福建省環(huán)境保護(hù)設(shè)計院 林叢基
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生活垃圾焚燒發(fā)電與二噁英污染
福建省環(huán)境保護(hù)設(shè)計院 林叢基
在總結(jié)二噁英特性的基礎(chǔ)上,介紹了垃圾焚燒發(fā)電過程中二噁英的可控性及其措施,對尾氣達(dá)標(biāo)排放對周邊空氣環(huán)境的影響作了定性分析,并對垃圾焚燒發(fā)電項目建設(shè)及運(yùn)行提出了監(jiān)管建議。
生活垃圾 焚燒發(fā)電 煙氣凈化 二噁英 監(jiān)管
生活垃圾焚燒過程中會產(chǎn)生毒性很強(qiáng)的致癌物質(zhì)——二噁英,國內(nèi)外由此也引發(fā)了不少二噁英污染爭議或群體事件。本文對二噁英特性進(jìn)行了回述,對垃圾焚燒技術(shù)和二噁英產(chǎn)生的可控性作了簡單介紹,并對尾氣達(dá)標(biāo)排放對周邊空氣環(huán)境的影響作了定性分析。
二噁英是一類三環(huán)芳香族有機(jī)化合物異構(gòu)體的統(tǒng)稱或俗稱,主要包括氯二苯并二噁英(PCDDs)和多氯二苯并呋喃(PCDFs)兩大類,共有239種異構(gòu)體,其中四氯二苯并二噁英(2,3,7,8-TCDD)毒性最強(qiáng)。由于二噁英產(chǎn)生和分布的離散性很大,其檢測技術(shù)難度很大。
二噁英的主要特性:(1)在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下,呈無色無味的固態(tài),蒸汽壓很低,一般環(huán)境溫度下極不易從表面揮發(fā);(2)熔點約為303~305℃,常存在于空氣、水和土壤中;(3)極難溶于水,但可溶于大部分有機(jī)溶劑;(4)化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定,基本不與其他物質(zhì)起化學(xué)反應(yīng),溫度高于705℃才開始分解;(5)毒性大,毒性約為氰化物100倍以上,為砒霜的500~900倍。
二噁英是有機(jī)物與氯或含氯物質(zhì)一起加熱就會產(chǎn)生的化合物,它是一種普遍的化學(xué)現(xiàn)象,常常以微小顆粒存在于空氣、土壤和水中。二噁英主要來源:(1)火山爆發(fā)、森林大火、土壤微生物和大氣中發(fā)生的光化學(xué)反應(yīng)等自然現(xiàn)象;(2)、石化、冶金、食品、醫(yī)藥、農(nóng)藥、紡織、造紙、煙草和皮革等工業(yè)生產(chǎn);(3)廢油提煉和焚燒、工業(yè)固廢的焚燒;(4)生活垃圾的焚燒(據(jù)美國2002年的調(diào)查,約占總來源的1.09%);(5)消毒劑、殺蟲劑、洗滌劑、除草劑等的日常使用;(6)使用含氯清除劑處理的汽車尾氣。
據(jù)20世紀(jì)90年代初日本對二噁英在大氣環(huán)境濃度的調(diào)查[3]可知,工業(yè)區(qū)附近居民區(qū)濃度為0.02~2pgTEQ/m3,大城市居民區(qū)為0.00~2.6 pgTEQ/m3,小城市居民區(qū)為0.00~1.9 pgTEQ/m3,大氣本底濃度為0.03pgTEQ/m3。
種種事實表明:二噁英來源廣泛,已成為人類必須面對的現(xiàn)實問題。據(jù)資料[3]表明:大多食品均含有二噁英,人體攝取的二噁英90%是來自食物鏈,具體見表1所示。
表1 部分食物中二噁英類物質(zhì)的濃度 單位:pg-TEQ/g
在對二噁英毒性研究的基礎(chǔ)上,國際上對其限量制定了以下標(biāo)準(zhǔn):
2.3.1人體每天允許攝入量(TDI)標(biāo)準(zhǔn)
TDI(Tolerable Daily Intake)指從人體健康的角度出發(fā),把人的一生所能耐受的量分解為1日、體重1kg所能攝取的量。目前,我國尚未制定TDI標(biāo)準(zhǔn)。
表2 人體單位體重每天允許攝入量(TDI)
2.3.2世界衛(wèi)生組織(WHO)標(biāo)準(zhǔn)
