城市生活垃圾固體回收燃料在中國(guó)發(fā)展前景分析

固體回收燃料是指從非危險(xiǎn)廢棄物中制備而成的，用于在焚燒廠(chǎng)或協(xié)同焚燒設(shè)施內(nèi)以實(shí)現(xiàn)能量回收再利用。2017年我國(guó)城市生活垃圾清運(yùn)量達(dá)到2.15億t，比2016年增加5.9%，從生活垃圾無(wú)害化處置角度來(lái)看，目前我國(guó)無(wú)害化處置能力約為67.99萬(wàn)t/d，年處理量約為2.1億t，無(wú)害化處置率97.67 %。其中焚燒處理是我國(guó)生活垃圾無(wú)害化處理的主要方式之一。爐排爐和流化床鍋爐是目前生活垃圾焚燒處理的兩大主流技術(shù)，兩者占垃圾焚燒發(fā)電市場(chǎng)的比重合計(jì)達(dá)到95 %以上，其中爐排爐占比75 %，流化床占比20 %，可以看出，爐排爐技術(shù)逐步占據(jù)我國(guó)垃圾焚燒處理方式的主導(dǎo)地位。但爐排爐焚燒的生活垃圾一般為原生垃圾，垃圾中不可燃燒物較多，也造成了爐排爐焚燒不徹底的現(xiàn)象。生活垃圾流化床技術(shù)具有垃圾適應(yīng)性強(qiáng)、負(fù)荷調(diào)整靈活的優(yōu)點(diǎn)，但是流化床技術(shù)對(duì)燃料質(zhì)量要求高，原生垃圾不利于設(shè)備連續(xù)運(yùn)行。在嚴(yán)格的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求下，流化床技術(shù)推廣也遇到了新的挑戰(zhàn)，最根本的因素是我國(guó)生活垃圾具有混合收集、水分高和熱值低等特點(diǎn)。因此，固體回收燃料的推廣不僅對(duì)流化床技術(shù)的發(fā)展有利，對(duì)于爐排爐的發(fā)展也具有重要的意義。

國(guó)外固體回收燃料標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展歷程

早在20世紀(jì)90年代，歐盟已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行有關(guān)回收燃料的研究。2002年，歐盟授權(quán)CEN(M/325)(歐洲標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)(M/325任務(wù)))進(jìn)行建立固體回收燃料(SRF)技術(shù)規(guī)范并將其轉(zhuǎn)化為歐洲標(biāo)準(zhǔn)(EN)的研究;2002年3月13日，成立CEN/TC 343工作小組，由芬蘭標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)擔(dān)任秘書(shū)長(zhǎng)，工作計(jì)劃包括27個(gè)委任的工作項(xiàng)目;2004年開(kāi)始，工作小組出版了技術(shù)報(bào)告;2010年開(kāi)始，工作小組完成并出版了技術(shù)規(guī)范;2011 和2012年，出版歐洲標(biāo)準(zhǔn);2012年2月，M/325 任務(wù)完成。目前，歐盟關(guān)于固體回收燃料的準(zhǔn)確定義和分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)仍采用BSEN 15357-2011。

歐盟固體回收燃料標(biāo)準(zhǔn)體系中從固體回收燃料的取樣過(guò)程、質(zhì)量體系、技術(shù)指標(biāo)等方面對(duì)標(biāo)準(zhǔn)體系進(jìn)行劃分，涵蓋了取樣方法、質(zhì)量管理體系、水分、灰分、有害元素分析、生物質(zhì)含量等方面。美國(guó)ASTM回收廢燃料標(biāo)準(zhǔn)體系中將標(biāo)準(zhǔn)體系分為質(zhì)量及取樣方法、數(shù)據(jù)分析方法、水分、有害元素分析、二氧化硅含量等方面。日本JIS工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中只是將標(biāo)準(zhǔn)體系分為試驗(yàn)方法、總熱值、水含量、灰分、金屬含量、有害元素分析等方面，并沒(méi)有建立具體垃圾再生燃料的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

中國(guó)固體回收燃料發(fā)展歷程

中國(guó)對(duì)固體回收燃料的研究起步較晚，1996 年最早由中科院廣州能源所和太原理工大學(xué)開(kāi)始了RDF(垃圾衍生燃料) 的熱解、污染等性能的研究，2001年建立了國(guó)內(nèi)第一條RDF 生產(chǎn)線(xiàn)，展開(kāi)了對(duì)垃圾可燃物的實(shí)踐探索。除此之外部分院校和企業(yè)正在積極考慮應(yīng)用固體回收燃料，主要應(yīng)用于焚燒或協(xié)同處置，并制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)如《水泥窯固體回收燃料取樣方法》《水泥窯固體回收燃料垃圾》等。國(guó)內(nèi)從事生活垃圾焚燒處理處置企業(yè)也已經(jīng)進(jìn)行了多種探索性的應(yīng)用嘗試，實(shí)踐證明應(yīng)用固體回收燃料對(duì)焚燒發(fā)電效率和污染物控制都有明顯的作用，獲得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。

