城市生活垃圾焚燒熱電(diàn)聯産技(jì )術環境效益分(fēn)析

不同摻煤量下的城市生活垃圾焚燒熱電(diàn)聯産環境效益分(fēn)析

【摘 要】利用(yòng)生命周期評價的強大功能(néng)，通過對不同摻煤量下的生活垃圾焚燒熱電(diàn)聯産中污染物(wù)的排放的計算、能(néng)量的消耗和物(wù)質(zhì)消耗的計算，預測不同摻煤量系統的環境性能(néng)，并用(yòng)環境影響潛值來表達，對焚燒中煤的摻入量進行評估，為(wèi)生活垃圾焚燒獲得最好的環境效益提供指導。

1.前言
我國(guó)現階段，城市生活垃圾采用(yòng)混合收集方式，分(fēn)類回收方式尚未普及，所以垃圾的組分(fēn)複雜，其中廚餘垃圾為(wèi)主。所以生活垃圾的含水量高，熱值較低。為(wèi)了穩定燃燒，摻入适當的煤輔助燃燒，這有助于提高燃燒熱值，保證垃圾的充分(fēn)燃燒。
顯然，摻入的煤量多(duō)，焚燒爐的發熱量就大，發電(diàn)總量也就提高。因為(wèi)發電(diàn)量與焚燒廠的效益挂鈎，所以運營方就會想方設法增加輔助燃料煤的添加量，盡量把國(guó)家允許的指标用(yòng)足。但，在焚燒爐中摻入過多(duō)的煤就意味着更多(duō)的污染和浪費，然而其環境效益很(hěn)少有人定量描述過。本文(wén)利用(yòng)生命周期分(fēn)析的方法将摻煤對環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(diàn)聯産的基本工藝由接收、儲存和輸送系統、焚燒系統、煙氣淨化系統、熱能(néng)利用(yòng)系統、灰渣處理(lǐ)系統、儀表及自動化系統等組成。生活垃圾通過市政環衛部門的垃圾壓縮車(chē)運輸到垃圾焚燒廠後，先進行垃圾預處理(lǐ)，将垃圾進行破碎減小(xiǎo)垃圾的粒度，防止粗大垃圾進入垃圾焚燒爐，然後采用(yòng)電(diàn)磁去鐵器去除垃圾中的一部分(fēn)鐵器，破碎後的垃圾送入垃圾庫房，再通過垃圾給料機送入焚燒爐内焚燒，在送入垃圾的同時，焚燒爐内也給入一部分(fēn)輔助燃料煤以保證爐膛内溫度維持在850℃，垃圾庫房内的垃圾滲濾液也被收集起來霧化噴入爐内焚燒，焚燒後垃圾和煤釋放出來的熱能(néng)被蒸汽吸收，轉化為(wèi)蒸汽的熱能(néng)，送到汽輪機内推動汽輪發電(diàn)機組做功發電(diàn)。垃圾焚燒産生的煙氣經過煙氣淨化系統處理(lǐ)後，達到國(guó)家規定的排放标準，經引風機通過煙囪高空排放。工藝簡圖見圖1。

2.2  系統邊界
生命周期評價的範圍界定是由所開展研究的目的、未來應用(yòng)及研究深度和廣度等因數所确定。生活垃圾焚燒熱電(diàn)聯産的生命周期系統邊界，見圖2。
城市生活垃圾焚燒熱電(diàn)聯産的研究範圍是以熱電(diàn)廠為(wèi)邊界，根據垃圾焚燒熱電(diàn)廠的工藝流程，确定物(wù)質(zhì)和能(néng)源輸入輸出。
城市生活垃圾的生命周期評價研究的功能(néng)單位的确定主要基于系統的物(wù)質(zhì)/能(néng)源輸入，通常用(yòng)質(zhì)量或體(tǐ)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(fēn)的差異，城市生活垃圾的比重差異較大，采用(yòng)體(tǐ)積形式不能(néng)很(hěn)好反應一個城市生活垃圾産生的真實情況。因此，城市生活垃圾焚燒熱電(diàn)聯産生命周期研究的功能(néng)單位确定為(wèi)1t生活垃圾處理(lǐ)量。

