生活垃圾焚烧烟气多污染物协同脱除进展：材料、机理与技术

Recent Advances in Integrated Synergistic Removal of Multi-Pollutants from MSWI Flue Gas: Materials, Mechanisms, and Technologies

摘要: 随着城市化进程的加速，生活垃圾(MSW)产生量逐年增加，焚烧作为一种能够快速实现MSW减容减量效果的处理方式，现已成为我国MSW的主流处理工艺。然而，面对垃圾组分波动引发的非均质燃烧及日益严苛的环保法规(如欧盟IED指令和中国GB 18485-2014)，传统单一污染物–单一设备的串联式烟气净化模式因系统冗余、能耗巨大及污染物间交叉干扰，已难以满足深度净化与低碳运行的双重需求。本文系统综述了MSW焚烧烟气多污染物协同脱除技术的理论突破与工程实践，重点探讨了：1) 改性钒钛基、锰铈基及功能化金属有机框架等新型催化吸附材料的构效关系与抗中毒机理；2) NO_x与二噁英、Hg⁰与卤素在催化界面上的竞争吸附与协同氧化还原微观机制；3) 催化滤袋、协同湿法氧化及炉内抑制剂喷射等一体化集成技术的工程应用性能。最后，结合人工智能优化控制与碳捕集技术展望了下一代智能化、低碳化生活垃圾焚烧烟气净化系统的发展方向。

Abstract: With the acceleration of urbanization, the generation of municipal solid waste (MSW) has grown exponentially. Municipal solid waste incineration (MSWI), as a treatment method capable of achieving significant volume reduction (approximately 90%) and energy recovery, has become a core strategy for MSW management worldwide. Facing increasingly stringent global environmental regulations (such as the EU IED directive, and China’s GB 18485-2014), the traditional “single pollutant-single control equipment” series treatment mode struggles to meet the dual demands of deep purification and low-carbon operation due to bloated systems, high energy consumption, and negative cross-interference between pollutants. This paper systematically reviews theoretical breakthroughs and engineering practices in integrated synergistic removal technologies for multi-pollutants, focusing on: 1) the structure-activity relationships and anti-poisoning mechanisms of novel catalytic adsorption materials such as modified vanadium-titanium-based, manganese-cerium-based, and functionalized MOFs; 2) the microscopic mechanisms of competitive adsorption and synergistic redox between NO_x and dioxins, as well as Hg⁰ and halogens at catalytic interfaces; and 3) the engineering application performance of integrated technologies such as catalytic filter bags, synergistic wet oxidation, and in-furnace inhibitor injection. Finally, combining artificial intelligence optimization control and carbon capture technology, the paper prospects the development direction of the next generation of intelligent, low-carbon MSWI flue gas purification systems.

1. 引言

随着人口增长和消费模式的改变，城市生活垃圾(MSW)的管理已成为全球性挑战。传统的填埋方式面临土地资源紧缺和渗滤液污染风险，而生活垃圾焚烧(MSWI)发电因其高效的减容能力和能源回收优势，被视为可持续废物管理的关键环节[1]。据统计，发达国家的垃圾焚烧处理率已达到相当高水平，中国等新兴经济体也在快速推进MSWI设施的建设。然而，公众对焚烧厂周边环境健康风险的担忧(邻避效应)依然存在，这主要源于对焚烧污染物排放的恐惧[2]。MSW作为一种非均质性“燃料”，其燃烧过程产生的烟气组分极度复杂且波动剧烈。主要的污染物包括氮氧化物(NO_x)、酸性气体(SO₂, HCl, HF)、持久性有机污染物(POPs)、重金属和挥发性有机物(VOCs)。其中，NO_x主要来源于MSW中含氮有机物的氧化(燃料型NO_x)及高温下空气中氮气的氧化(热力型NO_x)。NO_x不仅是酸雨和光化学烟雾的前体物，还会破坏臭氧层[1]。酸性气体主要来源于垃圾中的硫、氯(Cl)和氟元素。其中，HCl浓度通常较高，是造成设备腐蚀的主要原因，且Cl元素是二噁英(PCDD/Fs)从头合成的关键原料[3]。POPs以PCDD/Fs为代表，具有极强的致畸、致癌和致突变性。其生成途径包括高温气相合成和低温(250℃~400℃)异相催化(包括从头合成和前驱物合成) [4]。重金属主要包括易挥发性的镉、汞(Hg)和铅等。Hg因其高挥发性和难溶于水的特性，成为治理的难点，其在生物链中的富集效应会对神经系统造成不可逆损伤。此外，VOCs包括苯系物和卤代烃等，是细颗粒物(PM_2.5)和臭氧的重要前体物。研究表明，MSWI厂VOCs的排放因子不容忽视，且种类繁多(如卤代烃占比高) [5]。

