城市固體廢棄物制備衍生燃料技術(shù)研究進(jìn)展及應(yīng)用現(xiàn)狀

于鑒蘭 李紫龍 羅丹 劉志華 焦乙梟

（重慶遠(yuǎn)達(dá)煙氣治理特許經(jīng)營(yíng)有限公司科技分公司 重慶 401122）

1 概述

隨著人口增長(zhǎng)及城市化水平的不斷提升，城市固體廢棄物已成為影響環(huán)境問題的重要因素，關(guān)系到全球生態(tài)環(huán)境質(zhì)量及人類生命健康安全［1］。據(jù)模型預(yù)測(cè)，到2050 年全世界固體廢棄物總量將增長(zhǎng)70%，達(dá)到34 億t，而我國(guó)自2004 年起就已成為全球最大的垃圾生產(chǎn)國(guó)［2］。生活垃圾所帶來的水、土、氣污染已經(jīng)嚴(yán)重威脅到人民的生存環(huán)境，造成不可逆的影響。因此，必須對(duì)其實(shí)現(xiàn)減量化、資源化和無害化處置，以降低環(huán)境危害。

目前，我國(guó)生活垃圾處置方式主要有填埋、堆肥、焚燒等。隨著生活垃圾量的增加，衛(wèi)生填埋的弊端逐漸暴露，受限于土地資源、處理量低、處理過程滲濾液及惡臭氣體排放等無法得到妥善解決，嚴(yán)重影響周圍居民生活環(huán)境等問題凸顯。垃圾堆肥本身存在處理效率低且處理周期長(zhǎng)等問題，受溫度等多種因素影響，穩(wěn)定性差，無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模處置。相較于填埋和堆肥而言，垃圾焚燒具有處理時(shí)間短、效率高、不侵占大量土地、能實(shí)現(xiàn)資源轉(zhuǎn)化利用等優(yōu)勢(shì)，在生活垃圾處置領(lǐng)域的占有率逐年增加，到2019 年首次突破50%［3］。

垃圾焚燒不僅能實(shí)現(xiàn)垃圾終端處置，而且能“變廢為寶”實(shí)現(xiàn)資源利用，焚燒產(chǎn)生的熱能可轉(zhuǎn)化為電能，國(guó)內(nèi)光大環(huán)境、三峰環(huán)境等企業(yè)在垃圾焚燒發(fā)電領(lǐng)域技術(shù)已趨于成熟。但垃圾直接焚燒會(huì)帶來大量的污染氣體，包括二噁英、二氧化硫、氮氧化物等，且垃圾中的不燃成分和水分比例較高時(shí)，無法焚燒。為進(jìn)一步優(yōu)化生活垃圾焚燒技術(shù)，降低環(huán)境負(fù)擔(dān)，將生活垃圾進(jìn)行預(yù)處理后再進(jìn)行焚燒成為新的選擇。垃圾衍生燃料（refuse derived fuel，RDF）技術(shù)起源于美國(guó)，其原理是將生活垃圾分選、破碎、干燥、加入添加劑混合均勻后，通過成型機(jī)制成不同規(guī)格的顆粒形狀，主要成分包括塑料、橡膠、紙、木屑、紡織物以及烘干后的有機(jī)生物質(zhì)等。成型的RDF 具有高熱值、易運(yùn)輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，可作為替代燃料，減少化石能源的使用。

2 城市固體廢棄物制備衍生燃料

2.1 生活垃圾制備衍生燃料

不同地區(qū)的城市生活垃圾成分差異較大，如表1 所示，廚余垃圾占比均超過50%，紙類、塑料、織物等占比雖小，但其熱值較高，能達(dá)到4 000 kJ/kg，具有較高的回收利用價(jià)值。RDF制備工藝如圖1 所示，通常將生活垃圾經(jīng)過一次破碎，再由篩分機(jī)進(jìn)行分選，將金屬、玻璃等不燃物分選去除，進(jìn)行二次破碎。破碎后加入氧化鈣（CaO）等添加劑混合均勻，通過成型機(jī)壓制成型，經(jīng)干燥后得到具有一定熱值的RDF。

