以活性碳吸附及触媒转化技术控制废弃物焚化厂烟道气中戴奥辛之效能评析

1、1以活性碳吸附及觸媒轉化技術控制廢棄物焚化廠煙道氣以活性碳吸附及觸媒轉化技術控制廢棄物焚化廠煙道氣中戴奧辛之中戴奧辛之效能效能評析評析張木彬*張書豪*紀凱獻* 國立中央大學 環境工程研究所*中央研究院 環境變遷研究中心*摘摘要要由於美國環保署(US EPA)執行之戴奧辛風險評估研究已確認戴奧辛之致癌性及 其對人體免疫及生殖系統的危害，因此如何有效降低污染源煙道排氣中戴奧辛之排放 確有其深入研究必要性。本研究針對國內分別使用活性碳注入系統(ACI)搭配袋濾室 集塵器(BF)以及選擇性觸媒反應器(SCR)作為戴奧辛控制技術之兩座大型都市垃圾焚 化廠進行煙道氣戴奧辛之採樣工作，針對活性碳吸附及觸媒轉化技術對實廠煙道氣中 戴奧辛之效能進行評析，相關結果並搭配本研究所建立之戴奧辛反應載體測試系統以 及戴奧辛氣流產生系統模擬戴奧辛各物種於活性碳之吸附特性及觸媒轉化效率。研究 結果顯示焚化廠煙道氣中之氣相戴奧辛經活性碳注入吸附之後 ， 其戴奧辛去除率約 93 ，但由於 BF 對固相戴奧辛之捕集效果更佳，故其固相戴奧辛之去除率高於氣相。 另外，當煙道氣流經溼式洗滌塔(WS)+SCR 後其氣固相之戴奧辛

2、皆有明顯之去除效 率，其中以氣相戴奧辛之去除效率最高(99.5)，顯示 WS+SCR 對煙道氣流中之氣相 戴奧辛具備極佳之破壞效率。而戴奧辛反應載體測試系統以及戴奧辛氣流產生系統之 測試結果顯示，戴奧辛各物種於活性碳之吸附率隨其含氯數之增加而上升，而 De-dioxin 觸媒對戴奧辛各物種之轉化率則隨著隨其含氯數之增加而下降，值得注意 的是氣流溫度之變化以及粉塵(飛灰)之存在與否，將明顯影響戴奧辛於活性碳及觸媒 表面之生成量並進而影響戴奧辛之去除效率。關鍵字關鍵字：戴奧辛、持久性有機污染物、空氣污染控制、活性碳、觸媒一一、前言前言戴奧辛為全球性之污染物，因具劇毒性及穩定性，所以其排放來源及生成機制已 成為各國研究之重點。聯合國環境規劃署之研究報告指出(UNEP, 2001)，食物攝入為 戴奧辛同源物影響人類健康主要途徑，佔吸入量的百分之九十五以上。戴奧辛之基本 鍵結架構為三環芳香族含氯碳氫氧化合物，共有八個位置能與氯原子結合，因氯原子 鍵結數及位置的不同，PCDDs 共有 75 種同源物；而 PCDFs 則有 135 種，這些同源物 的物理、化學及毒性皆不盡相同。一般熔、沸點隨著氯原子

3、鍵結數的增加而變高 (Atkinson, 1997; Brubaker and Hites, 1997)，溶解度及蒸氣壓則隨著氯原子鍵結數的增 加而降低（介於 510-10至 210-7Pa，25oC） 。如何在焚化及高溫程序中有效降低戴奧2辛之生成，一直是許多學者研究的重點。一般來說，控制戴奧辛的排放就方法而論可 歸納為 2 類： 1. 抑制戴奧辛生成，2.管末控制。雖然從源頭進行戴奧辛生成前驅物 的排放減量比管末處理要經濟許多，對整體的環境負荷來說較為積極且正面，但目前 國內都市垃圾焚化廠受限於焚化進料及操作條件之要求從源頭進行戴奧辛生成減量 相當困難，為了有效控制戴奧辛的排放，國內廢棄物焚化廠仍多採用管末之空氣污染 控制設備(APCDs)對戴奧辛進行控制 。 而國內 20 座運轉中之大型都市垃圾焚化廠所採 用之戴奧辛控制技術主要分為活性碳注入系統(ACI)搭配袋濾室集塵器(BF)以及選擇 性觸媒反應器(SCR)兩種，隨各污染源所使用之不同其對煙道氣中氣固相戴奧辛之去 除效率亦隨之產生變化，進而影響戴奧辛於煙道氣中之氣固相分布。本文針對都市垃 圾焚化廠煙道氣中戴奧辛之氣固相分佈特性

