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        重慶市生活垃圾焚燒發(fā)電廠顆粒物特征研究

        2021-06-22 08:22:56鄧方昕
        能源環(huán)境保護(hù) 2021年3期
        關(guān)鍵詞:垃圾焚燒濾膜處理工藝

        吳 林,汪 晶,鄧方昕

        (重慶市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心,重慶 401147)

        0 引言

        隨著生活垃圾處理逐步“改填為燒”,生活垃圾焚燒量逐年遞增?!笆濉焙汀笆濉逼陂g,生活垃圾焚燒迎來了發(fā)展的黃金期[1]。對比填埋和生化處理工藝,生活垃圾焚燒處理工藝所占市場份額不斷上升。生活垃圾焚燒工藝從從“十一五”期初的14%持續(xù)增長至2017年的34%[2]。據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)分析[2],從2011年到2018年我國生活垃圾發(fā)電廠數(shù)量及其處理能力分別增長了203.7%和287.4%[3]。隨著垃圾焚燒量的增加,垃圾焚燒廢氣排放量也逐步增加,垃圾焚燒源對環(huán)境空氣的污染占比也逐步提升。因此,為了針對性地開展顆粒物排放源管理工作,研究生活垃圾焚燒發(fā)電行業(yè)廢氣排放顆粒物特征成為亟待解決的問題。

        本研究依據(jù)《環(huán)境空氣顆粒物來源解析監(jiān)測技術(shù)方法指南》(2020年),使用稀釋通道采樣器對重慶市典型生活垃圾焚燒發(fā)電廠廢氣顆粒物進(jìn)行樣品采集,并對樣品進(jìn)行化學(xué)組分分析,獲取典型生活垃圾焚燒發(fā)電廠顆粒物源成分譜。

        1 研究方法

        1.1 企業(yè)基本情況

        本研究選取重慶市兩家典型垃圾焚燒發(fā)電廠作為研究對象,垃圾焚燒發(fā)電廠基本情況見表1。

        表1 垃圾焚燒發(fā)電廠基本情況

        1.2 采樣方法

        依據(jù)《環(huán)境空氣顆粒物來源解析監(jiān)測技術(shù)方法指南》(2020年),對于燃煤(油)的各類電廠鍋爐,民用爐灶、建材和冶金工業(yè)爐窯等固定源排氣的顆粒物采樣,優(yōu)先用稀釋通道法,故本研究采用稀釋通道法采集顆粒物。稀釋通道法的采樣原理是高溫?zé)煔庠谙♂屚ǖ纼?nèi)與潔凈空氣進(jìn)行混合稀釋,并冷卻至大氣環(huán)境溫度,稀釋冷卻后的混合氣體進(jìn)入采樣艙停留一段時(shí)間,然后使用采樣器捕集一定粒徑大小的顆粒物。該方法模擬煙氣排放到大氣中短時(shí)間內(nèi)的稀釋、冷卻、凝結(jié)等過程,捕集的顆粒物可被近似認(rèn)為是燃燒源排放的一次顆粒物,包括一次可過濾顆粒物和一次凝結(jié)顆粒物[4]。稀釋通道采樣原理示意圖見圖1。

        圖1 稀釋通道采樣原理示意圖Fig.1 Schematic diagramof sampling in dilution tunnels

        采樣位置位、采樣點(diǎn)的布設(shè)參照《固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態(tài)污染物采樣方法》(GB/T 16157—1996)和《固定源廢氣監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 397—2007)的相關(guān)規(guī)定。采樣位置選擇滿足在垂直管段,避開煙道彎頭和斷面急劇變化的部位,距彎頭、閥門、變徑管下游方向不小于6倍直徑處,和距上述部件上游方向不小于3倍直徑處等要求[5]。采樣參數(shù)設(shè)置情況見表2。

        表2 采樣參數(shù)設(shè)置情況

        1.3 濾膜的選擇及處理

        為滿足有機(jī)碳(OC)、元素碳(EC)、水溶性離子和痕量金屬等化學(xué)組成分析的要求,經(jīng)比對分析,本研究選擇47 mm的Teflon濾膜和石英濾膜,Teflon濾膜樣品用于無機(jī)元素分析,石英濾膜樣品用于有機(jī)碳、元素碳及水溶性離子分析。

        采樣前將石英濾膜于烘箱內(nèi)在500 ℃烘烤4 h,以除去有機(jī)雜質(zhì),將特氟龍濾膜于烘箱內(nèi)在60 ℃烘烤2 h。

        將石英濾膜及特氟龍濾膜放置于恒溫恒濕箱,于(25.0±2)℃,相對濕度(50%±5%),平衡24 h 后,在(25.0±2)℃,相對濕度(50%±5%)條件下稱量濾膜,記錄濾膜重量。同一濾膜在相同條件下再平衡24 h后稱重,兩次重量之差小于0.4 mg(PM10)或0.04 mg(PM2.5)。濾膜樣品在采樣前恒溫恒濕條件下平衡、稱量,記錄濾膜樣品重量。

        1.4 化學(xué)組分分析

        濾膜樣品顆粒物化學(xué)組成復(fù)雜,主要包括水溶性離子、含碳組分和無機(jī)元素。無機(jī)元素、水溶性離子、有機(jī)碳、元素碳分析方法及依據(jù)見表3。

