环境科学  2020, Vol. 41 Issue (9): 3985-3992   PDF    
引用本文
赵思岚, 奚鹏飞, 郭凤艳, 邓双, 贾建丽. 垃圾焚烧烟气中二()英控制技术的评估与筛选[J]. 环境科学, 2020, 41(9): 3985-3992.
ZHAO Si-lan, XI Peng-fei, GUO Feng-yan, DENG Shuang, JIA Jian-li. Evaluation and Screening of Dioxin Control Technology in Waste Incineration Flue Gas[J]. Environmental Science, 2020, 41(9): 3985-3992.
垃圾焚烧烟气中二()英控制技术的评估与筛选
赵思岚1,2, 奚鹏飞3, 郭凤艳2, 邓双2, 贾建丽1     
1. 中国矿业大学化学与环境工程学院, 北京 100083;
2. 中国环境科学研究院, 北京 100012;
3. 重庆紫光化工股份有限公司, 重庆 401121
收稿日期: 2020-02-23; 修订日期: 2020-03-28
基金项目: 国家重点研发计划项目(2016YFC0209201)
作者简介: 赵思岚(1996~), 女, 硕士研究生, 主要研究方向为大气污染防控, E-mail:823166010@qq.com
通信作者: 邓双, E-mail:dengshuang@craes.org.cn
摘要: 采用模糊综合评价法与层次分析法(AHP)相结合，建立以环境、经济和技术为一级指标的3层综合评价指标体系，对初步筛选出的双布袋活性炭吸附技术、硫及硫化合物抑制技术和硫及硫化合物抑制技术+活性炭固定床反应器技术等10项垃圾焚烧烟气中二()英控制技术或技术组合进行了综合评估.结果表明，硫及硫化合物抑制技术+活性炭固定床反应器技术组合综合得分最高(0.4831)，为目前垃圾焚烧烟气中二()英最佳控制技术.鉴于目前我国部分农村生活垃圾焚烧炉烟气中二()英排放不达标的情况，建议分布于农村的小型垃圾焚烧炉优先考虑采用此技术组合.我国各地区的垃圾焚烧企业可根据本地的经济发展水平、企业规模、炉型和工艺等实际情况，采用本文建立的指标评价体系和评估方法进行控制技术评估，筛选出适合本企业的最佳二()英控制技术，以有效控制我国垃圾焚烧二()英排放.
关键词: 垃圾焚烧      二()英      技术评估      模糊综合评价      层次分析法(AHP)     
Evaluation and Screening of Dioxin Control Technology in Waste Incineration Flue Gas
ZHAO Si-lan1,2 , XI Peng-fei3 , GUO Feng-yan2 , DENG Shuang2 , JIA Jian-li1     
1. School of Chemistry and Environmental Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing 100083, China;
2. Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China;
3. Chongqing Purple Light Chemical Co., Chongqing 401121, China
Abstract: To determine the best control technology for dioxin in waste incineration flue gas, a three-level comprehensive evaluation index system with environment, economy, and technology as the first-level indexes was constructed. The fuzzy comprehensive evaluation method and the analytic hierarchy process (AHP) were used to evaluate ten dioxin pollution control technologies or technology groups including "double bag activated carbon adsorption technology, " "sulfur and sulfide inhibition technology, " and "sulfur and sulfide inhibition technology+activated carbon fixed bed reactor technology". The "sulfur and sulfur compound inhibition technology+activated carbon fixed bed technology" scored the highest, and thus is currently the best control technology for dioxin pollution in waste incineration exhaust gas. This technology is suitable for small rural waste incinerators to ensure that dioxin emissions meet the standards. Depending on the local economic development level, enterprise scale, furnace profile, and technological process, waste incineration enterprises in various regions of China can adopt this index evaluation system and method to evaluate the dioxin control technologies and select the best one suitable for the enterprise so that dioxin emissions in the waste incineration flue gas can be effectively controlled.
Key words: waste incineration      dioxins      technology evaluation      fuzzy comprehensive evaluation      analytic hierarchy process (AHP)     

