火災、爆炸、有毒化學物質泄露,你所不知道的垃圾氣化發電

 

垃圾焚燒常常因其二噁英、飛灰及其固有的侵蝕酸腐磨損特性被詬病。有很多人就看上了垃圾氣化技術。然而歷史上,垃圾氣化發電發生過很多災難性事故。最近的兩次為,2017年8月7日,英國西米德蘭茲郡奧爾德伯里內一家垃圾氣化發電廠發生爆炸,致使一名男子死于嚴重燒傷。六周后的9月25日,100 公里之外的諾丁漢郡另外一家垃圾發電廠內,又有兩名男子因氣體爆炸受重傷。這使得垃圾行業成為英國最危險的行業之一。

而關于這些過程性失敗的原因和分析的研究卻并不充分。

2018年4月,國際性學報《過程工業損失預防雜志》(Journal of Loss Preventionin the Process Industries)[1] 刊登了一篇文章名為《與垃圾氣化發電有關的火災、爆炸和化學毒性危害》(Fire, explosion and chemical toxicity hazards of gasification energy fromwaste)的文章。英國拉夫堡大學建筑與土木工程學院安德魯·N·羅林森博士(Dr. Andrew N. Rollison)通過案例分析發現垃圾氣化發電廠有很高的安全風險,比如會出現氣化爐起火、垃圾原料自燃、爆炸、二惡英等有毒廢氣的違規排放和污染廢水泄漏等等事故,為此他深感擔憂并認為大多數人忽視了這些危害。而之后他也分析了垃圾氣化發電行業預防損失需面臨的工程挑戰。

一、垃圾如何氣化

作為垃圾能源化的一項技術,垃圾氣化早在19世紀70年代末就出現了,它與垃圾焚燒屬性差不多。1960年代之后,因垃圾填埋成本高和且填埋空間有限,垃圾焚燒是垃圾能源化工業最常見的技術選擇。但垃圾焚燒常常因其二噁英、飛灰及其固有的侵蝕酸腐磨損特性被詬病。盡管這樣,垃圾焚燒仍然是垃圾能源化行業最常用的技術。

垃圾氣化則因技術限制無法進行商業規模運營,只能在添加了勻質原料(即木質纖維素生物質、煤和焦炭)的小型反應器中才能氣化為合成氣。盡管在上世紀 90 年代早期有過一波氣化熱,但是之后不斷出現的失敗案例讓學界更多地認識了氣化這一技術的限制。許多技術報告揭示了即使在擁有生活垃圾氣化站最多的日本,每氣化 1000 噸垃圾除了添加石灰石外,還需添加 100 噸煤。

采用垃圾氣化技術處理垃圾,幾乎能將垃圾中的有機物完全氣化并轉化為合成氣(主要為一氧化碳和氫氣)并加以利用,而無機物則可變為無害的玻璃體灰渣。在此過程中,要從原料中排除氧氣,同時需讓復雜的反應容器內保持高溫。一百多年的研究表明,溫度和氧含量的微小變化會對氣化過程運行狀態產生重大影響,集中表現為工藝不穩定性以及腐蝕性和有毒副產品的產生。氣化過程的核心是通常被稱為“氣化爐”的反應系統,氣化爐依賴于一系列輔助組件來處理復雜的多相輸出。氣化過程中,所有的氣化爐都會產生焦油——一種酚類和多環芳烴的復雜混合物。焦油及其燃燒后產生的氣體對人體是有害的,會污染環境,也是生產線污染物。近三十年研究表明,消除焦油的辦法是無催化劑的情況下高溫(溫度高于1100°C)裂解,而此溫度無法在氣化爐中實現。

