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(shù)。然而歷史上，垃圾氣化發(fā)電發(fā)生過很多災(zāi)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(nèi)一家垃圾氣化發(fā)電廠發(fā)生爆炸，致使一名男子死于嚴(yán)重?zé)齻Ａ芎蟮?月25日，100 公里之外的諾丁漢郡另外一家垃圾發(fā)電廠內(nèi)，又有兩名男子因氣體爆炸受重傷。這使得垃圾行業(yè)成為英國最危險的行業(yè)之一。

而關(guān)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(xué)報《過程工業(yè)損失預(yù)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(fā)電有關(guān)的火災(zāi)、爆炸和化學(xué)毒性危害》（Fire, explosion and chemical toxicity hazards of gasification energy fromwaste）的文章。英國拉夫堡大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院安德魯·N·羅林森博士（Dr. Andrew N. Rollison）通過案例分析發(fā)現(xiàn)垃圾氣化發(fā)電廠有很高的安全風(fēng)險，比如會出現(xiàn)氣化爐起火、垃圾原料自燃、爆炸、二惡英等有毒廢氣的違規(guī)排放和污染廢水泄漏等等事故，為此他深感擔(dān)憂并認(rèn)為大多數(shù)人忽視了這些危害。而之后他也分析了垃圾氣化發(fā)電行業(yè)預(yù)防損失需面臨的工程挑戰(zhàn)。

一、垃圾如何氣化

作為垃圾能源化的一項技術(shù)，垃圾氣化早在19世紀(jì)70年代末就出現(xiàn)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(yè)最常見的技術(shù)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(yè)最常用的技術(shù)。

垃圾氣化則因技術(shù)限制無法進行商業(yè)規(guī)模運營，只能在添加了勻質(zhì)原料（即木質(zhì)纖維素生物質(zhì)、煤和焦炭）的小型反應(yīng)器中才能氣化為合成氣。盡管在上世紀(jì) 90 年代早期有過一波氣化熱，但是之后不斷出現(xiàn)的失敗案例讓學(xué)界更多地認(rèn)識了氣化這一技術(shù)的限制。許多技術(shù)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(shù)處理垃圾，幾乎能將垃圾中的有機物完全氣化并轉(zhuǎn)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?yōu)闊o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(fù)雜的反應(yīng)容器內(nèi)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(tài)產(chǎn)生重大影響，集中表現(xiàn)為工藝不穩(wěn)定性以及腐蝕性和有毒副產(chǎn)品的產(chǎn)生。氣化過程的核心是通常被稱為“氣化爐”的反應(yīng)系統(tǒng)，氣化爐依賴于一系列輔助組件來處理復(fù)雜的多相輸出。氣化過程中，所有的氣化爐都會產(chǎn)生焦油——一種酚類和多環(huán)芳烴的復(fù)雜混合物。焦油及其燃燒后產(chǎn)生的氣體對人體是有害的，會污染環(huán)境，也是生產(chǎn)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(xiàn)。

二、火災(zāi)、爆炸、有毒廢氣事故簡述

關(guān)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(fā)，發(fā)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?xì)獍l(fā)生器部門接到了 2865 起氣化爐火災(zāi)事故的報告。最嚴(yán)重時，1942年有四分之一的時間，每天發(fā)生四起氣化爐火災(zāi)。2013年8月，蘇格蘭登弗里斯垃圾氣化發(fā)電廠因火災(zāi)事故永久關(guān)閉。該工廠是英國環(huán)境、食品及鄉(xiāng)村事務(wù)部（DEFRA）垃圾能源化利用設(shè)備的商業(yè)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(xiàn)已關(guān)閉，其中最后一座在懷特島關(guān)閉，2017年英國政府放棄垃圾氣化，并將該工廠改建為傳統(tǒng)的大規(guī)模焚燒爐。在火災(zāi)發(fā)生前 16 個月，鄧弗里斯垃圾氣化廠就曾因發(fā)生多次安全事故而關(guān)停，包括：38 次原料旁路煙囪激活，200 多次違規(guī)超排的報告，2 次二惡英違規(guī)排放，100 多次短期超限通知。12 個月后重啟后，又出現(xiàn) 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(guī)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(biāo)，蒼蠅投訴 1 次，以及 2 次煙囪黑煙排放投訴等問題?；诖?，德國現(xiàn)如今已經(jīng)放棄了垃圾氣化商業(yè)化運作。據(jù)報道，在發(fā)現(xiàn)有毒氣體后，德國卡爾斯魯厄垃圾氣化設(shè)施在2000年被迫暫時關(guān)閉，運行期間出現(xiàn)過爆炸，高溫室混凝土由于腐蝕和高溫而產(chǎn)生裂縫，以及裝有含氰化物的廢水沉積池發(fā)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(guān)閉，經(jīng)分析后發(fā)現(xiàn)坍塌的原因是氣化原料與工藝不匹配以及煙囪內(nèi)部溫度超出限制導(dǎo)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(fā)電廠的圓筒形筒倉中儲存的垃圾衍生燃料（RDF）自燃，發(fā)生兩次爆炸，第一次導(dǎo)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(fā)電廠也發(fā)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(fā)生了一起。