随着城镇化进程的推进和人民生活水平的提高, 我国城市生活垃圾的产生量也在不断增加.据国家统计年鉴显示[1], 从2009~2018年, 我国城市生活垃圾清运量从15734万t猛增至22802万t, “垃圾围城”的现象引发社会关注.目前我国生活垃圾的无害化处理方式主要有填埋、堆肥和焚烧等, 其中垃圾焚烧因其无害化、资源化和减量化处理程度较高, 逐渐成为我国生活垃圾无害化处理的主流技术.截至2018年, 我国城市生活垃圾处理方式中焚烧占比高达47.6%, 垃圾焚烧厂数量已经高达331个, 此外广大的农村地区还建有大量的小型焚烧炉分散处理生活垃圾.然而垃圾焚烧在解决垃圾围城问题的同时, 也带来大气污染等环境问题, 其中垃圾焚烧产生的二英因具有极强的毒性而备受关注[2~4].自2002年1月起, 我国对生活垃圾焚烧烟气执行《生活垃圾焚烧污染控制标准》(GB 18485-2001)[5], 规定二英的排放限值(以I-TEQ计, 下同)为1.0 ng·m-3; 2014年第二次修订, 加严了二英排放限值为0.1 ng·m-3.雷鸣等[6]现场采样分析4个农村生活垃圾焚烧炉烟气中二英毒性浓度为1.15~24.88 ng·m-3, 明显高于国家标准.因此, 如何确保我国垃圾焚烧烟气中二英的达标排放是目前生活垃圾焚烧处理面临的重要问题.

垃圾焚烧烟气中二英控制技术较多, 但处理能力与处理效果却参差不齐, 因此需对现有的二英控制技术进行评估, 以筛选出综合考虑环境、经济和技术因素的最佳控制技术.近年来, 国内外学者对大气污染物控制技术评估研究主要集中在火电厂排放的二氧化硫、氮氧化物和颗粒物[7~10]等常规大气污染物, 而对于二英这种非常规污染物还未开展控制技术的评估.因此, 本文拟采用模糊综合评价法及层次分析法对现有的垃圾焚烧烟气中二英控制技术进行评估, 以期为我国不同规模、炉型和工艺等条件下垃圾焚烧烟气中二英控制技术的选择提供有力支撑, 从而有效控制我国垃圾焚烧二英排放.

1 方法与路线

技术评估的步骤一般包括[11]: ①初步筛选参评技术; ②确定评估方法及模型; ③构建评估指标体系; ④确定指标权重并量化; ⑤计算待评技术综合得分; ⑥得出综合评价结果(评估流程如图 1所示).其中确定评估方法及模型是整个评估流程的关键一步, 技术评估方法目前主要有模糊综合评价法、多目标规划法和灰色关联分析法等.其中模糊综合评价法应用最为广泛, 是一种以模糊数学理论为基础的评价方法, 具有结果清晰, 系统性强的特点, 能较好地解决模糊的、难以量化的问题[12~14].层次分析法(analytic hierarchy process, AHP)是美国运筹学家Satty提出的一种定性与定量相结合的多目标决策方法, 适用于具有分层交错评价指标的目标系统, 且目标值又难于定量描述的决策问题[15~17], 可用于指标权重的确定.考虑到二英控制技术评估指标具有多元化、多层次和模糊因素较多等特点, 本文拟采用模糊综合分析法与AHP相结合对现有的垃圾焚烧烟气中二英控制技术进行评估.

图 1 技术评估流程示意 Fig. 1 Flow chart of technical assessment

2 技术评估 2.1 技术初选

目前垃圾焚烧烟气二英的控制技术可分为3类:焚烧前源头控制、焚烧中过程控制和焚烧后末端控制[18].焚烧前可通过调节垃圾中氯元素及水分含量遏制二英的源头合成.焚烧过程中可通过控制燃烧条件, 尽量保证垃圾充分燃烧以减少二英的炉内合成[19]; 也可通过向炉内投加无机抑制剂来抑制二英的产生.目前能对二英起抑制作用的无机抑制剂主要有硫及硫化合物、氮化合物和碱性化合物[20], 有研究表明硫及硫化合物对二英的抑制能力明显高于其它两类化合物[21, 22].焚烧后烟气温度降到200~500℃时[23], 很容易在炉外再次合成二英, 此阶段为主要产生阶段.

传统末端烟气控制技术主要包括:活性炭吸附工艺、新型布袋除尘工艺和催化还原工艺等.常见的活性炭吸附工艺有移动床反应器、固定床反应器及活性炭喷射技术3种类型, 其中移动床和固定床一般安装在布袋除尘器之后, 而活性炭喷射通常与布袋除尘配套使用[24, 25].新型布袋除尘工艺主要包括双布袋活性炭吸附技术和催化滤布技术:双布袋活性炭吸附技术是在第一个布袋除尘器之后喷入活性炭吸附气相二英, 随之被第二个布袋除尘器捕集, 通过气力输送重新喷入管道中[26]; 催化滤布技术是一种将催化分解与布袋除尘相结合的技术, 即把催化剂附着在过滤膜上, 实现烟气中二英的捕集与分解[27].选择性催化还原(SCR)技术在脱硝同时去除二英[28].此外, 还有光催化氧化降解技术[29]和低温等离子体技术[30].目前垃圾焚烧烟气中二英控制技术的基本情况如表 1所示.