二、火災、爆炸、有毒廢氣事故簡述

關于氣化爐安全問題的探討始于1939-1944年,主要集中于挪威、瑞典、德國和美國等國。那時氣化爐問題頻發,發生了眾多傷亡事故。例如瑞典,1939-1945年期間,瑞典國家燃料局的燃氣發生器部門接到了 2865 起氣化爐火災事故的報告。最嚴重時,1942年有四分之一的時間,每天發生四起氣化爐火災。2013年8月,蘇格蘭登弗里斯垃圾氣化發電廠因火災事故永久關閉。該工廠是英國環境、食品及鄉村事務部(DEFRA)垃圾能源化利用設備的商業化運作研究報告中的四個案例研究之一,該報告中的所有工廠現已關閉,其中最后一座在懷特島關閉,2017年英國政府放棄垃圾氣化,并將該工廠改建為傳統的大規模焚燒爐。在火災發生前 16 個月,鄧弗里斯垃圾氣化廠就曾因發生多次安全事故而關停,包括:38 次原料旁路煙囪激活,200 多次違規超排的報告,2 次二惡英違規排放,100 多次短期超限通知。12 個月后重啟后,又出現 50 次旁路煙囪激活,3 次溫度過低,23 次氧氣不足,6 次二惡英違規排放,2 次氯化氫超出每日限值,1 次 NOX 超出每日限值,2 次重金屬超標,蒼蠅投訴 1 次,以及 2 次煙囪黑煙排放投訴等問題。基于此,德國現如今已經放棄了垃圾氣化商業化運作。據報道,在發現有毒氣體后,德國卡爾斯魯厄垃圾氣化設施在2000年被迫暫時關閉,運行期間出現過爆炸,高溫室混凝土由于腐蝕和高溫而產生裂縫,以及裝有含氰化物的廢水沉積池發生泄露的問題。另一個臭名昭著的案例是德國城市哈姆的一個垃圾氣化廠,2009年因煙囪坍塌而關閉,經分析后發現坍塌的原因是氣化原料與工藝不匹配以及煙囪內部溫度超出限制導致腐蝕。

垃圾作為氣化原料同樣有安全隱患。2003年8月,日本三重縣垃圾發電廠的圓筒形筒倉中儲存的垃圾衍生燃料(RDF)自燃,發生兩次爆炸,第一次導致四名工人受傷,第二次則掀掉了工廠屋頂并造成兩名消防員的死亡。無獨有偶,2003年9月日本大牟田市垃圾發電廠也發生了類似的垃圾衍生燃料(RDF)自燃事故,2003年10月石川縣又發生了一起。

三、垃圾氣化危害風險評估

(一)發生爐煤氣

氣化爐產生的易燃和有毒氣體,稱為“發生爐煤氣”,主要為一氧化碳和氫氣,濃度為 20%,還含有不同數量的焦油和焦炭顆粒,這些污染物會粘附或冷凝在反應器的后部表面,能直接燃燒,增加火災、爆炸和氣體泄漏風險。空氣中一氧化碳濃度超過 0.16% 就能在 2 小時內讓人死亡,超過1.28%則 1-3 分鐘就死了。因此,如果發生泄漏,發生爐煤氣中的一氧化碳足以在極短的時間內造成死亡。因此,氣化爐系統的氣密性很關鍵。

圖:兩種不同的氣化爐設計

(二)爆炸與火源

氣化爐不是壓力容器,由于氧氣進入或爐煤氣溢出而造成超壓和負壓的情況,都有可能讓機器發生爆炸。當氣化爐設備啟停,或間歇性運行時,發生火災、爆炸和有毒氣體泄漏的風險最大。當反應堆運行不暢時,發動機必須關閉以保護自己和其他部件免受有毒氣體的影響。因此,它立即在熱反應器中產生背壓,導致看似正常或氣密的系統快速釋放有毒和易燃的黃色煙霧。由于機器部件不是作為壓力容器設計的,因此在關機期間產生的壓力非常大,即使是經過預先測試并且沒有泄漏點的密閉氣化爐,也會發生氣體泄漏。因此,在啟停階段需要進一步評估風險。

(三)有毒化學物質

使用垃圾作為能源原料相比于化石燃料和生物質燃料來說,對工藝的挑戰更大。垃圾會由于氯含量高(來自塑料和含鹽的食物)在氣化過程形成二惡英和鹽酸,以及由于水分變化,和金屬及其他無機物的高占比會導致飛灰的產生。隨后,腐蝕、侵蝕、磨損和下游污染是主要問題。

