一、垃圾焚燒碳減排對于實現(xiàn)碳達峰、碳減排的重要意義
2020年9月22日，習(xí)近平總書記在聯(lián)合國大會上提出我國將于2030年實現(xiàn)碳達峰、2060年實現(xiàn)碳中和的目標(biāo)，作為發(fā)展中國家，我國碳達峰碳中和節(jié)奏顯著快于發(fā)達國家歷史水平；上?！笆奈濉币?guī)劃中提出要在2025年實現(xiàn)碳達峰，較國家明確的達峰時間提前5年，碳控壓力顯著。住建部環(huán)境衛(wèi)生工程技術(shù)研究中心研究表明，固體廢棄物處理是全球溫室氣體排放第四大排放源，約占3%；2018年，全國碳排放約100億t CO2e，生活垃圾處理碳排放1.04億t CO2e。2020年，做好固廢處理的溫室氣體核算與控制工作，對整體碳減排有重要作用。
據(jù)《中國溫室氣體自愿減排項目監(jiān)測報告》顯示“垃圾焚燒項目通過焚燒方式替代填埋方式處理生活垃圾，避免了垃圾填埋產(chǎn)生以CH4為主的溫室氣體排放；同時利用垃圾焚燒產(chǎn)生熱能進行發(fā)電，替代以火力發(fā)電為主所產(chǎn)生的同等電量，從而實現(xiàn)溫室氣體（GHG）減排”。
2020年6月10日，生態(tài)環(huán)境部副部長趙英民在《第二次全國污染源普查公報》發(fā)布會上提到，“十二五”和“十三五”期間（2011年-2020年），我國垃圾焚燒廠的數(shù)量增加了303%，焚燒處理量增加了577%。2010年我國在運行焚燒廠104座，城市生活垃圾焚燒處理量約2300萬t/a；到了2019年增長到401座，處理量達1.2億t/a。截至2020年6月1日，我國在運行的垃圾焚燒廠總計455座。10年間，城市生活垃圾中焚燒處理占比由18.8%上升至51.2%，一線城市的焚燒處理比例更高。垃圾焚燒行業(yè)已進入“運營為王”的時代，更高效的焚燒和余熱利用技術(shù)、更優(yōu)化的煙氣凈化處理工藝、更低的能耗和物耗以及新技術(shù)的應(yīng)用對于實現(xiàn)碳減排有著積極作用，也是各大環(huán)保企業(yè)研究的重點。
老港二期焚燒廠
二、垃圾焚燒碳減排技術(shù)方向
垃圾焚燒發(fā)電將在垃圾分類的大背景下，在細分和協(xié)同處理的基礎(chǔ)上，逐漸過渡融合到集約高效、碳減排的方向上。具體體現(xiàn)在垃圾焚燒工藝的高效化、綜合能耗和物耗的降低。
（一）應(yīng)用高參數(shù)發(fā)電技術(shù)提高噸垃圾發(fā)電量
1、提高主蒸汽參數(shù)
根據(jù)《生活垃圾焚燒廠噸垃圾發(fā)電量的研究分析》，余熱鍋爐采用中溫次高壓參數(shù)(450℃，6.5MPa)較采用中溫中壓參數(shù)(400℃，4MPa)發(fā)電量提高17%，廣州李坑垃圾焚燒發(fā)電廠首次將中溫次高壓余熱鍋爐技術(shù)用于垃圾焚燒行業(yè)，運行初期由于出現(xiàn)鍋爐受熱面腐蝕等問題，當(dāng)時該技術(shù)并未在全國大范圍推廣。為了解決受熱面腐蝕的問題，行業(yè)內(nèi)采取的做法是在過熱器中應(yīng)用高鎳合金鋼等耐腐蝕材料，使得過熱器壽命得到有效延長。雖然增加建設(shè)和運行成本，但其有著良好的綜合效益。從上海老港再生能源利用中心一二期2020年的入爐垃圾的噸發(fā)電量來看，一期工程采用中溫中壓蒸汽參數(shù)，入爐噸垃圾年均發(fā)電量為479kwh/t，二期工程采用中溫次高壓蒸汽參數(shù)，入爐噸垃圾年均發(fā)電量為554kwh/t，發(fā)電量提升15.7%，與理論計算數(shù)據(jù)基本一致。老港二期工程作為上海市第一個采用中溫次高壓參數(shù)的垃圾焚燒廠，該廠的穩(wěn)定運行對上海郊區(qū)乃至全國新建焚燒廠余熱鍋爐采用高參數(shù)都具有示范和引領(lǐng)意義。