固體回收燃料評(píng)價(jià)指標(biāo)

由于中國(guó)固體回收燃料的研究起步較晚，且城市生活垃圾尚未形成固體回收燃料的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，目前城市生活垃圾固體回收燃料依然采用歐盟標(biāo)準(zhǔn)(EN 15359-2011)作為分類(lèi)依據(jù)。歐盟現(xiàn)行的固體回收燃料分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)凈熱值、氯和汞含量不同將固體回收燃料分為5個(gè)品質(zhì)等級(jí)，并組成5×5×5共125類(lèi)，詳見(jiàn)表1。

表1 固體回收燃料分級(jí)系統(tǒng)

固體回收燃料的制備技術(shù)

目前國(guó)內(nèi)主要的固體回收燃料制備技術(shù)包括干化和機(jī)械分選。干化可分為熱干化和生物干化，熱干化是通過(guò)外部熱源對(duì)生活垃圾進(jìn)行加熱，從而降低物料含水率，熱干化的形式多種多樣，生物干化主要是利用微生物降解產(chǎn)生熱量，從而降低含水率。本文主要講“生物干化+機(jī)械分選”即MBT技術(shù)。

4.1 MBT-生物干化

生物干化(biodrying treatment)是在強(qiáng)制通風(fēng)的情況下，微生物利用混合垃圾中的易腐有機(jī)物發(fā)酵產(chǎn)熱、高溫下通風(fēng)加速水分揮發(fā)、利用暖空氣比冷空氣攜帶更多水份的原理，把垃圾中的水分帶走，混合垃圾的水分顯著下降，實(shí)現(xiàn)生物干化的目的。

然而，我國(guó)生活垃圾預(yù)處理面臨的最大問(wèn)題就是垃圾含水量高，有些地區(qū)的垃圾含水量甚至大于50 %，高水分低熱值的生活垃圾焚燒起來(lái)非常困難。很多垃圾焚燒發(fā)電廠(chǎng)在焚燒之前將垃圾放在原生垃圾庫(kù)里停留幾天，以去除里面的一些滲濾液，在此過(guò)程中會(huì)自然經(jīng)過(guò)一個(gè)厭氧反應(yīng)過(guò)程，排放更多有害氣體，增加滲濾液處理成本。且濕垃圾無(wú)法做到具備市場(chǎng)價(jià)值的資源化利用，無(wú)法很好地分離惰性物質(zhì)、污染物質(zhì)和可燃物;由于潮濕，大量有機(jī)物使得垃圾顆粒之間的粘滯力很強(qiáng)，即使用現(xiàn)代自動(dòng)化分選機(jī)械效果也不是非常理想，設(shè)備阻塞現(xiàn)象嚴(yán)重。因此垃圾干化技術(shù)就成為了垃圾資源化里尤為重要的一環(huán)，垃圾經(jīng)干化后水分大大減少(甚至可以達(dá)到30 %以下)，干化后的垃圾較松散、顆粒之間的粘滯力降低，大大降低了機(jī)械分選的難度。垃圾干化和預(yù)處理的整個(gè)過(guò)程稱(chēng)為垃圾焚燒資源化預(yù)處理過(guò)程。

4.2 MBT-機(jī)械分選

機(jī)械分選(mechanical treatment)技術(shù)作為垃圾處理的前端環(huán)節(jié)，對(duì)于資源的再利用以及預(yù)處理后續(xù)處理來(lái)說(shuō)都是一項(xiàng)必不可少的環(huán)節(jié)，尤其在垃圾焚燒這一領(lǐng)域，分選技術(shù)尤為重要。垃圾分選不僅可以提高資源的利用率，還可以提高垃圾焚燒效率。機(jī)械分選技術(shù)即基于生活垃圾中各組分的物理屬性，例如：硬度、密度、質(zhì)量、粒徑、光學(xué)屬性和電磁屬性等，將垃圾經(jīng)過(guò)袋裝垃圾自動(dòng)破袋、破碎系統(tǒng)、篩分系統(tǒng)、有機(jī)物自動(dòng)破碎系統(tǒng)、電磁分選系統(tǒng)、光學(xué)分選系統(tǒng)、全封閉機(jī)械化風(fēng)選系統(tǒng)等?？蓪⒊鞘猩罾诌x為:可燃垃圾、綜合利用、可回收垃圾。機(jī)械分選主要包括破碎、篩分、風(fēng)選、磁選、渦流分選等工藝。

