引力，其原因在于：(1)RDF具有较高的发热量，可以在低于其它燃料单位费用情况下提供热能，将燃烧效率提高8％～12％；(2)MSW经过破碎、磁选、风选及筛选等，制成RDF后体积减小，有利于运输；又因RDF水分减少且在生产过程中加入添加剂如Ca(OH)2、CaO等可防止恶臭产生便于贮存；(3)RDF可在现有燃料处理系统内制做，仅对设备和操作程序作较小改动即可；(4)RDF焚烧产生污染物浓度低，无需增设气体净化设备。
表1国外RDF应用实例
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2 RDF焚烧污染物排放特性
1987 年美国的垃圾焚烧已有23％使用垃圾衍生燃料。RDF主要用在移动床和流化床焚烧炉中，上述两种焚烧炉可以使RDF混合均匀并完全燃烧，从而达到最佳的焚烧效果。由于RDF与一般固体废弃物相比具有较高的发热量，因此垃圾衍生燃料焚烧系统的规模通常小于混烧式焚烧系统，且因RDF有较均匀的物化组成，使得大气污染物排放浓度较低，且大气污染物控制和净化设备的投资成本较低。表2对MSW与RDF焚烧污染物的排放进行了比较。可以看出，RDF焚烧排放出来的 NOx、SOx、CO和粉尘等污染物的浓度基本上都小于MSW，其中HCl浓度更低于0.0005％
表2 RDF与MSW污染物排放浓度的比较
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2.1NOx及SOx排放特性
Norton 等人(1989年)对美国多处RDF与煤混烧垃圾焚烧厂排放的NOx进行了测试，结果表明NO排放浓度随RDF混烧比例的增加而减少，其原因是RDF的氮含量只有0.5％，低于一般煤的氮含量1.5％，因此，RDF混烧比例增加可降低NOx的排放量。同时，他们收集了煤和RDF混烧时的烟气污染物排放资料，发现混烧时硫化物的排放浓度较单独燃煤时低，这是由于RDF的硫含量较少，而且混烧时，降低了SOx的排放浓度。Raili等人(1996年)讨论了不同比例的RDF、木屑和泥煤混烧后，烟气中污染物的排放特性，结果发现NOx的排放浓度会随RDF混合木屑量的增加而增高。同时，他们对RDF和木屑在流化床中混烧排放SOx进行了研究，结果显示SOx的排放浓度随RDF混烧比例增加而增加。Chang等人(1998年)研究指出RDF焚烧排放的NOx 约为一般垃圾焚烧排放的一半，其原因为一般垃圾中氮主要来源于生活厨余，经预处理分离后，使得RDF中含氮量较一般垃圾低；另一方面焚烧一般垃圾时，由于其发热量较低，在焚烧时需要加入辅助燃油，从而增加了垃圾焚烧时烟气中NOx的浓度。
朴桂林等人(1998年)模拟RDF在流化床中焚烧时污染物的排放行为，研究结果指出当空气比为1时，NOx的排放浓度为0.01％，但空气比若增为2时，NOx的排放浓度增为0.02％。即NO的排放浓度随空气比的增加而增加。他们(2000年)在同样的操作条件下，讨论了NOx排放浓度与燃烧空气比之间的关系，结果指出，当提供二次风时，NOx会随空气比的增加而提高，但排放浓度比没有提供二次风时要低。
Sugiyama等人(1998年)对不同形式RDF焚烧排放NOx的特性进行了研究，结果指出粒状RDF比松散状RDF焚烧排放的NOx要高。另外，当添加CaO比例由1.9％增至16.1％(空气比介于0.5～1.5)时，NOx的排放比例亦随之增加。这是因为CaO具有催化能力，并且能够氧化NH，和其它的NOx前驱物所致。CaO和Cl对NO排放的影响结果指出，当空气比介于0～1时，将CaO和Cl添加到RDF中，会促进燃料N转化为NOx；但若仅有CaO存在时，则燃料N转化为NOx的比例较低；若无添加剂时，则其转化比例更少。
