中美城市生活垃圾焚燒處置現狀和發展趨勢
中美城市生活垃圾焚燒處置現狀和發展趨勢
時間：2016-03-17 09:26
來源：環境工程
作者：嚴密
城市生活垃圾無害化處置和資源化利用是各國政府面臨的共同挑戰，也是實現循環經濟的關鍵。為正確了解中國和美國在垃圾處置，尤其是焚燒處置技術應用現狀和發展趨勢，本文對兩國垃圾產量、垃圾處置技術格局、焚燒處置技術應用、焚燒過程二惡英排放及碳減排效果進行了深入調查和計算。
1、垃圾產量
圖1顯示了中國和美國垃圾產量的變化，從圖中得到1990~2005年中國和美國生活垃圾的增長顯著。1990年美國垃圾產量為20830萬噸，但2005年增加到25270萬噸，增加了21.3%;中國垃圾產量也從6767萬噸增加到了15576萬噸，增長率為130%。2006年后，中美生活垃圾增長量均不明顯，美國生活垃圾產量出現了一個無規律的波動，中國小幅增長(6.5%)。2010年美國垃圾產量為2.50億噸，中國為1.58億噸，美國是中國的1.58倍。同時2010年美國人均垃圾產量為2.01 kg/(人˙日)，中國城市人口為6.91億，即中國人均垃圾產量為0.63 kg/(人˙日)，認為中國達到美國經濟水平時垃圾產量將超過5億噸。目前中國統計的垃圾產量實際是指城市生活垃圾清運量，是除去廢紙、飲料瓶等“廢品”后的剩余垃圾量，這和美國的垃圾概念存在一定差異。比較中美垃圾產量現狀后，可以清晰地得到中國必須加強生活垃圾的科學管理、無害化能力建設，以面對隨著經濟發展垃圾產量的快速增長，解決環境污染和垃圾“圍城”問題。
圖1 中美城市生活垃圾產生量
2、垃圾處置技術
每個國家和地區都會根據自身情況發展垃圾處置技術。垃圾處置技術主要有回收、堆肥、填埋和焚燒，但中國對“廢品”回收沒有官方統計數據，中美垃圾處置情況如圖2。1990~2005年，美國呈現出填埋比例降低，回收和堆肥的比例增加，同時焚燒比例基本不變;同時在2006年后幾種技術的應用維持相對穩定。2003~2010年，中國垃圾處置技術應用出現了較明顯的變化，表現為焚燒技術比例顯著增加，堆肥技術的應用迅速萎縮，同時填埋技術比例小幅減少。2010年焚燒技術在美國垃圾處置比例占到了11.7%，在中國垃圾處置比例為19.2%，但中國垃圾無害化率僅為77.9%，仍有20%的垃圾處于無序管理狀態。
同時根據根據《“十二五”城鎮生活垃圾無害化處理設施建設規劃》，到2015年，全國城鎮生活垃圾焚燒處理設施能力達到無害化處理總能力的35%以上，據此計算全國將新建超過210座1000噸/日處理量規模的垃圾焚燒廠。中國垃圾處置技術應用的發展由自身國情和經濟發展水平決定的，由過去的填埋占絕對，到現在以及未來很長時期內以填埋為主、焚燒技術快速發展，再到將來的垃圾綜合利用得到發展，形成垃圾綜合利用、焚燒和填埋垃圾梯級處置的穩定結構。
美國建立了完善的垃圾分類和回收系統，2010年美國電池回收率達到了96.2%，廢紙回收率為71.6%，各種金屬的回收率也達到了35.1%，塑料的回收相對較低為8.2%。有資料報道中國2010年廢紙回收量3725萬噸，廢紙回收率達到了40.8%。中國需要加強生活垃圾的分類、回收和統計工作，提高垃圾資源化利用率。當前包括北京、上海、廣州和杭州在內的數個城市開始重視和推廣垃圾分類工作，進行了試點。垃圾分類收集是規范垃圾回收，提高垃圾資源化利用的基礎和關鍵。
圖2 中美垃圾處置技術應用(a, 美國;b, 中國)
3、垃圾焚燒技術應用及重點污染物減排
3.1 垃圾焚燒技術應用
