新型无机材料吸附剂替代传统活性炭治理烟气中重金属与二噁英应用安全及环保优劣势分析

1 工程项目简介

南海垃圾焚烧发电 发电厂提标扩能工程位于市的南海固废环 圾焚烧发电一改扩建工程（以下 械炉排炉（编号 1#、2#、3#）；南海垃圾焚烧 3 台日处理 500t 的机械炉排炉（编号 焚烧炉处理量为 1500t/d，配备 2 台日处 得排污许可证。2024 年 3 月，焚烧 脱酸 ＋干法脱酸＋活性炭吸附＋布袋除尘 + 低 保留活性炭吸附作为备用，调整后工艺为 CR 炉 + + + 吸附（备用）＋布袋除尘 + 低温SCR 脱硝”

为了解无机材料吸附剂替代活性炭吸附剂对去除情况对比，瀚蓝绿电固废处理有限公司于 2024年 3 月 8 日 \~3 月 14 日在焚烧一厂、二厂、三厂进行了替代试验，无机材料吸附剂投加量为 0.4\~0.76kg/t 垃圾，与活性炭投加量（0.41\~0.45kg/t 垃圾）基本相当。试验前后烟气中重金属及二噁英监测结果如表1 所示：

2.1.2 活性炭产业现状

根据《中国活性炭行业发展趋势分析与未来投资预测报告（2022-2029 年）》，随着我国活性炭技术的不断发展，活性炭行业产量快速增加：2010 年我国活性炭行业有企业 400 多家，产能为 70 万吨，到 2020 年产能已增长至 120 万吨，年均增幅约 5.7% ，行业产值达 105.95 亿元。这一发展使得我国活性炭生产能力已超越美国、日本、俄罗斯等传统生产大国，稳居全球首位。

从产业布局看，行业企业多依托煤炭资源分布，集中在山西、宁夏及新疆等煤炭储量丰富的省区，其中山西、宁夏、新疆三地凭借原料供应便利，其煤质活性炭产量占全国煤质活性炭总产量的 80% 以上，成为我国煤质活性炭的核心产区。

从市场价格来看，国内活性炭产品的盈利空间主要受价格波动影响，近几年我国活性炭平均价格整体呈上涨态势：木质活性炭市场均价从2010 年的9062 元/ 吨增长至2020 年的13820 元/ 吨；煤质活性炭市场均价从2010 年的 9767 元 / 吨增长至 2020 年的 10850 元 / 吨。

从行业应用与投资规模看，我国活性炭广泛应用于食品饮料、水处理、大气环境治理、化工、医药等领域，其中大气环境治理是其主要应用领域之一。随着新材料技术、医药科学等领域的技术迭代，活性炭在能源储存、天然气回收、血液净化等方面的应用逐步拓展，预计未来10-20 年，我国活性炭需求将进一步扩大。

2.1.3 活性炭吸附机理

活性炭具有较大的比表面积、 发达的孔隙 结构及良好的吸附性能。 其吸附有害气体的机理为：活性炭内部存在大量毛细孔，当有机废气 聚作用，可使有害气体吸附在活性炭表面，并通过大孔向颗粒内部 故能以较少的消耗量实现净化目的。活性炭对含苯环的有机大分子物质 生吸附特性 吸难，配合高效布袋除尘器可确保二噁英达标排放。重金属化合物分子同样具有极强的附着力， 在活性炭与灰的表面附着后稳定性强，经布袋除尘器处理可被有效去除，排放量极小。

活性炭从反应塔后、布袋除尘器前的烟道混合器中喷入，用以控制二噁英及重金属的排放量，使其达到排放要求。

2.1.4 活性炭的优势和不足

A）商业活性炭一般微孔发达，有着很大的比表面积，适于吸附气相及液相中小分子。二噁英是一种特殊的大分子，比表面积发达的商业活性炭不定适宜吸附这种分子的，用于吸附二噁英的活性炭需要有较大的中孔占比。

B）活性炭存在可燃性，储存不当或输送过程泄漏，与空气混合后，容易形成爆炸混合物的浮游状态的可燃性粉尘，粉尘爆炸产生的CO 等有毒有害气体，会对周围大气环境、作业环境产生安全和环保影响。

根据《建筑防火通用规范》规定，储存活性碳的火灾危险性为丙类，如在厂房内设置储存活性碳的中间仓库，则应采用防火墙和耐火极限不低于 1.5h 的不燃性楼板与其他部位分隔。其中按照丙类仓库要求，仓库内的防火墙其耐火极限不应低于 4h。设置在防火墙上的门应为甲级防 对照上述规范，如对其建设、改造，势必增加相应储存成本投入。