为了应对日益严峻的环境压力，各国纷纷收紧排放限值。美国EPA在2024年和2025年相继提出了针对大型和小型城市MSWI设施的更严格标准，特别是对颗粒物、重金属和NO_x的限制[6]。欧盟的工业排放指令(IED)和中国的GB 18485-2014 (尤其是多地出台的地方标准)均设定了较低的排放限制。传统的烟气净化工艺通常采用“SNCR + 半干法脱酸 + 活性炭喷射 + 布袋除尘 + SCR”的长流程串联组合[7]。这种模式主要面临高能耗与热损失、占地面积大且成本高，以及污染物间的负面耦合等严峻挑战。具体来看，不同净化单元的最佳运行温度窗口不同(如SCR需~200℃甚至更高，而布袋除尘需低于200℃)，导致烟气在流程中需反复加热和冷却，造成巨大的能源浪费[8]。多级串联设备占地面积大，基建投资和运行维护成本高昂，特别是在土地资源紧缺的(超)大城市[9]。此外，SCR催化剂可能将SO₂氧化为SO₃，与逃逸的NH₃反应生成硫酸氢铵，导致下游设备腐蚀和堵塞；湿法脱硫可能导致Hg的再释放等[10]。综上所述，开发能够在单一单元内同时去除多种污染物的协同脱除技术，已成为MSWI烟气治理领域的必然趋势。这种技术不仅能简化流程、降低成本，还能利用污染物之间的化学协同效应提高去除效率。

综上所述，尽管多污染物协同脱除技术在降低能耗与简化流程方面展现出了巨大的潜力，但受限于复杂的烟气工况和材料寿命问题，目前其在MSWI行业的工业化普及率仍然较低。更为关键的是，现有文献多聚焦于单一污染物的控制策略或特定催化材料的实验室制备，缺乏跨越材料微观改性–界面竞争机理–一体化工程装备的系统性综合评价。开展上述系统性评价工作，旨在厘清不同技术路线在实际工况下的适用边界，揭示制约技术从实验室向工业应用转化的核心技术瓶颈(如多组分竞争吸附导致的催化剂失效和系统长期运行的稳定性等)，从而为工艺选择提供科学依据。本文系统总结了材料学中的构效关系、反应动力学机理与宏观工程实践的跨尺度评价框架，并将人工智能(AI)优化控制与碳捕集技术纳入协同治理体系，以期为构建下一代兼具深度净化能力与低碳运行效益的智能化MSWI烟气处理系统提供理论支撑和实践指引。

