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(jià)的強大功能，通過(guò)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，預測不同摻煤量系統的環(huán)境性能，并用環(huán)境影響潛值來(lái)表達，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。

1.前言
我國現階段，城市生活垃圾采用混合收集方式，分類(lèi)回收方式尚未普及，所以垃圾的組分復雜，其中廚余垃圾為主。所以生活垃圾的含水量高，熱值較低。為了穩定燃燒，摻入適當的煤輔助燃燒，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(chǎng)的效益掛鉤，所以運營(yíng)方就會(huì )想方設法增加輔助燃料煤的添加量，盡量把國家允許的指標用足。但，在焚燒爐中摻入過(guò)多的煤就意味著(zhù)更多的污染和浪費，然而其環(huán)境效益很少有人定量描述過(guò)。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、焚燒系統、煙氣凈化系統、熱能利用系統、灰渣處理系統、儀表及自動(dòng)化系統等組成。生活垃圾通過(guò)市政環(huán)衛部門(mén)的垃圾壓縮車(chē)運輸到垃圾焚燒廠(chǎng)后，先進(jìn)行垃圾預處理，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(guò)垃圾給料機送入焚燒爐內焚燒，在送入垃圾的同時(shí)，焚燒爐內也給入一部分輔助燃料煤以保證爐膛內溫度維持在850℃，垃圾庫房?jì)鹊睦鴿B濾液也被收集起來(lái)霧化噴入爐內焚燒，焚燒后垃圾和煤釋放出來(lái)的熱能被蒸汽吸收，轉化為蒸汽的熱能，送到汽輪機內推動(dòng)汽輪發(fā)電機組做功發(fā)電。垃圾焚燒產(chǎn)生的煙氣經(jīng)過(guò)煙氣凈化系統處理后，達到國家規定的排放標準，經(jīng)引風(fēng)機通過(guò)煙囪高空排放。工藝簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。

2.2  系統邊界
生命周期評價(jià)的范圍界定是由所開(kāi)展研究的目的、未來(lái)應用及研究深度和廣度等因數所確定。生活垃圾焚燒熱電聯(lián)產(chǎn)的生命周期系統邊界，見(jiàn)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(chǎng)為邊界，根據垃圾焚燒熱電廠(chǎng)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(jià)研究的功能單位的確定主要基于系統的物質(zhì)/能源輸入，通常用質(zhì)量或體積形式來(lái)表示。由于不同地區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一個(gè)城市生活垃圾產(chǎn)生的真實(shí)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(lèi)有生活垃圾、煤炭、石灰石、工業(yè)水、活性炭等，能源類(lèi)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、汽輪機等設備提供冷卻用水；電力為設備及工廠(chǎng)設施提供能源。
圖2中，輸出流中物質(zhì)類(lèi)有底灰、飛灰、污水、煙氣排放等，能源類(lèi)有熱能和電力。其中，飛灰是由煙氣凈化過(guò)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后的排放；生活垃圾焚燒產(chǎn)生的能量轉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）
根據工程統計，摻煤燃燒熱耗比為50％時(shí)，焚燒1t生活垃圾所產(chǎn)生的物質(zhì)及能源輸入輸出流見(jiàn)文獻［1］中表5。其它摻煤量時(shí)，認為過(guò)量空氣系數不變，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(shí)，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(shí)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(huì )同時(shí)變化。因為有關(guān)數據不能都從工程實(shí)例中獲得，www.china-heating.com所以當采用不同的摻煤燃燒熱耗比時(shí)，輸入輸清單中，物質(zhì)的消耗除煤外，石灰根據煙氣的產(chǎn)生量按比例折算；活性炭耗量認為按每噸垃圾計不變；煙氣中污染物排放濃度認為當凈化系統不變時(shí)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，設備配置為3臺75t/h垃圾焚燒爐＋2臺15MW抽凝式汽輪機，3套循環(huán)懸浮半干法＋布袋除塵煙氣凈化系統，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。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1t垃圾的煙氣量和底渣、飛灰量，同時(shí)引起進(jìn)入焚燒爐的熱量的變化，影響垃圾焚燒爐的規模，產(chǎn)出的電力和熱量也相應改變。不同摻煤熱耗比下的輸入輸出流見(jiàn)表1。