美國垃圾熱值從上世紀90s年代的10000 kj/kg上升到了13000 kj/kg,而中國垃圾年均熱值在5000~6000 kj/kg，所以美國垃圾相對中國具有更大的能源化價值和潛力。到2010年美國運行的垃圾焚燒廠共有87家，主要分布在東部和西部州，其中紐約州最多，達到了10家。統計得到單廠的平均焚燒量為1075 t/d，單臺爐平均處理量為418 t/d;裝機量為2583MW，單位垃圾平均發電量為699 kwh/t;也有部分焚燒爐熱量用于產蒸汽供熱。美國垃圾焚燒廠處置規模情況可詳見表1。到2010年，中國垃圾焚燒廠數量為104家，主要分布在沿海各省，尤其是浙江(22家)和廣東(16家)最多。這和美國垃圾焚燒廠分布相似，垃圾焚燒廠主要分布在經濟發達、人口密集地區，這是由焚燒技術占地少、處置成本相對高決定的。中國垃圾焚燒廠單廠平均處理量為816噸/日，最大處理量為1500噸/日。
中國垃圾發電量在250~300 kwh/t水平，由于中國垃圾熱值僅為美國垃圾熱值的一半左右，所以垃圾熱發電效率相當(~20%)。美國垃圾焚燒發電廠運行的三大公司是Covanta Energy、Wheelabrator Technologies和Veolia ES Waste-to-Energy Inc.。中國垃圾焚燒廠運行公司都具有一定的地域背景。美國垃圾焚燒爐技術主要是爐排爐技術，有80家垃圾焚燒廠采用了爐排爐技術。爐排爐技術相對成熟，有多家技術提供商，主要是Martin, Von Roll和Keppel-Seghers。同時美國有15家焚燒廠使用了垃圾衍生燃料作為焚燒爐燃料(DRF)。中國垃圾焚燒爐技術主要有流化床和爐排爐，流化床技術為國內自有技術，爐排爐技術主要引進國外技術和設備。
根據統計，中國運行的垃圾焚燒廠中采用流化床技術的焚燒發電廠有47座，合計處理能力為4.0萬噸/日，發電裝機容量超過1000MW;采用爐排爐技術的焚燒發電廠有49座，合計處理能力為4.24萬噸/日，發電裝機容量超過700MW;其余少部分為熱解爐和回轉窯爐。流化床焚燒爐具有較好的垃圾適應性，在熱值不足時可添加輔助燃料，在熱值符合要求時停止使用，調節零活。中國垃圾焚燒爐煙氣凈化系統主要采用半干法+活性炭噴射+布袋，而美國垃圾焚燒爐煙氣凈化系統為非選擇性催化(SNCR)+半干法+活性碳噴射+布袋，SNCR在美國垃圾焚燒爐上的應用比例達到了57.5%，布袋的應用比例為83.9%。
表1 美國垃圾焚燒廠處理規模情況
比較中美垃圾焚燒技術應用得到，相對于美國爐排爐一家獨大，中國根據國內垃圾特點形成了流化床和爐排爐鼎力的市場布局。今后中國不僅要在焚燒技術上加強提升外，還需要進行垃圾源頭控制及提質工作，包括垃圾分類、干化、預處理及RDF制備等，提高入爐垃圾燃料品位。煙氣凈化系統將在現有半干法+活性炭噴射+布袋的基礎上，發展SNCR及SCR脫硝技術。
3.2 垃圾焚燒二惡英排放
垃圾焚燒過程中會生成和排放多種污染物，包括粉塵、SO2、NOx、重金屬和二惡英。尤其二惡英受到了民眾和科研人員的廣泛關注，成為垃圾焚燒技術推廣的一個重要瓶頸。二惡英是《關于持久性有機污染物的斯德哥爾摩持公約》規定的首批12種持久性有機污染物之一。具有強烈的致病、致癌等危害，需要進行嚴格的排放控制。美國現行的垃圾焚燒二惡英排放標準為0.26 ng I-TEQ/Nm3，統計平均排放濃度為0.05 ng I-TEQ/Nm3，低于歐洲排放標準(0.1 ng I-TEQ/Nm3);1990年美國垃圾焚燒二惡英排放量為4.26 kg I-TEQ，到2000年排放量降到了12 g I-TEQ，減量率為99.7%。表2是美國垃圾焚燒爐多種污染物排放濃度情況，各污染物平均濃度均低于排放標準，但NOx排放僅略低于標準。
根據《中國履行<關于持久性有機污染物的斯德哥爾摩公約>國家實施計劃》(NIP)統計，2004年中國二惡英總排放量為10.23 kg TEQ，其中生活垃圾焚燒量為580g TEQ，2008年總排放量降到了6.45 kg I-TEQ，降低率為37.0%。根據浙江大學和大連化學物理研究所檢測數據，統計得到中國現階段生活垃圾焚燒二惡英煙氣排放符合國家相關排放標準(1.0 ng-TEQ/m3)的達標率約為78.3%，比2004年的排放監測達標率(58%)提高了約20%，其中達到歐盟相關排放標準(0.1 ng-TEQ/m3)的達標率約為43.5%。
