火灾、爆炸、有毒化学物质泄露,你所不知道的垃圾气化发电

 

垃圾焚烧常常因其二噁英、飞灰及其固有的侵蚀酸腐磨损特性被诟病。有很多人就看上了垃圾气化技术。然而历史上,垃圾气化发电发生过很多灾难性事故。最近的两次为,2017年8月7日,英国西米德兰兹郡奥尔德伯里内一家垃圾气化发电厂发生爆炸,致使一名男子死于严重烧伤。六周后的9月25日,100 公里之外的诺丁汉郡另外一家垃圾发电厂内,又有两名男子因气体爆炸受重伤。这使得垃圾行业成为英国最危险的行业之一。

而关于这些过程性失败的原因和分析的研究却并不充分。

2018年4月,国际性学报《过程工业损失预防杂志》(Journal of Loss Preventionin the Process Industries)[1] 刊登了一篇文章名为《与垃圾气化发电有关的火灾、爆炸和化学毒性危害》(Fire, explosion and chemical toxicity hazards of gasification energy fromwaste)的文章。英国拉夫堡大学建筑与土木工程学院安德鲁·N·罗林森博士(Dr. Andrew N. Rollison)通过案例分析发现垃圾气化发电厂有很高的安全风险,比如会出现气化炉起火、垃圾原料自燃、爆炸、二恶英等有毒废气的违规排放和污染废水泄漏等等事故,为此他深感担忧并认为大多数人忽视了这些危害。而之后他也分析了垃圾气化发电行业预防损失需面临的工程挑战。

一、垃圾如何气化

作为垃圾能源化的一项技术,垃圾气化早在19世纪70年代末就出现了,它与垃圾焚烧属性差不多。1960年代之后,因垃圾填埋成本高和且填埋空间有限,垃圾焚烧是垃圾能源化工业最常见的技术选择。但垃圾焚烧常常因其二噁英、飞灰及其固有的侵蚀酸腐磨损特性被诟病。尽管这样,垃圾焚烧仍然是垃圾能源化行业最常用的技术。

垃圾气化则因技术限制无法进行商业规模运营,只能在添加了匀质原料(即木质纤维素生物质、煤和焦炭)的小型反应器中才能气化为合成气。尽管在上世纪 90 年代早期有过一波气化热,但是之后不断出现的失败案例让学界更多地认识了气化这一技术的限制。许多技术报告揭示了即使在拥有生活垃圾气化站最多的日本,每气化 1000 吨垃圾除了添加石灰石外,还需添加 100 吨煤。

采用垃圾气化技术处理垃圾,几乎能将垃圾中的有机物完全气化并转化为合成气(主要为一氧化碳和氢气)并加以利用,而无机物则可变为无害的玻璃体灰渣。在此过程中,要从原料中排除氧气,同时需让复杂的反应容器内保持高温。一百多年的研究表明,温度和氧含量的微小变化会对气化过程运行状态产生重大影响,集中表现为工艺不稳定性以及腐蚀性和有毒副产品的产生。气化过程的核心是通常被称为“气化炉”的反应系统,气化炉依赖于一系列辅助组件来处理复杂的多相输出。气化过程中,所有的气化炉都会产生焦油——一种酚类和多环芳烃的复杂混合物。焦油及其燃烧后产生的气体对人体是有害的,会污染环境,也是生产线污染物。近三十年研究表明,消除焦油的办法是无催化剂的情况下高温(温度高于1100°C)裂解,而此温度无法在气化炉中实现。

