重庆市生活垃圾焚烧发电厂颗粒物特征研究

2021-06-22邓方昕

能源环境保护 2021年3期

吴林，汪晶，邓方昕

(重庆市生态环境监测中心，重庆 401147)

0 引言

随着生活垃圾处理逐步“改填为烧”，生活垃圾焚烧量逐年递增。“十二五”和“十三五”期间，生活垃圾焚烧迎来了发展的黄金期[1]。对比填埋和生化处理工艺，生活垃圾焚烧处理工艺所占市场份额不断上升。生活垃圾焚烧工艺从从“十一五”期初的14%持续增长至2017年的34%[2]。据国家统计局数据分析[2]，从2011年到2018年我国生活垃圾发电厂数量及其处理能力分别增长了203.7%和287.4%[3]。随着垃圾焚烧量的增加，垃圾焚烧废气排放量也逐步增加，垃圾焚烧源对环境空气的污染占比也逐步提升。因此，为了针对性地开展颗粒物排放源管理工作,研究生活垃圾焚烧发电行业废气排放颗粒物特征成为亟待解决的问题。

本研究依据《环境空气颗粒物来源解析监测技术方法指南》(2020年)，使用稀释通道采样器对重庆市典型生活垃圾焚烧发电厂废气颗粒物进行样品采集，并对样品进行化学组分分析，获取典型生活垃圾焚烧发电厂颗粒物源成分谱。

1 研究方法

1.1 企业基本情况

本研究选取重庆市两家典型垃圾焚烧发电厂作为研究对象，垃圾焚烧发电厂基本情况见表1。

表1 垃圾焚烧发电厂基本情况

1.2 采样方法

依据《环境空气颗粒物来源解析监测技术方法指南》(2020年)，对于燃煤(油)的各类电厂锅炉，民用炉灶、建材和冶金工业炉窑等固定源排气的颗粒物采样，优先用稀释通道法，故本研究采用稀释通道法采集颗粒物。稀释通道法的采样原理是高温烟气在稀释通道内与洁净空气进行混合稀释，并冷却至大气环境温度，稀释冷却后的混合气体进入采样舱停留一段时间，然后使用采样器捕集一定粒径大小的颗粒物。该方法模拟烟气排放到大气中短时间内的稀释、冷却、凝结等过程，捕集的颗粒物可被近似认为是燃烧源排放的一次颗粒物，包括一次可过滤颗粒物和一次凝结颗粒物[4]。稀释通道采样原理示意图见图1。

图1 稀释通道采样原理示意图Fig.1 Schematic diagramof sampling in dilution tunnels

采样位置位、采样点的布设参照《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》(GB/T 16157—1996)和《固定源废气监测技术规范》(HJ/T 397—2007)的相关规定。采样位置选择满足在垂直管段，避开烟道弯头和断面急剧变化的部位，距弯头、阀门、变径管下游方向不小于6倍直径处，和距上述部件上游方向不小于3倍直径处等要求[5]。采样参数设置情况见表2。

表2 采样参数设置情况

1.3 滤膜的选择及处理

为满足有机碳(OC)、元素碳(EC)、水溶性离子和痕量金属等化学组成分析的要求，经比对分析，本研究选择47 mm的Teflon滤膜和石英滤膜，Teflon滤膜样品用于无机元素分析，石英滤膜样品用于有机碳、元素碳及水溶性离子分析。

采样前将石英滤膜于烘箱内在500 ℃烘烤4 h，以除去有机杂质，将特氟龙滤膜于烘箱内在60 ℃烘烤2 h。

将石英滤膜及特氟龙滤膜放置于恒温恒湿箱，于(25.0±2)℃，相对湿度(50%±5%)，平衡24 h 后，在(25.0±2)℃，相对湿度(50%±5%)条件下称量滤膜，记录滤膜重量。同一滤膜在相同条件下再平衡24 h后称重，两次重量之差小于0.4 mg(PM10)或0.04 mg(PM2.5)。滤膜样品在采样前恒温恒湿条件下平衡、称量，记录滤膜样品重量。