三、垃圾氣化危害風(fēng)險評估

（一）發(fā)生爐煤氣

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

圖：兩種不同的氣化爐設(shè)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(fù)壓的情況，都有可能讓機器發(fā)生爆炸。當(dāng)氣化爐設(shè)備啟停，或間歇性運行時，發(fā)生火災(zāi)、爆炸和有毒氣體泄漏的風(fēng)險最大。當(dāng)反應(yīng)堆運行不暢時，發(fā)動機必須關(guān)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(yīng)器中產(chǎn)生背壓，導(dǎo)致看似正?；驓饷艿南到y(tǒng)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(shè)計的，因此在關(guān)機期間產(chǎn)生的壓力非常大，即使是經(jīng)過預(yù)先測試并且沒有泄漏點的密閉氣化爐，也會發(fā)生氣體泄漏。因此，在啟停階段需要進一步評估風(fēng)險。

（三）有毒化學(xué)物質(zhì)

使用垃圾作為能源原料相比于化石燃料和生物質(zhì)燃料來說，對工藝的挑戰(zhàn)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(dǎo)致飛灰的產(chǎn)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(fā)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(fēng)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(tǒng)都采用了捕集水的技術(shù)來捕集焦油分子，因此必然會產(chǎn)生廢水。 在第二次世界大戰(zhàn)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(tǒng)內(nèi)冷凝水的苯酚濃度為 1500-3000 mg/L。據(jù)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(xiàn)代工業(yè)過程管理中垃圾氣化危害的反思

在垃圾氣化發(fā)展初期，火災(zāi)和死亡事故發(fā)生次數(shù)因為教育和管理而有所減少。隨著專業(yè)技術(shù)的發(fā)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(fēng)險，并將技術(shù)保持在穩(wěn)定的運行范圍內(nèi)。

而現(xiàn)如今，一些企業(yè)嘗試商業(yè)化運作混合生活垃圾氣化則偏離了這些歷史戒律，導(dǎo)致風(fēng)險系數(shù)增加，原因有兩個：一是試圖使氣化技術(shù)適應(yīng)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(dān)心的是，這些企業(yè)對氣化系統(tǒng)性能缺乏足夠了解，利益相關(guān)者更是對技術(shù)的理解不到位。

目前垃圾能源化利用行業(yè)偏好于自動化系統(tǒng)以及盡可能少的人員配置，通常通過數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）來進行遠(yuǎn)程報警和不穩(wěn)定性的早期檢測。除此之外，為了獲得更高的經(jīng)濟回報，歐洲的工廠設(shè)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(shù)。只有在有訓(xùn)練有素的工作人員監(jiān)督現(xiàn)場管理并留出足夠的維修時間時，氣化爐系統(tǒng)才能運作成功，減少安全事故的發(fā)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(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，這些在自己專業(yè)領(lǐng)域經(jīng)驗豐富的人士在氣化方面的經(jīng)驗卻很有限。

根據(jù)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(yīng)該特別關(guān)注啟動、關(guān)機和測試環(huán)節(jié)，同時要更加注意減輕有害化學(xué)物質(zhì)的排放和避免爆炸性環(huán)境。這不僅需要合理的內(nèi)部管理和操作程序，還需要一流的工廠設(shè)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(fēng)險，需要對存儲環(huán)境和存儲時間進行充分的火災(zāi)風(fēng)險評估。在垃圾氣化過程中，噪音也是一大污染，氣化爐系統(tǒng)的風(fēng)機、煙囪、抽氣系統(tǒng)、發(fā)動機、渦輪機等都會產(chǎn)生噪音，因此必須通過隔音來降低噪音。最后，為了預(yù)防損失，認(rèn)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(zāi)難，減少傷亡，保護環(huán)境。

羅林森博士認(rèn)為垃圾能源化利用行業(yè)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(jīng)驗教訓(xùn)，同時要做好風(fēng)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(shù)有足夠理解的利益相關(guān)方，政策和資本對新穎性的偏愛，加上超出自身技術(shù)能力的運營現(xiàn)狀，使得垃圾氣化的風(fēng)險不斷加劇。

[1]：《過程工業(yè)損失預(yù)防雜志》是化學(xué)制品及其生產(chǎn)過程安全的國際性雜志。讀者對象主要是工業(yè)生產(chǎn)過程（包括散裝化學(xué)制品生產(chǎn)、油品煉制、石化產(chǎn)品、醫(yī)藥品、食品加工、農(nóng)用化學(xué)品和特種化學(xué)制品等生產(chǎn)過程）的工程師、化學(xué)工程安全方面的學(xué)術(shù)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.

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