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城市生活垃圾固體回收燃料在中國的發展前

時間:2019-09-18 16:12來源:www.wrcjzk.live 作者:現代化工 點擊:
【摘要】介紹了固體回收燃料(SRF)在國內外的發展歷程以及歐盟對固體回收燃料的分類。分析了SRF與原生垃圾成分以及生活垃圾固體回收燃料的優勢。SRF的推廣有助于減少對有限的化石燃料的依賴,減少碳排放量,以滿足我國趨緊的環境要求。目前SRF的研究主要在歐盟開展,在國內還沒有形成完善的標準體系,因此,通過推廣SRF制備技術將開啟我國能源的高效再利用,形成“資源-廢品-資源”的循環系統,實現可持續發展要求的經濟與環境的雙贏。

       固體回收燃料是指從非危險廢棄物中制備而成的,用于在焚燒廠或協同焚燒設施內以實現能量回收再利用。2017年我國城市生活垃圾清運量達到2.15億t,比2016年增加5.9 %,從生活垃圾無害化處置角度來看,目前我國無害化處置能力約為67.99萬t/d,年處理量約為2.1億t,無害化處置率97.67 %。其中焚燒處理是我國生活垃圾無害化處理的主要方式之一。爐排爐和流化床鍋爐是目前生活垃圾焚燒處理的兩大主流技術,兩者占垃圾焚燒發電市場的比重合計達到95 %以上,其中爐排爐占比75 %,流化床占比20 %,可以看出,爐排爐技術逐步占據我國垃圾焚燒處理方式的主導地位。但爐排爐焚燒的生活垃圾一般為原生垃圾,垃圾中不可燃燒物較多,也造成了爐排爐焚燒不徹底的現象。生活垃圾流化床技術具有垃圾適應性強、負荷調整靈活的優點,但是流化床技術對燃料質量要求高,原生垃圾不利于設備連續運行。在嚴格的環保標準要求下,流化床技術推廣也遇到了新的挑戰,最根本的因素是我國生活垃圾具有混合收集、水分高和熱值低等特點。因此,固體回收燃料的推廣不僅對流化床技術的發展有利,對于爐排爐的發展也具有重要的意義。

       1  國外固體回收燃料標準發展歷程

       早在20世紀90年代,歐盟已經開始進行有關回收燃料的研究。2002年,歐盟授權CEN(M/325)(歐洲標準委員會(M/325任務))進行建立固體回收燃料(SRF)技術規范并將其轉化為歐洲標準(EN)的研究;2002年3月13日,成立CEN/TC 343工作小組,由芬蘭標準協會擔任秘書長,工作計劃包括27個委任的工作項目;2004年開始,工作小組出版了技術報告;2010年開始,工作小組完成并出版了技術規范;2011 和2012年,出版歐洲標準;2012年2月,M/325 任務完成。目前,歐盟關于固體回收燃料的準確定義和分類標準仍采用BSEN 15357-2011。

       歐盟固體回收燃料標準體系中從固體回收燃料的取樣過程、質量體系、技術指標等方面對標準體系進行劃分,涵蓋了取樣方法、質量管理體系、水分、灰分、有害元素分析、生物質含量等方面。美國ASTM回收廢燃料標準體系中將標準體系分為質量及取樣方法、數據分析方法、水分、有害元素分析、二氧化硅含量等方面。日本JIS工業標準中只是將標準體系分為試驗方法、總熱值、水含量、灰分、金屬含量、有害元素分析等方面,并沒有建立具體垃圾再生燃料的質量標準。

       2  中國固體回收燃料發展歷程

       中國對固體回收燃料的研究起步較晚,1996 年最早由中科院廣州能源所和太原理工大學開始了RDF(垃圾衍生燃料) 的熱解、污染等性能的研究,2001年建立了國內第一條RDF 生產線,展開了對垃圾可燃物的實踐探索。除此之外部分院校和企業正在積極考慮應用固體回收燃料,主要應用于焚燒或協同處置,并制定了相應的標準如《水泥窯固體回收燃料取樣方法》《水泥窯固體回收燃料垃圾》等。國內從事生活垃圾焚燒處理處置企業也已經進行了多種探索性的應用嘗試,實踐證明應用固體回收燃料對焚燒發電效率和污染物控制都有明顯的作用,獲得了較好的經濟效益和環保效益。

       3  固體回收燃料評價指標

       由于中國固體回收燃料的研究起步較晚,且城市生活垃圾尚未形成固體回收燃料的產品標準,目前城市生活垃圾固體回收燃料依然采用歐盟標準(EN 15359-2011)作為分類依據。歐盟現行的固體回收燃料分類標準依據凈熱值、氯和汞含量不同將固體回收燃料分為5個品質等級,并組成5×5×5共125類,詳見表1。