圖1 生活垃圾衍生燃料制備工藝流程

表1 不同地區(qū)城市生活垃圾組成情況 （%）

已有研究表明［4］，成型RDF 熱值范圍在9 000～16 000 kJ/kg。影響RDF 性能的因素較多，其中包括物料含水率、添加劑比例以及成型壓力等因素。趙學(xué)［5］研究表明生活垃圾含水率為8%左右時(shí)制得的RDF 物理性能最優(yōu)，延展性和耐磨性指數(shù)較強(qiáng)，便于堆存和運(yùn)輸；李延吉等［6］實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，RDF 制備過程中含水率控制在10%～14%之間時(shí)，物料出料速度和出料量穩(wěn)定性較好。RDF 在制備過程中使用添加劑CaO 能有效地起到脫硫和脫氯的作用，減少酸性氣體及二噁英的排放。馬涵宇等［7］研究發(fā)現(xiàn)隨著CaO 添加量的增加，RDF 燃燒殘?jiān)|(zhì)量百分比增加，而尾氣中的HCl、SO2量明顯減少，當(dāng)CaO 添加量達(dá)到2%時(shí)HCl 最少。此外，RDF 制備過程中的生活垃圾本身的原料組成也對(duì)RDF 影響較大。隨著塑料的增加，RDF 熱值明顯增大，但占比超過20%會(huì)導(dǎo)致RDF 成型困難，松散易碎。李玉龍［8］研究表明垃圾原料提質(zhì)后，參照織物∶廢紙∶塑料=4∶4∶2 比例制成的RDF 熱值高達(dá)22 MJ/kg。綜上所述，目前RDF 制備受到多種因素的影響，并未形成統(tǒng)一的工藝流程及標(biāo)準(zhǔn)用于生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化的RDF，而隨著RDF 制備技術(shù)的發(fā)展也衍生出利用其他城市固體廢棄物制備RDF。

2.2 生活污泥制備衍生燃料

生活污泥作為城市固體廢棄物之一，產(chǎn)生量巨大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020 年我國(guó)濕污泥年產(chǎn)量約3 500 萬t，污泥中含有豐富的有機(jī)質(zhì)，干基熱值在7 000～15 000 kJ/kg 之間，約為褐煤熱值的一半［15］。相較于煤，污泥具有高揮發(fā)性、低固定碳、高灰分等特點(diǎn)。因此，將生活污泥燃料化可在能量回收基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)最大程度的減量化，并控制污泥中有害物質(zhì)傳播。

目前，研究表明［16］生活污泥可作為原料替代生活垃圾中的廚余部分制作RDF，一方面可作為RDF 粘結(jié)劑，另一方面為RDF 的高熱值增效。同時(shí)，污泥也可單獨(dú)干化做成型燃料，利用污泥制備衍生燃料技術(shù)可根據(jù)污泥含水率的高低分為3 類：干污泥成型、半干污泥成型和濕污泥成型技術(shù)［17］。其中，干化污泥是將城鎮(zhèn)污水處理廠中含水率80%左右的污泥通過板框壓濾、圓盤脫水等脫水工藝降至含水率為20%左右，再與其他城市固體廢棄物混合壓制成燃料的過程。魏國(guó)俠等［18］將脫水污泥與破碎棉桿按照4∶1 比例混合后送入造粒機(jī)，形成的衍生燃料熱值為12.75 MJ/kg。專利“利用污泥和生活垃圾制備顆粒燃料的資源化利用方法”［19］和“利用城鎮(zhèn)污水廠污泥與生活垃圾制備成型燃料的方法”［20］等都是將污泥干化后再成型的工藝方法。該技術(shù)的脫水干化和成型成本較高，但實(shí)施過程中的環(huán)境衛(wèi)生情況能做到最佳。

半干污泥成型技術(shù)是將含水率80%左右的污泥脫水干燥為40%～50%，加入輔助燃料混合成型，該技術(shù)充分運(yùn)用了污泥的粘結(jié)劑作用。例如，李春萍［21］實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，添加5%的半干污泥作為粘結(jié)劑，RDF 的成型率和落下強(qiáng)度均高于未添加。趙學(xué)等［5］將污泥、橡塑、紙類、織物、木竹按照16∶20∶8∶3∶3 的比例混合后制成的RDF 能滿足堆存運(yùn)輸要求，且熱值能達(dá)到20 MJ/kg。專利“以高濕生活垃圾、城市污泥制備衍生燃料的工藝”［22］和“一種污水污泥資源化利用系統(tǒng)”［23］均是將半干污泥壓制成型制備衍生燃料。此方法相較于干化污泥成型，能夠節(jié)省一定的干化成本，但成型成本較高。