MBT技術(shù)的應(yīng)用

5.1 MBT工藝流程

以淄博某生活垃圾焚燒廠(chǎng)為例，采用“生物干化+機(jī)械分選+循環(huán)流化床鍋爐”的生活垃圾焚燒工藝。其中“生物干化+機(jī)械分選”設(shè)三條處理線(xiàn)，每條處理量為900 t/d。干化后可分選出金屬(有色金屬)、玻璃、石塊等不可燃燒物，提高了鍋爐的焚燒效率。該燃料的設(shè)計(jì)熱值為10465 kj/kg，設(shè)計(jì)含水率為30 %。其工藝流程圖如圖1所示。

圖1 MBT工藝流程圖

5.2 干化效果

針對(duì)淄博生活垃圾焚燒項(xiàng)目固體回收燃料的制備工藝形成的成品固體回收燃料，特委托有資質(zhì)的檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)報(bào)告見(jiàn)表2。

表2 固體回收燃料熱值分析

由表2可知，成品燃料檢測(cè)熱值基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求，熱值均值達(dá)到10536 kj/kg(2517 kcal/kg)含水率降低到30 %以下。含水率的下降對(duì)生活垃圾的焚燒是非常有利的，焚燒時(shí)垃圾中的水分不僅不利于垃圾的燃燒外，還增加煙氣中的水蒸氣分壓、提高煙氣露點(diǎn)和排煙溫度，降低垃圾焚燒的能量化效率;一般垃圾中水的吸熱占總熱耗的 10 %。因此，降低垃圾的含水率是減少輔助燃料用量、提高焚燒熱能輸出的有效措施。同時(shí)，當(dāng)垃圾水分高達(dá) 50 %時(shí)，由于爐內(nèi)水汽化容積劇增以及煙氣處理系統(tǒng)負(fù)荷增加，設(shè)施應(yīng)作相應(yīng)調(diào)整，這就會(huì)引起建設(shè)投資和運(yùn)行管理費(fèi)用增加等一系列問(wèn)題。

5.3 機(jī)械分選效果

機(jī)械分選工藝應(yīng)設(shè)在干化后，主要是因?yàn)楦苫蠼档屠械暮?，較為松散，分選效果更好。機(jī)械分選出的物料主要包含重物質(zhì)(石塊、鞋子、帶水的瓶子等)、細(xì)物料、廢鐵、有色金屬等。根據(jù)該電廠(chǎng)5月份的分選結(jié)果進(jìn)行分析，具體數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 機(jī)械分選數(shù)據(jù)分析

由表3可知，經(jīng)機(jī)械分選后，包含細(xì)物料在內(nèi)，生活垃圾減量化約為32.63 %。對(duì)重物質(zhì)、廢鐵、有色金屬等不可燃燒物都在很大程度上進(jìn)行了篩分。該項(xiàng)目固體回收燃料制備技術(shù)采用的是16 mm的篩網(wǎng)(經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，16 mm為該項(xiàng)目成品燃料篩網(wǎng)的最佳尺寸。最佳尺寸的選擇需綜合考慮固體回收燃料的產(chǎn)量和鍋爐燃燒工況，其他項(xiàng)目可根據(jù)實(shí)際情況選擇孔徑)，16 mm以上粒徑的成品燃料，熱值較高，可直接用于高參數(shù)焚燒鍋爐直接焚燒，而16 mm以下燃料可以稱(chēng)為“細(xì)物料”，該部分物料沙土、碎玻璃含量較高，熱值較低。本文通過(guò)取樣分析，對(duì)細(xì)物料熱值、灰分進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 細(xì)物料熱值分析

由表4可知，細(xì)物料含水率與固體回收燃料基本相當(dāng)，但灰分較高，熱值不到成品燃料的50 %。該部分物料的處理則根據(jù)電廠(chǎng)的實(shí)際情況選擇是否焚燒，或進(jìn)行進(jìn)一步的處理。

為比較垃圾經(jīng)MBT處理后的效果，特選取了入廠(chǎng)垃圾、原生庫(kù)垃圾(堆放1~2天)、細(xì)物料和成品燃料進(jìn)行比較，比較結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 生活垃圾熱值變化

由表5數(shù)據(jù)可知，原生垃圾在送入原生庫(kù)中，由于堆放的原因，含水率會(huì)有所下降(含水率下降的多少與具體堆放天數(shù)有關(guān))。隨著含水率的降低，灰分和可燃物比例都有明顯的提高。含水率降低到25.67 %，熱值達(dá)到10536 kj/kg(2517 kcal/kg)，熱值提高了約3倍，干化效果明顯。在含水率相差較大的情況下，灰分的多少不足以判斷熱值的高低，必須結(jié)合含水率和可燃物的含量來(lái)綜合判斷。在含水率相差不大的情況下(如細(xì)物料和SRF)，灰分和可燃物的比例決定了熱值的高低，灰分越高、可燃物越低，則熱值越高。

