重慶市生活垃圾焚燒發電廠顆粒物特征研究

吳 林，汪 晶，鄧方昕

(重慶市生態環境監測中心，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。“十二五”和“十三五”期間，生活垃圾焚燒迎來了發展的黃金期[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%持續增長至2017年的34%[2]。據國家統計局數據分析[2]，從2011年到2018年我國生活垃圾發電廠數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電行業廢氣排放顆粒物特征成為亟待解決的問題。

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

1 研究方法

1.1 企業基本情況

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

表1 垃圾焚燒發電廠基本情況

1.2 采樣方法

依據《環境空氣顆粒物來源解析監測技術方法指南》(2020年)，對于燃煤(油)的各類電廠鍋爐，民用爐灶、建材和冶金工業爐窯等固定源排氣的顆粒物采樣，優先用稀釋通道法，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煙氣在稀釋通道內與潔凈空氣進行混合稀釋，并冷卻至大氣環境溫度，稀釋冷卻后的混合氣體進入采樣艙停留一段時間，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間內的稀釋、冷卻、凝結等過程，捕集的顆粒物可被近似認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、采樣點的布設參照《固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態污染物采樣方法》(GB/T 16157—1996)和《固定源廢氣監測技術規范》(HJ/T 397—2007)的相關規定。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]。采樣參數設置情況見表2。

表2 采樣參數設置情況

1.3 濾膜的選擇及處理

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

采樣前將石英濾膜于烘箱內在500 ℃烘烤4 h，以除去有機雜質，將特氟龍濾膜于烘箱內在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 化學組分分析

濾膜樣品顆粒物化學組成復雜，主要包括水溶性離子、含碳組分和無機元素。無機元素、水溶性離子、有機碳、元素碳分析方法及依據見表3。

表3 分析方法一覽表

1.5 質量保證和質量控制

每次采集樣品過程同時采集全程序空白，化學組分分析過程進行標準樣品分析、平行樣分析及加標回收率分析。標準樣品分析中無機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%；有機碳(OC)及元素碳(EC)實際樣品加標回收率在83.0%～118.0%之間。

2 結果與討論

2.1 組分特征

通過化學組分分析，獲取了1#垃圾焚燒發電廠及2#垃圾焚燒發電廠的PM10源及PM2.5源的化學組分，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

將各源類的化學組分按組分的質量分數劃為四檔，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組分如表4所示。

表4 顆粒物排放源類中的化學成分

2.2 源譜相似性分析

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

式中，CDjk為j類源譜和k類源譜之間的分歧系數，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模型可能會引起共線性問題。

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

兩個垃圾焚燒發電廠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，兩家企業所采用燃料種類不盡相同，所以排放顆粒物的化學組成和含量存在一定差異；(2)煙氣處理工藝不同，1#垃圾焚燒發電廠廢氣處理工藝為SNCR法(爐內噴尿素)+活性炭吸附+半干法+布袋除塵器，2#焚燒發電廠廢氣處理工藝為SNCR(爐內噴尿素)+半干法+活性炭噴射+布袋除塵器，廢氣處理工藝上的細微差別，也可能造成顆粒物的化學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源組分特征進行對比，結果見表4。

差異性表現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[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，其質量分數為2.3%。

2.4 與其他行業PM2.5源組分對比分析

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

表5 PM2.5排放源類中化學成分的含量水平

3 結論

(2)通過源譜的相似性分析，兩個垃圾焚燒發電廠PM10源與PM2.5源成分譜之間存在差異，產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。