生活垃圾焚烧发电与二噁英污染

福建省环境保护设计院 林丛基



生活垃圾焚烧发电与二噁英污染

福建省环境保护设计院 林丛基

在总结二噁英特性的基础上，介绍了垃圾焚烧发电过程中二噁英的可控性及其措施，对尾气达标排放对周边空气环境的影响作了定性分析，并对垃圾焚烧发电项目建设及运行提出了监管建议。

生活垃圾 焚烧发电 烟气净化 二噁英 监管

1 前言

生活垃圾焚烧过程中会产生毒性很强的致癌物质——二噁英，国内外由此也引发了不少二噁英污染争议或群体事件。本文对二噁英特性进行了回述，对垃圾焚烧技术和二噁英产生的可控性作了简单介绍，并对尾气达标排放对周边空气环境的影响作了定性分析。

2 二噁英[1,2,3]

二噁英是一类三环芳香族有机化合物异构体的统称或俗称，主要包括氯二苯并二噁英（PCDDs）和多氯二苯并呋喃（PCDFs）两大类，共有239种异构体，其中四氯二苯并二噁英（2,3,7,8-TCDD）毒性最强。由于二噁英产生和分布的离散性很大，其检测技术难度很大。

2.1 二噁英特性

二噁英的主要特性：（1）在标准状态下，呈无色无味的固态，蒸汽压很低，一般环境温度下极不易从表面挥发；（2）熔点约为303~305℃，常存在于空气、水和土壤中；（3）极难溶于水，但可溶于大部分有机溶剂；（4）化学性质非常稳定，基本不与其他物质起化学反应，温度高于705℃才开始分解；（5）毒性大，毒性约为氰化物100倍以上，为砒霜的500~900倍。

2.2 二噁英来源

二噁英是有机物与氯或含氯物质一起加热就会产生的化合物，它是一种普遍的化学现象，常常以微小颗粒存在于空气、土壤和水中。二噁英主要来源：（1）火山爆发、森林大火、土壤微生物和大气中发生的光化学反应等自然现象；（2）、石化、冶金、食品、医药、农药、纺织、造纸、烟草和皮革等工业生产；（3）废油提炼和焚烧、工业固废的焚烧；（4）生活垃圾的焚烧（据美国2002年的调查，约占总来源的1.09%）；（5）消毒剂、杀虫剂、洗涤剂、除草剂等的日常使用；（6）使用含氯清除剂处理的汽车尾气。

据20世纪90年代初日本对二噁英在大气环境浓度的调查[3]可知，工业区附近居民区浓度为0.02~2pgTEQ/m3，大城市居民区为0.00~2.6 pgTEQ/m3，小城市居民区为0.00~1.9 pgTEQ/m3，大气本底浓度为0.03pgTEQ/m3。

种种事实表明：二噁英来源广泛，已成为人类必须面对的现实问题。据资料[3]表明：大多食品均含有二噁英，人体摄取的二噁英90%是来自食物链，具体见表1所示。

表1 部分食物中二噁英类物质的浓度 单位：pg-TEQ/g

2.3 相关标准

在对二噁英毒性研究的基础上，国际上对其限量制定了以下标准：

2.3.1人体每天允许摄入量（TDI）标准

TDI（Tolerable Daily Intake）指从人体健康的角度出发，把人的一生所能耐受的量分解为1日、体重1kg所能摄取的量。目前，我国尚未制定TDI标准。

表2 人体单位体重每天允许摄入量（TDI）

2.3.2世界卫生组织（WHO）标准

通过呼吸对人体健康产生影响的限值为0.4pgTEQ/kg.d体重，为人体每日最大允许摄入量4pgTEQ/kg体重的10%。

2.3.3欧盟有关食品中二噁英限量标准

表3 欧盟有关食品中含二噁英限量表 单位：pg-TEQ/g脂肪

2.3.4欧盟有关饲料中含二噁英残留限量修订标准（2005年7月29日）

表4 欧盟有关饲料中含二噁英残留限量标准 单位：ng-TEQ/kg

2.3.5垃圾焚烧烟气排放标准[3]

表5 垃圾焚烧烟气中二噁英排放浓度标准 单位：ng-TEQ/Nm3

另外，联合国环境规划署：具备先进的焚烧设施、完善的APCS生活垃圾焚烧厂二噁英排放因子≤500ng-TEQ/t.垃圾。

3 国内生活垃圾焚烧发电与烟气治理

目前，我国人口约13.4亿，城镇人口近6.24亿，一年将产生2.05亿吨生活垃圾。以垃圾热值约5000kJ/kg计，可折合0.171kg标煤的热值。如果有50%垃圾用于焚烧发电，这将相当于全国可一年节省3500万吨标煤，能发2848亿度电。因此，垃圾焚烧发电是符合低碳政策的处置方式。