2. 多污染物协同脱除的理论机理与微观相互作用

在协同脱除体系中，不同污染物在催化剂或吸附剂表面的行为并非孤立，而是存在着复杂的竞争、抑制或促进关系。深入理解这些微观机理是材料设计和工艺优化的重要基础。

2.1. NO_x还原与PCDD/Fs氧化的竞争与平衡

在钒钛基(V₂O₅-WO₃/TiO₂)等催化剂表面，同时进行着NO_x的选择性催化还原和PCDD/Fs (及其模拟物如氯苯CB)的催化氧化。NH₃作为还原剂，优先吸附在催化剂表面的Brønsted酸性位点上并形成活性NH₄⁺物种。研究发现，高浓度的NH₃会显著抑制氯苯等有机分子在催化剂表面的吸附，因为两者竞争相似的酸性位点，并且NH₃的抑制作用通常强于NO [11]。然而，PCDD/Fs占据V₂O₅活性位点会阻碍单齿硝酸盐中间体的生成，进而通过Langmuir-Hinshelwood (L-H)机理降低催化剂活性。此外，甲苯等VOCs的氧化中间体可能与NH₃反应生成腈类物质，消耗还原剂并降低脱硝效率[11]。一般认为，单体钒物种对氯代有机物的氧化更有效，而聚合钒物种则更有利于NO_x的还原[12]。因此，通过调控钒的负载量和分散状态，可以寻找2种反应的最佳平衡点。在某些特定催化剂体系(如Co-MnO_x)中，适量的NO存在可以促进活性氧物种的循环，从而辅助有机物的深度氧化。反之，有机物的氧化放热也可能为局部SCR反应提供活化能[13]。

2.2. 汞的催化氧化与卤素协同机制

元素汞(Hg⁰)的氧化是其被后续脱酸设备捕获的前提。在MSWI烟气中，HCl不仅是污染物，也是Hg⁰氧化的关键助剂。在V₂O₅-WO₃/TiO₂催化剂表面，HCl首先吸附并发生Deacon反应生成活性氯物种(如Cl·或Cl₂)。这些活性氯化物种具有极强的氧化性，能将吸附态或气态的Hg⁰氧化为HgCl₂ [14]。研究表明，Hg⁰的氧化在商用催化剂上遵循L-H机理，即Hg⁰和HCl均需先吸附在催化剂表面，然后发生反应。预吸附HCl能显著提升Hg⁰的氧化效率，而O₂的存在则促进了表面吸附氯的再生，维持催化循环[15]。此外，NO在Hg⁰的氧化过程中扮演了复杂角色。一方面，NO被氧化生成的NO₂具有强氧化性，可促进Hg⁰氧化；另一方面，SCR反应中的NH₃会消耗表面活性氯，从而抑制Hg的氧化。因此，在一体化脱除中，需精确控制NH₃的喷射量，避免过量氨逃逸对脱汞造成负面影响[16]。

2.3. 硫–硝–汞的交互作用

低温条件下，SO₂对其他污染物的去除既有促进也有抑制作用。其中，促进作用主要表现在碳基材料表面，SO₂的存在有时能促进NO向NO₂转化，进而通过“快速SCR”路径提升脱硝效率。同时，SO₂也可能在某些金属氧化物表面形成硫酸盐位点，增强对Hg⁰的化学吸附[17]。然而，在锰基等低温催化剂上，SO₂易与活性金属形成稳定的硫酸盐(如MnSO₄)，覆盖活性位点并堵塞微孔，导致催化剂永久性失活。这是低温协同脱除技术面临的最大障碍之一[18]。

3. 协同脱除功能材料的构效关系

材料科学的进步是实现协同脱除的核心驱动力。目前的研发重点集中在拓宽活性温度窗口(特别是低温区)、增强抗中毒能力和引入多功能活性组分等方面。MSWI过程主要的烟气污染物及其协同脱除技术详见表1。

Table 1. Comparison of air pollutants in MSWI flue gas and their synergistic removal technologies