由于氣化爐水中含有有機酸,所以在有冷凝物的地方可能會發生腐蝕。因此,濕式洗滌器和煙囪或者焦油水冷凝的地方存在腐蝕和焦油沉積的風險。不銹鋼會在高溫下被腐蝕,低碳鋼也一樣。

(四)焦油、煙灰與焦炭粉塵

許多氣化爐系統都采用了捕集水的技術來捕集焦油分子,因此必然會產生廢水。 在第二次世界大戰期間的瑞典,允許排入下水道的苯酚限值為10 g/m3(10mg/L),而氣化爐冷凝水或氣體冷卻系統內冷凝水的苯酚濃度為 1500-3000 mg/L。據稱,2003年,德國卡爾斯魯厄垃圾氣化廠在運營期間共向萊茵河排入廢水 12 萬立方米。

四、現代工業過程管理中垃圾氣化危害的反思

在垃圾氣化發展初期,火災和死亡事故發生次數因為教育和管理而有所減少。隨著專業技術的發展,氣化過程中有了三個總體要求來保持安全性和流程完整性,即:提升管理水平,全面了解工藝過程及其風險,并將技術保持在穩定的運行范圍內。

而現如今,一些企業嘗試商業化運作混合生活垃圾氣化則偏離了這些歷史戒律,導致風險系數增加,原因有兩個:一是試圖使氣化技術適應不同種類的垃圾原料,二是因為新穎性而被政府政策鼓勵以及吸引投資。更令人擔心的是,這些企業對氣化系統性能缺乏足夠了解,利益相關者更是對技術的理解不到位。

目前垃圾能源化利用行業偏好于自動化系統以及盡可能少的人員配置,通常通過數據采集與監控系統(SCADA)來進行遠程報警和不穩定性的早期檢測。除此之外,為了獲得更高的經濟回報,歐洲的工廠設計為 7X24 小時不間斷工作,并且每年的運營周期長達 333 天以上。而這些管理方式并不適合氣化技術。只有在有訓練有素的工作人員監督現場管理并留出足夠的維修時間時,氣化爐系統才能運作成功,減少安全事故的發生。

歐洲垃圾氣化工廠由能源/機械工程公司及其員工運營。經調查發現,這些在自己專業領域經驗豐富的人士在氣化方面的經驗卻很有限。

根據前文分析可知,啟停為氣化過程最危險的時刻。出于這個原因,應該特別關注啟動、關機和測試環節,同時要更加注意減輕有害化學物質的排放和避免爆炸性環境。這不僅需要合理的內部管理和操作程序,還需要一流的工廠設計。同時需要注意氣化原料的存儲,存儲過程中原料有自燃的風險,需要對存儲環境和存儲時間進行充分的火災風險評估。在垃圾氣化過程中,噪音也是一大污染,氣化爐系統的風機、煙囪、抽氣系統、發動機、渦輪機等都會產生噪音,因此必須通過隔音來降低噪音。最后,為了預防損失,認真了解近期及歷史上的安全事故是非常有必要的,這樣才能避免災難,減少傷亡,保護環境。

羅林森博士認為垃圾能源化利用行業如果要避免進一步的過程損失,就必須借鑒這些重大安全事故的經驗教訓,同時要做好風險評估。然而,目前的情況卻是由于不愿對安全事故進行披露或處理,缺乏對技術有足夠理解的利益相關方,政策和資本對新穎性的偏愛,加上超出自身技術能力的運營現狀,使得垃圾氣化的風險不斷加劇。

[1]:《過程工業損失預防雜志》是化學制品及其生產過程安全的國際性雜志。讀者對象主要是工業生產過程(包括散裝化學制品生產、油品煉制、石化產品、醫藥品、食品加工、農用化學品和特種化學制品等生產過程)的工程師、化學工程安全方面的學術界人士、保險公司的專家、立法團體和政府實驗室人員等。

文獻來源: Andrew N. Rollinson. Fire, explosion and chemical toxicity hazards of gasification energy from waste. Journal of Loss Prevention in the Process Industries. Volume 54, July 2018, Pages 273-280. 

翻譯:王玲   校對:夏志堅   編輯:何玲輝

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