新形势下生活垃圾焚烧发电大气环境污染控制与影响分析
近年来建设垃圾焚烧发电厂成为各地政府应对垃圾处理难题的普遍选择,其大气污染物排放量随之也越来越大,主要大气污染物参照火电建设项目实施超低排放逐渐成为新的大气污染物控制要求。根据调研和工程实践,垃圾焚烧发电厂超低排放技术路线成熟,可采用选择性非催化还原脱硝系统(SNCR)+旋转喷雾干燥脱酸(SDA)+干法脱酸+活性炭吸附+布袋除尘器,实施后主要大气污染物可实现较大幅度的排放量削减,最大减排率可达80%,对环境空气质量的小时、日均和年均影响均有较显著改善,环境效益和社会效益显著。
引言
随着我国经济的不断发展和居民生活水平的逐渐提高，生活垃圾产生量逐年增加，特别是近年来生活垃圾产量逐年提高。有统计数据显示，仅我国城市生活垃圾的清运量，就从2012年的17080.9万t 增加到了2018年的22801.8万t，年复合增长率为5.95%[1]。而2018年我国的生活垃圾总量为4.69亿t，2018年的城市生活垃圾产生量仅占该年全部生活垃圾的一小部分。作为实现垃圾无害化、减量化和资源化最为有效的方法，建设垃圾焚烧发电厂已成为各地政府应对垃圾处理难题的普遍选择。根据相关报道，截至2018年底，我国大陆建成并投入运行的生活垃圾焚烧电厂为364座，装机容量达到778万kW，年垃圾焚烧总量超过1亿t。随着我国城市化水平和村镇管理水平的逐步提高，未来生活垃圾收集和储运以及焚烧量也会随之提高。
在此新形势下，政府和公众对垃圾焚烧带来的大气污染危害的关注度日益提升，相关部门陆续发布了一系列污染物排放控制标准和自动监测技术规范等文件，对垃圾焚烧大气污染物排放浓度的控制要求日趋严格。一些地方政府甚至已经要求新建垃圾焚烧发电项目主要污染物排放浓度参照火电厂大气污染物超低排放要求进行。
1 垃圾焚烧项目超低排放控制
1.1 超低排放要求
目前，我国垃圾焚烧电厂大气污染物排放执行《生活垃圾焚烧污染控制标准》(GB 18485-2014)及其修改单。超低排放概念及其要求是近年来针对燃煤机组提出的，即要求燃煤机组排放烟气中的烟尘、SO2、NOx浓度分别小于10mg/m3、35mg/m3、50mg/m3[5]。《关于印发〈煤电节能减排升级与改造行动计划(2014-2020年)〉的通知》(发改能源〔2014〕2093号)要求中国部分地区新建和在运燃煤发电机组应实现超低排放。生活垃圾焚烧项目特征因子HCl、重金属类等污染物超低排放通常参照《欧盟工业排放指令》(2010/75/EU) 执行。国家现行垃圾焚烧烟气执行的排放标准与超低排放要求对比见表1。
表1*欧盟标准为300min平均值。除烟尘、SO2、NOx、CO、HCl外，其他污染物数值均为测定均值。由表1可知，与国标相比较，超低排放要求烟尘、SO2、NOx小时和日均排放浓度均有大幅度降低; CO和HCl小时排放浓度无变化，而日均排放浓度降幅较显著; 与欧盟指令比较，重金属测定值Cd+Tl和Sb+As+Pb+Cr+Co+Cu+Mn+Ni降低了50%，其他无变化; 二噁英类无变化。总体来看，新形势下垃圾焚烧电厂执行标准变化主要体现在对烟尘、SO2、NOx等三种常规污染物执行符合低排放标准的削减与控制。
1.2 超低排放技术路线
目前，我国垃圾焚烧电厂烟气净化系统通常配置为: 选择性非催化还原脱硝系统(SNCR)+旋转喷雾干燥脱酸(SDA)+干法脱酸+活性炭吸附+布袋除尘器[8-17]。该套工艺系统可使烟气污染物排放浓度满足国家标准(GB 18485-2014)和欧盟2010/75/EU标准要求，但主要大气污染物浓度不能满足超低排放要求。要实现超低排放需进一步降低烟尘、SO2和NOx三种常规大气污染物排放浓度，改进现有烟气净化工艺，提升烟气净化效率。
根据国内相关工程实践，布袋除尘器可实现99.99%的除尘效率，目前我国大部分垃圾焚烧电厂配置的布袋除尘器除尘效率均不超过99.9%。根据垃圾焚烧烟气的特点调整布袋材质和增加布袋数量可进一步提高布袋除尘效率至99.97%以上，烟尘排放浓度由低于30mg/m3降至低于10mg/m3，可满足超低排放要求。
