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      生活垃圾焚燒發(fā)電與二噁英污染

      2010-01-07 06:51:06福建省環(huán)境保護設計院林叢基
      海峽科學 2010年6期
      關(guān)鍵詞:垃圾焚燒煙氣垃圾

      福建省環(huán)境保護設計院 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)境保護設計院 林叢基

      在總結(jié)二噁英特性的基礎上,介紹了垃圾焚燒發(fā)電過程中二噁英的可控性及其措施,對尾氣達標排放對周邊空氣環(huán)境的影響作了定性分析,并對垃圾焚燒發(fā)電項目建設及運行提出了監(jiān)管建議。

      生活垃圾 焚燒發(fā)電 煙氣凈化 二噁英 監(jiān)管

      1 前言

      生活垃圾焚燒過程中會產(chǎn)生毒性很強的致癌物質(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,并對尾氣達標排放對周邊空氣環(huán)境的影響作了定性分析。

      2 二噁英[1,2,3]

      二噁英是一類三環(huán)芳香族有機化合物異構(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。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。

      2.1 二噁英特性

      二噁英的主要特性:(1)在標準狀態(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溶劑;(4)化學性質(zhì)非常穩(wěn)定,基本不與其他物質(zhì)起化學反應,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。

      2.2 二噁英來源

      二噁英是有機物與氯或含氯物質(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)生的光化學反應等自然現(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

      2.3 相關(guān)標準

      在對二噁英毒性研究的基礎上,國際上對其限量制定了以下標準:

      2.3.1人體每天允許攝入量(TDI)標準

      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標準。

      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)標準

      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準

      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準(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準 單位:ng-TEQ/kg

      2.3.5垃圾焚燒煙氣排放標準[3]

      表5 垃圾焚燒煙氣中二噁英排放濃度標準 單位:ng-TEQ/Nm3

      另外,聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署:具備先進的焚燒設施、完善的APCS生活垃圾焚燒廠二噁英排放因子≤500ng-TEQ/t.垃圾。

      3 國內(nèi)生活垃圾焚燒發(fā)電與煙氣治理

      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標煤的熱值。如果有50%垃圾用于焚燒發(fā)電,這將相當于全國可一年節(jié)省3500萬噸標煤,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。

      早期我國也曾引進國外帶垃圾分揀等預處理措施的焚燒發(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,建設的垃圾焚燒發(fā)電廠排放濃度均按低于0.1ng-TEQ/Nm3標準設計。經(jīng)多年來的研究和實踐,我國在引進消化國外技術(shù)的基礎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準0.1ng-TEQ/Nm3以下,甚至更低。

      3.1 煙氣凈化處理措施[1]

      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,而且在設備選用上均采取了相應有效的治本和治標的措施,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,目前主要選用機械爐排爐,垃圾在爐排上行進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,另設置輔助燃燒器、二次風(或煙氣再循環(huán)),使爐膛溫度始終保持在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提供合理風量,提高入爐熱風的溫度

      從垃圾倉抽來的空氣(帶臭味的一次風)經(jīng)低高兩級蒸汽預熱后,溫度可達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量調(diào)節(jié)門合理布流進入爐膛,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軟件包進行實時自動控制,全廠采用DCS和上位機集散控制系統(tǒng)。

      3.1.2 治標措施: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?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機送入煙囪高空達標排放。

      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)要求進行固化,而后衛(wèi)生填埋處置,以免發(fā)生二次污染。

      3.2 脫氮與滲濾液及惡臭措施

      為了盡量減少對焚燒廠周邊環(huán)境的負面影響,通常工程設計有一套完整的脫氮與滲濾液處理及脫臭設施,采取主要措施有:(1)焚燒爐設計中已預留噴氨脫氮裝置安裝位置,日后采取合適措施進一步除氮;(2)垃圾滲濾液收集后,一般采取以UBF+MBR+NF為主工藝進行達標處理;(3)垃圾車封閉進廠,卸料大廳和垃圾倉等凡產(chǎn)生惡臭的部位均采取負壓密封,臭氣吸入一次風入爐燒掉,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。

      4 煙氣達標排放對周邊環(huán)境的影響

      我國垃圾焚燒發(fā)電廠煙氣排放標準定為1.0ng/Nm3,實際工程設計中早已采用0.1ng/Nm3排放標準,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散,受到日照、云層、氣流等氣象因素的影響,是一個非常復雜的物理過程。研究表明:煙氣光靠分子擴散速率非常慢,主要靠大氣湍流擴散,后者比前者擴散快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,以順風向為x軸正方向,污染物按正態(tài)分布,高斯擴散模式公式有:

      C = {Q/2πuσyσz}exp(-y2/2σy2){exp[-(Z-H)2/ 2σz2]+exp[-(Z+H)2/2σz2]} (1)

      式中:C —污染擴散濃度(ng/m3);

      Q —源強(g/s或ng/s或pg/s);

      u —平均風速(m/s);

      σy—距原點X處煙流中污染物在Y方向分布的標準差(m);

      σz—距原點X處煙流中污染物在Z方向分布的標準差(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,地面軸線擴散濃度與煙囪排放二噁英量Q成正比,與平均風速成反比,在一定范圍內(nèi)煙囪越高、擴散濃度越小,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;而后沿順風向的x軸不斷增大;在離源點某處擴散濃度達到最大值Cmax;此后逐漸減小,且當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)擴散曲線法確定σy、σz。該法依據(jù)云量、云狀、日照和風速等因素,大氣的擴散稀釋能力可分為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高處平均風速為3m/s代入相應的σy、σz數(shù)值及其他參數(shù),即可求出不同穩(wěn)定度級別下的下風地面上可能出現(xiàn)的最大擴散濃度及其分布位置,如表6所示。

      表6 下風向地面軸線最大擴散濃度及其分布

      從表6可知:地面下風向軸線最大擴散濃度≈4.81×10-5ng/m3≤10-4ng/m3=0.1 pg/m3,每天呼吸進入人體的二噁英量≤2.6pg,顯然小于WHO允許值。因此,煙氣達標排放后,即便在下風向,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散型、漫煙型的擴散和微風的擴散等特殊情況,對式(2)、式(3)還需進行修正以符合實際,但總的趨勢不會改變。

      5 結(jié)論及建議

      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。只要在建設和運營過程按照技術(shù)要求做,科學管理,監(jiān)管到位,二噁英產(chǎn)生是可控的,煙氣是可以實現(xiàn)達標排放的,對人體健康是安全的。在此,進一步建議:

      5.1 把好環(huán)境評價關(guān)。環(huán)評單位應根據(jù)地形地貌、氣象條件、建設規(guī)模、污染物組分、源強、環(huán)境背景等,實事求是地對污染物擴散模式進行科學評估,為工程可行性研究報告及設計提供準確的依據(jù)和參數(shù)。

      5.2 把好工可關(guān)。設計單位應根據(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,并制定相應措施。

      5.3 把好初設關(guān)。初設要全面具體落實環(huán)評和工可提出的所有要求,不僅在工藝上,而且在設備選型上采取有效措施保證環(huán)評和工可標的實現(xiàn)。

      5.4 把好實施關(guān)。由于環(huán)評、可研和初設深度有限,與施工圖設計尚存在諸多的變數(shù)。在設計和監(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”,實行問責制。

      5.6 運營中加強監(jiān)管。環(huán)保部門對重要環(huán)節(jié)應實施在線監(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,污染擴散濃度與源強Q成正比。從經(jīng)濟技術(shù)綜合比較,筆者認為:不宜集中建設垃圾焚燒發(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.

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