觀點|火災、爆炸、有毒化學物質洩露 你所不知道的垃圾氣化發電

北極星固廢網訊: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裡內一家垃圾氣化發電廠發生爆炸，致使一名男子死於嚴重燒傷。六周後的9月25日，100 公裡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。

而關於這些過程性失敗的原因和分析的研究卻並不充分。

2018年4月，國際性學報《過程工業損失預防雜誌》（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。英國拉夫堡大學建築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汙染廢水洩漏等等事故，為此他深感擔憂並認為大多數人忽視了這些危害。而之後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年代之後，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。儘管這樣，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。儘管在上世紀 90 年代早期有過一波氣化熱，但是之後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。

採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並轉化為合成氣（主要為一氧化碳和氫氣）並加以利用，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，同時需讓複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，氣化爐依賴於一系列輔助組件來處理複雜的多相輸出。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複雜混合物。焦油及其燃燒後產生的氣體對人體是有害的，會汙染環境，也是生產線汙染物。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（溫度高於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

關於氣化爐安全問題的探討始於1939-1944年，主要集中於挪威、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，蘇格蘭登弗裡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，其中最後一座在懷特島關閉，2017年英國政府放棄垃圾氣化，並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，鄧弗裡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 個月後重啟後，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。基於此，德國現如今已經放棄了垃圾氣化商業化運作。據報導，在發現有毒氣體後，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，高溫室混凝土由於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洩露的問題。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，經分析後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並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，這些汙染物會粘附或冷凝在反應器的後部表面，能直接燃燒，增加火災、爆炸和氣體洩漏風險。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，如果發生洩漏，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，由於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、爆炸和有毒氣體洩漏的風險最大。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。由於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並且沒有洩漏點的密閉氣化爐，也會發生氣體洩漏。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於化石燃料和生物質燃料來說，對工藝的挑戰更大。垃圾會由於氯含量高（來自塑料和含鹽的食物）在氣化過程形成二惡英和鹽酸，以及由於水分變化，和金屬及其他無機物的高佔比會導致飛灰的產生。隨後，腐蝕、侵蝕、磨損和下遊汙染是主要問題。

由於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，溼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。不鏽鋼會在高溫下被腐蝕，低碳鋼也一樣。

（四）焦油、菸灰與焦炭粉塵

許多氣化爐系統都採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。

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