C）活性炭价格持续走高。

2.2 无机材料吸附剂

2.2.1 无机材料吸附剂用量及特性

本项目使用的无机材料吸附剂主要为复合黏土矿物改性吸附材料，每处理 1 吨垃圾烟气治理消耗 0.4\~76kg无机材料吸附剂，无机材料吸附剂是一种层链条状结构的含水富镁铝硅酸盐黏土矿物，通过孔容改性生成，产品性状根据系列不同颜色分别有浅红、灰白等，粉末粒径范围在 150-300 目之间，同时该产品不溶于水和有机溶剂，也不与其它化学物质发生反应，产品性能稳定，耐受高温可达 1000C 无机材料吸附剂产品性能指标如表4 所示。

2.2.2 无机材料吸附剂产业现状

近年来，我国在持续推进创新研发的基础 引进了部分国际先进的复合黏土矿物吸附剂制造新技术，研发能力得以巩固提升，市场需求亦进一 的发展趋势来看，随着新材料制备技术日趋成熟，整个产业正由作坊式 四五” 期间大力发展环保 j^*Ψ 、研发环保材料的大背景下，复合黏土矿物吸附剂作为潜力巨大的天然环保纳米材料，必将迎来新的发展高峰。

2.2.3 无机材料吸附机理

无机材料吸附（复合黏土矿物吸附剂 比表 面积大小、表面物化结构以及离子状态等决定，其吸附类型按照引起吸附的 换吸附。物理吸附指的是吸附剂和吸附质之间通过范德华力而 复合黏土矿物吸附剂物理吸附作用的重要指标。复合黏土矿物吸附 巨大的内比表面积，具有较强的物理吸附性能。而化学吸附指吸附剂与吸 的吸附，化学吸附作用是复合黏土矿物吸附剂强大吸附能力的主要体现。

根据中国科学院广州地球化学研究院 2023 年 7 月发布的《复合黏土矿物改性吸附剂废气二噁英减控试验研究报告（院士工作站项目二：垃圾焚烧尾气处理新技术研究）》，该报告通过使用复合黏土矿物改性吸附剂代替活性炭吸附烟气中的二噁英和重金属，研究结果表明：复合黏土矿物吸附剂的吸附作用主要取决于其外表面的表面电荷性质和密度，但是又受到pH 值的强烈影响。1）在中偏酸性条件下，复合黏土矿物吸附剂对重金属的吸附主要以离子交换吸附为主；2）在中性或偏碱条件下，对重金属的吸附去除主要以水解沉淀为主，含有一定吸附的作用；3）在酸性条件下，由于复合黏土矿物吸附剂表面带正电荷，复合黏土矿物吸附剂对重金属的吸附可能是复合黏土矿物吸附剂八面体 Mg、Al 溶解和重金属与 Si-OH 的作用。史晓莉研究复合黏土矿物吸附剂表面特性及其与重金属的界面作用，研究结果认为离子交换吸附、八面体晶格置换作用、表面络合和重金属水解沉淀是复合黏土矿物吸附剂对重金属的 4 种可能的吸附机制，而复合黏土矿物吸附剂去除重金属离子的主要机制是 : 在液相体系中由于复合黏土矿物吸附剂表面水化诱导重金属离子的水解作用及与水解胶体颗粒的静电相互作用。

2.2.4 无机材料吸附剂的优势和不足

A）复合黏土矿物吸附剂作为新材料的代表，具有极其广泛的用途；作为天然的纳米级材料，可以有效降低现阶段很多工业、制造业领域的原材料问题，提高工业产品科技水平，降低生产成本，提高行业发展效益。B）依托复合黏土矿物吸附剂材料本身良好的吸附性能和特性，既可生产出针对大气、水、土壤污染的治理类产品，又可以在环保涂料、建筑、机械制造等工业的产品生产中发挥巨大作用，从源头实现绿色制造。C）与活性炭比较，复合黏土矿物吸附剂储存资源更丰富，价格更低，无着火和粉尘爆炸安全风险，更符合双碳目标。

D）复合黏土矿物吸附剂一般呈碱性，一定程度上能促进重金属的沉淀。

E）复合黏土矿物吸附剂虽然是不可再生自然资源，但储量丰富。

F）复合黏土矿物吸附剂的提取和改性一定程度上增加了成本。

综上所述，无机吸附材料可替代活性炭吸附作为烟气净化系统中处理二噁英和重金属的吸附剂，无机吸附材料未来将有更大市场，价格更低，无着火风险，更符合双碳目标。

经对比，试验期间飞灰稳定物中二噁英检测结果较试验前高，主要原因是无机材料吸附剂对二噁英的去除效率较活性炭吸附好，更多的二噁英经无机材料吸附后，通过布袋除尘器除尘后进入飞灰中。