通過呼吸對人體健康產(chǎn)生影響的限值為0.4pgTEQ/kg.d體重,為人體每日最大允許攝入量4pgTEQ/kg體重的10%。
2.3.3歐盟有關(guān)食品中二噁英限量標(biāo)準(zhǔn)
表3 歐盟有關(guān)食品中含二噁英限量表 單位:pg-TEQ/g脂肪
2.3.4歐盟有關(guān)飼料中含二噁英殘留限量修訂標(biāo)準(zhǔn)(2005年7月29日)
表4 歐盟有關(guān)飼料中含二噁英殘留限量標(biāo)準(zhǔn) 單位:ng-TEQ/kg
2.3.5垃圾焚燒煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)[3]
表5 垃圾焚燒煙氣中二噁英排放濃度標(biāo)準(zhǔn) 單位:ng-TEQ/Nm3
另外,聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署:具備先進(jìn)的焚燒設(shè)施、完善的APCS生活垃圾焚燒廠二噁英排放因子≤500ng-TEQ/t.垃圾。
目前,我國人口約13.4億,城鎮(zhèn)人口近6.24億,一年將產(chǎn)生2.05億噸生活垃圾。以垃圾熱值約5000kJ/kg計,可折合0.171kg標(biāo)煤的熱值。如果有50%垃圾用于焚燒發(fā)電,這將相當(dāng)于全國可一年節(jié)省3500萬噸標(biāo)煤,能發(fā)2848億度電。因此,垃圾焚燒發(fā)電是符合低碳政策的處置方式。
早期我國也曾引進(jìn)國外帶垃圾分揀等預(yù)處理措施的焚燒發(fā)電工程技術(shù),想從源頭上減少如PVC等含氯的有機(jī)物入爐,從而減少二噁英的產(chǎn)生,但實際操作中并不盡人意。在國內(nèi),目前還難以做到垃圾分類投放收集。
我國垃圾焚燒處置起步晚,但起點高,建設(shè)的垃圾焚燒發(fā)電廠排放濃度均按低于0.1ng-TEQ/Nm3標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計。經(jīng)多年來的研究和實踐,我國在引進(jìn)消化國外技術(shù)的基礎(chǔ)上已掌握了生活垃圾焚燒技術(shù),并研發(fā)出符合我國國情的生活垃圾焚燒發(fā)電及煙氣治理的成套新技術(shù),完全有能力把二噁英的排放控制在歐盟標(biāo)準(zhǔn)0.1ng-TEQ/Nm3以下,甚至更低。
為盡量減少垃圾焚燒過程產(chǎn)生的二次污染,不僅在焚燒和灰渣煙氣治理工藝上,而且在設(shè)備選用上均采取了相應(yīng)有效的治本和治標(biāo)的措施,具體如下:
3.1.1治本措施:讓垃圾充分燃燒
3.1.1.1保證煙氣在高溫區(qū)燃燒≥2秒
采用專用城市生活焚燒爐,目前主要選用機(jī)械爐排爐,垃圾在爐排上行進(jìn)過程中能充分翻滾松動,加快高溫分解;足夠大的爐膛保證可燃物質(zhì)與空氣有充分混合燃燒,并讓煙氣在850℃以上的爐膛及二次燃燒室內(nèi)的停留時間不小于2s,使二噁英得到充分分解破壞。
3.1.1.2保持爐膛高溫
正常爐溫靠垃圾焚燒維持,另設(shè)置輔助燃燒器、二次風(fēng)(或煙氣再循環(huán)),使?fàn)t膛溫度始終保持在850℃~1200℃之間,既有效分解破壞二噁英,又抑制燃燒性NOx的產(chǎn)生。
3.1.1.3提供合理風(fēng)量,提高入爐熱風(fēng)的溫度
從垃圾倉抽來的空氣(帶臭味的一次風(fēng))經(jīng)低高兩級蒸汽預(yù)熱后,溫度可達(dá)230℃左右,從焚燒爐爐排底部吹入,靠三段爐排間的不同間隙或風(fēng)量調(diào)節(jié)門合理布流進(jìn)入爐膛,維持空氣過剩系數(shù)1.6~2.1之間,使垃圾燃燒得更理想,更充分。
3.1.1.4采用專用的余熱鍋爐
為避免煙氣通過省煤器500℃~300℃區(qū)間重新合成二噁英,余熱鍋爐設(shè)計時,盡量縮短煙氣在此區(qū)間的停留時間,減少二噁英的二次合成。
3.1.1.5采用計算機(jī)自動控制
為使工藝參數(shù)得到保證,實現(xiàn)3T技術(shù),焚燒爐的焚燒過程由ACC軟件包進(jìn)行實時自動控制,全廠采用DCS和上位機(jī)集散控制系統(tǒng)。
