一、垃圾焚燒碳減排對(duì)于實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳減排的重要意義
2020年9月22日，習(xí)近平總書(shū)記在聯(lián)合國(guó)大會(huì)上提出我國(guó)將于2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)，作為發(fā)展中國(guó)家，我國(guó)碳達(dá)峰碳中和節(jié)奏顯著快于發(fā)達(dá)國(guó)家歷史水平；上海“十四五”規(guī)劃中提出要在2025年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，較國(guó)家明確的達(dá)峰時(shí)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(guó)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(duì)整體碳減排有重要作用。
據(jù)《中國(guó)溫室氣體自愿減排項(xiàng)目監(jiān)測(cè)報(bào)告》顯示“垃圾焚燒項(xiàng)目通過(guò)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(shí)利用垃圾焚燒產(chǎn)生熱能進(jìn)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(shí)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(zhǎng)趙英民在《第二次全國(guó)污染源普查公報(bào)》發(fā)布會(huì)上提到，“十二五”和“十三五”期間（2011年-2020年），我國(guó)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(guó)在運(yùn)行焚燒廠104座，城市生活垃圾焚燒處理量約2300萬(wàn)t/a；到了2019年增長(zhǎng)到401座，處理量達(dá)1.2億t/a。截至2020年6月1日，我國(guó)在運(yùn)行的垃圾焚燒廠總計(jì)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(jìn)入“運(yùn)營(yíng)為王”的時(shí)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(duì)于實(shí)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(diǎn)。
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(lèi)的大背景下，在細(xì)分和協(xié)同處理的基礎(chǔ)上，逐漸過(guò)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(yùn)行初期由于出現(xiàn)鍋爐受熱面腐蝕等問(wèn)題，當(dāng)時(shí)該技術(shù)并未在全國(guó)大范圍推廣。為了解決受熱面腐蝕的問(wèn)題，行業(yè)內(nèi)采取的做法是在過(guò)熱器中應(yīng)用高鎳合金鋼等耐腐蝕材料，使得過(guò)熱器壽命得到有效延長(zhǎng)。雖然增加建設(shè)和運(yùn)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(lái)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(jì)算數(shù)據(jù)基本一致。老港二期工程作為上海市第一個(gè)采用中溫次高壓參數(shù)的垃圾焚燒廠，該廠的穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)上海郊區(qū)乃至全國(guó)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(guò)程中增加了中間再熱技術(shù)對(duì)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(xiàng)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(jī)通常采用分缸方式，高壓缸部分采用高速汽輪機(jī)，高壓缸排汽進(jìn)入蒸汽式再熱器再熱后進(jìn)入低壓缸繼續(xù)做功。第二種方式汽輪機(jī)可以采用分缸方式也可采用單缸方式。根據(jù)理論測(cè)算，第一種方式比第二種方式可提高機(jī)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(jī)組比非再熱機(jī)組可提高機(jī)組效率約1%~2%。盡管高參數(shù)余熱利用技術(shù)能夠帶來(lái)更高的效率，但在提高主蒸汽參數(shù)時(shí)還需要統(tǒng)籌考慮汽機(jī)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(guò)量空氣系數(shù)有關(guān)。當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)一定時(shí)，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(shí)，過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)低的排煙溫度容易對(duì)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(yùn)行項(xiàng)目的實(shí)際運(yùn)行情況來(lái)看，隨著焚燒廠運(yùn)行年限的增加，余熱鍋爐出口的排煙溫度無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)值，甚至高出設(shè)計(jì)值20℃~30℃。造成排煙溫度過(guò)高的原因主要有兩方面，第一，已投運(yùn)焚燒廠設(shè)計(jì)熱值較低，但隨著垃圾分類(lèi)在全國(guó)大范圍推進(jìn)，導(dǎo)致入爐垃圾熱值遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)熱值，余熱鍋爐的受熱面布置無(wú)法滿足現(xiàn)有焚燒工況；第二，鍋爐受熱面的清灰效果無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求，導(dǎo)致受熱面換熱效果不佳。對(duì)于已運(yùn)行的焚燒項(xiàng)目可以通過(guò)增加水冷壁受熱面、增加過(guò)熱器等、改善清灰方式等改善排煙溫度過(guò)高的問(wèn)題，也可通過(guò)技改將排煙余熱回收利用。
