重慶市生活垃圾焚燒發(fā)電廠顆粒物特征研究

吳 林，汪 晶，鄧方昕

(重慶市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)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(lái)了發(fā)展的黃金期[1]。對(duì)比填埋和生化處理工藝，生活垃圾焚燒處理工藝所占市場(chǎng)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(zhǎng)至2017年的34%[2]。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)分析[2]，從2011年到2018年我國(guó)生活垃圾發(fā)電廠數(shù)量及其處理能力分別增長(zhǎng)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(duì)環(huán)境空氣的污染占比也逐步提升。因此，為了針對(duì)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(wèn)題。

本研究依據(jù)《環(huán)境空氣顆粒物來(lái)源解析監(jiān)測(cè)技術(shù)方法指南》(2020年)，使用稀釋通道采樣器對(duì)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(duì)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(duì)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(lái)源解析監(jiān)測(cè)技術(shù)方法指南》(2020年)，對(duì)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(guò)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(guò)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(cè)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(cè)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(duì)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(wú)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(duì)濕度(50%±5%)，平衡24 h 后，在(25.0±2)℃，相對(duì)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(wú)機(jī)元素。無(wú)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(guò)程同時(shí)采集全程序空白，化學(xué)組分分析過(guò)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(wú)機(jī)元素的相對(duì)誤差范圍為1.4%～8.4%，水溶性離子的相對(duì)誤差范圍為0.8%～4.8%；平行樣品分析中無(wú)機(jī)元素相對(duì)偏差范圍為2.1%～4.8%， 水溶性離子的相對(duì)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(guò)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(lái)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(cè)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(wèn)題。

通過(guò)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)比，對(duì)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(duì)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(guò)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。