        表3 分析方法一覽表

        1.5 質(zhì)量保證和質(zhì)量控制

        每次采集樣品過程同時(shí)采集全程序空白,化學(xué)組分分析過程進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)樣品分析、平行樣分析及加標(biāo)回收率分析。標(biāo)準(zhǔn)樣品分析中無機(jī)元素的相對誤差范圍為1.4%~8.4%,水溶性離子的相對誤差范圍為0.8%~4.8%;平行樣品分析中無機(jī)元素相對偏差范圍為2.1%~4.8%, 水溶性離子的相對偏差范圍為0.1%~3.7%;有機(jī)碳(OC)及元素碳(EC)實(shí)際樣品加標(biāo)回收率在83.0%~118.0%之間。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 組分特征

        通過化學(xué)組分分析,獲取了1#垃圾焚燒發(fā)電廠及2#垃圾焚燒發(fā)電廠的PM10源及PM2.5源的化學(xué)組分,PM10源及PM2.5源的成分譜見圖2、圖3。

        圖2 PM10源成分譜Fig.2 PM10 source composition spectrum

        圖3 PM2.5源成分譜Fig.3 PM2.5 source composition spectrum

        將各源類的化學(xué)組分按組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)劃為四檔,分別為w<0.1%、0.1%≤w<1%、1%≤w<10%、w≥10%[11-12],劃分入各檔中的化學(xué)組分如表4所示。

        表4 顆粒物排放源類中的化學(xué)成分

        2.2 源譜相似性分析

        分歧系數(shù)CD(Coefficient of Divergence,分歧系數(shù))可以將不同成分譜中組分含量標(biāo)準(zhǔn)化,從而來比較成分譜之間的相似性[14]。CD的計(jì)算公式:

        式中,CDjk為j類源譜和k類源譜之間的分歧系數(shù),xij為j類源譜組分i含量的平均值,j和k為要比較多兩種源類,p為所測主要組分的數(shù)量。CD值越趨近于0,成分譜越相似。若CD>0.3,表明成分譜之間存在一定差異[15];若CD<0.3,表明成分譜之間有一定的相似性,輸入CMB模型可能會(huì)引起共線性問題。

        通過計(jì)算,1#垃圾焚燒發(fā)電廠與2#垃圾焚燒發(fā)電廠PM10源之間CD值為4.2,1#垃圾焚燒發(fā)電廠與2#垃圾焚燒發(fā)電廠PM2.5源之間CD值為4.6,表明兩個(gè)垃圾焚燒發(fā)電廠PM10源與PM2.5源成分譜之間都存在一定差異。

        兩個(gè)垃圾焚燒發(fā)電廠PM10源與PM2.5源成分譜之間都存在差異的可能原因有:(1)燃燒采用的原料成分差異,兩家企業(yè)所采用燃料種類不盡相同,所以排放顆粒物的化學(xué)組成和含量存在一定差異;(2)煙氣處理工藝不同,1#垃圾焚燒發(fā)電廠廢氣處理工藝為SNCR法(爐內(nèi)噴尿素)+活性炭吸附+半干法+布袋除塵器,2#焚燒發(fā)電廠廢氣處理工藝為SNCR(爐內(nèi)噴尿素)+半干法+活性炭噴射+布袋除塵器,廢氣處理工藝上的細(xì)微差別,也可能造成顆粒物的化學(xué)組成和含量不完全相同;(3)污染物各控制單元處理效率不同,也可能使所排放顆粒物的化學(xué)組成和含量存在差異。

        2.3 與其他城市PM2.5源及PM10源組分對比分析

        與其他城市垃圾焚燒排放的PM2.5源及PM10源組分特征進(jìn)行對比,結(jié)果見表4。

        差異性表現(xiàn)在各組分的含量差別較大,這種差異可能是燃燒工藝、垃圾燃料不同、采樣位置不同造成的,比如文獻(xiàn)[11]中采樣位置是下載灰采樣,其PM2.5源的重金屬含量較其他城市的重金屬含量大,其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.3%。

        2.4 與其他行業(yè)PM2.5源組分對比分析

        與重慶市其他行業(yè)排放PM2.5組分的研究進(jìn)行對比,對比情況見表5。結(jié)果顯示餐飲行業(yè)中碳含量最高,占比為88.75%,玻璃行業(yè)碳含量最低,占比3.51%;玻璃行業(yè)離子和含量最高,占比為94.26%,餐飲行業(yè)離子和最低,占比為9.73%;鋁業(yè)工業(yè)元素和最高,占比28.50%,餐飲行業(yè)元素和最低,占比為1.52%;兩個(gè)垃圾焚燒發(fā)電廠相對其他行業(yè),總碳含量及重金屬含量較高,離子和含量較低。

        表5 PM2.5排放源類中化學(xué)成分的含量水平

        3 結(jié)論

        (2)通過源譜的相似性分析,兩個(gè)垃圾焚燒發(fā)電廠PM10源與PM2.5源成分譜之間存在差異,產(chǎn)生這種差異的可能原因有燃燒所用原料成分、廢氣處理工藝、污染物各控制單元處理效率等的不同。

        (4)與重慶市其他行業(yè)排放PM2.5組分的研究比較,生活垃圾焚燒廢氣PM2.5源組分總碳含量及重金屬含量較高,離子和含量較低。

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