城市生活垃圾焚燒熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)環(huán)境效益分析

不同摻煤量下的城市生活垃圾焚燒熱電聯(lián)產(chǎn)環(huán)境效益分析

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

1.前言
我國現(xiàn)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(fù)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(wěn)定燃燒，摻入適當(dāng)?shù)拿狠o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(fā)熱量就大，發(fā)電總量也就提高。因為發(fā)電量與焚燒廠的效益掛鉤，所以運(yùn)營方就會想方設(shè)法增加輔助燃料煤的添加量，盡量把國家允許的指標(biāo)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(fèi)，然而其環(huán)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(huán)境的潛在影響定量化。

2.主要工藝流程及系統(tǒng)邊界
2.1  主要工藝流程
生活垃圾焚燒熱電聯(lián)產(chǎn)的基本工藝由接收、儲存和輸送系統(tǒng)、焚燒系統(tǒng)、煙氣凈化系統(tǒng)、熱能利用系統(tǒng)、灰渣處理系統(tǒng)、儀表及自動化系統(tǒng)等組成。生活垃圾通過市政環(huán)衛(wèi)部門的垃圾壓縮車運(yùn)輸?shù)嚼贌龔S后，先進(jìn)行垃圾預(yù)處理，將垃圾進(jìn)行破碎減小垃圾的粒度，防止粗大垃圾進(jìn)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(jī)送入焚燒爐內(nèi)焚燒，在送入垃圾的同時，焚燒爐內(nèi)也給入一部分輔助燃料煤以保證爐膛內(nèi)溫度維持在850℃，垃圾庫房內(nèi)的垃圾滲濾液也被收集起來霧化噴入爐內(nèi)焚燒，焚燒后垃圾和煤釋放出來的熱能被蒸汽吸收，轉(zhuǎn)化為蒸汽的熱能，送到汽輪機(jī)內(nèi)推動汽輪發(fā)電機(jī)組做功發(fā)電。垃圾焚燒產(chǎn)生的煙氣經(jīng)過煙氣凈化系統(tǒng)處理后，達(dá)到國家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)引風(fēng)機(jī)通過煙囪高空排放。工藝簡圖見圖1。

2.2  系統(tǒng)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(yīng)用及研究深度和廣度等因數(shù)所確定。生活垃圾焚燒熱電聯(lián)產(chǎn)的生命周期系統(tǒng)邊界，見圖2。
城市生活垃圾焚燒熱電聯(lián)產(chǎn)的研究范圍是以熱電廠為邊界，根據(jù)垃圾焚燒熱電廠的工藝流程，確定物質(zhì)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(tǒng)的物質(zhì)/能源輸入，通常用質(zhì)量或體積形式來表示。由于不同地區(qū)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(yīng)一個城市生活垃圾產(chǎn)生的真實情況。因此，城市生活垃圾焚燒熱電聯(lián)產(chǎn)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(lián)產(chǎn)的輸入流中物質(zhì)與資源類有生活垃圾、煤炭、石灰石、工業(yè)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(yè)水則向鍋爐、汽輪機(jī)等設(shè)備提供冷卻用水；電力為設(shè)備及工廠設(shè)施提供能源。
圖2中，輸出流中物質(zhì)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(chǎn)生；中國供熱信息網(wǎng)了解到底灰指燃料在燃燒爐內(nèi)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(biāo)后的排放；生活垃圾焚燒產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換為熱量和電力接往熱網(wǎng)及電網(wǎng)，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(fā)熱量/（垃圾+煤焚燒的總發(fā)熱量）
根據(jù)工程統(tǒng)計，摻煤燃燒熱耗比為50％時，焚燒1t生活垃圾所產(chǎn)生的物質(zhì)及能源輸入輸出流見文獻(xiàn)［1］中表5。其它摻煤量時，認(rèn)為過量空氣系數(shù)不變，產(chǎn)生的煙氣量和發(fā)熱量、發(fā)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(chǎn)生的煙氣量，Nm3/t垃圾；
Vm－ 煤炭焚燒產(chǎn)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(chǎn)生的熱量，kWh/t垃圾；
Qm——煤炭焚燒產(chǎn)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(chǎn)生的電量，kWh/t垃圾；
Pm——煤炭焚燒產(chǎn)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(lián)產(chǎn)的輸入輸出流均發(fā)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(chǎn)量以及輔助材料的消耗量等也會同時變化。因為有關(guān)數(shù)據(jù)不能都從工程實例中獲得，www.china-heating.com所以當(dāng)采用不同的摻煤燃燒熱耗比時，輸入輸清單中，物質(zhì)的消耗除煤外，石灰根據(jù)煙氣的產(chǎn)生量按比例折算；活性炭耗量認(rèn)為按每噸垃圾計不變；煙氣中污染物排放濃度認(rèn)為當(dāng)凈化系統(tǒng)不變時也不發(fā)生改變，排放總量除二惡英、HCl不變外其它隨煙氣產(chǎn)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(shè)備配置為3臺75t/h垃圾焚燒爐＋2臺15MW抽凝式汽輪機(jī)，3套循環(huán)懸浮半干法＋布袋除塵煙氣凈化系統(tǒng)，供熱熱效率為25.6％，發(fā)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(shù)。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(rèn)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(yīng)1t垃圾的煙氣量和底渣、飛灰量，同時引起進(jìn)入焚燒爐的熱量的變化，影響垃圾焚燒爐的規(guī)模，產(chǎn)出的電力和熱量也相應(yīng)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(jié)果評價
4.1 生命周期評價
根據(jù)生活垃圾成分分析和表5的物質(zhì)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(shù)據(jù)按不同的環(huán)境影響因素分類，當(dāng)計算環(huán)境影響潛值時，借助丹麥技術(shù)大學(xué)開發(fā)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(huán)境影響潛值來表示；能量（包括電）的產(chǎn)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(chǎn)生認(rèn)為是代替了燃煤發(fā)電供熱；因而由煤燃燒而產(chǎn)生的對環(huán)境的污染和影響也就被抵消了；系統(tǒng)運(yùn)行對熱量和電力的消耗也以煤的燃燒供熱、發(fā)電為基礎(chǔ)，記入煤供熱發(fā)電對環(huán)境的污染和影響。因此必須知道煤的燃燒排放的數(shù)據(jù)。中國供熱信息網(wǎng)了解到我國煤燃燒供熱發(fā)電的生命周期排放數(shù)據(jù)很不完善，這里借助中國火力發(fā)電燃料消耗的生命周期排放清單的數(shù)據(jù)計算發(fā)電情況［3］，而熱電聯(lián)產(chǎn)則借用EASEWASTE軟件中內(nèi)置的以煤為燃料的熱電聯(lián)產(chǎn)數(shù)據(jù)。