3.垃圾焚燒不同摻煤量的物(wù)流和清單分(fēn)析
由圖2可(kě)知，熱電(diàn)聯産的輸入流中物(wù)質(zhì)與資源類有生活垃圾、煤炭、石灰石、工業水、活性炭等，能(néng)源類有電(diàn)力。其中，煤炭作(zuò)為(wèi)輔助燃料提高燃燒熱值；石灰石為(wèi)煙氣脫硫劑；活性炭的使用(yòng)能(néng)有效地降低煙氣中的重金屬和二惡英的排放；工業水則向鍋爐、汽輪機等設備提供冷卻用(yòng)水；電(diàn)力為(wèi)設備及工廠設施提供能(néng)源。
圖2中，輸出流中物(wù)質(zhì)類有底灰、飛灰、污水、煙氣排放等，能(néng)源類有熱能(néng)和電(diàn)力。其中，飛灰是由煙氣淨化過程産生；中國(guó)供熱信息網了解到底灰指燃料在燃燒爐内燃燒後落入鍋爐底部的灰渣；煙氣排放為(wèi)符合國(guó)家排放指标後的排放；生活垃圾焚燒産生的能(néng)量轉換為(wèi)熱量和電(diàn)力接往熱網及電(diàn)網，提高燃料的熱效率。
為(wèi)了定量讨論添煤量的影響，定義：
摻煤燃燒熱耗比＝摻入的煤炭發熱量/（垃圾+煤焚燒的總發熱量）
根據工程統計，摻煤燃燒熱耗比為(wèi)50％時，焚燒1t生活垃圾所産生的物(wù)質(zhì)及能(néng)源輸入輸出流見文(wén)獻［1］中表5。其它摻煤量時，認為(wèi)過量空氣系數不變，産生的煙氣量和發熱量、發電(diàn)量的計算分(fēn)别為(wèi)：
   Vy=Vy0+Vm（1）
式中，Vy——總煙氣量，Nm3/t垃圾；
Vy0——垃圾焚燒産生的煙氣量，Nm3/t垃圾；
Vm－ 煤炭焚燒産生的煙氣量，Nm3/t垃圾。
    Qf =Qw0+Qm（2）
式中，Qf ——總熱量，kWh/t垃圾；
Qw0——垃圾焚燒産生的熱量，kWh/t垃圾；
Qm——煤炭焚燒産生的熱量，kWh/t垃圾。
    Pf =Pw0+Pm（3）
式中，Pf ——總電(diàn)量，kWh/t垃圾；
Pw0——垃圾焚燒産生的電(diàn)量，kWh/t垃圾；
Pm——煤炭焚燒産生的電(diàn)量，kWh/t垃圾。

垃圾焚燒中摻入的煤炭量變化時，熱電(diàn)聯産的輸入輸出流均發生變化，計算如式（1）～（3）。同時煙氣中污染物(wù)排放濃度、飛灰和底灰的産量以及輔助材料的消耗量等也會同時變化。因為(wèi)有關數據不能(néng)都從工程實例中獲得，www.china-heating.com所以當采用(yòng)不同的摻煤燃燒熱耗比時，輸入輸清單中，物(wù)質(zhì)的消耗除煤外，石灰根據煙氣的産生量按比例折算；活性炭耗量認為(wèi)按每噸垃圾計不變；煙氣中污染物(wù)排放濃度認為(wèi)當淨化系統不變時也不發生改變，排放總量除二惡英、HCl不變外其它随煙氣産量按比例變化。

某一具體(tǐ)項目中，生活垃圾焚燒量為(wèi)1500t/d，摻煤量為(wèi)354t/d，設備配置為(wèi)3台75t/h垃圾焚燒爐＋2台15MW抽凝式汽輪機，3套循環懸浮半幹法＋布袋除塵煙氣淨化系統，供熱熱效率為(wèi)25.6％，發電(diàn)熱效率為(wèi)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(wù)及水體(tǐ)污染物(wù)的排放濃度不變。其二，二惡英的排放認為(wèi)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，同時引起進入焚燒爐的熱量的變化，影響垃圾焚燒爐的規模，産出的電(diàn)力和熱量也相應改變。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果評價
4.1 生命周期評價
根據生活垃圾成分(fēn)分(fēn)析和表5的物(wù)質(zhì)資源消耗，可(kě)以形成相對完整的生命周期清單，基于EDIP 97方法（Wenzel et al.， 1997）将清單中的各數據按不同的環境影響因素分(fēn)類，當計算環境影響潛值時，借助丹麥技(jì )術大學(xué)開發的針對廢棄物(wù)的生命周期分(fēn)析軟件EASWASTE［2］。軟件所含的模型計算焚燒各工序包括煙氣淨化部分(fēn)向大氣、水體(tǐ)和土壤的污染物(wù)排放以及對資源的消耗并用(yòng)不同種類的環境影響潛值來表示；能(néng)量（包括電(diàn)）的産生和消耗以垃圾的低位熱值LHV的百分(fēn)比 計量，能(néng)量（包括電(diàn)）的産生認為(wèi)是代替了燃煤發電(diàn)供熱；因而由煤燃燒而産生的對環境的污染和影響也就被抵消了；系統運行對熱量和電(diàn)力的消耗也以煤的燃燒供熱、發電(diàn)為(wèi)基礎，記入煤供熱發電(diàn)對環境的污染和影響。因此必須知道煤的燃燒排放的數據。中國(guó)供熱信息網了解到我國(guó)煤燃燒供熱發電(diàn)的生命周期排放數據很(hěn)不完善，這裏借助中國(guó)火力發電(diàn)燃料消耗的生命周期排放清單的數據計算發電(diàn)情況［3］，而熱電(diàn)聯産則借用(yòng)EASEWASTE軟件中内置的以煤為(wèi)燃料的熱電(diàn)聯産數據。

