城市生活垃圾焚燒熱電聯產技術環境效益分析

不同摻煤量下的城市生活垃圾焚燒熱電聯產環境效益分析

【摘 要】利用生命周期評價的強大功能，通過對不同摻煤量下的生活垃圾焚燒熱電聯產中污染物的排放的計算、能量的消耗和物質消耗的計算，預測不同摻煤量系統的環境性能，并用環境影響潛值來表達，對焚燒中煤的摻入量進行評估，為生活垃圾焚燒獲得最好的環境效益提供指導。

1.前言
我國現階段，城市生活垃圾采用混合收集方式，分類回收方式尚未普及，所以垃圾的組分復雜，其中廚余垃圾為主。所以生活垃圾的含水量高，熱值較低。為了穩定燃燒，摻入適當的煤輔助燃燒，這有助于提高燃燒熱值，保證垃圾的充分燃燒。
顯然，摻入的煤量多，焚燒爐的發熱量就大，發電總量也就提高。因為發電量與焚燒廠的效益掛鉤，所以運營方就會想方設法增加輔助燃料煤的添加量，盡量把國家允許的指標用足。但，在焚燒爐中摻入過多的煤就意味著更多的污染和浪費，然而其環境效益很少有人定量描述過。本文利用生命周期分析的方法將摻煤對環境的潛在影響定量化。

2.主要工藝流程及系統邊界
2.1  主要工藝流程
生活垃圾焚燒熱電聯產的基本工藝由接收、儲存和輸送系統、焚燒系統、煙氣凈化系統、熱能利用系統、灰渣處理系統、儀表及自動化系統等組成。生活垃圾通過市政環衛部門的垃圾壓縮車運輸到垃圾焚燒廠后，先進行垃圾預處理，將垃圾進行破碎減小垃圾的粒度，防止粗大垃圾進入垃圾焚燒爐，然后采用電磁去鐵器去除垃圾中的一部分鐵器，破碎后的垃圾送入垃圾庫房，再通過垃圾給料機送入焚燒爐內焚燒，在送入垃圾的同時，焚燒爐內也給入一部分輔助燃料煤以保證爐膛內溫度維持在850℃，垃圾庫房內的垃圾滲濾液也被收集起來霧化噴入爐內焚燒，焚燒后垃圾和煤釋放出來的熱能被蒸汽吸收，轉化為蒸汽的熱能，送到汽輪機內推動汽輪發電機組做功發電。垃圾焚燒產生的煙氣經過煙氣凈化系統處理后，達到國家規定的排放標準，經引風機通過煙囪高空排放。工藝簡圖見圖1。

2.2  系統邊界
生命周期評價的范圍界定是由所開展研究的目的、未來應用及研究深度和廣度等因數所確定。生活垃圾焚燒熱電聯產的生命周期系統邊界，見圖2。
城市生活垃圾焚燒熱電聯產的研究范圍是以熱電廠為邊界，根據垃圾焚燒熱電廠的工藝流程，確定物質和能源輸入輸出。
城市生活垃圾的生命周期評價研究的功能單位的確定主要基于系統的物質/能源輸入，通常用質量或體積形式來表示。由于不同地區不同城市生活垃圾組成成分的差異，城市生活垃圾的比重差異較大，采用體積形式不能很好反應一個城市生活垃圾產生的真實情況。因此，城市生活垃圾焚燒熱電聯產生命周期研究的功能單位確定為1t生活垃圾處理量。