2、采用中間再熱
除了中溫次高壓參數(shù)的應(yīng)用外，余熱利用過程中增加了中間再熱技術(shù)對熱效率提升也有較為明顯的效果。目前采用的再熱方式主要由兩種，一種是在荷蘭AEB電廠采用的爐外飽和蒸汽加熱方式，主蒸汽參數(shù)為13MPa、440℃，再熱蒸汽溫度為320℃；另一種是在江陰項目采用的爐內(nèi)設(shè)置再熱器的加熱方式，主蒸汽參數(shù)為6.5MPa、450℃，再熱蒸汽溫度為420℃。第一種方式汽輪機通常采用分缸方式，高壓缸部分采用高速汽輪機，高壓缸排汽進入蒸汽式再熱器再熱后進入低壓缸繼續(xù)做功。第二種方式汽輪機可以采用分缸方式也可采用單缸方式。根據(jù)理論測算，第一種方式比第二種方式可提高機組熱效率約2%~3%左右。而采用第二種再熱方式，在采用中溫次高壓主蒸汽參數(shù)的條件下，再熱機組比非再熱機組可提高機組效率約1%~2%。盡管高參數(shù)余熱利用技術(shù)能夠帶來更高的效率，但在提高主蒸汽參數(shù)時還需要統(tǒng)籌考慮汽機排汽濕度和鍋爐防腐蝕的限制。
（二）降低排煙熱損失的措施
排煙熱損失是垃圾焚燒爐的最主要熱損失，排煙熱損失主要與鍋爐的排煙溫度和焚燒爐的過量空氣系數(shù)有關(guān)。當(dāng)過量空氣系數(shù)一定時，隨著排煙溫度的升高，排煙熱損失逐漸增加，排煙溫度每升高10℃，排煙熱損失升高約0.9%。排煙溫度一定時，過量空氣系數(shù)增加，排煙量也增加，排煙熱損失也相應(yīng)增加。過量空氣系數(shù)每增加0.1，排煙熱損失增加約0.7%~0.9%。降低排煙熱損失主要有降低排煙溫度和降低過量空氣系數(shù)兩種措施。
由于生活垃圾焚燒煙氣中SOx和HCl的濃度較高，過低的排煙溫度容易對鍋爐受熱面造成低溫腐蝕，為防止鍋爐受熱面的低溫腐蝕，目前生活垃圾焚燒余熱鍋爐省煤器出口排煙溫度一般在190℃~200℃之間。從上海環(huán)境眾多已運行項目的實際運行情況來看，隨著焚燒廠運行年限的增加，余熱鍋爐出口的排煙溫度無法達到設(shè)計值，甚至高出設(shè)計值20℃~30℃。造成排煙溫度過高的原因主要有兩方面，第一，已投運焚燒廠設(shè)計熱值較低，但隨著垃圾分類在全國大范圍推進，導(dǎo)致入爐垃圾熱值遠超設(shè)計熱值，余熱鍋爐的受熱面布置無法滿足現(xiàn)有焚燒工況；第二，鍋爐受熱面的清灰效果無法達到設(shè)計要求，導(dǎo)致受熱面換熱效果不佳。對于已運行的焚燒項目可以通過增加水冷壁受熱面、增加過熱器等、改善清灰方式等改善排煙溫度過高的問題，也可通過技改將排煙余熱回收利用。