表1  固體回收燃料分級系統

       4  固體回收燃料的制備技術

       目前國內主要的固體回收燃料制備技術包括干化和機械分選。干化可分為熱干化和生物干化,熱干化是通過外部熱源對生活垃圾進行加熱,從而降低物料含水率,熱干化的形式多種多樣,生物干化主要是利用微生物降解產生熱量,從而降低含水率。本文主要講“生物干化+機械分選”即MBT技術。

       4.1  MBT-生物干化

       生物干化(biodrying treatment)是在強制通風的情況下,微生物利用混合垃圾中的易腐有機物發酵產熱、高溫下通風加速水分揮發、利用暖空氣比冷空氣攜帶更多水份的原理,把垃圾中的水分帶走,混合垃圾的水分顯著下降,實現生物干化的目的。 

       然而,我國生活垃圾預處理面臨的最大問題就是垃圾含水量高,有些地區的垃圾含水量甚至大于50 %,高水分低熱值的生活垃圾焚燒起來非常困難。很多垃圾焚燒發電廠在焚燒之前將垃圾放在原生垃圾庫里停留幾天,以去除里面的一些滲濾液,在此過程中會自然經過一個厭氧反應過程,排放更多有害氣體,增加滲濾液處理成本。且濕垃圾無法做到具備市場價值的資源化利用,無法很好地分離惰性物質、污染物質和可燃物;由于潮濕,大量有機物使得垃圾顆粒之間的粘滯力很強,即使用現代自動化分選機械效果也不是非常理想,設備阻塞現象嚴重。因此垃圾干化技術就成為了垃圾資源化里尤為重要的一環,垃圾經干化后水分大大減少(甚至可以達到30 %以下),干化后的垃圾較松散、顆粒之間的粘滯力降低,大大降低了機械分選的難度。垃圾干化和預處理的整個過程稱為垃圾焚燒資源化預處理過程。

       4.2  MBT-機械分選

       機械分選(mechanical treatment)技術作為垃圾處理的前端環節,對于資源的再利用以及預處理后續處理來說都是一項必不可少的環節,尤其在垃圾焚燒這一領域,分選技術尤為重要。垃圾分選不僅可以提高資源的利用率,還可以提高垃圾焚燒效率。機械分選技術即基于生活垃圾中各組分的物理屬性,例如:硬度、密度、質量、粒徑、光學屬性和電磁屬性等,將垃圾經過袋裝垃圾自動破袋、破碎系統、篩分系統、有機物自動破碎系統、電磁分選系統、光學分選系統、全封閉機械化風選系統等。可將城市生活垃圾分選為:可燃垃圾、綜合利用、可回收垃圾。機械分選主要包括破碎、篩分、風選、磁選、渦流分選等工藝。

       5  MBT技術的應用

       5.1  MBT工藝流程

       以淄博某生活垃圾焚燒廠為例,采用“生物干化+機械分選+循環流化床鍋爐”的生活垃圾焚燒工藝。其中“生物干化+機械分選”設三條處理線,每條處理量為900 t/d。干化后可分選出金屬(有色金屬)、玻璃、石塊等不可燃燒物,提高了鍋爐的焚燒效率。該燃料的設計熱值為10465 kj/kg,設計含水率為30 %。其工藝流程圖如圖1所示。

       5.2  干化效果

       針對淄博生活垃圾焚燒項目固體回收燃料的制備工藝形成的成品固體回收燃料,特委托有資質的檢測機構進行檢測,檢測報告見表2。

表2  固體回收燃料熱值分析

       由表2可知,成品燃料檢測熱值基本達到設計要求,熱值均值達到10536 kj/kg(2517 kcal/kg)含水率降低到30 %以下。含水率的下降對生活垃圾的焚燒是非常有利的,焚燒時垃圾中的水分不僅不利于垃圾的燃燒外,還增加煙氣中的水蒸氣分壓、提高煙氣露點和排煙溫度,降低垃圾焚燒的能量化效率;一般垃圾中水的吸熱占總熱耗的 10 %。因此,降低垃圾的含水率是減少輔助燃料用量、提高焚燒熱能輸出的有效措施。同時,當垃圾水分高達 50 %時,由于爐內水汽化容積劇增以及煙氣處理系統負荷增加,設施應作相應調整,這就會引起建設投資和運行管理費用增加等一系列問題。

       5.3  機械分選效果

       機械分選工藝應設在干化后,主要是因為干化后降低垃圾中的含水率,較為松散,分選效果更好。機械分選出的物料主要包含重物質(石塊、鞋子、帶水的瓶子等)、細物料、廢鐵、有色金屬等。根據該電廠5月份的分選結果進行分析,具體數據如表3所示。