EASEWASTE采用(yòng)的環境影響潛力分(fēn)類是基于EDIP 97方法（Wenzel et al.， 1997）。模型中采用(yòng)的是歐洲的人均當量（PE）基準。當評估我國(guó)的焚燒技(jì )術時應該采用(yòng)我國(guó)的人均當量（PE）基準，但是由于本文(wén)隻是對不同系統加以相對比較，因此采用(yòng)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(yòng)物(wù)質(zhì)和能(néng)量外，更有氣、液、固等污染物(wù)，其對環境的影響嚴重程度依次減弱。模型定義了6種輸出流以适應不同情況，這6種輸出流為(wèi)煙氣、飛灰、污泥、廢水和底排渣5種廢物(wù)流和石膏。如果焚燒系統中不存在某種物(wù)流的輸出，則不對該項進行定義，其輸出量也自然為(wèi)零。EASEWASTE軟件計算，其結果見表2。

4. 2 影響結果評價
表2中，正值表示對環境帶來不良影響，而負值表示對環境有益，避免了單純的煤發電(diàn)過程對環境的不利影響。其中當摻煤燃燒熱耗比小(xiǎo)于等于20％時全球變暖、光化學(xué)臭氧形成（低NOx）、生态毒性（土壤）、平流層臭氧消耗、光化學(xué)臭氧形成（高 NOx）等五項類别的環境影響為(wèi)負值，說明熱耗比20％以下時該五項對環境有正面影響；而其餘6項不管熱耗比為(wèi)多(duō)少均對環境有不良影響，說明了垃圾焚燒處理(lǐ)這一過程不可(kě)避免會對環境造成一定的影響。www.china-heating.com就單個環境影響類别而言，随着摻煤燃燒熱耗比的增加其環境影響就越大，越不能(néng)體(tǐ)現垃圾焚燒這一緩解環境污染過程的環境效益。綜合考慮各類别的影響因素，并考慮到添加煤對促進穩定燃燒的必要性，推薦熱耗比等于20％時的工況為(wèi)垃圾焚燒熱電(diàn)聯産最佳添加煤量。可(kě)以看見，摻煤量對應的熱耗比越大，越不利，所以在實際運行時應該避免摻入過多(duō)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(guó)家環境保護總局頒布的《關于加強生物(wù)質(zhì)發電(diàn)項目環境影響評價管理(lǐ)工作(zuò)的通知》中“采用(yòng)流化床焚燒爐處理(lǐ)生活垃圾的發電(diàn)項目的消耗熱量中常規燃料的消耗量按照熱值換算可(kě)不超過總消耗量的20%”條款的合理(lǐ)性。

5 總結
本文(wén)通過列出摻煤燃燒熱耗比分(fēn)别為(wèi)10%～50%時的垃圾焚燒熱電(diàn)聯産清單，并借助廢棄物(wù)的生命周期軟件EASWASTE進行環境影響潛值計算。結果表明，當熱耗比小(xiǎo)于等于20％時垃圾焚燒熱電(diàn)聯産對環境的不良影響最小(xiǎo)，甚至某些影響因素有益于對環境的保護。

現階段，我國(guó)的生活垃圾熱值低、水分(fēn)高，垃圾焚燒爐的燃燒運行不夠理(lǐ)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發力度，做到摻入少量煤或不加煤也能(néng)夠充分(fēn)燃燒且不熄火。同時應将垃圾分(fēn)類收集工作(zuò)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行。--上海市機電(diàn)設計研究院有限公司 崔福華

參考文(wén)獻
［1］如臯垃圾焚燒熱電(diàn)聯産項目初步設計.機電(diàn)設計研究院有限公司内部資料，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，左鐵镛.中國(guó)火力發電(diàn)燃料消耗的生命周期排放清單.中國(guó)環境科(kē)學(xué)，2005， Vol.25（5）：632～635