目前，垃圾焚烧电厂脱酸工艺主要包括三种形式: 干法脱酸、半干法脱酸和湿法脱酸，具体如表2所示。由表2可知，采用湿法脱酸工艺可在干法脱酸工艺的基础上进一步提高脱硫效率75%以上，综合脱硫效率高，可实现小时控制标准100mg/m3 (国标)到35mg/m3(超低排放要求)的跨越。采用低氮燃烧技术可控制垃圾焚烧电厂NOx产生浓度低于300mg/m3。NOx脱除工艺包括两种:选择性非催化还原脱硝(SNCR)工艺和选择性催化还原脱硝(SCR)工艺，其中SNCR可实现40%的脱除效率，SCR脱除效率为50%～90%。在低氮燃烧技术的基础上，采用脱酸塔和除尘器后加低温SCR脱硝工艺可实现垃圾焚烧电厂NOx烟气超低排放。
由于烟气经过旋转喷雾干燥脱酸后急骤降温和布袋除尘，烟气温度一般在145～160℃，而SCR所需温度为180～250℃，因此为确保脱硝反应的正常进行，需要将烟气系统温度整体提升到SCR的反应温度区间。目前成熟的烟气升温方法有2种，一是通过烟气烟气换热器(GGH)有效利用系统自身热量来调节系统进出口烟温; 二是利用蒸汽烟气换热器(SGH)，抽取汽包蒸汽或汽轮机蒸汽来加热烟气。
综上所述，垃圾焚烧电厂主要大气污染物超低排放基本技术路线可选择为:低氮燃烧技术+SNCR+SDA+活性炭吸附+高效布袋除尘器+GGH或SGH+低温SCR+湿法洗涤脱酸，依据锅炉出口SOx浓度值大小，对于低温SCR工艺选择和湿法洗涤脱酸的具体布局方案做适当调整。
2 超低排放环境效益
以国内某生活垃圾焚烧发电项目为例，计算超低排放主要大气污染物削减环境效益。该项目所在县域常驻人口122万，其中城镇人口约30万，日产生生活垃圾量约650t，据此设计生活垃圾焚烧量为1×600t/d，采用机械炉排炉，配中温中压余热锅炉和1×12MW凝汽式发电机组，烟囱高度80m，出口内径2.0m，烟温150℃，年运行小时数8500，年发电量约0.81×108kW·h。
该项目目前采用的大气污染控制技术路线为:低氮燃烧技术+SNCR+半干法脱酸+活性炭吸附+喷射法脱硫+高效布袋除尘器，根据同级别、同炉型、同燃料、同措施项目大气污染物排放监测数据类比分析，可满足国家和当地现行生活垃圾焚烧大气污染物排放控制标准要求。
2.1 排放对比分析
根据前文所述类比实测数据确定该项目大气污染物产生浓度，在实施超低排放要求后，烟尘、SO2和NOx排放量可实现较大幅度削减，具体情况如表3所示。
表3中，总的烟气量为12.32×104m3/h。实施超低排放后，烟尘、SO2和NOx排放量可分别削减8.2t/a、37.2t/a 和125.7t/a，分别占原排放量的50.3%、49.9%和80.0%。
2.2 环境空气质量影响改善分析
该项目所在地为平原农村地区，选用《环境影响评价技术导则大气环境》(HJ 2.2-2018) 推荐的进一步预测模式AERMOD模型进行环境空气质量影响改善模拟分析。AERMOD是一个稳态烟羽扩散模式，可基于大气边界层数据特征模拟点源、面源、体源等排放出的污染物在短期(小时平均、日平均)、长期(年平均)的浓度分布，适用于农村或城市地区、简单或复杂地形。
模型所需地面气象数据采用项目所在地气象站2017年全年逐时风向、风速、云量、气温等观测资料。该气象站属于国家一般站，与本项目相距约5km，中间地形平坦，资料具有较好的代表性。高空气象数据采用生态环境部环境工程评估中心环境量模拟重点实验室提供的格距为27km的Wrf中尺度气象模型模拟数据，网格中心点距离本项目厂址小于5km。
项目大气预测评价范围为以烟囱为中心点，边长11.0km 的正方形区域。采用直角坐标网格，取东西向为X坐标轴、南北向为Y坐标轴，网格距为50m。通过计算，可得出所排放的污染物在每一个网格点的最大落地浓度值。
环境空气质量改善模拟预测结果见表4。
由表4可知，垃圾焚烧电厂实施超低排放后主要大气污染物对环境空气质量的小时、日均和年均影响均有较显著的改善，其中对NO2影响的改善优于PM10和SO2。
(1) 建设垃圾焚烧发电厂是垃圾处理的主要手段，政府和公众对垃圾焚烧带来的大气污染危害的关注度日益提高，一些地区对垃圾焚烧电厂开始实施更严格的燃煤电厂超低排放要求。
(2) 垃圾焚烧电厂实施燃煤电厂超低排放要求技术方法成熟，主要大气污染物可实现较大幅度的排放量削减，最大减排率可达80%。
(3) 垃圾焚烧电厂实施超低排放后，其主要大气污染物对环境空气质量的小时、日均和年均影响均有较显著改善。