3.垃圾焚燒不同摻煤量的物流和清單分析
由圖2可知，熱電聯產的輸入流中物質與資源類有生活垃圾、煤炭、石灰石、工業水、活性炭等，能源類有電力。其中，煤炭作為輔助燃料提高燃燒熱值；石灰石為煙氣脫硫劑；活性炭的使用能有效地降低煙氣中的重金屬和二惡英的排放；工業水則向鍋爐、汽輪機等設備提供冷卻用水；電力為設備及工廠設施提供能源。
圖2中，輸出流中物質類有底灰、飛灰、污水、煙氣排放等，能源類有熱能和電力。其中，飛灰是由煙氣凈化過程產生；中國供熱信息網了解到底灰指燃料在燃燒爐內燃燒后落入鍋爐底部的灰渣；煙氣排放為符合國家排放指標后的排放；生活垃圾焚燒產生的能量轉換為熱量和電力接往熱網及電網，提高燃料的熱效率。
為了定量討論添煤量的影響，定義：
摻煤燃燒熱耗比＝摻入的煤炭發熱量/（垃圾+煤焚燒的總發熱量）
根據工程統計，摻煤燃燒熱耗比為50％時，焚燒1t生活垃圾所產生的物質及能源輸入輸出流見文獻［1］中表5。其它摻煤量時，認為過量空氣系數不變，產生的煙氣量和發熱量、發電量的計算分別為：
   Vy=Vy0+Vm（1）
式中，Vy——總煙氣量，Nm3/t垃圾；
Vy0——垃圾焚燒產生的煙氣量，Nm3/t垃圾；
Vm－ 煤炭焚燒產生的煙氣量，Nm3/t垃圾。
    Qf =Qw0+Qm（2）
式中，Qf ——總熱量，kWh/t垃圾；
Qw0——垃圾焚燒產生的熱量，kWh/t垃圾；
Qm——煤炭焚燒產生的熱量，kWh/t垃圾。
    Pf =Pw0+Pm（3）
式中，Pf ——總電量，kWh/t垃圾；
Pw0——垃圾焚燒產生的電量，kWh/t垃圾；
Pm——煤炭焚燒產生的電量，kWh/t垃圾。

垃圾焚燒中摻入的煤炭量變化時，熱電聯產的輸入輸出流均發生變化，計算如式（1）～（3）。同時煙氣中污染物排放濃度、飛灰和底灰的產量以及輔助材料的消耗量等也會同時變化。因為有關數據不能都從工程實例中獲得，www.china-heating.com所以當采用不同的摻煤燃燒熱耗比時，輸入輸清單中，物質的消耗除煤外，石灰根據煙氣的產生量按比例折算；活性炭耗量認為按每噸垃圾計不變；煙氣中污染物排放濃度認為當凈化系統不變時也不發生改變，排放總量除二惡英、HCl不變外其它隨煙氣產量按比例變化。

某一具體項目中，生活垃圾焚燒量為1500t/d，摻煤量為354t/d，設備配置為3臺75t/h垃圾焚燒爐＋2臺15MW抽凝式汽輪機，3套循環懸浮半干法＋布袋除塵煙氣凈化系統，供熱熱效率為25.6％，發電熱效率為19.5％［1］。按上述原則計算不同摻煤燃燒熱耗比下的輸入輸出流參數。首先，假定大氣污染物及水體污染物的排放濃度不變。其二，二惡英的排放認為僅由垃圾焚燒引起，因此焚燒1t垃圾所需活性炭等輔料的消耗不變。其三，摻入的煤炭量變化，改變對應1t垃圾的煙氣量和底渣、飛灰量，同時引起進入焚燒爐的熱量的變化，影響垃圾焚燒爐的規模，產出的電力和熱量也相應改變。不同摻煤熱耗比下的輸入輸出流見表1。

4 生命周期評價及影響結果評價
4.1 生命周期評價
根據生活垃圾成分分析和表5的物質資源消耗，可以形成相對完整的生命周期清單，基于EDIP 97方法（Wenzel et al.， 1997）將清單中的各數據按不同的環境影響因素分類，當計算環境影響潛值時，借助丹麥技術大學開發的針對廢棄物的生命周期分析軟件EASWASTE［2］。軟件所含的模型計算焚燒各工序包括煙氣凈化部分向大氣、水體和土壤的污染物排放以及對資源的消耗并用不同種類的環境影響潛值來表示；能量（包括電）的產生和消耗以垃圾的低位熱值LHV的百分比 計量，能量（包括電）的產生認為是代替了燃煤發電供熱；因而由煤燃燒而產生的對環境的污染和影響也就被抵消了；系統運行對熱量和電力的消耗也以煤的燃燒供熱、發電為基礎，記入煤供熱發電對環境的污染和影響。因此必須知道煤的燃燒排放的數據。中國供熱信息網了解到我國煤燃燒供熱發電的生命周期排放數據很不完善，這里借助中國火力發電燃料消耗的生命周期排放清單的數據計算發電情況［3］，而熱電聯產則借用EASEWASTE軟件中內置的以煤為燃料的熱電聯產數據。

