“雙碳”背景下生活垃圾焚燒廠的“減碳”思考

楊毅?孟哲?刁冰

一、我國生活垃圾焚燒處理發(fā)展沿革

（一）國內(nèi)生活垃圾焚燒發(fā)電行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

“十三五”期間，全國共建成生活垃圾焚燒廠254座，累計運(yùn)行的生活垃圾焚燒廠超過500座，焚燒設(shè)施處理能力達(dá)58萬t/d。全國城鎮(zhèn)生活垃圾焚燒處理率約為45%，初步形成了新增處理能力以焚燒為主的垃圾處理發(fā)展格局。

國家發(fā)展和改革委員會、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部印發(fā)的《“十四五”城鎮(zhèn)生活垃圾分類和處理設(shè)施發(fā)展規(guī)劃》提出，到2025年年底，全國城鎮(zhèn)生活垃圾焚燒處理能力達(dá)到80萬t/d左右，城市生活垃圾焚燒處理能力占比65%左右。

（二）生活垃圾焚燒發(fā)電行業(yè)發(fā)展趨勢

1．行業(yè)不斷收購整合，龍頭企業(yè)市場占有率持續(xù)提升

近年來，垃圾焚燒發(fā)電行業(yè)集中度不斷提升，大部分產(chǎn)能已集中在專業(yè)運(yùn)營商企業(yè)，隨著市場進(jìn)一步呈現(xiàn)集約化趨勢，專業(yè)運(yùn)營商的競爭優(yōu)勢越發(fā)凸顯，地方產(chǎn)能將逐漸被行業(yè)龍頭企業(yè)整合。同時，垃圾焚燒發(fā)電行業(yè)內(nèi)的企業(yè)也不斷進(jìn)行產(chǎn)業(yè)鏈橫向和縱向延伸，通過規(guī)?；途?xì)化經(jīng)營不斷提升在行業(yè)中的競爭力。

2．大力推進(jìn)產(chǎn)業(yè)園區(qū)建設(shè)

自2016年住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等四部委聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)城市生活垃圾焚燒處理工作的意見》以來，各地積極開展靜脈產(chǎn)業(yè)園區(qū)、循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)園區(qū)、靜脈特色小鎮(zhèn)等建設(shè)，統(tǒng)籌生活垃圾、建筑垃圾、餐廚垃圾等不同類型垃圾處理，形成一體化項目群，從而降低選址難度和減少建設(shè)投入。循環(huán)產(chǎn)業(yè)園區(qū)建設(shè)可以優(yōu)化配置焚燒、填埋、生物處理等不同種類處理工藝，整合滲瀝液等污染物處理環(huán)節(jié)，實現(xiàn)各種垃圾在園區(qū)內(nèi)有效治理，從而提高能源綜合利用效率。

3．垃圾焚燒發(fā)電市場逐步向西部轉(zhuǎn)移

我國垃圾焚燒發(fā)電項目分布具有明顯的地域性，區(qū)域分布不均勻問題突出。目前垃圾焚燒發(fā)電廠主要集中在中東部。從垃圾焚燒處理能力看，東部地區(qū)最大，中部次之，西部最少。東部地區(qū)，尤其是京津冀、長三角和珠三角聚集度高。西部垃圾焚燒處理能力低，但未來發(fā)展?jié)摿善凇?/p>

4．老舊設(shè)施技改不斷增多

“雙碳”背景下，老舊焚燒設(shè)施的節(jié)能技改和環(huán)保技改市場將不斷擴(kuò)大。

（三）生活垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)的最新發(fā)展

爐排國產(chǎn)化、大型化趨勢明顯。國內(nèi)早期的單爐500t/d以下處理量正在向單爐500～1000t/d處理量過渡。爐排核心技術(shù)取得突破，國內(nèi)個別企業(yè)已經(jīng)在1000t/d處理量的焚燒爐的國產(chǎn)化方面進(jìn)行了大膽的嘗試和有益的探索。