表 1 垃圾焚烧烟气中二英控制技术 Table 1 Dioxin control technology in waste incineration flue gas

根据二英去除效率是否达到90%以上以及应用前景等因素, 初步筛选出:双布袋活性炭吸附技术(T1)、硫及硫化合物抑制技术(T2)、催化滤布技术(T3)、活性炭固定床反应器技术(T4)、光催化氧化降解技术(T5)、硫及硫化合物抑制技术+双布袋活性炭吸附技术(T6)、硫及硫化合物抑制技术+光催化氧化降解技术(T7)、硫及硫化合物抑制技术+活性炭喷射技术(T8)、硫及硫化合物抑制技术+催化滤布技术(T9)和硫及硫化合物抑制技术+活性炭固定床反应器技术(T10)共10项技术或技术组合进行评估.

2.2 评价指标体系的构建

借鉴火电厂脱硫脱硝技术评估的指标体系[7~9], 并结合二英控制技术的特点, 构建了由环境、经济和技术组成的3层综合评价指标体系, 如图 2所示.

图 2 二英控制技术评估指标体系 Fig. 2 Dioxin control technology evaluation index system

2.3 评价指标的量化

指标量化的目的是为了消除各指标评估等级和量纲的差异, 从而便于对不同待评技术进行综合比较.量化方法采用等级赋值法, 通过文献调研和20位专家(涉及二英控制技术研发、技术评估、能源和工程设备制造等领域)评分的方式, 对不同控制技术的某项指标进行分级和原始赋值.以二英的排放浓度为例, 分为低、较低、中、较高和高5个等级, 原始赋值分别对应4~5、3~4、2~3、1~2和0~1.然后将各指标量化值按照式(1)计算得分, 待评技术的各指标量化结果如表 2所示.

(1)
表 2 指标量化结果1) Table 2 Quantitative values of indicators

式中, ui表示经过等级赋值法变换后第i项指标的分值, 取值范围为[0, 1]; xi表示第i项指标的原始赋值.指标分值越大, 性能越好.

2.4 指标权重的确定

各指标权重数值直接影响评价结果的合理性, 本文通过专家调查问卷的方法得到各指标权重如表 3所示, 在此基础上利用AHP确定各评价指标的权重.

表 3 垃圾焚烧烟气中二英控制技术指标权重专家问卷调查结果 Table 3 Results of questionnaire survey on the index weight of dioxin control technology in waste incineration flue gas

判断矩阵反映了本层次有关因素对上一层次某个相关因素的重要性, 是决策的基本依据.参考专家调查问卷得到的指标权重值, 构造每个指标层的两两判断矩阵, 计算特征向量, 并对其进行一致性检验.根据判别矩阵运算结果, 可计算各个指标的权重值.

以环境、经济和技术三个一级指标为例, 设环境、经济和技术的关系矩阵:

将矩阵归一化:

计算可得最大特征根λmax=3.094, 单位向量为[0.5400, 0.3000, 0.1600]T, 验证CR=0.0079 < 0.1, 故满足一致性, 判断矩阵构建合理, 其中环境、经济及技术的3个一级指标权重分别为0.5400、0.3000和0.1600.

设环境指标下的二级指标“对周围环境的影响、协同效益和二英脱除效果关系矩阵”为:

将矩阵归一化:

计算可得最大特征根λmax=3.094, 单位向量[0.3000, 0.1600, 0.5400]T, 验证CR=0.0079 < 0.1, 故满足一致性, 判断矩阵构建合理, 该指标层占上一层指标的权重分别为0.3000、0.1600和0.5400.其最终权重值需用上一层的指标权重(环境指标)乘以该指标在该层所占权重值, 即0.1620、0.0864和0.2916.

其余矩阵构造及判别方法依次类推, 参考专家评判通过AHP法构建矩阵所计算的权重值如表 4所示.

表 4 垃圾焚烧烟气中二英控制技术指标权重结果 Table 4 Indicators of dioxin control technology in waste incineration flue gas

3 评估结果与讨论 3.1 综合评价结果

将表 2中的各指标最终得分和表 4中权重值代入公式(2)计算得到各技术综合得分Ej, 如表 5所示.

(2)
表 5 垃圾焚烧烟气中二英污染控制技术综合评估结果 Table 5 Comprehensive assessment results of dioxin pollution control technology for waste incineration flue gas

式中, Eij表示第i项指标下第j种技术的得分, Di表示第i项指标的权重, 其中1≤i≤15, 1≤j≤10, i和j均为整数.