二、火灾、爆炸、有毒废气事故简述

关于气化炉安全问题的探讨始于1939-1944年,主要集中于挪威、瑞典、德国和美国等国。那时气化炉问题频发,发生了众多伤亡事故。例如瑞典,1939-1945年期间,瑞典国家燃料局的燃气发生器部门接到了 2865 起气化炉火灾事故的报告。最严重时,1942年有四分之一的时间,每天发生四起气化炉火灾。2013年8月,苏格兰登弗里斯垃圾气化发电厂因火灾事故永久关闭。该工厂是英国环境、食品及乡村事务部(DEFRA)垃圾能源化利用设备的商业化运作研究报告中的四个案例研究之一,该报告中的所有工厂现已关闭,其中最后一座在怀特岛关闭,2017年英国政府放弃垃圾气化,并将该工厂改建为传统的大规模焚烧炉。在火灾发生前 16 个月,邓弗里斯垃圾气化厂就曾因发生多次安全事故而关停,包括:38 次原料旁路烟囱激活,200 多次违规超排的报告,2 次二恶英违规排放,100 多次短期超限通知。12 个月后重启后,又出现 50 次旁路烟囱激活,3 次温度过低,23 次氧气不足,6 次二恶英违规排放,2 次氯化氢超出每日限值,1 次 NOX 超出每日限值,2 次重金属超标,苍蝇投诉 1 次,以及 2 次烟囱黑烟排放投诉等问题。基于此,德国现如今已经放弃了垃圾气化商业化运作。据报道,在发现有毒气体后,德国卡尔斯鲁厄垃圾气化设施在2000年被迫暂时关闭,运行期间出现过爆炸,高温室混凝土由于腐蚀和高温而产生裂缝,以及装有含氰化物的废水沉积池发生泄露的问题。另一个臭名昭著的案例是德国城市哈姆的一个垃圾气化厂,2009年因烟囱坍塌而关闭,经分析后发现坍塌的原因是气化原料与工艺不匹配以及烟囱内部温度超出限制导致腐蚀。

垃圾作为气化原料同样有安全隐患。2003年8月,日本三重县垃圾发电厂的圆筒形筒仓中储存的垃圾衍生燃料(RDF)自燃,发生两次爆炸,第一次导致四名工人受伤,第二次则掀掉了工厂屋顶并造成两名消防员的死亡。无独有偶,2003年9月日本大牟田市垃圾发电厂也发生了类似的垃圾衍生燃料(RDF)自燃事故,2003年10月石川县又发生了一起。

三、垃圾气化危害风险评估

(一)发生炉煤气

气化炉产生的易燃和有毒气体,称为“发生炉煤气”,主要为一氧化碳和氢气,浓度为 20%,还含有不同数量的焦油和焦炭颗粒,这些污染物会粘附或冷凝在反应器的后部表面,能直接燃烧,增加火灾、爆炸和气体泄漏风险。空气中一氧化碳浓度超过 0.16% 就能在 2 小时内让人死亡,超过1.28%则 1-3 分钟就死了。因此,如果发生泄漏,发生炉煤气中的一氧化碳足以在极短的时间内造成死亡。因此,气化炉系统的气密性很关键。

图:两种不同的气化炉设计

(二)爆炸与火源

气化炉不是压力容器,由于氧气进入或炉煤气溢出而造成超压和负压的情况,都有可能让机器发生爆炸。当气化炉设备启停,或间歇性运行时,发生火灾、爆炸和有毒气体泄漏的风险最大。当反应堆运行不畅时,发动机必须关闭以保护自己和其他部件免受有毒气体的影响。因此,它立即在热反应器中产生背压,导致看似正常或气密的系统快速释放有毒和易燃的黄色烟雾。由于机器部件不是作为压力容器设计的,因此在关机期间产生的压力非常大,即使是经过预先测试并且没有泄漏点的密闭气化炉,也会发生气体泄漏。因此,在启停阶段需要进一步评估风险。

(三)有毒化学物质

使用垃圾作为能源原料相比于化石燃料和生物质燃料来说,对工艺的挑战更大。垃圾会由于氯含量高(来自塑料和含盐的食物)在气化过程形成二恶英和盐酸,以及由于水分变化,和金属及其他无机物的高占比会导致飞灰的产生。随后,腐蚀、侵蚀、磨损和下游污染是主要问题。