在余熱發(fā)電技術(shù)上，隨著行業(yè)的發(fā)展，更顯著的能源利用效率被提上日程。采用智能燃燒控制系統(tǒng)，并優(yōu)化爐膛和鍋爐設(shè)計，提高了鍋爐的熱效率。同時為追求更高的熱能利用效率，余熱鍋爐的蒸汽參數(shù)也由傳統(tǒng)的中溫中壓（4.0MPa、400℃）向中溫次高壓過渡，個別項目甚至采用了13.5MPa、450℃的中溫高壓蒸汽參數(shù)，并對爐外再熱技術(shù)進(jìn)行了大膽探索且在項目中成功運(yùn)用。

煙氣處理技術(shù)日趨先進(jìn)、完善。部分項目煙氣凈化處理工藝脫酸采取干法+濕法或半干法+濕法或干法+半干法+濕法的組合工藝，脫硝采取SCR或SNCR+SCR的組合工藝，煙氣排放指標(biāo)達(dá)到歐盟2010標(biāo)準(zhǔn)或超低排放標(biāo)準(zhǔn)。

三河市生活垃圾焚燒發(fā)電 PPP 項目。作者提供

二、生活垃圾焚燒廠碳排放核算

（一）生活垃圾焚燒發(fā)電廠碳排放情況

1． 生活垃圾處理過程碳排放綜述

垃圾處理過程中碳排放無處不在，垃圾的收集、運(yùn)輸和處理的各個環(huán)節(jié)均有碳排放。垃圾在處理之前會因為發(fā)酵腐爛而產(chǎn)生碳排放；垃圾運(yùn)輸也會因消耗化石燃料而產(chǎn)生碳排放；滲瀝液厭氧發(fā)酵過程中會產(chǎn)生甲烷等溫室氣體；垃圾填埋過程中會產(chǎn)生甲烷、二氧化氮和其他含碳?xì)怏w；對焚燒發(fā)電廠而言，垃圾焚燒過程本身也會產(chǎn)生大量的碳排放。

2．生活垃圾焚燒廠碳排放核算

以東北地區(qū)某生活垃圾焚燒發(fā)電廠進(jìn)行碳排放核算。

項目垃圾焚燒處理規(guī)模為日處理生活垃圾3000t，垃圾平均熱值為1800kcal/kg，垃圾中收到基元素碳含量確定為22.7%（按經(jīng)驗值），全廠熱效率為25%（主蒸汽參數(shù)6.4MP，450℃），年上網(wǎng)電量4.45億度（年運(yùn)行時間8000小時，廠用電率15%），計算出全年二氧化碳排放量約為84.6萬t。

按相同供電量（年運(yùn)行時間8000小時）的燃煤機(jī)組計算，根據(jù)國家發(fā)展和改革委員會發(fā)布的2021年火電廠供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率302.5g/kW·h，煤元素分析選用某種三類無煙煤（低位熱值24.43kJ/kg），計算出燃煤電廠二氧化碳年排放量約為39.4萬t。

計算結(jié)果顯示，供電量相同的情況下，生活垃圾焚燒發(fā)電廠比燃煤電廠碳排放的絕對量高。

生活垃圾中的碳源包括生物碳源和化石碳源兩部分，生物碳源排放僅參與大氣碳循環(huán)，不增加大氣中碳的絕對量 。發(fā)達(dá)國家生活垃圾中其他垃圾生物質(zhì)碳大多在60%以上。目前我國缺乏生活垃圾中生物質(zhì)碳和化石碳相關(guān)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

（二）清潔焚燒是生活垃圾減量的必由之路

生活垃圾焚燒處理技術(shù)具有占地省、減量效果明顯、余熱可以利用等特點，在發(fā)達(dá)國家和地區(qū)得到廣泛應(yīng)用。在我國，經(jīng)歷三十多年的發(fā)展，垃圾焚燒處理技術(shù)裝備日趨成熟，產(chǎn)業(yè)鏈條、骨干企業(yè)和建設(shè)運(yùn)行管理模式逐步形成，已成為城市生活垃圾處理的重要方式。同時，我國的垃圾焚燒發(fā)電產(chǎn)業(yè)也由高速發(fā)展階段逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榇媪康奶豳|(zhì)增效階段，需要引導(dǎo)生活垃圾焚燒廠向常態(tài)化穩(wěn)定達(dá)標(biāo)、低污染物排放和高效能源利用的高標(biāo)準(zhǔn)焚燒廠發(fā)展，從而有效地提升生活垃圾處理水平。