由表 5可见, 各技术综合得分由高到低的顺序为:T10>T2>T9>T3>T4>T8>T7>T1>T5>T6.T10的综合评分为0.4831, 是最高的, 为目前垃圾焚烧烟气中二英最佳控制技术.

3.2 权重敏感性分析

权重敏感性分析是指从定量分析的角度调整指标权重对评价结果的影响, 从而做出更高层次的决策[15].本文在采用AHP法确定权重时, 当分别强调环境、经济和技术指标时, 将3项一级指标的相对权重对应调整为w1=(0.6, 0.2, 0.2)、w2=(0.2, 0.6, 0.2)和w3=(0.2, 0.2, 0.6), 各二层及三层指标权重按比例随之变化, 评价结果分别如图 3~5所示.

图 3 强调环境因素的综合评价结果 Fig. 3 Technology assessment results emphasizing environment performance

图 4 强调经济因素的综合评价结果 Fig. 4 Technology assessment results emphasizing economic performance

图 5 强调技术因素的综合评价结果 Fig. 5 Technology assessment results emphasizing technological performance

由图 3可见, 当优先考虑环境因素时, T10对环境最为友好, 且综合得分最高, 与综合评估时得出的结果一致, 这主要是因为目前人们生活水平提高了, 对环境的要求越来越高, 在综合评估时设置的环境指标权重较高(0.54)与优先考虑环境性能时设置的环境指标权重(0.60)接近.当优先考虑经济因素时, T2为经济性最佳控制技术(如图 4), 而T6、T7、T9和T10技术组合经济成本较高, 所以得分较低, 与实际情况相符.当优先考虑技术因素时, T1、T2和T3综合得分比较接近, 都比较高(如图 5).总体来说, 单一技术比技术组合的综合得分高, 表明技术越复杂其稳定性、成熟度和可升级性降低, 导致综合得分降低.综上所述, 这些评估结果符合我国现阶段的实际情况, 表明本文建立的评价指标体系及评价方法具有较强的科学性和合理性.

硫及硫化合物抑制技术+活性炭固定床反应器技术组合广泛应用于危险废物焚烧处置设施, 尤其是比利时、德国和荷兰应用较多[35].虽然目前国内广泛使用的二英控制技术为活性炭喷射技术+布袋除尘技术[25], 但固定床反应器比活性炭喷射技术的接触时间长, 且结合硫及硫化合物抑制技术可进一步提高了二英去除效率.鉴于目前我国部分农村生活垃圾焚烧炉烟气中二英不达标排放的情况[6, 24], 建议分布于农村的小型垃圾焚烧炉优先考虑采用此技术组合.

活性炭吸附技术只是将烟气中的二英从气相中转移到固相吸附剂中, 并没有实现真正降解, 经过布袋捕集后的活性炭还需要进一步按危废进行处置, 增加了污染控制成本.而催化降解技术可以克服这一弊端使二英实现彻底降解, 具有一定的市场应用潜力.硫及硫化合物抑制技术+催化滤布技术组合综合评估得分也较高, 仅次于硫及硫化合物抑制技术+活性炭固定床反应器技术组合, 表明通过控制燃烧过程从源头抑制二英合成, 结合末端烟气催化分解实现二英的彻底去除将成为未来二英控制技术的一个发展趋势.由此可见, 我国各地区的垃圾焚烧企业可根据本地的经济发展水平、企业规模、炉型和工艺等实际情况, 采用本文建立的指标评价体系和评价方法进行控制技术评估, 筛选出适合本企业的最佳二英控制技术, 以有效控制我国垃圾焚烧烟气二英排放.

4 结论

(1) 建立了包括环境、经济和技术一级评价指标和二英排放浓度、二次污染等3层共22项评价指标体系; 敏感性分析结果表明指标体系和评价方法具有科学性和合理性.

(2) 硫及硫化合物抑制技术+活性炭固定床反应器技术综合得分最高(0.4831), 为目前垃圾焚烧烟气中二英污染最佳控制技术.优先考虑技术和经济因素时, 硫及硫化合物抑制技术为最佳技术; 而优先考虑环境因素时, 硫及硫化合物抑制技术+活性炭固定床反应器技术为垃圾焚烧烟气二英最佳控制技术.

(3) 鉴于目前我国部分农村生活垃圾焚烧炉烟气中二英不达标排放的情况, 建议分布于农村的小型垃圾焚烧炉优先考虑采用硫及硫化合物抑制技术+活性炭固定床反应器技术组合.

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