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新形勢下生活垃圾焚燒發(fā)電大氣環(huán)境污染控制與影響分析

摘要:近年來建設(shè)垃圾焚燒發(fā)電廠成為各地政府應(yīng)對垃圾處理難題的普遍選擇,其大氣污染物排放量隨之也越來越大,主要大氣污染物參照火電建設(shè)項(xiàng)目實(shí)施超低排放逐漸成為新的大氣污染物控制要求。根據(jù)調(diào)研和工程實(shí)踐,垃圾焚燒發(fā)電廠超低排放技術(shù)路線成熟,可采用選擇性非催化還原脫硝系統(tǒng)(SNCR)+旋轉(zhuǎn)噴霧干燥脫酸(SDA)+干法脫酸+活性炭吸附+布袋除塵器,實(shí)施后主要大氣污染物可實(shí)現(xiàn)較大幅度的排放量削減,最大減排率可達(dá)80%,對環(huán)境空氣質(zhì)量的小時(shí)、日均和年均影響均有較顯著改善,環(huán)境效益和社會效益顯著。

0 引言
隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和居民生活水平的逐漸提高,生活垃圾產(chǎn)生量逐年增加,特別是近年來生活垃圾產(chǎn)量逐年提高。有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,僅我國城市生活垃圾的清運(yùn)量,就從2012 年的17 080. 9 萬t 增加到了2018 年的22 801. 8 萬t,年復(fù)合增長率為5. 95%[1]。而2018 年我國的生活垃圾總量為4. 69億t,2018 年的城市生活垃圾產(chǎn)生量僅占該年全部生活垃圾的一小部分。作為實(shí)現(xiàn)垃圾無害化、減量化和資源化最為有效的方法,建設(shè)垃圾焚燒發(fā)電廠已成為各地政府應(yīng)對垃圾處理難題的普遍選擇。根據(jù)相關(guān)報(bào)道,截至2018 年底,我國大陸建成并投入運(yùn)行的生活垃圾焚燒電廠為364 座,裝機(jī)容量達(dá)到778 萬kW,年垃圾焚燒總量超過1 億t。隨著我國城市化水平和村鎮(zhèn)管理水平的逐步提高,未來生活垃圾收集和儲運(yùn)以及焚燒量也會隨之提高。
在此新形勢下,政府和公眾對垃圾焚燒帶來的大氣污染危害的關(guān)注度日益提升,相關(guān)部門陸續(xù)發(fā)布了一系列污染物排放控制標(biāo)準(zhǔn)和自動監(jiān)測技術(shù)規(guī)范等文件,對垃圾焚燒大氣污染物排放濃度的控制要求日趨嚴(yán)格。一些地方政府甚至已經(jīng)要求新建垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目主要污染物排放濃度參照火電廠大氣污染物超低排放要求進(jìn)行。
1 垃圾焚燒項(xiàng)目超低排放控制
1. 1 超低排放要求
目前,我國垃圾焚燒電廠大氣污染物排放執(zhí)行《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》( GB 18485 - 2014)及其修改單。超低排放概念及其要求是近年來針對燃煤機(jī)組提出的,即要求燃煤機(jī)組排放煙氣中的煙塵、SO2、NOx濃度分別小于10 mg /m3、35 mg /m3、50 mg /m3[5]?!蛾P(guān)于印發(fā)〈煤電節(jié)能減排升級與改造行動計(jì)劃( 2014 - 2020 年) 〉的通知》( 發(fā)改能源〔2014〕2093 號) 要求中國部分地區(qū)新建和在運(yùn)燃煤發(fā)電機(jī)組應(yīng)實(shí)現(xiàn)超低排放。生活垃圾焚燒項(xiàng)目特征因子HCl、重金屬類等污染物超低排放通常參照《歐盟工業(yè)排放指令》( 2010 /75 /EU) 執(zhí)行。國家現(xiàn)行垃圾焚燒煙氣執(zhí)行的排放標(biāo)準(zhǔn)與超低排放要求對比見表1。