为环保保护设施中烟气治理系统无机材料吸附剂替代活性炭，其他生产装置、储运设施、公用工程和辅助产设施等均未发生变化。本次试验主要分析无机材料吸附剂替代活性炭的环境风险影响变化。

变动前，活性炭暂存于活性炭储存仓库， 《建筑防火通用规范》GB55037-2022 规定，储存活性碳场所的火灾危险性为丙类，如在厂房内设置 则应采用防火墙和耐火极限不低于 1.5h 的不燃性楼板与其他部位分隔。其中丙类仓库内 应低于4h。设置在防火墙上的门应为甲级防火门，储存成本投入较高且活性炭存在着火可能，火灾和爆炸产生的CO 等有毒有害气体，会影响大气环境。

变动后，无机材料吸附剂主要成分为复合黏土矿物，无火灾和粉尘爆炸风险，不属于危险物质，从一定程度上降低了作业环境的安全风险性。

因此本次变动前后并未新增环境风险源，变动后无机材料吸附剂替代活性炭，从一定程度上降低了环境风险。

3 使用新材料后对环境影响分析

3.1 废气环境影响

根据使用无机材料吸附剂替代活性炭吸附试验结果显示，无机材料吸附剂可替代活性炭吸附剂，烟气二噁英和重金属排放均达标，且二噁英去除效率优于活性炭吸附。通过核算，重金属及氮氧化物排放量均未超过环评批复总量指标。

3.2 废水环境影响

本次使用新材料不涉及废水处理设施变化，废水处理设施与项目的环评及验收报告一致。

3.3 声环境影响

本项目用无机材料吸附剂变动后，噪声处理措施未发生变化，与环评及验收报告一致。

根据使用无机材料吸附剂替代活性炭吸附试验结果显示， 无机材料吸附剂可替代活性炭吸附剂后飞灰稳定物经检测达到符合《生活垃圾填埋场污染控制标准》（GB16889-2008），其他固废与变动前一致。

3.5 地下水环境影响

本项目变动后地下水污染防治措施没有发生改变，与环评及验收报告一致。

3.6 土壤环境影响

本项目变动后土壤污染防治措施没有发生改变，与环评及验收报告一致。

3.7 环境风险影响分析

本次变动前后，环境风险源并未增加，环境风险影响不变。

3.8 安全风险分析

根据《建筑防火通用规范》GB55037-2022 规定，储存活性碳的火灾危险性为丙类，如在厂房内设置储存活性碳的中间仓库，则应采用防火墙和耐火极限不低于1.5h 的不燃性楼板与其他部位分隔。其中丙类仓库内的防火墙其耐火极限不应低于4h。设置在防火墙上的门应为甲级防火门，储存成本投入较高。

活性炭存在可燃性，储存不当或输送过程泄漏，活性炭与空气混合后，容易形成爆炸混合物的浮游状态的可燃性粉尘，如果活性炭粉尘爆炸，产生的CO 会对生产场所形成火灾、爆炸、中毒等安全风险。

因无机材料吸附剂不具备可燃性，使用无机材料吸附剂替代活性炭，采用新材料替代旧材料的方法，从本质上解决了安全储存的隐患问题，到达了本质安全目的。

4 结语

新型无机材料吸附剂在治理烟气中重金属与二噁英领域展现出显著优势，其替代传统活性炭的可行性可从以下维度综合分析。

4.1 工厂实际运用方面

本项目变动并未改变废水处理等设施，无多余投入改造成本。且新型无机材料吸附剂的长期成本优势尤为突出，依托天然黏土矿物等储量丰富的原料，从源头降低了综合成本。其次，因自身惰性特质无着火及粉尘爆炸风险，可大幅削减防爆、阻燃等安全设施投入。再者，其性能稳定且耐高温，能适应工业烟气的高温环境，显著减少更换频率，降低停机损失。此外，吸附剂天然呈碱性，可与重金属离子协同作用生成沉淀，在提升吸附效率的同时强化处理效果，形成“吸附+ 沉淀”的双重优势。

4.2 国家双碳目标：全生命周期低碳化

积极响应国家号召，在国家双碳目标下，新型无机材料吸附剂的低碳优势显著：传统活性炭生产依赖煤炭等化石资源，加工过程能耗高、碳排放强度大；而复合黏土矿物吸附剂以天然矿物为原料，改性加工能耗低，从生产环节就大幅削减了产业链碳排放。其废弃后可经固化填埋或作为建筑骨料再利用，规避了活性炭焚烧处置时的CO2 排放问题，从而构建起“生产- 使