早期我国也曾引进国外带垃圾分拣等预处理措施的焚烧发电工程技术，想从源头上减少如PVC等含氯的有机物入炉，从而减少二噁英的产生，但实际操作中并不尽人意。在国内，目前还难以做到垃圾分类投放收集。

我国垃圾焚烧处置起步晚，但起点高，建设的垃圾焚烧发电厂排放浓度均按低于0.1ng-TEQ/Nm3标准设计。经多年来的研究和实践，我国在引进消化国外技术的基础上已掌握了生活垃圾焚烧技术，并研发出符合我国国情的生活垃圾焚烧发电及烟气治理的成套新技术，完全有能力把二噁英的排放控制在欧盟标准0.1ng-TEQ/Nm3以下，甚至更低。

3.1 烟气净化处理措施[1]

为尽量减少垃圾焚烧过程产生的二次污染，不仅在焚烧和灰渣烟气治理工艺上，而且在设备选用上均采取了相应有效的治本和治标的措施，具体如下：

3.1.1治本措施：让垃圾充分燃烧

3.1.1.1保证烟气在高温区燃烧≥2秒

采用专用城市生活焚烧炉，目前主要选用机械炉排炉，垃圾在炉排上行进过程中能充分翻滚松动，加快高温分解；足够大的炉膛保证可燃物质与空气有充分混合燃烧，并让烟气在850℃以上的炉膛及二次燃烧室内的停留时间不小于2s，使二噁英得到充分分解破坏。

3.1.1.2保持炉膛高温

正常炉温靠垃圾焚烧维持，另设置辅助燃烧器、二次风（或烟气再循环），使炉膛温度始终保持在850℃~1200℃之间，既有效分解破坏二噁英，又抑制燃烧性NOx的产生。

3.1.1.3提供合理风量，提高入炉热风的温度

从垃圾仓抽来的空气（带臭味的一次风）经低高两级蒸汽预热后，温度可达230℃左右，从焚烧炉炉排底部吹入，靠三段炉排间的不同间隙或风量调节门合理布流进入炉膛，维持空气过剩系数1.6~2.1之间，使垃圾燃烧得更理想，更充分。

3.1.1.4采用专用的余热锅炉

为避免烟气通过省煤器500℃~300℃区间重新合成二噁英，余热锅炉设计时，尽量缩短烟气在此区间的停留时间，减少二噁英的二次合成。

3.1.1.5采用计算机自动控制

为使工艺参数得到保证，实现3T技术，焚烧炉的焚烧过程由ACC软件包进行实时自动控制，全厂采用DCS和上位机集散控制系统。

3.1.2 治标措施：烟气净化和飞灰固化

3.1.2.1脱酸

省煤器出来的烟气进入脱酸塔，采用喷干石灰粉或石灰浆或石灰水方法先去除烟气中的酸性气体，同时喷水降温，使烟气温度降到150℃左右进入布袋除尘器。

3.1.2.2活性炭吸附二噁英和重金属

在脱酸塔与布袋除尘器之间的烟道适当的位置横向喷入活性炭粉，让活性炭粉随烟气湍流过程中吸附烟气中重金属和二噁英，布袋拦截后，净化后的烟气由引风机送入烟囱高空达标排放。

3.1.2.3飞灰固化

吸附二噁英和重金属后的飞灰属于危险固体废弃物，按国家技术要求进行固化，而后卫生填埋处置，以免发生二次污染。

3.2 脱氮与渗滤液及恶臭措施

为了尽量减少对焚烧厂周边环境的负面影响，通常工程设计有一套完整的脱氮与渗滤液处理及脱臭设施，采取主要措施有：（1）焚烧炉设计中已预留喷氨脱氮装置安装位置，日后采取合适措施进一步除氮；（2）垃圾渗滤液收集后，一般采取以UBF+MBR+NF为主工艺进行达标处理；（3）垃圾车封闭进厂，卸料大厅和垃圾仓等凡产生恶臭的部位均采取负压密封，臭气吸入一次风入炉烧掉，故障时局部喷洒植物除臭剂，再经活性炭吸附脱臭后，引到烟囱高空排放。

4 烟气达标排放对周边环境的影响

我国垃圾焚烧发电厂烟气排放标准定为1.0ng/Nm3，实际工程设计中早已采用0.1ng/Nm3排放标准，实际排放低于0.1ng/Nm3。据估算，每吨垃圾焚烧过程产生的烟气量约为3500~4500Nm3，焚烧每吨垃圾产生的二噁英不超过450ng，达到联合国环境规划署500ng/t的要求。

烟气在一定压力下，以一定的速度和温度冲出烟囱向四周扩散，受到日照、云层、气流等气象因素的影响，是一个非常复杂的物理过程。研究表明：烟气光靠分子扩散速率非常慢，主要靠大气湍流扩散，后者比前者扩散快105倍以上[2]。