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表1 * 歐盟標(biāo)準(zhǔn)為300 min 平均值。除煙塵、SO2、NOx 、CO、HCl 外,其他污染物數(shù)值均為測定均值。由表1 可知,與國標(biāo)相比較,超低排放要求煙塵、SO2、NOx小時(shí)和日均排放濃度均有大幅度降低; CO 和HCl 小時(shí)排放濃度無變化,而日均排放濃度降幅較顯著; 與歐盟指令比較,重金屬測定值Cd+ Tl 和Sb + As + Pb + Cr + Co + Cu + Mn + Ni 降低了50%,其他無變化; 二噁英類無變化??傮w來看,新形勢下垃圾焚燒電廠執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)變化主要體現(xiàn)在對煙塵、SO2、NOx等三種常規(guī)污染物執(zhí)行符合低排放標(biāo)準(zhǔn)的削減與控制。
1. 2 超低排放技術(shù)路線
目前,我國垃圾焚燒電廠煙氣凈化系統(tǒng)通常配置為: 選擇性非催化還原脫硝系統(tǒng)( SNCR) + 旋轉(zhuǎn)噴霧干燥脫酸( SDA) + 干法脫酸+ 活性炭吸附+ 布袋除塵器[8 - 17]。該套工藝系統(tǒng)可使煙氣污染物排放濃度滿足國家標(biāo)準(zhǔn)( GB 18485 - 2014 ) 和歐盟2010 /75 /EU 標(biāo)準(zhǔn)要求,但主要大氣污染物濃度不能滿足超低排放要求。要實(shí)現(xiàn)超低排放需進(jìn)一步降低煙塵、SO2和NOx三種常規(guī)大氣污染物排放濃度,改進(jìn)現(xiàn)有煙氣凈化工藝,提升煙氣凈化效率。
根據(jù)國內(nèi)相關(guān)工程實(shí)踐,布袋除塵器可實(shí)現(xiàn)99. 99%的除塵效率,目前我國大部分垃圾焚燒電廠配置的布袋除塵器除塵效率均不超過99. 9%。根據(jù)垃圾焚燒煙氣的特點(diǎn)調(diào)整布袋材質(zhì)和增加布袋數(shù)量可進(jìn)一步提高布袋除塵效率至99. 97% 以上,煙塵排放濃度由低于30 mg /m3 降至低于10 mg /m3,可滿足超低排放要求。
目前,垃圾焚燒電廠脫酸工藝主要包括三種形式: 干法脫酸、半干法脫酸和濕法脫酸,具體如表2所示。由表2 可知,采用濕法脫酸工藝可在干法脫酸工藝的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高脫硫效率75% 以上,綜合脫硫效率高,可實(shí)現(xiàn)小時(shí)控制標(biāo)準(zhǔn)100 mg /m3 ( 國標(biāo)) 到35 mg /m3 ( 超低排放要求) 的跨越。采用低氮燃燒技術(shù)可控制垃圾焚燒電廠NOx產(chǎn)生濃度低于300 mg /m3。NOx脫除工藝包括兩種:選擇性非催化還原脫硝( SNCR) 工藝和選擇性催化還原脫硝( SCR) 工藝,其中SNCR 可實(shí)現(xiàn)40% 的脫除效率,SCR 脫除效率為50% ~ 90%。在低氮燃燒技術(shù)的基礎(chǔ)上,采用脫酸塔和除塵器后加低溫SCR脫硝工藝可實(shí)現(xiàn)垃圾焚燒電廠NOx煙氣超低排放。
由于煙氣經(jīng)過旋轉(zhuǎn)噴霧干燥脫酸后急驟降溫和布袋除塵,煙氣溫度一般在145 ~ 160℃,而SCR 所需溫度為180 ~ 250℃,因此為確保脫硝反應(yīng)的正常進(jìn)行,需要將煙氣系統(tǒng)溫度整體提升到SCR 的反應(yīng)溫度區(qū)間。目前成熟的煙氣升溫方法有2 種,一是通過煙氣煙氣換熱器( GGH) 有效利用系統(tǒng)自身熱量來調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)出口煙溫; 二是利用蒸汽煙氣換熱器( SGH) ,抽取汽包蒸汽或汽輪機(jī)蒸汽來加熱煙氣。