濕污泥成型技術(shù)是直接將含水率80%左右的污泥與煤、生物質(zhì)和焦炭等其他助燃物混合成型，再將成型顆粒干化或直接送入爐內(nèi)摻燒。呂楊等［24］研究發(fā)現(xiàn)，污泥按照5%的比例混入煤中摻燒，可保證發(fā)電站的尾氣凈化裝置正常運(yùn)行，過高的摻燒比例會(huì)造成嚴(yán)重的結(jié)會(huì)現(xiàn)象。發(fā)明專利“一種超細(xì)污泥燃料及其生產(chǎn)方法”［25］發(fā)現(xiàn)將污泥、煤和燃料油混合，經(jīng)過研磨和均質(zhì)化處理至粒徑20 μm 以下，形成漿狀燃料直接送入爐內(nèi)摻燒，燃燒完全。值得注意的是，濕污泥熱值相對(duì)較低，在進(jìn)入爐內(nèi)后可能會(huì)增加鍋爐的負(fù)荷，且惡臭等環(huán)境問題依然存在，但濕污泥燃料的制備成本低，無需額外的脫水工藝。

綜上所述，半干化和干化污泥的混合壓制是生活污泥制備衍生燃料技術(shù)中能較好實(shí)現(xiàn)減量化和資源化的主要途徑，未來污泥干化技術(shù)仍然需要進(jìn)一步革新，降低成本，最終實(shí)現(xiàn)污泥燃料的產(chǎn)業(yè)化。

3 衍生燃料的應(yīng)用

3.1 燃煤電廠

燃煤電廠耦合垃圾衍生燃料發(fā)電是實(shí)現(xiàn)煤電低碳轉(zhuǎn)型，大幅度降低二氧化碳排放的重要發(fā)展方向。近年來，國(guó)家能源局和生態(tài)環(huán)境部大力支持煤電廠耦合污泥、生物質(zhì)等發(fā)電，并在多個(gè)煤電企業(yè)開展試點(diǎn)工作［26］。目前，利用衍生燃料的燃煤鍋爐主要有煤粉爐和循環(huán)流化床鍋爐。浙江浙能嘉興電廠利用煤粉爐耦合污泥發(fā)電，利用高溫蒸汽對(duì)污泥干化后直接送入燃煤鍋爐焚燒，截至2019 年底該項(xiàng)目累計(jì)處理濕污泥35 萬t；南京華潤(rùn)熱電廠也利用低品質(zhì)蒸汽作為熱源間接干化污泥，然后與煤按照一定的比例摻混后送入循環(huán)流化床鍋爐焚燒，該項(xiàng)目運(yùn)行數(shù)據(jù)表明脫水污泥按照7.35%的比例摻燒時(shí)電廠尾氣排放指標(biāo)均在正常范圍內(nèi)［27］。然而，研究發(fā)現(xiàn)燃煤電廠耦合污泥發(fā)電后煙氣中的顆粒物、重金屬、二噁英含量有所增加，同時(shí)飛灰和爐渣中的重金屬含量也會(huì)增加，但將污泥摻燒比例控制在10%以內(nèi)時(shí)，對(duì)重金屬的達(dá)標(biāo)排放則無明顯影響。針對(duì)二噁英含量的增加盡可能選擇含氯量較低的污泥以及控制爐內(nèi)溫度在850 ℃以上，保證煙氣停留時(shí)間＞2 s 或采取煙氣急冷和飛灰高效脫出等技術(shù)［26］。

針對(duì)RDF 的應(yīng)用，國(guó)外已有較成熟的產(chǎn)業(yè)鏈，例如，歐洲一些國(guó)家將固廢制成RDF 產(chǎn)品銷售，并對(duì)其生命周期進(jìn)行評(píng)估，發(fā)現(xiàn)RDF 混合發(fā)電可減少51.47%的溫室氣體排放，而泰國(guó)、印度等國(guó)家也提出開發(fā)5～15 MW 的小型發(fā)電廠用于RDF發(fā)電［28-29］。我國(guó)針對(duì)RDF 的應(yīng)用雖發(fā)展較晚，但也有大量的研究表明RDF 在煤電廠應(yīng)用的可行性。王靜毅［30］研究證實(shí)，RDF摻燒比例＜30%時(shí)，鍋爐熱效率能維持較高水平，煙氣中污染物排放量均達(dá)標(biāo)，且能夠減少煙氣中SO2的排放量。江蘇徐礦綜合利用發(fā)電有限公司利用循環(huán)流化床鍋爐綜合利用污泥與紡織廢料制備的RDF，可實(shí)現(xiàn)年處理紡織邊角料20 萬t/a，廢污泥20 萬t/a；國(guó)能駐馬店熱電有限公司利用現(xiàn)有煤粉爐協(xié)同資源化利用7.2 萬t/a 危廢，其中污泥3.6 萬t/a，藥渣3.6 萬t/a；河南華潤(rùn)電力首陽有限公司依托直流鍋爐綜合利用生活污泥、鞋業(yè)廢料等，年處理能力達(dá)13 萬t。