表3  機械分選數據分析

       由表3可知,經機械分選后,包含細物料在內,生活垃圾減量化約為32.63 %。對重物質、廢鐵、有色金屬等不可燃燒物都在很大程度上進行了篩分。該項目固體回收燃料制備技術采用的是16 mm的篩網(經反復試驗,16 mm為該項目成品燃料篩網的最佳尺寸。最佳尺寸的選擇需綜合考慮固體回收燃料的產量和鍋爐燃燒工況,其他項目可根據實際情況選擇孔徑),16 mm以上粒徑的成品燃料,熱值較高,可直接用于高參數焚燒鍋爐直接焚燒,而16 mm以下燃料可以稱為“細物料”,該部分物料沙土、碎玻璃含量較高,熱值較低。本文通過取樣分析,對細物料熱值、灰分進行檢測。檢測結果見表4。

表4  細物料熱值分析

       由表4可知,細物料含水率與固體回收燃料基本相當,但灰分較高,熱值不到成品燃料的50 %。該部分物料的處理則根據電廠的實際情況選擇是否焚燒,或進行進一步的處理。

       為比較垃圾經MBT處理后的效果,特選取了入廠垃圾、原生庫垃圾(堆放1~2天)、細物料和成品燃料進行比較,比較結果見表5。

表5  生活垃圾熱值變化

       由表5數據可知,原生垃圾在送入原生庫中,由于堆放的原因,含水率會有所下降(含水率下降的多少與具體堆放天數有關)。隨著含水率的降低,灰分和可燃物比例都有明顯的提高。含水率降低到25.67 %,熱值達到10536 kj/kg(2517 kcal/kg),熱值提高了約3倍,干化效果明顯。在含水率相差較大的情況下,灰分的多少不足以判斷熱值的高低,必須結合含水率和可燃物的含量來綜合判斷。在含水率相差不大的情況下(如細物料和SRF),灰分和可燃物的比例決定了熱值的高低,灰分越高、可燃物越低,則熱值越高。

       6   固體回收燃料的優勢

       6.1  清潔化焚燒

       目前SRF主要還是用于焚燒,在歐盟,由生活垃圾制成的SRF量大約為每年1200萬t。SRF作為廉價的可替代能源給能源產業部門帶來持續增長的利潤,很多國家建設了新的MBT廠。

       在我國SRF焚燒技術主要用于循環流化床鍋爐,由于我國垃圾分類情況差、水分高、組分復雜,循環流化床鍋爐面臨著焚燒不穩定和污染物超標等問題。做成SRF不僅可以解決如今垃圾焚燒爐存在的給料不均和排放超標問題,還能減少受熱面腐蝕、提高鍋爐連續運行時間,使鍋爐運行參數向高參數、大容量方向發展。

       6.2  垃圾減量化

       根據淄博電廠的固體回收燃料成分數據來看,垃圾減量化效果明顯,不可燃燒物(重物質、鐵、有色金屬)減量化約15.13 %,含水率從原生庫垃圾的61.03 %降低至25.67 %。固體回收燃料不僅可以用于焚燒,也可用于垃圾填埋。根據《“十三五”全國城鎮生活垃圾無害化處理設施建設規劃》提出的目標:到2020年底,具備條件的直轄市、計劃單列市和省會城市(建成區)實現原生垃圾“零填埋”,建制鎮實現生活垃圾無害化處理能力全覆蓋。“十三五”期間政府將會繼續加大存量垃圾的治理力度,預計實施垃圾填埋封場治理項目845個,擬封場處理能力147585 t/d,占當前填埋處理能力的21%。

       固體回收燃料制備技術可對需要填埋或已填埋的生活垃圾進行處理,分選出其中可燃物另行處置,將不可燃燒物填埋。減少了填埋場壓力,實現了資源的合理利用。同時生物干化后的垃圾的含水率下降,能降低滲濾液對膜的污染,延長了填埋場的使用年限,減少了填埋場長期運行管理成本。

       6.3  產品交易

       固體回收燃料還作為一種可以交易的商品,其市場價格具有不確定性,但往往低于石油、煤炭等化石燃料的價格。在歐洲,水泥企業和燃煤電廠根據價格的變動來調整固體回收燃料的摻燒量,保證了固體回收燃料價格的穩定性,也為企業提供了更多的燃料供應選擇。考慮到我國環保稅的出臺和碳交易市場的開放以及環保壓力的加大,應用固體回收燃料替代部分化石燃料將帶來一定的經濟效益。

       7  結論

       SRF具有以下幾個優點:①提高熱值,生活垃圾經干化和機械分選后形成熱值在2000~3500 kcal/kg的高質量固體燃料,其發熱量是原生垃圾的3倍;②提供高效垃圾管理方案,幫助實現垃圾分類和降低垃圾填埋的目標;③SRF的推廣有助于減少對有限的化石燃料的依賴,減少碳排放量,滿足我國趨緊的環境要求。而目前SRF的研究主要在歐盟開展,在國內還沒有形成完善的標準體系,因此,通過推廣SRF制備技術將開啟我國能源的高效再利用,形成“資源-廢品-資源”的循環系統,實現可持續發展要求的經濟與環境的雙贏。

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