表1. MSWI烟气中主要污染物及其协同脱除技术对比

污染物组合	协同技术路径	核心材料/药剂	优势	局限性
NOx + PCDD/Fs	催化滤袋	膨体聚四氟乙烯(ePTFE) 膜 + V-Ti/Mn-Ce催化毡	无需再热，占地小，能耗低，PCDD/Fs去除率 > 97%	滤袋成本高， 催化剂易受飞灰遮蔽影响
NOx + PCDD/Fs	改进SNCR	硫脲、硫酸铵等 含N/S抑制剂	投资极低，利用现有设备， 源头阻断PCDD/Fs合成	脱硝效率受限(60%~70%)， 可能增加SO2排放
NOx + Hg^0	氧化吸收	NaClO2、O3和 过硫酸盐	可深度脱汞， 适应性强，低温运行	氧化剂消耗量大，需防 二次污染，废液处理复杂
NOx + Hg^0 + SO2	活性炭 吸附/催化	负载CuO/FeOx 活性炭	多效合一， 技术成熟，无二次水污染	碳材料易燃风险，吸附 容量有限，需定期更换
NOx + Hg^0	低温SCR协同	Mn-Ce和 改性V-Ti催化剂	利用HCl协同氧化Hg， 无需额外氧化剂	易受SO2/H2O中毒影响，碱金属中毒风险高

3.1. 改性钒钛基催化剂

虽然传统的V₂O₅-WO₃/TiO₂催化剂主要用于脱硝，但通过改性可达到协同脱PCDD/Fs和Hg的效果。MSWI布袋除尘后的烟温通常在140℃~200℃，低于传统的SCR窗口。掺杂过渡金属(如Ce、Mn、Fe和Cu)或稀土元素可丰富表面活性氧物种，降低反应活化能。例如，Mn的引入能促进低温下NO至NO₂的转化，从而通过快速SCR反应提高效率[19]。此外，通过构建核壳结构或多级孔结构可优化反应物扩散。研究发现，V/TiO₂催化剂的酸性位点可作为NH₃的“缓冲池”，调节下游氧化位点的反应环境，缓解竞争吸附[20]。而针对碱金属中毒问题，利用硫酸化处理增强表面酸性，或引入助剂(如Ce和Zr)构建固溶体以稳定活性位点已被证明可有效提升抗碱金属中毒能力。例如，硫酸化CeO₂在抗碱金属(如K)中毒方面表现优异[21]。

3.2. 锰–铈复合氧化物

Mn-Ce系催化剂因其优异的低温氧化还原循环(Ce³⁺/Ce⁴⁺与Mn³⁺/Mn⁴⁺电对)和储氧能力，现已成为低温协同脱除NO_x和Hg⁰的明星材料。具体来看，MnO_x作为氧化中心，能高效氧化NO和Hg⁰；CeO₂则通过氧空位的快速迁移补充表面耗氧。Mn₁Ce₁催化剂在180°C下即可实现97%的NO_x去除率[22]。此外，通过水热法合成特定晶面暴露(如纳米棒和纳米花)的催化剂可显著提升其吸附和催化性能。然而，该类材料的抗硫抗水性较差，通常需掺杂Fe和Co等元素来提高稳定性[23]。需要指出的是，尽管Mn-Ce二元氧化物在实验室条件下表现出卓越的低温氧化还原活性(150℃下NO_x转化率 > 95%)，但关于其在含硫烟气中的稳定性机制，学术界仍存在显著争议。早期研究普遍认为CeO₂可通过优先形成不稳定硫酸盐来保护Mn活性位点[24]，但近期的原位光谱表明，在低于300℃的工况下，Mn位点表面形成的硫酸锰物种具有极高的热稳定性，难以通过简单的热脱附再生[25]。这种实验室加速老化数据与工业长期低浓度累积中毒现象之间的矛盾是制约该类材料走出实验室的核心瓶颈。

3.3. 功能化碳基材料

活性炭(AC)及其衍生物(如生物炭和碳纳米管)具有廉价和比表面积大等优势。经过CuO、FeO_x或稀土金属负载改性的AC可在150℃~250℃的温度窗口下同时实现脱硫、脱硝和脱汞。例如，8% CuO-5% MnO_x/AC在200℃下展现了90%的Hg⁰和78%的NO去除率[26]。此外，利用UV/H₂O₂等高级氧化技术改性生物质炭等表面化学调控技术，可引入大量含氧官能团(-COOH和-OH)，增强对极性分子(Hg⁰、NO和SO₂)的化学吸附。这种非金属催化路径避免了重金属二次污染风险[27]。