總體而言，RDF 在燃煤電廠的應(yīng)用還處于發(fā)展階段，要實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的要求必須控制摻燒的比例，確定摻燒入爐條件，然而目前我國(guó)尚未出臺(tái)相關(guān)的法律法規(guī)和技術(shù)規(guī)范，因此，有必要通過技術(shù)的發(fā)展、市場(chǎng)的開放推動(dòng)政策的落地。

3.2 水泥窯

RDF 替代化石能源燃燒最先出現(xiàn)在水泥窯中。20 世紀(jì)80 年代，挪威一水泥廠首先使用污泥作為替代燃料，開啟了水泥窯協(xié)同處置城市污泥的先例。隨后，國(guó)內(nèi)學(xué)者在開展污泥制備燃料研究時(shí)發(fā)現(xiàn)成型污泥燃料能滿足工業(yè)燃用標(biāo)準(zhǔn)，且混燒后不產(chǎn)生二噁英等，環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)較小［29-31］。目前，我國(guó)已出臺(tái)《水泥窯協(xié)同處置工業(yè)廢物設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50634—2010）［32］、《水泥窯協(xié)同處置固體廢物污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB 30485—2013）［33］、《水泥窯協(xié)同處置固體廢物環(huán)境保護(hù)技術(shù)規(guī)范》（HJ 662—2013）［34］等相關(guān)規(guī)定，要求用作水泥生產(chǎn)替代燃料的廢物熱值應(yīng)＞11 MJ/kg，并對(duì)入窯物料重金屬含量設(shè)定限值。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2021 年底，我國(guó)共有300 多條水泥熟料線配套協(xié)同處置項(xiàng)目，其中塔牌水泥、冀東水泥、拉法基水泥、紅獅水泥等龍頭企業(yè)均大力發(fā)展水泥窯協(xié)同處置項(xiàng)目。例如，華新水泥預(yù)計(jì)在2025 年前使用替代燃料，使全系統(tǒng)熱替代率達(dá)到30%；臺(tái)泥水泥在2025 年前替代燃料總利用規(guī)模將達(dá)到3 000 t/d；華潤(rùn)水泥預(yù)計(jì)達(dá)到節(jié)約燃煤2 000 t/d。按照2022 年我國(guó)水泥產(chǎn)量22.18 億t 核算，以20%的比例摻燒RDF 作為水泥窯替代燃料，可節(jié)約3.11 億t 煤。此外，實(shí)驗(yàn)表明［35］RDF 的投放可以減低煙氣中NOx 和SO2的生成量。由此可知，水泥窯綜合利用衍生燃料發(fā)展較為成熟，應(yīng)用案例已遍布全國(guó)各地，值得一提的是制約其發(fā)展的主要因素是無法獲取穩(wěn)定的RDF 來源，這與我國(guó)欠缺統(tǒng)一的RDF 等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)。

4 結(jié)語

城市固體廢棄物制備衍生燃料技術(shù)具有對(duì)象廣、數(shù)量大、二次污染少等優(yōu)勢(shì)，應(yīng)積極推廣，特別是應(yīng)鼓勵(lì)大中型城市建立固定的固廢處置中心，生產(chǎn)統(tǒng)一的衍生燃料產(chǎn)品。一方面利用衍生燃料熱值替代化石能源節(jié)能減排，另一方面將固廢無害化、減量化和資源化利用。作為企業(yè)，不管是燃煤鍋爐還是水泥窯的協(xié)同綜合利用都應(yīng)充分考慮燃料的準(zhǔn)入要求，降低污染物的排放，嚴(yán)控二噁英等危害物質(zhì)的產(chǎn)生，再考慮其經(jīng)濟(jì)性。作為政府，應(yīng)積極推動(dòng)企業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型，完善衍生燃料制備相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，給予技術(shù)研發(fā)單位足夠的支持，促進(jìn)固廢處理行業(yè)的快速發(fā)展。整體看來，我國(guó)衍生燃料制備技術(shù)已趨于成熟，尚缺乏相關(guān)法律法規(guī)，而市場(chǎng)應(yīng)用正處于發(fā)展階段，未來衍生燃料的使用可為電廠、水泥廠等企業(yè)節(jié)能減碳開辟新的出路。