垃圾焚烧发电厂烟囱排烟属于高架连续点污染源，以顺风向为x轴正方向，污染物按正态分布，高斯扩散模式公式有：

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

式中：C —污染扩散浓度（ng/m3）；

Q —源强（g/s或ng/s或pg/s）；

u —平均风速（m/s）；

σy—距原点X处烟流中污染物在Y方向分布的标准差（m）；

σz—距原点X处烟流中污染物在Z方向分布的标准差（m）；

H —烟气抬升后烟囱有效高度（m）。

地面浓度分布状况，即式（1）中Z=0情形：

C={Qπuσyσz}exp{－1/2[（－y2/σy2）+(H2/σz2)]} （2）

按正态分布理论，y轴方向浓度分布以x轴为对称,并在x轴线上取最大值，故令y=0，则式（2）变为：

C(x, 0, 0，H)= { Q/πuσyσz} exp{－( H2/ 2σz2)} （3）

由式（3）可知，地面轴线扩散浓度与烟囱排放二噁英量Q成正比，与平均风速成反比，在一定范围内烟囱越高、扩散浓度越小，且{Q’/πuσyσz}随x增大而减小，而exp[－（H2/ 2σz2）]随x增大而增大。两项共同作用结果：在地面x轴线上，污染物排放源附近排放浓度接近于0；而后沿顺风向的x轴不断增大；在离源点某处扩散浓度达到最大值Cmax；此后逐渐减小，且当x→∞时，C→0。

由于σy、σz是受x和气象条件、地形地貌等因素的影响，难于取值。本文选用帕斯奎尔（Pasquill）扩散曲线法确定σy、σz。该法依据云量、云状、日照和风速等因素，大气的扩散稀释能力可分为A~F六个稳定度级别，并给出每个稳定度级别的σy和σz。

本文以单台炉处理垃圾能力为300t/d为例，排放浓度为0.1ng/Nm3，烟囱有效高度为100m，10m高处平均风速为3m/s代入相应的σy、σz数值及其他参数，即可求出不同稳定度级别下的下风地面上可能出现的最大扩散浓度及其分布位置，如表6所示。

表6 下风向地面轴线最大扩散浓度及其分布

从表6可知：地面下风向轴线最大扩散浓度≈4.81×10-5ng/m3≤10-4ng/m3=0.1 pg/m3，每天呼吸进入人体的二噁英量≤2.6pg，显然小于WHO允许值。因此，烟气达标排放后，即便在下风向，对人体健康也是安全的。需说明的是，遇到大气有上部逆温层的扩散型、漫烟型的扩散和微风的扩散等特殊情况，对式（2）、式（3）还需进行修正以符合实际，但总的趋势不会改变。

5 结论及建议

采用垃圾焚烧发电方式处置生活垃圾，目前仍是较好选择。只要在建设和运营过程按照技术要求做，科学管理，监管到位，二噁英产生是可控的，烟气是可以实现达标排放的，对人体健康是安全的。在此，进一步建议：

5.1 把好环境评价关。环评单位应根据地形地貌、气象条件、建设规模、污染物组分、源强、环境背景等，实事求是地对污染物扩散模式进行科学评估，为工程可行性研究报告及设计提供准确的依据和参数。

5.2 把好工可关。设计单位应根据项目环评报告书，编制切实可行的工程可行性研究报告书，具体落实环评中提出的每一个要求，并制定相应措施。

5.3 把好初设关。初设要全面具体落实环评和工可提出的所有要求，不仅在工艺上，而且在设备选型上采取有效措施保证环评和工可标的实现。

5.4 把好实施关。由于环评、可研和初设深度有限，与施工图设计尚存在诸多的变数。在设计和监理行业买方市场的情况下，大量不是技术层面的问题，而是业主或经营者的职业道德和良心问题。

5.5 鉴于市政工程关乎民生的特殊性，建议主管部门“一竿子插到底”，实行问责制。

5.6 运营中加强监管。环保部门对重要环节应实施在线监控和现场随时抽查，制定奖罚制度，出台相应的政策法规或规定，实施真正有效的监管。

5.7 不宜建大型垃圾焚烧发电厂。由式（1）、（2）和（3）可知，污染扩散浓度与源强Q成正比。从经济技术综合比较，笔者认为：不宜集中建设垃圾焚烧发电厂，其总规模不宜大于2000t/d。

[1] 马广大.大气污染防治工程[M].北京:中国环境科学出版社, 1985.

[2] 王怀宇.大气污染控制技术[M].北京:中国劳动社会保障出版社, 2009.

[3] 白良成.生活垃圾焚烧处理工程技术[M].北京:中国建筑工业出版社, 2009.