EASEWASTE采用的環境影響潛力分類是基于EDIP 97方法（Wenzel et al.， 1997）。模型中采用的是歐洲的人均當量（PE）基準。當評估我國的焚燒技術時應該采用我國的人均當量（PE）基準，但是由于本文只是對不同系統加以相對比較，因此采用歐洲的人均當量（PE）基準并不影響比較結果。系統的輸出除有用物質和能量外，更有氣、液、固等污染物，其對環境的影響嚴重程度依次減弱。模型定義了6種輸出流以適應不同情況，這6種輸出流為煙氣、飛灰、污泥、廢水和底排渣5種廢物流和石膏。如果焚燒系統中不存在某種物流的輸出，則不對該項進行定義，其輸出量也自然為零。EASEWASTE軟件計算，其結果見表2。

4. 2 影響結果評價
表2中，正值表示對環境帶來不良影響，而負值表示對環境有益，避免了單純的煤發電過程對環境的不利影響。其中當摻煤燃燒熱耗比小于等于20％時全球變暖、光化學臭氧形成（低NOx）、生態毒性（土壤）、平流層臭氧消耗、光化學臭氧形成（高 NOx）等五項類別的環境影響為負值，說明熱耗比20％以下時該五項對環境有正面影響；而其余6項不管熱耗比為多少均對環境有不良影響，說明了垃圾焚燒處理這一過程不可避免會對環境造成一定的影響。www.china-heating.com就單個環境影響類別而言，隨著摻煤燃燒熱耗比的增加其環境影響就越大，越不能體現垃圾焚燒這一緩解環境污染過程的環境效益。綜合考慮各類別的影響因素，并考慮到添加煤對促進穩定燃燒的必要性，推薦熱耗比等于20％時的工況為垃圾焚燒熱電聯產最佳添加煤量。可以看見，摻煤量對應的熱耗比越大，越不利，所以在實際運行時應該避免摻入過多的煤，摻煤熱量應控制在總熱量的20％以下。這一結果驗證了2006年國家環境保護總局頒布的《關于加強生物質發電項目環境影響評價管理工作的通知》中“采用流化床焚燒爐處理生活垃圾的發電項目的消耗熱量中常規燃料的消耗量按照熱值換算可不超過總消耗量的20%”條款的合理性。

5 總結
本文通過列出摻煤燃燒熱耗比分別為10%～50%時的垃圾焚燒熱電聯產清單，并借助廢棄物的生命周期軟件EASWASTE進行環境影響潛值計算。結果表明，當熱耗比小于等于20％時垃圾焚燒熱電聯產對環境的不良影響最小，甚至某些影響因素有益于對環境的保護。

現階段，我國的生活垃圾熱值低、水分高，垃圾焚燒爐的燃燒運行不夠理想，且故障率高。因此在原有的設備制造基礎上，應加大低熱值垃圾焚燒的自主開發力度，做到摻入少量煤或不加煤也能夠充分燃燒且不熄火。同時應將垃圾分類收集工作做到實處，提高生活垃圾的熱值，有利于垃圾焚燒爐的正常運行。--上海市機電設計研究院有限公司 崔福華

參考文獻
［1］如皋垃圾焚燒熱電聯產項目初步設計.機電設計研究院有限公司內部資料，2005
［2］ T Janus. Kirkeby，Gurbakhash Singh Bhander， Harpa Birgisdottir. Environmental assessment of solid waste systemsand technologies:EASEWASTE.Waste Manage-ment & Research， 2006，Vol.24:3～15
［3］狄向華，聶祚仁，左鐵鏞.中國火力發電燃料消耗的生命周期排放清單.中國環境科學，2005， Vol.25（5）：632～635