三、生活垃圾焚燒發(fā)電廠的減碳路徑

國家發(fā)展和改革委員會提出從以下六個方面推進(jìn)碳中和：調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、加快推動產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型、提升能源利用效率、加速低碳技術(shù)研發(fā)推廣、健全低碳發(fā)展體制和機(jī)制、增加生態(tài)碳匯。

具體到生活垃圾焚燒發(fā)電廠，降碳的首要措施應(yīng)是“降能耗、提能效”，項目周邊有用熱需求時，應(yīng)積極發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)。

（一）設(shè)計是減碳源頭?

1．規(guī)劃不同垃圾協(xié)同處置，實現(xiàn)節(jié)能、降碳、保護(hù)環(huán)境的目的

不同垃圾在產(chǎn)業(yè)園協(xié)同處置，不但可以降低輸送能耗和減少廢物排放，還可以降低選址難度和減少建設(shè)投入。優(yōu)化配置焚燒、填埋、生物處理等不同種類處理工藝，整合滲瀝液等污染物處理環(huán)節(jié)，實現(xiàn)各種垃圾在園區(qū)內(nèi)有效治理，提高能源綜合利用效率，最終減少碳排放。

2．嚴(yán)格執(zhí)行節(jié)能相關(guān)規(guī)范，實行節(jié)能設(shè)計

《工業(yè)建筑節(jié)能設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》等節(jié)能設(shè)計規(guī)范對工業(yè)建筑的總圖布置、建筑與建筑熱工、供熱通風(fēng)空調(diào)與給排水、電氣、能源回收與可再生能源利用等方面做了詳細(xì)規(guī)定，設(shè)計時需要嚴(yán)格按照相關(guān)節(jié)能設(shè)計規(guī)范設(shè)計。

3．因地制宜采用熱電聯(lián)供

“雙碳”背景下，生活垃圾焚燒發(fā)電廠提質(zhì)增效勢在必行。為進(jìn)一步提高項目綜合能效，生活垃圾焚燒發(fā)電廠可結(jié)合周邊地區(qū)的產(chǎn)業(yè)布局特點，將項目熱能利用由單純發(fā)電設(shè)置為熱電聯(lián)供或者冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)。特別是加強(qiáng)對焚燒發(fā)電廠的汽機(jī)乏汽的低品位余熱利用，可以達(dá)到極好的減碳效果。

4．積極推廣應(yīng)用新技術(shù)

垃圾焚燒發(fā)電項目熱能利用系統(tǒng)采用高參數(shù)和中間再熱技術(shù)是目前垃圾焚燒高效發(fā)電發(fā)展方向之一。過熱蒸汽參數(shù)與汽輪發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率成正比，蒸汽參數(shù)越高，發(fā)電效率越高。國內(nèi)某項目主蒸汽參數(shù)采用13.5Mpa、450℃，并且采用了中間再熱技術(shù)，第三方性能測試表明，焚燒處理能力、主蒸汽參數(shù)、發(fā)電效率等核心指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計值，其中全廠發(fā)電效率超過30%。

長春市城市生活垃圾焚燒發(fā)電項目。作者提供

（二）運(yùn)行重在挖潛?