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綜上所述,垃圾焚燒電廠主要大氣污染物超低排放基本技術(shù)路線可選擇為: 低氮燃燒技術(shù)+ SNCR+ SDA + 活性炭吸附+ 高效布袋除塵器+ GGH 或SGH + 低溫SCR + 濕法洗滌脫酸,依據(jù)鍋爐出口SOx濃度值大小,對于低溫SCR 工藝選擇和濕法洗滌脫酸的具體布局方案做適當(dāng)調(diào)整。
2 超低排放環(huán)境效益
以國內(nèi)某生活垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目為例,計(jì)算超低排放主要大氣污染物削減環(huán)境效益。該項(xiàng)目所在縣域常駐人口122 萬,其中城鎮(zhèn)人口約30 萬,日產(chǎn)生生活垃圾量約650 t,據(jù)此設(shè)計(jì)生活垃圾焚燒量為1 × 600 t /d,采用機(jī)械爐排爐,配中溫中壓余熱鍋爐和1 × 12 MW 凝汽式發(fā)電機(jī)組,煙囪高度80 m,出口內(nèi)徑2. 0 m,煙溫150℃,年運(yùn)行小時(shí)數(shù)8 500,年發(fā)電量約0. 81 × 108 kW·h。
該項(xiàng)目目前采用的大氣污染控制技術(shù)路線為:低氮燃燒技術(shù)+ SNCR + 半干法脫酸+ 活性炭吸附+ 噴射法脫硫+ 高效布袋除塵器,根據(jù)同級別、同爐型、同燃料、同措施項(xiàng)目大氣污染物排放監(jiān)測數(shù)據(jù)類比分析,可滿足國家和當(dāng)?shù)噩F(xiàn)行生活垃圾焚燒大氣污染物排放控制標(biāo)準(zhǔn)要求。
2. 1 排放對比分析
根據(jù)前文所述類比實(shí)測數(shù)據(jù)確定該項(xiàng)目大氣污染物產(chǎn)生濃度,在實(shí)施超低排放要求后,煙塵、SO2和NOx排放量可實(shí)現(xiàn)較大幅度削減,具體情況如表3 所示。

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表3 中,總的煙氣量為12. 32 × 104 m3 /h。實(shí)施超低排放后,煙塵、SO2和NOx排放量可分別削減8. 2 t /a、37. 2 t /a 和125. 7 t /a,分別占原排放量的50. 3%、49. 9%和80. 0%。
2. 2 環(huán)境空氣質(zhì)量影響改善分析
該項(xiàng)目所在地為平原農(nóng)村地區(qū),選用《環(huán)境影響評價(jià)技術(shù)導(dǎo)則大氣環(huán)境》( HJ 2. 2 - 2018) 推薦的進(jìn)一步預(yù)測模式AERMOD 模型進(jìn)行環(huán)境空氣質(zhì)量影響改善模擬分析。AERMOD 是一個(gè)穩(wěn)態(tài)煙羽擴(kuò)散模式,可基于大氣邊界層數(shù)據(jù)特征模擬點(diǎn)源、面源、體源等排放出的污染物在短期( 小時(shí)平均、日平均) 、長期( 年平均) 的濃度分布,適用于農(nóng)村或城市地區(qū)、簡單或復(fù)雜地形。
模型所需地面氣象數(shù)據(jù)采用項(xiàng)目所在地氣象站2017 年全年逐時(shí)風(fēng)向、風(fēng)速、云量、氣溫等觀測資料。該氣象站屬于國家一般站,與本項(xiàng)目相距約5 km,中間地形平坦,資料具有較好的代表性。高空氣象數(shù)據(jù)采用生態(tài)環(huán)境部環(huán)境工程評估中心環(huán)境量模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供的格距為27 km 的Wrf 中尺度氣象模型模擬數(shù)據(jù),網(wǎng)格中心點(diǎn)距離本項(xiàng)目廠址小于5 km。
項(xiàng)目大氣預(yù)測評價(jià)范圍為以煙囪為中心點(diǎn),邊長11. 0 km 的正方形區(qū)域。采用直角坐標(biāo)網(wǎng)格,取東西向?yàn)閄 坐標(biāo)軸、南北向?yàn)閅 坐標(biāo)軸,網(wǎng)格距為50 m。通過計(jì)算,可得出所排放的污染物在每一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的最大落地濃度值。
環(huán)境空氣質(zhì)量改善模擬預(yù)測結(jié)果見表4。

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由表4 可知,垃圾焚燒電廠實(shí)施超低排放后主要大氣污染物對環(huán)境空氣質(zhì)量的小時(shí)、日均和年均影響均有較顯著的改善,其中對NO2影響的改善優(yōu)于PM10和SO2。
3 結(jié)語
( 1) 建設(shè)垃圾焚燒發(fā)電廠是垃圾處理的主要手段,政府和公眾對垃圾焚燒帶來的大氣污染危害的關(guān)注度日益提高,一些地區(qū)對垃圾焚燒電廠開始實(shí)施更嚴(yán)格的燃煤電廠超低排放要求。
( 2) 垃圾焚燒電廠實(shí)施燃煤電廠超低排放要求技術(shù)方法成熟,主要大氣污染物可實(shí)現(xiàn)較大幅度的排放量削減,最大減排率可達(dá)80%。
( 3) 垃圾焚燒電廠實(shí)施超低排放后,其主要大氣污染物對環(huán)境空氣質(zhì)量的小時(shí)、日均和年均影響均有較顯著改善。