2.2CO排放特性
CO是碳氢燃料和氧发生化学反应过程中的间产物，当燃烧过程中氧含量不足时，CO会以最终产物的形式排放至周围环境。且当燃烧温度达到1500℃时，CO氧化成CO的平衡常数会降低，CO的浓度则明显提高。
朴桂林等人(1998年)研究指出，当以12kgh的进料速度进行RDF焚烧试验时，CO的排放浓度高于0.05％，且当空气比由1提高为1.时，CO浓度从0.4％降为0.05％；若将进料速度降低至10kg／h，则可将CO浓度降至0.015％若将空气比由1提高为1.8时，CO浓度则从0.015％降为0.002％，其原因是二次风有助于RDF的完全焚烧，并可降低CO的排放浓度。他们(2000年)在相同的操作条件下，研究了空气比和CO浓度之间的关系，结果指出，CO浓度随空气比的增加而降低。
Chang等人(1999年)对一家小型焚烧厂生活垃圾和RDF的焚烧效率以及污染物排放特性进行了评估，其中CO排放浓度虽符合排放标准，但焚烧生活垃圾产生的CO比焚烧RDF高。
Borgianni等人(2002年)研究发现，RDF在氧含量为0.166g／kg时，CO2排放量为最大，表明RDF能够更加完全地进行燃烧，降低CO排放。
2.3HCl和二恶英排放特性
垃圾焚烧除了可能排放一般性污染物外，最令人忧心的是有机有毒物质的潜在危害。二恶英具有毒性大、化学稳定性高、生物降解率低以及在生物体内富集性高等特性。
Sinkkonen等人(1995年)对RDF焚烧生成二恶英的情况进行了研究，结果发现飞灰中二恶英存在以TeCDDs的量为最多；若将RDF和木屑混烧，则TriCDDs、TeCDDs和PeCDDs在飞灰中明显增加，但RDF和泥煤混烧时，二恶英的浓度则降低。
Raili等人(1996年)将不同比例的RDF、木屑和泥煤混烧，研究气体污染物的排放特性，结果显示二恶英浓度皆低于德国的排放标准，二恶英的排放会随燃烧效率的增加而减少。若混合55％的木屑和45％的RDF，则烟气中以1，2，37，8-PCDF存在量较多。
Li等人(1997年)将RDF和60％的煤混烧时发现，当煤中的硫含量和RDF中氯含量的摩尔浓度比为0.64时，则可抑制二恶英的形成。
Sugiyama 等人(1998年)在RDF焚烧过程中添加Ca(OH)和CaO，发现当RDF所含的水分较少时，CaC12的形成量越多；当CaO添加量减少1／2时，底灰Cl的捕捉量减少1／5。当Ca与C的浓度比较小时，Cl-大部分存在于气相中，反之则Cl-大多存在于底灰中，其原因是大量的Ca会与Cl形成固体 CaC12而进入到底灰中。朴桂林等人(1998年)利用流化床研究了RD焚烧过程中污染物的排放，结果指出，焚烧温度在900℃时HC1浓度为 0.015％，当焚烧温度上升至1000℃时HC1排放浓度则提高为0.03％。他们(2000年)在相同的操作条件下，研究了空气比和HC1排放浓度之间的关系，结果发现，当温度在800℃时，HCl排放达到最低(低于0.006％)，但随温度增加HC1浓度会再次提高，其原因是CaC12形成的动力速率相当低，所以Cl无法与Ca反应，最后HCl又会再次形成。而温度为800～900℃时去除率可达70％。
Chang等人(1999年)对生活垃圾和RDF混烧时污染物的排放特性进行了研究，研究指出生活垃圾焚烧烟气中HCl浓度约为RDF焚烧时的2倍。Samaras等人(2000年)研究了RDF焚烧过程中，添加不同化合物对二恶英的抑制情况，结果发现添加尿素可降低28％的二恶英的形成；若添加剂为纯硫，由于硫可阻止Cu／Fe的催化作用且抑制氯化作用，硫和金属在低温时会形成较稳定的化合物，相比之下尿素抑制二恶英形成的作用则较低。