3.4. 金属有机框架(MOFs)与新型多孔聚合物

MOFs凭借其超高的孔隙率和结构可裁剪性，在精细捕获痕量污染物和CO₂方面表现出一定潜力。针对烟气高湿环境，通过引入氨基(-NH₂)或长链烷基进行修饰，可提升MOFs的疏水性和结构稳定性。例如，NH₂-H₂L₄修饰的MFM-136在模拟烟气中暴露24小时后，仍可保持优异的CO₂捕获能力，且耐受SO₂/NO₂侵蚀[28]。此外，UiO-66-NH₂与共价有机框架复合材料在吸附放射性元素(如U)和重金属方面显示出协同增强效应，为处理特殊危险废物提供了新思路[29]。

3.5. 工业固废资源化材料

利用MSWI自身的飞灰(FA)制备催化剂是“以废治废”理念的体现。MSWI焚烧产生的飞灰属于危险废物，其富含Ca、Si和Al等氧化物，经过酸洗去除重金属杂质后，负载过渡金属(如Zr和Ti)可制备成廉价SCR催化剂。研究表明，FA/Zr-10%催化剂在250℃下的脱硝效率超过90%，且成本仅为商用催化剂的1/9 [30]。

4. 一体化协同控制技术与装备的工程实践与经济性分析

4.1. 催化滤袋

催化滤袋将表面过滤(除尘)与催化反应(脱PCDD/Fs/脱硝)集成于一体，是目前较为成熟的协同控制技术之一。催化滤袋通常采用ePTFE微孔膜与负载催化剂的针刺毡基材复合。当焚烧烟气经过催化滤袋时，FA在膜表面被截留，气态污染物在穿过催化层时发生反应。由于反应在除尘之后进行，避免了FA对催化剂的磨损和遮蔽[31]。目前，主流的技术包括Gore® Remedia® [31]、Mitsubishi Hybrid Bag Filter® (HBF) [32]和Topsoe CataFlex^TM [33] (图1)。其中，Gore® Remedia®专注于PCDD/Fs的催化破坏。其独特的催化毡配方可将PCDD/Fs排放降至0.1 ng I-TEQ/Nm³以下，且无需向烟气中喷入碳粉，避免了FA中碳含量的增加，利于FA资源化[31]。三菱重工的HBF技术在滤料中嵌入V-Ti催化剂，不仅能脱除PCDD/Fs，还能配合氨喷射实现脱硝。其最新开发的PTFE基材HBF相比传统玻纤基材，耐磨性提升，运行压差降低，显著减少了引风机能耗(约27%)和CO₂排放[32]。Topsoe CataFlex^TM采用双层结构，内层为催化织物。该技术特别强调在无需烟气再加热情况下可实现尾端脱硝，不仅节省了昂贵的SCR脱硝反应塔投资，还消除了再加热带来的额外能耗[33]。总之，工程实测表明催化滤袋系统可稳定实现97%~99%的PCDD/Fs去除率和高达90%以上的脱硝效率，同时粉尘排放浓度远低于标准中的限值[34]。上述3种工艺对比具体见表2。

注：(a)-(c)依此为Gore® Remedia® [31]、Mitsubishi Hybrid Bag Filter® (HBF) [32]和Topsoe CataFlex^TM [33]。

Figure 1. Three typical catalytic filter bags

图1. 3种典型催化滤袋

Table 2. Technical parameters and performance of typical catalytic filter bags

表2. 典型催化滤袋技术参数与性能

技术品牌	厂商	基材/结构	关键特性	典型性能指标
Remedia®	W. L. Gore	ePTFE膜 + 催化毡	专注PCDD/Fs破坏， 无需碳喷射	Dioxins < 0.1 ng TEQ/Nm^3
HBF®	Mitsubishi Heavy Ind.	PTFE纤维 + V-Ti催化剂	耐磨损，低压差， 脱硝 + 脱PCDD/Fs	运行成本降低57%， 寿命延长
CataFlex™	TOPSOE	双层结构(催化内层)	替代尾端SCR， 无需烟气再热	NOx去除率高， 适合空间受限改造