影響排煙熱損失的另一個(gè)主要原因是鍋爐出口的過(guò)量空氣系數(shù)，焚燒爐出口過(guò)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(jìn)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(qiáng)化氣態(tài)可燃物湍流燃燒。一次風(fēng)過(guò)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(guò)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(guò)程的順利進(jìn)行?？梢酝ㄟ^(guò)提高一次風(fēng)溫度、改善爐膛配風(fēng)、強(qiáng)化爐膛湍流等措施降低過(guò)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(guò)高速?lài)娙肟稍诜贌隣t喉部形成強(qiáng)烈的湍流，有效降低焚燒爐出口過(guò)量空氣系數(shù)，過(guò)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(yùn)營(yíng)高峰期，各地環(huán)保排放指標(biāo)也日趨嚴(yán)格，運(yùn)營(yíng)廠的精細(xì)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(lái)的發(fā)展方向必然是朝著精細(xì)化、自動(dòng)化和智能化方向發(fā)展，通過(guò)簡(jiǎn)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(yùn)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(shí)現(xiàn)煙氣運(yùn)行和檢維修費(fèi)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(duì)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(diǎn)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(gè)趨勢(shì)。部分焚燒項(xiàng)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(wú)法穩(wěn)定控制在100mg/m3以?xún)?nèi)。針對(duì)NOx排放限值為100mg/m3的垃圾焚燒項(xiàng)目，目前國(guó)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(yáng)項(xiàng)目應(yīng)用組合“煙氣再循環(huán)+SNCR+ICR（PNCR）”脫硝工藝后運(yùn)行工況穩(wěn)定性較好，綜合成本更低。對(duì)于原先未采用煙氣再循環(huán)工藝的焚燒廠，如在引風(fēng)機(jī)前增加煙氣再循環(huán)工藝，可有效降低引風(fēng)機(jī)的電功率，利用再循環(huán)風(fēng)替代原有二次風(fēng)，可實(shí)現(xiàn)引風(fēng)機(jī)的運(yùn)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(guò)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?xún)?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(yùn)行的能耗和藥劑消耗，實(shí)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(jī)組、煙氣凈化系統(tǒng)等，主要設(shè)備一般采用單獨(dú)招標(biāo)的方式，由各個(gè)廠家供貨，各設(shè)備之間設(shè)計(jì)參數(shù)和設(shè)備選型的匹配度，對(duì)全廠的運(yùn)行效率有十分重要的影響。從實(shí)際運(yùn)行項(xiàng)目得到的反饋，各核心設(shè)備在匹配過(guò)程中存在錯(cuò)配導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行無(wú)法達(dá)到最佳設(shè)計(jì)工況。如焚燒爐預(yù)留了超燒10%機(jī)械負(fù)荷的處理能力，相關(guān)余熱鍋爐的受熱面布置卻無(wú)法實(shí)現(xiàn)超燒，甚至無(wú)法達(dá)到滿負(fù)荷，后續(xù)煙氣凈化工藝的處理能力也存在過(guò)小或者過(guò)大的可能，處理能力過(guò)小則煙氣排放可能存在超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)，處理能力過(guò)大則能耗增加。因此，可以通過(guò)提高全廠各主要設(shè)備的協(xié)同能力，對(duì)已有設(shè)備進(jìn)行改造和優(yōu)化使之更好的匹配，會(huì)大大提高全廠運(yùn)營(yíng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。
此外，對(duì)全廠高電耗和高能耗設(shè)備進(jìn)行能效診斷和節(jié)能分析，通過(guò)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(jī)、水泵等能耗實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。
（五）精細(xì)化管理助力碳減排
垃圾焚燒廠運(yùn)行工況的穩(wěn)定性與進(jìn)料垃圾的熱值、焚燒爐的運(yùn)行控制、爐膛的配風(fēng)等都有重要的關(guān)系。因此，可通過(guò)垃圾坑的精細(xì)化管理實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)料垃圾熱值和含水率的控制，通過(guò)焚燒爐ACC（自動(dòng)燃燒控制）系統(tǒng)優(yōu)化爐排運(yùn)行周期和配風(fēng)穩(wěn)定爐膛工況，減少鍋爐負(fù)荷波動(dòng)，提高運(yùn)行效率。
此外，生活垃圾中的礦物碳主要來(lái)自塑料和橡膠等，增加對(duì)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(shí)塑料熱值貢獻(xiàn)是廢紙的3~4倍，但碳排放量達(dá)到廢紙的200倍。塑料的有效分選和利用對(duì)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(jìn)非水可再生能源發(fā)電健康發(fā)展的若干意見(jiàn)》中針對(duì)生活垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目國(guó)補(bǔ)退坡政策的推出，生活垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目的收益將受到很大影響。上海環(huán)境以新建項(xiàng)目為契機(jī)或?qū)享?xiàng)目進(jìn)行改造，采用高參數(shù)余熱利用技術(shù)進(jìn)一步提高噸垃圾發(fā)電量。對(duì)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(shí)現(xiàn)碳減排。通過(guò)焚燒廠精細(xì)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。
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