3.1.2 治標(biāo)措施:煙氣凈化和飛灰固化
3.1.2.1脫酸
省煤器出來的煙氣進(jìn)入脫酸塔,采用噴干石灰粉或石灰漿或石灰水方法先去除煙氣中的酸性氣體,同時噴水降溫,使煙氣溫度降到150℃左右進(jìn)入布袋除塵器。
3.1.2.2活性炭吸附二噁英和重金屬
在脫酸塔與布袋除塵器之間的煙道適當(dāng)?shù)奈恢脵M向噴入活性炭粉,讓活性炭粉隨煙氣湍流過程中吸附煙氣中重金屬和二噁英,布袋攔截后,凈化后的煙氣由引風(fēng)機(jī)送入煙囪高空達(dá)標(biāo)排放。
3.1.2.3飛灰固化
吸附二噁英和重金屬后的飛灰屬于危險固體廢棄物,按國家技術(shù)要求進(jìn)行固化,而后衛(wèi)生填埋處置,以免發(fā)生二次污染。
為了盡量減少對焚燒廠周邊環(huán)境的負(fù)面影響,通常工程設(shè)計有一套完整的脫氮與滲濾液處理及脫臭設(shè)施,采取主要措施有:(1)焚燒爐設(shè)計中已預(yù)留噴氨脫氮裝置安裝位置,日后采取合適措施進(jìn)一步除氮;(2)垃圾滲濾液收集后,一般采取以UBF+MBR+NF為主工藝進(jìn)行達(dá)標(biāo)處理;(3)垃圾車封閉進(jìn)廠,卸料大廳和垃圾倉等凡產(chǎn)生惡臭的部位均采取負(fù)壓密封,臭氣吸入一次風(fēng)入爐燒掉,故障時局部噴灑植物除臭劑,再經(jīng)活性炭吸附脫臭后,引到煙囪高空排放。
我國垃圾焚燒發(fā)電廠煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)定為1.0ng/Nm3,實際工程設(shè)計中早已采用0.1ng/Nm3排放標(biāo)準(zhǔn),實際排放低于0.1ng/Nm3。據(jù)估算,每噸垃圾焚燒過程產(chǎn)生的煙氣量約為3500~4500Nm3,焚燒每噸垃圾產(chǎn)生的二噁英不超過450ng,達(dá)到聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署500ng/t的要求。
煙氣在一定壓力下,以一定的速度和溫度沖出煙囪向四周擴(kuò)散,受到日照、云層、氣流等氣象因素的影響,是一個非常復(fù)雜的物理過程。研究表明:煙氣光靠分子擴(kuò)散速率非常慢,主要靠大氣湍流擴(kuò)散,后者比前者擴(kuò)散快105倍以上[2]。
垃圾焚燒發(fā)電廠煙囪排煙屬于高架連續(xù)點污染源,以順風(fēng)向為x軸正方向,污染物按正態(tài)分布,高斯擴(kuò)散模式公式有:
C = {Q/2πuσyσz}exp(-y2/2σy2){exp[-(Z-H)2/ 2σz2]+exp[-(Z+H)2/2σz2]} (1)
式中:C —污染擴(kuò)散濃度(ng/m3);
Q —源強(qiáng)(g/s或ng/s或pg/s);
u —平均風(fēng)速(m/s);
σy—距原點X處煙流中污染物在Y方向分布的標(biāo)準(zhǔn)差(m);
σz—距原點X處煙流中污染物在Z方向分布的標(biāo)準(zhǔn)差(m);
H —煙氣抬升后煙囪有效高度(m)。
地面濃度分布狀況,即式(1)中Z=0情形:
C={Qπuσyσz}exp{-1/2[(-y2/σy2)+(H2/σz2)]} (2)
按正態(tài)分布理論,y軸方向濃度分布以x軸為對稱,并在x軸線上取最大值,故令y=0,則式(2)變?yōu)椋?/p>
C(x, 0, 0,H)= { Q/πuσyσz} exp{-( H2/ 2σz2)} (3)
由式(3)可知,地面軸線擴(kuò)散濃度與煙囪排放二噁英量Q成正比,與平均風(fēng)速成反比,在一定范圍內(nèi)煙囪越高、擴(kuò)散濃度越小,且{Q’/πuσyσz}隨x增大而減小,而exp[-(H2/ 2σz2)]隨x增大而增大。兩項共同作用結(jié)果:在地面x軸線上,污染物排放源附近排放濃度接近于0;而后沿順風(fēng)向的x軸不斷增大;在離源點某處擴(kuò)散濃度達(dá)到最大值Cmax;此后逐漸減小,且當(dāng)x→∞時,C→0。