注：催化滤袋技术参数与性能主要基于参考文献[4] [9] [31] [32] [34]-[40]。

4.2. SNCR与抑制剂技术的耦合

在炉膛内(850℃~1000℃)进行的SNCR脱硝的同时可以通过添加特定化学试剂实现多效功能。例如，向SNCR系统中加入含硫、氮的化合物(如硫脲和硫酸铵)，在高温分解产生NH₃用于还原NO_x的同时，释放出的SO₂或硫基自由基能毒化FA中的金属催化剂(如CuCl₂)，阻断PCDD/Fs的从头合成路径。实验证明，该方法可同时实现约65%的脱硝和高达80%的PCDD/Fs减排[4]。此外，将含水率适中的市政污泥与MSW协同焚烧，污泥中的挥发分氮可作为还原剂降低NO_x生成。研究表明，3%~13%的污泥掺烧比能优化燃烧工况，在降低NO_x的同时不影响锅炉效率[1]。因此，含水率适中的市政污泥在一定程度上起到了NO_x“抑制剂”的作用。

4.3. 湿法洗涤和高级氧化吸收

在湿法脱酸塔前或塔内引入强氧化剂可实现难溶污染物(NO和Hg⁰)的去除。具体来看，利用NaClO₂、H₂O₂、O₃或过硫酸盐等强氧化剂，将NO氧化为NO₂，将Hg⁰氧化为Hg²⁺，随后在碱性洗涤液中与SO₂和HCl一并被吸收。例如，Fe²⁺催化过氧化物产生的羟基自由基是高效氧化的关键[10]。该技术能利用现有湿法塔进行改造，投资低，且特别适合深度脱Hg。然而，需严格控制氧化剂加注量以防止设备腐蚀和二次污染(如余氯) [40]。

4.4. 烟气烘焙预处理(FGT)

除了末端治理，源头燃料改性也是协同控制的新思路。例如，利用MSWI自身的低温烟气余热(200℃~300℃)对入炉垃圾(特别是纸张、木材和塑料)进行烘焙预处理。烘焙不仅能提高燃料热值、均匀性和研磨性，还能通过脱氯作用(即释放HCl)显著减少燃烧过程中PCDD/Fs前驱物和酸性气体的生成。研究发现，FGT处理后的燃料在燃烧时释放的气态污染物更少，且重金属倾向富集于灰渣中[39]。

4.5. 静电–催化耦合技术

结合静电除尘和催化技术，利用电场强化颗粒物团聚和离子风效应可显著降低颗粒物中的污染物。例如，通过热泳力和电场力的协同可增强微细颗粒物和冷凝性颗粒物的脱除，同时去除吸附在颗粒上的重金属和有机物[41]。

4.6. 协同脱除技术的技术经济性分析

尽管上述5种协同脱除技术在解决传统烟气净化系统流程冗长与设备冗余方面展现出显著的技术优势，但经济可行性仍是制约其实现大规模工程化应用和推广的关键瓶颈。通常来讲，尾端SCR方案属于重资产投资，需建设独立的SCR反应塔、钢结构支撑、氨区扩容，最昂贵的是蒸汽加热器和气–气换热器系统。单位NO_x脱除能力的CAPEX约为$5500~$6100/ton NO_x [42]。而催化滤袋方案属于轻资产改造，且可节省30%~50%的占地面积。其主要成本在于滤袋采购(单价为普通滤袋的3~5倍)及部分笼骨更换。无需新增土建和大型设备。其初投资通常仅为新建SCR系统的30%~50% [43]。三菱重工的数据显示，改用PTFE基HBF后，运行成本降低了57% [8]。在美国，符合2024/2025年EPA新标准的设施，预计每年可减少数万吨污染物排放，由此带来的公共健康收益(如减少医疗支出和误工等)估计高达数十亿美元[6]。基于EPA Cost Manual及三菱重工、Topsoe等厂商的公开数据，建立了涵盖CAPEX (反应器、换热器、土建)和OPEX (能耗、药剂、维护)的对比框架，重点对比了催化滤袋与传统尾端SCR的经济性差异(表3)。