生活垃圾焚燒廠應(yīng)在以下四個方面挖掘潛力，提質(zhì)增效，不斷提高運(yùn)行管理水平：（1）強(qiáng)化管理，保障焚燒全過程運(yùn)行工況平穩(wěn)。從垃圾勻化、負(fù)荷控制、料層厚度控制、配風(fēng)控制、爐膛主控溫度區(qū)溫度控制等環(huán)節(jié)著手，減少工況波動的負(fù)面影響。（2）減少停爐啟爐次數(shù)。焚燒爐停爐次數(shù)反映了焚燒爐運(yùn)行水平，停爐多說明焚燒爐運(yùn)行工況不穩(wěn)定，且停爐、啟爐易造成煙氣的超標(biāo)排放。（3）優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行，降低廠用電率。不同的生活垃圾焚燒發(fā)電廠廠用電率差異較大，部分焚燒發(fā)電廠廠用電率居高不下。目前先進(jìn)的焚燒發(fā)電廠廠用電率在13%左右。焚燒發(fā)電廠應(yīng)通過節(jié)能技術(shù)改造和優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行不斷降低廠用電率，實現(xiàn)焚燒廠節(jié)能、低耗運(yùn)行。（4）能源計量器具達(dá)標(biāo)配置。用能單位計量器具的達(dá)標(biāo)配置是用能單位實現(xiàn)節(jié)能考核、自檢自查的前提，也是設(shè)備、設(shè)施節(jié)能運(yùn)行的前提。用能設(shè)備和設(shè)施的計量應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《用能單位能源計量器具配備和管理通則》（GB 17167—2006）的有關(guān)規(guī)定。焚燒發(fā)電廠應(yīng)對主要耗能設(shè)備及系統(tǒng)及時監(jiān)測分析，找準(zhǔn)薄弱環(huán)節(jié)，有的放矢地制定改進(jìn)措施。

四、案例分析

垃圾焚燒處理時會產(chǎn)生大量余熱，垃圾焚燒廠的熱能利用主要是將垃圾焚燒產(chǎn)生的高溫高壓蒸汽通過汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電并對外供電。熱能轉(zhuǎn)化為電能的過程中，熱能損失很大，熱能損失的大小取決于垃圾的發(fā)熱量、余熱鍋爐效率以及汽輪發(fā)電機(jī)的效率。在損失的熱能中，煙氣熱損失大約占20%，凝汽器的熱損失占全廠熱能損失的50%～60%。垃圾焚燒項目只有20%～30%的熱能用于發(fā)電。

對垃圾焚燒發(fā)電廠熱能利用過程中損失部分的低品位熱量進(jìn)行有效回收與應(yīng)用，可以進(jìn)一步達(dá)成保護(hù)環(huán)境、綠色發(fā)展的目標(biāo)，在提倡綠色、可持續(xù)發(fā)展的當(dāng)下，具有重要的現(xiàn)實意義。

垃圾焚燒項目低品位余熱利用途徑主要包含汽機(jī)凝汽器余熱利用和煙氣余熱利用，本文僅對汽機(jī)凝汽器余熱利用技術(shù)進(jìn)行探討。

東北地區(qū)某垃圾焚燒發(fā)電項目日處理入爐垃圾3000t，分兩期建設(shè)，一期和二期建設(shè)規(guī)模均為1500t。焚燒爐采用往復(fù)式機(jī)械爐排爐，余熱鍋爐主蒸汽參數(shù)采用6.4Mpa（g）、450℃，一期項目汽機(jī)選用純凝機(jī)組，二期項目汽機(jī)選用低真空機(jī)組。

項目周邊供熱項目現(xiàn)有供熱面積約200萬m²，一次網(wǎng)主干網(wǎng)管道按遠(yuǎn)期供暖400萬m²設(shè)計，采用2臺58MW燃煤循環(huán)流化床熱水鍋爐。區(qū)域內(nèi)住宅建筑采暖熱指標(biāo)為45W/m²，公建建筑采暖熱指標(biāo)為55W/m²，工業(yè)建筑采暖熱指標(biāo)為90W/m²，綜合采暖熱指標(biāo)確定為50W/m²。項目配備2臺熱網(wǎng)循環(huán)水泵，水泵采用1臺變頻、1臺工頻，水泵參數(shù)：揚(yáng)程59m、流量1500m³/h、功率355kW。