由于气化炉水中含有有机酸,所以在有冷凝物的地方可能会发生腐蚀。因此,湿式洗涤器和烟囱或者焦油水冷凝的地方存在腐蚀和焦油沉积的风险。不锈钢会在高温下被腐蚀,低碳钢也一样。

(四)焦油、烟灰与焦炭粉尘

许多气化炉系统都采用了捕集水的技术来捕集焦油分子,因此必然会产生废水。 在第二次世界大战期间的瑞典,允许排入下水道的苯酚限值为10 g/m3(10mg/L),而气化炉冷凝水或气体冷却系统内冷凝水的苯酚浓度为 1500-3000 mg/L。据称,2003年,德国卡尔斯鲁厄垃圾气化厂在运营期间共向莱茵河排入废水 12 万立方米。

四、现代工业过程管理中垃圾气化危害的反思

在垃圾气化发展初期,火灾和死亡事故发生次数因为教育和管理而有所减少。随着专业技术的发展,气化过程中有了三个总体要求来保持安全性和流程完整性,即:提升管理水平,全面了解工艺过程及其风险,并将技术保持在稳定的运行范围内。

而现如今,一些企业尝试商业化运作混合生活垃圾气化则偏离了这些历史戒律,导致风险系数增加,原因有两个:一是试图使气化技术适应不同种类的垃圾原料,二是因为新颖性而被政府政策鼓励以及吸引投资。更令人担心的是,这些企业对气化系统性能缺乏足够了解,利益相关者更是对技术的理解不到位。

目前垃圾能源化利用行业偏好于自动化系统以及尽可能少的人员配置,通常通过数据采集与监控系统(SCADA)来进行远程报警和不稳定性的早期检测。除此之外,为了获得更高的经济回报,欧洲的工厂设计为 7X24 小时不间断工作,并且每年的运营周期长达 333 天以上。而这些管理方式并不适合气化技术。只有在有训练有素的工作人员监督现场管理并留出足够的维修时间时,气化炉系统才能运作成功,减少安全事故的发生。

欧洲垃圾气化工厂由能源/机械工程公司及其员工运营。经调查发现,这些在自己专业领域经验丰富的人士在气化方面的经验却很有限。

根据前文分析可知,启停为气化过程最危险的时刻。出于这个原因,应该特别关注启动、关机和测试环节,同时要更加注意减轻有害化学物质的排放和避免爆炸性环境。这不仅需要合理的内部管理和操作程序,还需要一流的工厂设计。同时需要注意气化原料的存储,存储过程中原料有自燃的风险,需要对存储环境和存储时间进行充分的火灾风险评估。在垃圾气化过程中,噪音也是一大污染,气化炉系统的风机、烟囱、抽气系统、发动机、涡轮机等都会产生噪音,因此必须通过隔音来降低噪音。最后,为了预防损失,认真了解近期及历史上的安全事故是非常有必要的,这样才能避免灾难,减少伤亡,保护环境。

罗林森博士认为垃圾能源化利用行业如果要避免进一步的过程损失,就必须借鉴这些重大安全事故的经验教训,同时要做好风险评估。然而,目前的情况却是由于不愿对安全事故进行披露或处理,缺乏对技术有足够理解的利益相关方,政策和资本对新颖性的偏爱,加上超出自身技术能力的运营现状,使得垃圾气化的风险不断加剧。

[1]:《过程工业损失预防杂志》是化学制品及其生产过程安全的国际性杂志。读者对象主要是工业生产过程(包括散装化学制品生产、油品炼制、石化产品、医药品、食品加工、农用化学品和特种化学制品等生产过程)的工程师、化学工程安全方面的学术界人士、保险公司的专家、立法团体和政府实验室人员等。

文献来源: 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. 

翻译:王玲   校对:夏志坚   编辑:何玲辉

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