Table 3. Comparison of economic performance between traditional tail-end SCR and catalytic filter bags

表3. 传统尾端SCR和催化滤袋经济性能对比

成本构成要素	尾端SCR	催化滤袋	差异分析
能耗(再热)	极高(天然气/蒸汽)	零	SCR需将烟气从140℃加热至230℃~280℃。 这是SCR最大的运营成本源[44]。
电耗(压损)	中等 (+1000~1500 Pa)	中低 (+200~500 Pa)	SCR系统增加了换热器和催化剂床层的阻力； 催化滤袋阻力略高于普通滤袋。
耗材更换	催化剂寿命3~5年	滤袋寿命3~5年	滤袋寿命是关键风险点。 若因机械破损提前更换，成本激增。
还原剂	氨水/尿素	氨水/尿素	消耗量相当，取决于NSR。

分析表明，尽管催化滤袋的初次采购成本约为普通滤袋的3~5倍，但其消除了尾端SCR所需的烟气再热能耗。对于一台500 t/d的焚烧炉，省去将烟气从150℃加热至230℃甚至更高所需的天然气或蒸汽，可使OPEX降低约57% [45]。经济性交叉点分析显示，对于空间受限且无需深度脱除(NO_x < 50 mg/Nm³)的老旧电厂改造项目，协同技术具有压倒性的投资回报率优势。然而，这一经济性优势的前提是滤袋能达到预期的机械寿命(>3年)。不过，如果由于清灰频繁导致滤袋在1年内破损，其全生命周期成本将反超SCR。

此外，在“双碳”战略目标下，MSWI电厂正逐步向“负碳”设施转型。有研究开发对CO₂具有高选择性且耐水耐硫的MOFs材料，有望在同一吸附塔内实现污染物的深度净化与CO₂捕集[28]。同时，协同技术通过减少系统压损和热能损耗(如Topsoe DNX-LT低温催化剂)直接降低了MSWI厂的自用电率，间接降低了碳足迹[33]。

5. 从实验室到工业应用的关键挑战与对策

MSWI过程的非稳态特性是导致污染物排放超标的主要原因。引入AI和数字化技术进行实时优化控制，是提升系统鲁棒性的关键。

5.1. 关键工程挑战

尽管实验室阶段的材料和机理研究取得了显著进展，但将其推向工业应用时仍面临多重关键工程挑战。首先，实验室测试与工业运行之间存在显著的空速数量级差异，实验室通常采用极高气态空速(>30,000~50,000 h⁻¹)以消除外扩散限制并测定材料本征动力学活性，而工业催化滤袋运行于极低过滤风速(<1 m/min)的扩散控制区，这导致实验室数据往往高估了粉尘层建立后的实际反应效率与氨气渗透性能[46]。其次，催化剂老化演变机制存在非一致性，现有的标准化测试主要借鉴汽车行业的加速热老化评价标准，难以模拟MSWI工况下高频脉冲清灰造成的化学–机械双重老化，即机械形变导致的催化剂涂层龟裂、剥落及失活[47] [48]。此外，MSW热值的剧烈波动给过程控制带来难题，基于烟囱出口CEMS数据的传统PID (比例–积分–微分)反馈控制存在显著的时间滞后，难以实时应对燃烧工况震荡引起的污染物浓度突变，从而导致还原剂喷射延迟、排放超标或氨逃逸飙升等问题[49]。