影響排煙熱損失的另一個主要原因是鍋爐出口的過量空氣系數(shù)，焚燒爐出口過量空氣系數(shù)一般控制在1.5左右。助燃空氣以一次風(fēng)和二次風(fēng)/再循環(huán)風(fēng)的形式進入爐膛。其中一次風(fēng)以保障爐膛內(nèi)垃圾層的充分轉(zhuǎn)化為目的，二次風(fēng)/再循環(huán)風(fēng)則以強化氣態(tài)可燃物湍流燃燒。一次風(fēng)過量空氣系數(shù)與垃圾熱值有關(guān)，低熱值垃圾所需的一次風(fēng)過量空氣系數(shù)一般較高，以保證床層中垃圾的燃燒反應(yīng)確保垃圾干燥過程的順利進行?？梢酝ㄟ^提高一次風(fēng)溫度、改善爐膛配風(fēng)、強化爐膛湍流等措施降低過量空氣系數(shù)。荏原HPCC焚燒爐的煙氣再循環(huán)技術(shù)，利用布袋除塵器出口煙氣回流至焚燒爐喉部前后拱，通過高速噴入可在焚燒爐喉部形成強烈的湍流，有效降低焚燒爐出口過量空氣系數(shù)，過量空氣系數(shù)控制在1.3左右。
（三）煙氣處理工藝組合優(yōu)化
隨著垃圾焚燒廠逐漸由建設(shè)高峰期轉(zhuǎn)為運營高峰期，各地環(huán)保排放指標(biāo)也日趨嚴格，運營廠的精細化管理以及降本增效任務(wù)也逐漸提上日程。在此背景下，焚燒廠未來的發(fā)展方向必然是朝著精細化、自動化和智能化方向發(fā)展，通過簡化煙氣系統(tǒng)工藝流程，完善和改造煙氣凈化系統(tǒng)配置，并規(guī)范運行人員操作程序，以提高垃圾焚燒和煙氣凈化效率，和降低煙氣凈化輔料的噸垃圾耗量，實現(xiàn)煙氣運行和檢維修費用的整體降低。
目前能夠滿足《生活垃圾污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB18485-2014）和歐盟EU2010/75/EC排放標(biāo)準(zhǔn)的煙氣凈化處理工藝以“SNCR+半干法+干法+活性炭+袋式除塵”和“SNCR+半干法+干法+活性炭+袋式除塵+濕法”為主。但部分省市對NOx的排放標(biāo)準(zhǔn)提出了更高的要求，如DB37/2376-2013山東省區(qū)域性大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)的重點控制區(qū)域NOx限值為100mg/m3，垃圾焚燒煙氣NOx排放濃度限值低于100mg/m3成了一個趨勢。部分焚燒項目因此增加了SCR工藝以適應(yīng)更高的環(huán)保要求。主流的脫硝技術(shù)包括焚燒爐燃燒控制爐溫、煙氣再循環(huán)技術(shù)、SNCR系統(tǒng)、SCR系統(tǒng)以及ICR（PNCR）系統(tǒng)，其中焚燒爐燃燒控制爐溫與煙氣回流技術(shù)可有效降低原始NOx濃度。但通常采用焚燒爐燃燒控制爐溫、煙氣回流以及SNCR脫硝系統(tǒng)的情況下，NOx排放值仍無法穩(wěn)定控制在100mg/m3以內(nèi)。針對NOx排放限值為100mg/m3的垃圾焚燒項目，目前國內(nèi)垃圾焚燒發(fā)電廠采用的脫硝工藝有SNCR+SCR系統(tǒng)以及SNCR+ICR（PNCR）系統(tǒng)。從上海環(huán)境洛陽項目應(yīng)用組合“煙氣再循環(huán)+SNCR+ICR（PNCR）”脫硝工藝后運行工況穩(wěn)定性較好，綜合成本更低。對于原先未采用煙氣再循環(huán)工藝的焚燒廠，如在引風(fēng)機前增加煙氣再循環(huán)工藝，可有效降低引風(fēng)機的電功率，利用再循環(huán)風(fēng)替代原有二次風(fēng)，可實現(xiàn)引風(fēng)機的運行功率降低約10%。而且，應(yīng)用煙氣再循環(huán)工藝后，爐內(nèi)過量空氣系數(shù)降低，焚燒爐出口NOx原始濃度可降低約30%-40%，穩(wěn)定控制在200mg/Nm3以內(nèi)，入爐噸垃圾尿素消耗量可節(jié)約0.5kg左右，降低系統(tǒng)運行的能耗和藥劑消耗，實現(xiàn)碳減排。
