生活垃圾焚燒發(fā)電與二噁英污染

福建省環(huán)境保護設(shè)計院 林叢基

?

生活垃圾焚燒發(fā)電與二噁英污染

福建省環(huán)境保護設(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(shè)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(chǔ)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(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。

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(shè)的垃圾焚燒發(fā)電廠排放濃度均按低于0.1ng-TEQ/Nm3標準設(shè)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(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(shè)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(shè)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(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(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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)計提供準確的依據(jù)和參數(shù)。

5.2 把好工可關(guān)。設(shè)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(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(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.