5.2. 主要对策

5.2.1. AI驱动的燃烧优化和数字孪生

由于MSW组分波动大，传统的PID控制难以维持最佳燃烧状态。基于AI的预测控制模型，利用贝叶斯优化和长短期记忆网络等机器学习算法，可建立烟气含氧量、炉温和污染物生成的动态关联模型。该模型能根据入炉垃圾特性实时调整一、二次风配比和给料速度。例如，在北京某电厂的应用显示，基于AI的优化控制可将NO_x生成量降低8%~24%，同时提高锅炉热效率，从源头减轻了后续烟气净化系统的负荷[1]。此外，构建烟气净化全流程的数字孪生体，结合CFD模拟和在线监测数据，可实时模拟催化剂活性分布、滤袋压差变化和反应器内部流场。这使得运维人员能预测催化剂中毒趋势，制定最优的清灰和再生策略，避免突发性超标排放[50]。

5.2.2. 机器学习在预测PCDD/Fs排放方面的初步探究

对PCDD/Fs在线监测技术缺乏、离线检测成本高且滞后性强的问题，利用机器学习算法挖掘常规运行数据与PCDD/Fs排放之间的非线性映射关系，建立相关软测量模型，已成为当前的研究热点。Yin等[51]利用中国MSWI厂的12,164组CEMS监测数据，对比了决策树、随机森林(RF)、梯度提升树和人工神经网络等4种模型对PCDD/Fs排放合规性的分类预测性能。研究发现，RF模型表现最佳，其预测准确率、精确率、F1分数和召回率分别达到了89.26%、94%、93.16%和93.58%。特征重要性分析和主成分分析进一步揭示，CO浓度与PCDD/Fs排放的相关性最强(Pearson系数为29.69%)，当PCDD/Fs超标时，CO浓度平均增加101%。这表明在缺乏直接监测手段时，CO、炉温和颗粒物浓度可作为判定PCDD/Fs是否超标的关键替代指标，为MSWI厂的运行调控提供快速反馈依据。在更宏观的全球尺度上，Liu等[52]不仅关注实时运行参数，还引入了焚烧炉的设计与管理属性，构建了基于深度森林和XGBoost回归的PCDD/Fs排放预测模型。该研究基于中国、日本及欧美地区的MSWI厂数据，探究了焚烧炉龄(AOI)、处理能力及日运行时间对PCDD/Fs排放浓度的影响。结果表明，AOI与PCDD/Fs浓度呈显著正相关，意味着老旧设施因技术落后或设备老化面临更高的排放风险；而处理能力和连续运行时间则呈负相关。这证实了规模化和连续稳定工况对抑制PCDD/Fs生成的积极作用。综上所述，机器学习技术不仅能够基于CEMS数据实现PCDD/Fs超标的实时预警，还能结合设施运维参数为长周期的排放趋势预测和技术改造提供理论支撑，是未来实现智能化烟气治理的重要工具。

6. 结论与展望

MSWI烟气多污染物协同脱除技术代表了环境工程领域从末端治理向过程集成与材料功能化转变的前沿方向。低温V-Ti基、Mn-Ce基催化剂及功能化碳材料的研发成功拓宽了反应温度窗口，使得在除尘脱酸后的低温区(150℃~200℃)进行深度净化成为可能。对NO_x-PCDD/Fs竞争吸附、Hg⁰-HCl协同氧化等微观机理的深入认识，指导了双功能催化剂和多级孔材料的精准设计。催化滤袋、炉内抑制剂协同SNCR等技术已在工程上证明了其高效性和经济性，成为新建和改造项目的首选方案。此外，AI优化控制和低碳技术的融合将引领MSWI行业进入智能化和低碳化的新时代。需要指出的是，催化剂的长期抗碱金属中毒性能、低温下的水硫耐受性以及MOFs等新材料的规模化制备成本仍是制约其广泛应用的瓶颈。未来，应聚焦于自再生智能材料的开发、复杂烟气多相反应动力学的解析以及全流程碳–污协同控制策略的构建。

基金项目

本文为省级大学生创新创业训练项目(编号：S202410566057)。

NOTES

^*通讯作者。