由于σy、σz是受x和氣象條件、地形地貌等因素的影響,難于取值。本文選用帕斯奎爾(Pasquill)擴(kuò)散曲線法確定σy、σz。該法依據(jù)云量、云狀、日照和風(fēng)速等因素,大氣的擴(kuò)散稀釋能力可分為A~F六個穩(wěn)定度級別,并給出每個穩(wěn)定度級別的σy和σz。
本文以單臺爐處理垃圾能力為300t/d為例,排放濃度為0.1ng/Nm3,煙囪有效高度為100m,10m高處平均風(fēng)速為3m/s代入相應(yīng)的σy、σz數(shù)值及其他參數(shù),即可求出不同穩(wěn)定度級別下的下風(fēng)地面上可能出現(xiàn)的最大擴(kuò)散濃度及其分布位置,如表6所示。
表6 下風(fēng)向地面軸線最大擴(kuò)散濃度及其分布
從表6可知:地面下風(fēng)向軸線最大擴(kuò)散濃度≈4.81×10-5ng/m3≤10-4ng/m3=0.1 pg/m3,每天呼吸進(jìn)入人體的二噁英量≤2.6pg,顯然小于WHO允許值。因此,煙氣達(dá)標(biāo)排放后,即便在下風(fēng)向,對人體健康也是安全的。需說明的是,遇到大氣有上部逆溫層的擴(kuò)散型、漫煙型的擴(kuò)散和微風(fēng)的擴(kuò)散等特殊情況,對式(2)、式(3)還需進(jìn)行修正以符合實際,但總的趨勢不會改變。
采用垃圾焚燒發(fā)電方式處置生活垃圾,目前仍是較好選擇。只要在建設(shè)和運(yùn)營過程按照技術(shù)要求做,科學(xué)管理,監(jiān)管到位,二噁英產(chǎn)生是可控的,煙氣是可以實現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放的,對人體健康是安全的。在此,進(jìn)一步建議:
5.1 把好環(huán)境評價關(guān)。環(huán)評單位應(yīng)根據(jù)地形地貌、氣象條件、建設(shè)規(guī)模、污染物組分、源強(qiáng)、環(huán)境背景等,實事求是地對污染物擴(kuò)散模式進(jìn)行科學(xué)評估,為工程可行性研究報告及設(shè)計提供準(zhǔn)確的依據(jù)和參數(shù)。
5.2 把好工可關(guān)。設(shè)計單位應(yīng)根據(jù)項目環(huán)評報告書,編制切實可行的工程可行性研究報告書,具體落實環(huán)評中提出的每一個要求,并制定相應(yīng)措施。
5.3 把好初設(shè)關(guān)。初設(shè)要全面具體落實環(huán)評和工可提出的所有要求,不僅在工藝上,而且在設(shè)備選型上采取有效措施保證環(huán)評和工可標(biāo)的實現(xiàn)。
5.4 把好實施關(guān)。由于環(huán)評、可研和初設(shè)深度有限,與施工圖設(shè)計尚存在諸多的變數(shù)。在設(shè)計和監(jiān)理行業(yè)買方市場的情況下,大量不是技術(shù)層面的問題,而是業(yè)主或經(jīng)營者的職業(yè)道德和良心問題。
5.5 鑒于市政工程關(guān)乎民生的特殊性,建議主管部門“一竿子插到底”,實行問責(zé)制。
5.6 運(yùn)營中加強(qiáng)監(jiān)管。環(huán)保部門對重要環(huán)節(jié)應(yīng)實施在線監(jiān)控和現(xiàn)場隨時抽查,制定獎罰制度,出臺相應(yīng)的政策法規(guī)或規(guī)定,實施真正有效的監(jiān)管。
5.7 不宜建大型垃圾焚燒發(fā)電廠。由式(1)、(2)和(3)可知,污染擴(kuò)散濃度與源強(qiáng)Q成正比。從經(jīng)濟(jì)技術(shù)綜合比較,筆者認(rèn)為:不宜集中建設(shè)垃圾焚燒發(fā)電廠,其總規(guī)模不宜大于2000t/d。
[1] 馬廣大.大氣污染防治工程[M].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社, 1985.
[2] 王懷宇.大氣污染控制技術(shù)[M].北京:中國勞動社會保障出版社, 2009.
[3] 白良成.生活垃圾焚燒處理工程技術(shù)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社, 2009.