EASEWASTE采用的環(huán)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(dāng)量（PE）基準(zhǔn)。當(dāng)評估我國的焚燒技術(shù)時應(yīng)該采用我國的人均當(dāng)量（PE）基準(zhǔn)，但是由于本文只是對不同系統(tǒng)加以相對比較，因此采用歐洲的人均當(dāng)量（PE）基準(zhǔn)并不影響比較結(jié)果。系統(tǒng)的輸出除有用物質(zhì)和能量外，更有氣、液、固等污染物，其對環(huán)境的影響嚴(yán)重程度依次減弱。模型定義了6種輸出流以適應(yīng)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(tǒng)中不存在某種物流的輸出，則不對該項進(jìn)行定義，其輸出量也自然為零。EASEWASTE軟件計算，其結(jié)果見表2。

4. 2 影響結(jié)果評價
表2中，正值表示對環(huán)境帶來不良影響，而負(fù)值表示對環(huán)境有益，避免了單純的煤發(fā)電過程對環(huán)境的不利影響。其中當(dāng)摻煤燃燒熱耗比小于等于20％時全球變暖、光化學(xué)臭氧形成（低NOx）、生態(tài)毒性（土壤）、平流層臭氧消耗、光化學(xué)臭氧形成（高 NOx）等五項類別的環(huán)境影響為負(fù)值，說明熱耗比20％以下時該五項對環(huán)境有正面影響；而其余6項不管熱耗比為多少均對環(huán)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(huán)境造成一定的影響。www.china-heating.com就單個環(huán)境影響類別而言，隨著摻煤燃燒熱耗比的增加其環(huán)境影響就越大，越不能體現(xiàn)垃圾焚燒這一緩解環(huán)境污染過程的環(huán)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(jìn)穩(wěn)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(lián)產(chǎn)最佳添加煤量。可以看見，摻煤量對應(yīng)的熱耗比越大，越不利，所以在實際運(yùn)行時應(yīng)該避免摻入過多的煤，摻煤熱量應(yīng)控制在總熱量的20％以下。這一結(jié)果驗證了2006年國家環(huán)境保護(hù)總局頒布的《關(guān)于加強(qiáng)生物質(zhì)發(fā)電項目環(huán)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(fā)電項目的消耗熱量中常規(guī)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(jié)
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(lián)產(chǎn)清單，并借助廢棄物的生命周期軟件EASWASTE進(jìn)行環(huán)境影響潛值計算。結(jié)果表明，當(dāng)熱耗比小于等于20％時垃圾焚燒熱電聯(lián)產(chǎn)對環(huán)境的不良影響最小，甚至某些影響因素有益于對環(huán)境的保護(hù)。

現(xiàn)階段，我國的生活垃圾熱值低、水分高，垃圾焚燒爐的燃燒運(yùn)行不夠理想，且故障率高。因此在原有的設(shè)備制造基礎(chǔ)上，應(yīng)加大低熱值垃圾焚燒的自主開發(fā)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(yīng)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(yùn)行。--上海市機(jī)電設(shè)計研究院有限公司 崔福華

參考文獻(xiàn)
［1］如皋垃圾焚燒熱電聯(lián)產(chǎn)項目初步設(shè)計.機(jī)電設(shè)計研究院有限公司內(nèi)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(fā)電燃料消耗的生命周期排放清單.中國環(huán)境科學(xué)，2005， Vol.25（5）：632～635