垃圾焚燒設施煙氣排放二惡英類物質濃度分布范圍為0.005～4.140 ng-TEQ/m3，平均濃度為0.578 ng TEQ/m3。如按照6000Nm3/t的煙氣量計算，煙氣中二惡英的排放因子約為3.47 μg TEQ/t。根據2010年國家九部委聯合發布的《關于加強二惡英污染防治的指導意見》(環發[2010]123號)到2015年將建立比較完善的二惡英污染防治體系和長效監管機制，重點行業二惡英排放強度降低10%，基本控制二惡英排放增長趨勢。根據《全國主要行業持久性有機污染物污染防治十二五規劃》，“十二五”期間二惡英減排工程項目投資將達到22.91億元，包括POPs治理和處置能力建設在內共計57.04億元。垃圾焚燒過程二惡英減排控制技術有多種，根據全過程控制理論包括垃圾調質降低入爐垃圾氯和金屬含量，焚燒過程的3T+E優化及爐內抑制技術，尾部再生控制和吸附脫除，以及飛灰中二惡英處置。
表2 美國垃圾焚燒爐污染物排放水平
垃圾焚燒二惡英排放問題已經成為社會焦點，只有重視焚燒爐污染排放控制，尤其是二惡英近零排放后，垃圾焚燒市場才能健康發展。根據新《生活垃圾焚燒污染控制標準》征求意見稿，生活垃圾焚燒爐二惡英排放標準已經提高到0.1 ng I-TEQ/Nm3;同時二惡英的在線檢測技術也是研究熱點，在線檢測技術可實時顯示二惡英濃度，提供反饋信息優化焚燒工況和煙氣凈化系統的組織。
3.3 垃圾焚燒發電碳減排作用
WARM(Waste Reduction Model)是美國環境保護署(USEPA)用于計算生活垃圾各種管理措施的碳減排效果的數據模型。模型給出了垃圾源頭減量、回收、燃燒、堆肥和填埋的碳排放系數，該模型對公眾免費開放，同時USEPA也在對模型進行不斷的更新和豐富。USEPA公布了美國生活垃圾各種組分的處置詳實情況，利用WARM模型(10版)和2010年美國垃圾處置數據，計算得到如表4。垃圾的回收、堆肥和焚燒均具有碳減排作用，美國垃圾處置行業總體呈現了碳減排效果。從碳減排平均因子可以看到垃圾回收碳減排率最高(1.46)，回收碳減排量達到了9471萬噸，填埋存在碳排放(-73.2×10-3)。填埋過程中釋放的甲烷，其溫室效應是CO2的21倍，如果對垃圾填埋場進行填埋氣收集和利用將存在碳減排效果。目前在較多垃圾填埋場安裝了填埋氣發電機組，包括杭州的天子嶺垃圾填埋場。美國焚燒發電碳減排量為110萬噸，減排因子為37.6 kg/t。
表3 中國部分垃圾焚燒爐二惡英檢測報告，ng I-TEQ/Nm3
表4 美國各垃圾處置技術碳減排
表5 中國各垃圾處置技術碳減排
由于中國沒有垃圾各成分處置情況的統計數據，所以將垃圾作為混合垃圾，不計算垃圾回收碳減排部分。根據中國統計年鑒數據結合WARM模型(10版)計算中國2010年垃圾處置碳減排情況，結果如表5。堆肥和焚燒均存在碳減排能力，焚燒發電碳減排效果為102萬噸。比較發現沒有分類的垃圾填埋碳排放因子遠大于分類以后的垃圾碳排放因子。
4、結論
通過對中美垃圾產生、垃圾處置技術、焚燒處置應用、焚燒過程二惡英排放及碳減排作用的調查、分析，得到：
1)按照美國經驗，中國垃圾增量仍將巨大，需要做好垃圾科學管理和無害化能力的建設。在垃圾分類、回收和統計工作加大力度，促進垃圾資源化綜合利用的發展。
2)中國垃圾焚燒市場將繼續快速發展，需加強焚燒技術提升和尾部凈化系統升級以外，更應重視垃圾源頭調質，提高入爐垃圾品質。
3)垃圾焚燒爐二惡英排放標準將提高到0.1ng I-TEQ/Nm3，需進行更嚴格的二惡英控制措施，同時二惡英在線檢測技術也需得到重視。
4)垃圾焚燒技術不僅能實現垃圾的能源化利用，用于發電及供汽，也具有碳減排效果，利用WARM模型計算得到中國垃圾焚燒碳減排量約為102萬噸。