4、進行煙道採樣，以釐清其於污染源排放管 道中之去除與分布機制，並藉由相關實驗設計進一步釐清煙道氣中戴奧辛之去除及生 成特性。二二、實驗方法實驗方法2.1 煙道戴奧辛採樣煙道戴奧辛採樣本研究中之戴奧辛煙道採樣設備 ， 係將 Modified Method 5 採樣設備 ， 依照 USEPA Method 23 改裝而成，氣-固相戴奧辛樣品收集方面，煙道採樣設備前半部(front half) 主要是以濾紙過濾粒狀物，藉此收集煙道氣中固相之戴奧辛，而後半部(back half)則 以 XAD-2 樹脂吸附煙道氣中氣相之戴奧辛。本研究探討之大型都市垃圾焚化廠 MWI-1 其 APCDs 包括旋風集塵器(CY)、乾式洗滌塔(DSI)、袋濾式集塵器(BF)並配合 活性碳注入(ACI)以控制戴奧辛排放。MWI-2 所配置之 APCDs 則包括靜電集塵器(EP) 濕式洗滌塔(WS)並以選擇性觸媒反應器(SCR)做為戴奧辛污染控制設備。煙道氣樣品 之採樣位置如圖 1 所示。圖 1 都市垃圾焚化廠(MWI-1 及 MWI-2)煙道採樣位置2.2 戴奧辛戴奧辛反應反應載體測試系統載體測試系統為了進一步瞭解活性

5、碳及觸媒對戴奧辛之吸附及轉化特性，本研究初步設計一戴 奧辛反應載體測試系統並以四組戴奧辛反應載體（活性碳、活性碳+飛灰、De-DioxinIDFIDFSTACKSTACKBOILERBOILERCYCLONECYCLONEStack sampling pointFABRIC FILTERFABRIC FILTERDSI (ACI)DSI (ACI)ECONOMIZERECONOMIZERFigure 2 Flow diagram and sampling points of MWICOMBUSTORCOMBUSTORCyclone outlet sampling pointreacted ash samplecyclone ash sampleSTACKSTACKEPEPWETWET SCRUBBERSCRUBBERIDFIDFBOILERBOILERStack sampling pointEP outlet sampling pointFLUE GASFLUE GAS RE-HEATERRE-HEATERSCRSCREP ash sampleMWI-1MWI-23觸媒及 De-Dio

6、xin 觸媒+飛灰）模擬戴奧辛氣流通過載體時戴奧辛之反應特性，並藉 由移動式高溫烘箱改變煙道氣流之溫度以掌握環境溫度之變化對煙道氣流戴奧辛氣 固相轉移之分佈特性，戴奧辛反應載體測試系統之配製如圖 2 所示。圖 2 戴奧辛反應載體測試系統配製圖(a) 活性碳吸附測試 (b) 觸媒轉化測試2.3 戴奧辛氣流戴奧辛氣流連續連續產生系統產生系統由於焚化系統中會產生許多污染物質於煙道排氣中，其中重金屬、酸性氣體 (HCl)、粉塵都有可能對煙氣下游所配置之活性碳及觸媒造成效能之降低及觸媒活性 的喪失及。此外，實廠煙道氣流之不穩定性亦增加戴奧辛樣品採集的困難度，致使無 法有效掌握相關控制設備對戴奧辛之操作效能及相關影響因子的探討。本研究初步建 立一套實驗室規模(Lab-Scale)之戴奧辛氣流連續產生系統，模擬實廠煙道排氣中戴奧 辛之排放特性，搭配上述之戴奧辛反應載體測試系統評估活性碳對氣相戴奧辛之吸附 特性以及觸媒之 De-dioxin 效能，並進一步掌握其戴奧辛於空氣污染控制設備中之生 成之去除機制，戴奧辛氣流連續產生系統裝置如圖 3 所示。圖 3 戴奧辛氣流連續產生系統2.4 戴奧辛戴奧辛樣品