1.4 化学组分分析

滤膜样品颗粒物化学组成复杂，主要包括水溶性离子、含碳组分和无机元素。无机元素、水溶性离子、有机碳、元素碳分析方法及依据见表3。

表3 分析方法一览表

1.5 质量保证和质量控制

每次采集样品过程同时采集全程序空白，化学组分分析过程进行标准样品分析、平行样分析及加标回收率分析。标准样品分析中无机元素的相对误差范围为1.4%～8.4%，水溶性离子的相对误差范围为0.8%～4.8%；平行样品分析中无机元素相对偏差范围为2.1%～4.8%，水溶性离子的相对偏差范围为0.1%～3.7%；有机碳(OC)及元素碳(EC)实际样品加标回收率在83.0%～118.0%之间。

2 结果与讨论

2.1 组分特征

通过化学组分分析，获取了1#垃圾焚烧发电厂及2#垃圾焚烧发电厂的PM10源及PM2.5源的化学组分，PM10源及PM2.5源的成分谱见图2、图3。

图2 PM10源成分谱Fig.2 PM10 source composition spectrum

图3 PM2.5源成分谱Fig.3 PM2.5 source composition spectrum

将各源类的化学组分按组分的质量分数划为四档，分别为w<0.1%、0.1%≤w<1%、1%≤w<10%、w≥10%[11-12],划分入各档中的化学组分如表4所示。

表4 颗粒物排放源类中的化学成分

2.2 源谱相似性分析

分歧系数CD(Coefficient of Divergence,分歧系数)可以将不同成分谱中组分含量标准化，从而来比较成分谱之间的相似性[14]。CD的计算公式：

式中，CDjk为j类源谱和k类源谱之间的分歧系数，xij为j类源谱组分i含量的平均值，j和k为要比较多两种源类，p为所测主要组分的数量。CD值越趋近于0，成分谱越相似。若CD>0.3，表明成分谱之间存在一定差异[15];若CD<0.3，表明成分谱之间有一定的相似性，输入CMB模型可能会引起共线性问题。

通过计算，1#垃圾焚烧发电厂与2#垃圾焚烧发电厂PM10源之间CD值为4.2，1#垃圾焚烧发电厂与2#垃圾焚烧发电厂PM2.5源之间CD值为4.6，表明两个垃圾焚烧发电厂PM10源与PM2.5源成分谱之间都存在一定差异。

两个垃圾焚烧发电厂PM10源与PM2.5源成分谱之间都存在差异的可能原因有：(1)燃烧采用的原料成分差异，两家企业所采用燃料种类不尽相同，所以排放颗粒物的化学组成和含量存在一定差异；(2)烟气处理工艺不同，1#垃圾焚烧发电厂废气处理工艺为SNCR法(炉内喷尿素)+活性炭吸附+半干法+布袋除尘器，2#焚烧发电厂废气处理工艺为SNCR(炉内喷尿素)+半干法+活性炭喷射+布袋除尘器，废气处理工艺上的细微差别，也可能造成颗粒物的化学组成和含量不完全相同；(3)污染物各控制单元处理效率不同，也可能使所排放颗粒物的化学组成和含量存在差异。

2.3 与其他城市PM2.5源及PM10源组分对比分析

与其他城市垃圾焚烧排放的PM2.5源及PM10源组分特征进行对比，结果见表4。

差异性表现在各组分的含量差别较大，这种差异可能是燃烧工艺、垃圾燃料不同、采样位置不同造成的，比如文献[11]中采样位置是下载灰采样，其PM2.5源的重金属含量较其他城市的重金属含量大，其质量分数为2.3%。

2.4 与其他行业PM2.5源组分对比分析

与重庆市其他行业排放PM2.5组分的研究进行对比，对比情况见表5。结果显示餐饮行业中碳含量最高，占比为88.75%，玻璃行业碳含量最低，占比3.51%；玻璃行业离子和含量最高，占比为94.26%，餐饮行业离子和最低，占比为9.73%；铝业工业元素和最高，占比28.50%，餐饮行业元素和最低，占比为1.52%；两个垃圾焚烧发电厂相对其他行业，总碳含量及重金属含量较高，离子和含量较低。