固體回收燃料的優(yōu)勢(shì)

6.1 清潔化焚燒

目前SRF主要還是用于焚燒，在歐盟，由生活垃圾制成的SRF量大約為每年1200萬(wàn)t。SRF作為廉價(jià)的可替代能源給能源產(chǎn)業(yè)部門(mén)帶來(lái)持續(xù)增長(zhǎng)的利潤(rùn)，很多國(guó)家建設(shè)了新的MBT廠(chǎng)。

在我國(guó)SRF焚燒技術(shù)主要用于循環(huán)流化床鍋爐，由于我國(guó)垃圾分類(lèi)情況差、水分高、組分復(fù)雜，循環(huán)流化床鍋爐面臨著焚燒不穩(wěn)定和污染物超標(biāo)等問(wèn)題。做成SRF不僅可以解決如今垃圾焚燒爐存在的給料不均和排放超標(biāo)問(wèn)題，還能減少受熱面腐蝕、提高鍋爐連續(xù)運(yùn)行時(shí)間，使鍋爐運(yùn)行參數(shù)向高參數(shù)、大容量方向發(fā)展。

6.2 垃圾減量化

根據(jù)淄博電廠(chǎng)的固體回收燃料成分?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)看，垃圾減量化效果明顯，不可燃燒物(重物質(zhì)、鐵、有色金屬)減量化約15.13 %，含水率從原生庫(kù)垃圾的61.03 %降低至25.67 %。固體回收燃料不僅可以用于焚燒，也可用于垃圾填埋。根據(jù)《“十三五”全國(guó)城鎮(zhèn)生活垃圾無(wú)害化處理設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》提出的目標(biāo)：到2020年底，具備條件的直轄市、計(jì)劃單列市和省會(huì)城市(建成區(qū))實(shí)現(xiàn)原生垃圾“零填埋”，建制鎮(zhèn)實(shí)現(xiàn)生活垃圾無(wú)害化處理能力全覆蓋。“十三五”期間政府將會(huì)繼續(xù)加大存量垃圾的治理力度，預(yù)計(jì)實(shí)施垃圾填埋封場(chǎng)治理項(xiàng)目845個(gè)，擬封場(chǎng)處理能力147585 t/d，占當(dāng)前填埋處理能力的21%。

固體回收燃料制備技術(shù)可對(duì)需要填埋或已填埋的生活垃圾進(jìn)行處理，分選出其中可燃物另行處置，將不可燃燒物填埋。減少了填埋場(chǎng)壓力，實(shí)現(xiàn)了資源的合理利用。同時(shí)生物干化后的垃圾的含水率下降，能降低滲濾液對(duì)膜的污染，延長(zhǎng)了填埋場(chǎng)的使用年限，減少了填埋場(chǎng)長(zhǎng)期運(yùn)行管理成本。

6.3 產(chǎn)品交易

固體回收燃料還作為一種可以交易的商品，其市場(chǎng)價(jià)格具有不確定性，但往往低于石油、煤炭等化石燃料的價(jià)格。在歐洲，水泥企業(yè)和燃煤電廠(chǎng)根據(jù)價(jià)格的變動(dòng)來(lái)調(diào)整固體回收燃料的摻燒量，保證了固體回收燃料價(jià)格的穩(wěn)定性，也為企業(yè)提供了更多的燃料供應(yīng)選擇。考慮到我國(guó)環(huán)保稅的出臺(tái)和碳交易市場(chǎng)的開(kāi)放以及環(huán)保壓力的加大，應(yīng)用固體回收燃料替代部分化石燃料將帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)效益。

結(jié)論

SRF具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①提高熱值，生活垃圾經(jīng)干化和機(jī)械分選后形成熱值在2000～3500 kcal/kg的高質(zhì)量固體燃料，其發(fā)熱量是原生垃圾的3倍;②提供高效垃圾管理方案，幫助實(shí)現(xiàn)垃圾分類(lèi)和降低垃圾填埋的目標(biāo);③SRF的推廣有助于減少對(duì)有限的化石燃料的依賴(lài)，減少碳排放量，滿(mǎn)足我國(guó)趨緊的環(huán)境要求。而目前SRF的研究主要在歐盟開(kāi)展，在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有形成完善的標(biāo)準(zhǔn)體系，因此，通過(guò)推廣SRF制備技術(shù)將開(kāi)啟我國(guó)能源的高效再利用，形成“資源-廢品-資源”的循環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展要求的經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的雙贏(yíng)。