4 生命周期評價(jià)及影響結果評價(jià)
4.1 生命周期評價(jià)
根據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）將清單中的各數據按不同的環(huán)境影響因素分類(lèi)，當計算環(huán)境影響潛值時(shí)，借助丹麥技術(shù)大學(xué)開(kāi)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(lèi)的環(huán)境影響潛值來(lái)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；系統運行對熱量和電力的消耗也以煤的燃燒供熱、發(fā)電為基礎，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據。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據很不完善，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據計算發(fā)電情況［3］，而熱電聯(lián)產(chǎn)則借用EASEWASTE軟件中內置的以煤為燃料的熱電聯(lián)產(chǎn)數據。

EASEWASTE采用的環(huán)境影響潛力分類(lèi)是基于EDIP 97方法（Wenzel et al.， 1997）。模型中采用的是歐洲的人均當量（PE）基準。當評估我國的焚燒技術(shù)時(shí)應該采用我國的人均當量（PE）基準，但是由于本文只是對不同系統加以相對比較，因此采用歐洲的人均當量（PE）基準并不影響比較結果。系統的輸出除有用物質(zhì)和能量外，更有氣、液、固等污染物，其對環(huán)境的影響嚴重程度依次減弱。模型定義了6種輸出流以適應不同情況，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，其結果見(jiàn)表2。

4. 2 影響結果評價(jià)
表2中，正值表示對環(huán)境帶來(lái)不良影響，而負值表示對環(huán)境有益，避免了單純的煤發(fā)電過(guò)程對環(huán)境的不利影響。其中當摻煤燃燒熱耗比小于等于20％時(shí)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(lèi)別的環(huán)境影響為負值，說(shuō)明熱耗比20％以下時(shí)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(shuō)明了垃圾焚燒處理這一過(guò)程不可避免會(huì )對環(huán)境造成一定的影響。www.china-heating.com就單個(gè)環(huán)境影響類(lèi)別而言，隨著(zhù)摻煤燃燒熱耗比的增加其環(huán)境影響就越大，越不能體現垃圾焚燒這一緩解環(huán)境污染過(guò)程的環(huán)境效益。綜合考慮各類(lèi)別的影響因素，并考慮到添加煤對促進(jìn)穩定燃燒的必要性，推薦熱耗比等于20％時(shí)的工況為垃圾焚燒熱電聯(lián)產(chǎn)最佳添加煤量。可以看見(jiàn)，摻煤量對應的熱耗比越大，越不利，所以在實(shí)際運行時(shí)應該避免摻入過(guò)多的煤，摻煤熱量應控制在總熱量的20％以下。這一結果驗證了2006年國家環(huán)境保護總局頒布的《關(guān)于加強生物質(zhì)發(fā)電項目環(huán)境影響評價(jià)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燃料的消耗量按照熱值換算可不超過(guò)總消耗量的20%”條款的合理性。

5 總結
本文通過(guò)列出摻煤燃燒熱耗比分別為10%～50%時(shí)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。結果表明，當熱耗比小于等于20％時(shí)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。

現階段，我國的生活垃圾熱值低、水分高，垃圾焚燒爐的燃燒運行不夠理想，且故障率高。因此在原有的設備制造基礎上，應加大低熱值垃圾焚燒的自主開(kāi)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(shí)應將垃圾分類(lèi)收集工作做到實(shí)處，提高生活垃圾的熱值，有利于垃圾焚燒爐的正常運行。--上海市機電設計研究院有限公司 崔福華

參考文獻
［1］如皋垃圾焚燒熱電聯(lián)產(chǎn)項目初步設計.機電設計研究院有限公司內部資料，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