煙氣處理工藝優(yōu)化案例
（四）全廠效率協(xié)同優(yōu)化
生活垃圾焚燒廠的核心主要設(shè)備包括焚燒爐、余熱鍋爐、汽輪發(fā)電機組、煙氣凈化系統(tǒng)等，主要設(shè)備一般采用單獨招標(biāo)的方式，由各個廠家供貨，各設(shè)備之間設(shè)計參數(shù)和設(shè)備選型的匹配度，對全廠的運行效率有十分重要的影響。從實際運行項目得到的反饋，各核心設(shè)備在匹配過程中存在錯配導(dǎo)致系統(tǒng)運行無法達到最佳設(shè)計工況。如焚燒爐預(yù)留了超燒10%機械負荷的處理能力，相關(guān)余熱鍋爐的受熱面布置卻無法實現(xiàn)超燒，甚至無法達到滿負荷，后續(xù)煙氣凈化工藝的處理能力也存在過小或者過大的可能，處理能力過小則煙氣排放可能存在超標(biāo)的風(fēng)險，處理能力過大則能耗增加。因此，可以通過提高全廠各主要設(shè)備的協(xié)同能力，對已有設(shè)備進行改造和優(yōu)化使之更好的匹配，會大大提高全廠運營的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。
此外，對全廠高電耗和高能耗設(shè)備進行能效診斷和節(jié)能分析，通過增加變頻設(shè)備、采用低能耗設(shè)備替換、應(yīng)用節(jié)能技術(shù)等方式，降低大功率風(fēng)機、水泵等能耗實現(xiàn)節(jié)能降耗。
（五）精細化管理助力碳減排
垃圾焚燒廠運行工況的穩(wěn)定性與進料垃圾的熱值、焚燒爐的運行控制、爐膛的配風(fēng)等都有重要的關(guān)系。因此，可通過垃圾坑的精細化管理實現(xiàn)對進料垃圾熱值和含水率的控制，通過焚燒爐ACC（自動燃燒控制）系統(tǒng)優(yōu)化爐排運行周期和配風(fēng)穩(wěn)定爐膛工況，減少鍋爐負荷波動，提高運行效率。
此外，生活垃圾中的礦物碳主要來自塑料和橡膠等，增加對塑料的分選和利用，將減少礦物碳釋放。以上海生活垃圾為例，焚燒時塑料熱值貢獻是廢紙的3~4倍，但碳排放量達到廢紙的200倍。塑料的有效分選和利用對于碳減排的意義重大。
三、展望與結(jié)論
隨著2020年《關(guān)于促進非水可再生能源發(fā)電健康發(fā)展的若干意見》中針對生活垃圾焚燒發(fā)電項目國補退坡政策的推出，生活垃圾焚燒發(fā)電項目的收益將受到很大影響。上海環(huán)境以新建項目為契機或?qū)享椖窟M行改造，采用高參數(shù)余熱利用技術(shù)進一步提高噸垃圾發(fā)電量。對現(xiàn)有煙氣工藝系統(tǒng)的優(yōu)化改造以及全廠設(shè)備的協(xié)同優(yōu)化和改造深度挖潛，提升焚燒廠的發(fā)電效率、降低能耗實現(xiàn)碳減排。通過焚燒廠精細化管理提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低碳排放。此外，新型減碳技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用如甲烷制氫、飛灰固碳等碳減排技術(shù)等將為碳減排提供新的途徑。
來源 | 上海環(huán)境衛(wèi)生工程設(shè)計院