二期項目凝汽器采用循環(huán)冷卻水冷卻。低真空機(jī)組可以維持相對較高的排汽壓力及排汽溫度，從而獲得較高的凝汽器循環(huán)水出水溫度。在采暖季，將汽輪機(jī)排汽壓力提至36kPa，排汽溫度73℃，供熱介質(zhì)取代原汽機(jī)循環(huán)冷卻水進(jìn)入凝汽器水室吸收汽輪機(jī)乏汽余熱，供熱介質(zhì)溫度最高可以達(dá)到70℃左右。經(jīng)計算，二期低真空熱源可提供至少71MW余熱熱負(fù)荷。

一期項目選用純凝機(jī)組，凝汽器采用循環(huán)冷卻水冷卻。項目建設(shè)規(guī)模為2臺日處理量750 t的機(jī)械爐排焚燒爐。項目增設(shè)一套背壓式汽輪發(fā)電機(jī)組，背壓機(jī)組進(jìn)汽流量同余熱鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量匹配。背壓機(jī)組額定供熱負(fù)荷為65～69MW。

在采暖季的初、末期，僅利用二期低真空供熱系統(tǒng)對外供熱；當(dāng)室外氣溫降低，二期低真空汽輪機(jī)組供熱能力無法滿足熱用戶需求時， 背壓機(jī)組投入運(yùn)行，利用背壓機(jī)組排汽加熱一次網(wǎng)循環(huán)水回水，此時低真空汽輪機(jī)組和背壓機(jī)組協(xié)同運(yùn)行，同時純凝機(jī)組和背壓機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行，背壓機(jī)組蒸汽流量根據(jù)供暖回水溫度采用閥控，純凝機(jī)組蒸汽流量采用壓控。隨著室外氣溫進(jìn)一步降低，背壓機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行后，啟動原熱水鍋爐尖峰加熱。

低真空供熱和背壓機(jī)供熱可提供140MW的基本熱負(fù)荷，疊加原有的熱水鍋爐（尖峰熱源）所提供的58MW熱負(fù)荷，具備大約400萬m2采暖面積的供熱能力。

在垃圾焚燒廠區(qū)內(nèi)設(shè)置換熱首站和配套用循環(huán)水泵房，在換熱首站建設(shè)背壓式汽輪發(fā)電機(jī)組及配套設(shè)施，在原熱水鍋爐廠紅線內(nèi)新建尖峰熱源換熱站。在換熱首站和尖峰熱源換熱站之間建設(shè)約7km長的市政供暖熱水管道。

由于采暖季初期和末期用戶側(cè)熱負(fù)荷需求較低，系統(tǒng)設(shè)置一套減溫?fù)Q熱裝置，換熱能力為20MW，減溫?fù)Q熱裝置通過已有冷卻塔系統(tǒng)將采暖回水降溫，將未被熱用戶消納的多余熱負(fù)荷帶入大氣環(huán)境中，從而保證供暖回水溫度能滿足低真空汽輪發(fā)電機(jī)組凝汽器的進(jìn)水溫度要求。減溫?fù)Q熱裝置通過監(jiān)測凝汽器的真空度和供暖回水溫度實現(xiàn)系統(tǒng)啟停。

經(jīng)計算，該焚燒項目將凝汽器低品位余熱用于市政供暖，一個采暖季供暖需要總熱量約1912025GJ，熱電聯(lián)產(chǎn)后，可以利用凝汽器低品位余熱約1145671GJ。可以節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤約3.9萬t，可以減少二氧化碳排量約12.8萬t。

五、結(jié)語

本文提出了“雙碳”背景下生活垃圾焚燒廠的減碳思路是“降能耗、提能效”，項目周邊有用熱需求時，積極發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)，重點論述了生活垃圾焚燒廠低品位余熱利用的技術(shù)路線，通過案例說明了熱電聯(lián)產(chǎn)在生活垃圾焚燒廠可以取得明顯的減碳效果，以期為生活垃圾焚燒發(fā)電廠減碳提供借鑒。

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（責(zé)任編輯：張秋辰）