7、分析樣品分析本研究所採集之戴奧辛樣品依據據環保署環境檢驗所公告之 排放管道中戴奧辛 及夫喃檢驗方法 (NIEAA808.72B)進行樣品前處理及上機工作，由於戴奧辛濃度極 低 ， 為考量儀器的偵測極限 ， 戴奧辛之分析係以有廣泛性及高選擇性的 HRGC (Hewlett Packard 6890 plus) / HRMS (JEOLJMS-700) 搭配 DB-5 MS 層析管柱 (60m x 0.25 mm x 0 . 2 5 m ) . 配合選擇離子偵測法（SIM）進行分析，該儀器本身的解析度（resolution）PROBE NOZZLESTACK WALL PITOT MANOMETERHEATED AREAGLASS PROBE LINERFILTER HOLDER (Remove solid-phase PCDD/Fs) THERMOCOUPLESILICA GELEMPTYXAD-2 TRAPEMPTYCHECK VALVEICE BATH100 mL HPLC WATERTHERMOCOUPLECY outletVACUUM GAUGEMAIN VALVEAIR-TIG

8、HT PUMPDRY GAS METERORIFICEBaseline sampleSILICA GELEMPTYXAD-2 TRAPEMPTYCHECK VALVEICE BATH100 mL HPLC WATERTHERMOCOUPLEVACUUM GAUGEMAIN VALVEAIR-TIGHT PUMPDRY GAS METERORIFICET valveHEATED AREAGlass fiber filterPCDD/F adsorbentGas streamREACTORPAS sampleTEMPERATURE CONTROLLER(a)(b)4設定至少 10,000 以上，即使樣品中含有少量干擾物質，仍能透過儀器加以區別。三三、結果與討論結果與討論3.1 焚化廠煙道氣中戴奧辛氣固相分物特性焚化廠煙道氣中戴奧辛氣固相分物特性隨各焚化廠所使用之 APCDs 不同其對煙道氣中氣固相戴奧辛之去除效率亦隨之 產生變化，進而影響戴奧辛於煙道氣中之氣固相分布。圖 4 即針對 MWI-1 及 MWI-2 空氣污染控制設備前後煙道氣流中氣固相戴奧辛濃度分布進行探討。當焚化廠煙道氣 經過

9、 CY 後，其煙道氣中近 60%之戴奧辛分布於氣相中，其原因不外乎是因為 CY 操 作溫度多半維持在 2000C 以上，其操作溫度接近 de novo 合成反應之溫度窗導致戴奧 辛於飛灰表面再生成後，揮發至氣相中。當煙道氣流通過 ACI+BF 後，因其去除煙道 氣流中之氣/固相戴奧辛效率不同，故煙道氣流中之戴奧辛之氣固相分布亦產生變 化。當煙道氣流通過 ACI+BF 之後因注入之活性碳可有效吸附氣相戴奧辛，使得煙道 氣中之氣相戴奧辛由 60下降至 40%。此外，由於袋濾式集塵器可有效去除煙道氣 中之粒狀物並同步捕集附著於粒狀物上之固相戴奧辛。因此固相戴奧辛之去除效率亦 可達到 98.4，略低於氣相戴奧辛之 99.3%。圖 4MWI-1 及 MWI-2 煙道氣流中戴奧辛氣固相濃度變化特性 另外 MWI-2 的採樣結果亦顯示，EP 後之煙道氣中氣相戴奧辛分布百分比近 80 ） ，可歸因為 EP 能有效去除粒狀物並同時捕集附著於粒狀物上之固相戴奧辛，另外 由於 EP 之集塵板放電過程中所產生之高溫以及其操作溫度多半維持在 2300C 以上， 其操作溫度接近de novo 合成反應之溫度窗(介於2504000C)導致氣相戴奧辛之再生 成，使得氣相戴奧辛比率增加。當煙道氣流經 WS+SCR 後其氣固相之戴奧辛皆有明 顯之去除效率，其中以氣相戴奧辛之去除效率最高（99.5） ，顯示 WS+SCR 對煙道 氣流中之氣相戴奧辛具備極佳之破壞效率。由於 SCR 主要係針對氣相戴奧辛進行破 壞，其對固相戴奧辛並未具有顯著之去除效率。3.2 活性碳對氣相戴奧辛之吸附活性碳對氣相戴奧辛之吸附特性特性為了進一步探討一般商用活性碳對氣相戴奧辛之吸附特性，並評估操作溫度之改PCDD/F I-TEQ concentration (ng-TEQ/Nm3)0.02.04.06.08.0WS+SCR inletStackSolid phaseVapor phase0.000.020.040.060.02.04.06.08.0DSI+ACI+BF inletStackSolid phaseVapor phase0.000.020.040.06MWI-1 MWI-25變對戴奧辛吸附效率之影響，本研究使用戴奧辛反應載體測試系統進行商用活性碳之 戴奧辛吸附測試，並抽引 M

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