Borgianni等人(2002年)研究了不同吸收剂对HCl排放的抑制作用，结果指出Na2CO3，对HC的去除效果比CaO和Ca(OH)2好。
2.4重金属排放特性
垃圾焚烧过程中常因垃圾中存在许多金属物质如防腐剂、杀虫剂、电池、金属线路板、灯管、墨盒等，增加了焚烧炉灰渣和烟气中金属的排放浓度，从而要求在焚烧炉尾部设置烟气净化设备。
垃圾中所含的重金属物质经高温焚烧后，一部分会因焚烧而挥发，其余部分残留在灰渣中，而挥发和残留的比例则与各种重金属的沸点有关，沸点越高则越易凝结，残留在灰渣中的比例亦随之提高。
Norton 等人(1986年)研究了煤和RDF混烧后重金属的排放特性，研究发现，金属As、Cd、Cu、Ce、Ni、Pb及Zn不论燃烧单一煤或将RDF和煤混烧，其浓度皆随颗粒粒径的增加而增高。在较小粒径的飞灰中，金属Cd、Pb、Sb、Sn和Zn在煤和RDF混烧试验中，排放浓度较燃烧单一煤时要高，当粒径为1～3μm时，金属Cd的浓度则较燃烧单一煤的排放浓度高出4倍。但对金属总排放量而言，煤和RDF混烧所排放微量金属浓度较燃烧单一煤时要低。当颗粒<1μm时，飞灰中硫含量有增加的趋势，此现象可能是因为硫以SO2的形式吸附在颗粒表面上，导致较高的硫含量。同时，他们收集了许多垃圾焚烧厂 RD和煤混烧金属排放的资料，结果发现，焚烧RD时金属的排放浓度比燃烧单一煤要高，如Cd、Cr、Hg、Pb及Zn等；而燃烧单一煤则有较高的As、 Ni、V排放。焚烧RDF时，金属As、Ni、Pb、Sb、Zn、V易聚集在飞灰上，虽然可以通过烟气净化设备收集，但仍有一部分会排至大气中。若将 RDF与煤混烧，则金属Cd、NO、Pb、Zn在飞灰中仍维持相当高的浓度，但金属As及Ni在飞灰中存在的浓度则明显地降低。Kilgroe等人研究了 MSW和RDF在垃圾焚烧厂进行焚烧时，以活性炭作为吸附剂吸附金属汞。结果发现焚烧RDF所产生的飞灰含碳量高于2％时，喷入活性炭来吸附金属汞时的去除率>90％，若RDF碳含量低于2％时，则去除效果降为80％。
Danheux等人用气化处理技术将RDF制成气体燃料，试验结果表明，金属Cu多数存在于灰渣中，只有少量挥发到气相中；Mn则有近80％存在于底灰中；Pb和Cd在850℃时易于挥发，且挥发现象随温度的升高而越明显，且只有2％～4％存在于飞灰中，大部分挥发至气相中。因Pb及Cd浓度高于排放标准，试验过程中在温度为900℃时，利用CaCO3，、Na2CO3，及K2CO3作为吸收剂，捕捉烟气中的Pb和Cd。由于MSW中，Pb大多以 PbO、PbCrO3的形式存在，在焚烧过程中，氯容易与铅反应形成易挥发的PbCl2，极少数Pb存在于灰渣中。
3 结束语
综上所述，RDF作为垃圾处理的新技术已逐渐得到世界各国的重视及应用，且由于其自身的技术特点，使得RDF焚烧污染物的排放浓度较低，并可通过焚烧温度、过剩空气系数、一次风／二次风之比、混烧比、添加剂的种类和含量以及RDF的制造工艺来抑制污染物的生成。但该技术尚处于起步阶段，仍在RDF制造工艺、焚烧方式和污染物排放等方面存在许多尚未探明的问题。特别是对有机污染物(如二恶英、多环芳烃和多氯联苯等)的研究。因此，我们要加快RDF技术的研究力度，尽快推广RDF技术在我国的应用，促进我国垃圾的综合利用，解决环境污染问题，节约能源。
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