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聚焦 | 生活垃圾分类对垃圾焚烧发电产业发展影响的分析

北极星电力网新闻中心  来源:环境工程  作者:任中山 陈瑛等  2021/10/13 14:15:53  我要投稿  

北极星火力发电网讯:研究背景

随着我国经济的快速发展和城镇化进程的不断加快,城市人口越来越多,生活垃圾产生量逐渐攀升,“垃圾围城”现象较为普遍,生活垃圾污染问题受到政府和人民的密切关注。在现有垃圾无害化处理工艺中,垃圾焚烧发电可更有效实现“减量化、资源化、无害化”,且在运营过程中更绿色安全环保。此外,随着垃圾焚烧技术成熟性和可靠性的提高,公众对该类项目的认知得到改观,加快了焚烧发电产业的发展。据国家统计局数据分析﹐从2011—2018年我国生活垃圾发电厂数量及其处理能力分别增长了203.7%和287.4%。2018年,我国城镇实际垃圾焚烧处理能力约为40 万t/d,距“十三五”收官之年59.14万t/d的预设目标存在较大差距",未来一段时间内焚烧发电依然是主流的生活垃圾处理方式。

21世纪初,我国曾尝试推广垃圾分类制度,但收效甚微,仅在少数城市实施分类,多数还是粗放式混合收集。2019年1月,国务院办公厅印发的《“无废城市”建设试点工作方案》中提出“无废城市”的概念。在“无废城市”理念的指引下,尤其在《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》正式实施之后,更多城市将逐步实施对生活垃圾的严格分类,之前以末端处理为主生活垃圾处理方式向“治+用”结合的减量化、资源化模式转变,更多地将垃圾视为资源进行循环利用。基于循环利用后的垃圾成分将发生显著变化的考虑,本文从不同角度对生活垃圾分类对焚烧发电产业发展的影响进行分析,以期为垃圾焚烧发电行业的企业和政府监管部门提供技术参考。

摘 要

当前,垃圾焚烧发电已成为生活垃圾处理的主流工艺。但随着生活垃圾分类制度逐步在全国范围内推行,势必会导致用于焚烧发电的垃圾原料发生明显改变。基于此,从不同角度分析了垃圾分类对垃圾焚烧发电产业发展的影响。为适应分类后焚烧垃圾物理化学性质的改变,现有垃圾焚烧发电工艺需相应调整,尤其是热值升高,将大幅提升吨垃圾发电量,显著提高项目的经济效益,有利于激发企业自主投资运营的积极性。政府可依据焚烧发电产业市场行情,灵活调整相关补贴和优惠政策。垃圾焚烧发电产业有望进一步实现完全市场化运行,其发展模式也有望呈现为“全民参与+EPC”模式。对于生活垃圾的处置,政府的“参与、监管”角色也将向单一“监管”角色转变。

01 焚烧发电生活垃圾物化性质的改变

1. 分类后生活垃圾组分的改变

本研究中,生活垃圾的分类按照可回收垃圾、厨余垃圾、有害垃圾和其他垃圾进行分类,其中其他垃圾为用于焚烧发电的垃圾。

采用华南地区某市近11年生活垃圾连续抽样调查数据,对分类前后生活垃圾组分的变化(图1)进行对比分析。该案例中,未分类前生活垃圾以厨余垃圾﹑橡胶类、纸类、纺织类、木竹类垃圾为主,合计占比达到93%以上;垃圾分类后以纸类、橡胶类、木竹类等可燃物为主,占比达到90%以上。可以看出,对于华南地区城市来说,垃圾分类可将可回收物质进行有效回收,厨余、有害垃圾进行分类处置,理论上焚烧发电后残渣量≤10% ,减量化效果十分显著。

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图1 用于焚烧发电的生活垃圾组分的变化

2.水分和容量的改变

厨余垃圾含水量达到70%以上,占生活垃圾总质量的40%~60% ,是生活垃圾水分的主要来源。华南地区城市的生活垃圾、厨余垃圾及分类后的生活垃圾物理性质见表1,其中分类后数据由加权算法计算得出。

表1 不同种类垃圾的物理性质

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由表1可知:由于含有大量水分且容量较大的厨余垃圾被分离,分类后垃圾的水分含量约为20%,美国(19.02%)、欧洲(34.00%)、韩国(30.29%)相接近。水分降幅达到25百分点以上,使得可燃物质的占比提升,单位垃圾热值提升,同时在焚烧过程中由水分蒸发吸热带走的热量也相应减少,有利于垃圾焚烧放出热量的充分利用。此外,分类后的生活垃圾以纸类﹑橡胶类、木竹类为主,容量明显下降,依据加权计算结果仅为50 kg/m3,相对于同一焚烧炉来说,在保持进料速率不变的情况下,分类后生活垃圾单位时间内的进料量相比未分类生活垃圾减少83%。

3.热值的改变

由表1数据可知:实施分类后用于焚烧发电的生活垃圾热值明显提升,高达8790~13810 kJ/kg,比焚烧炉MCR(最大垃圾处理量)设计热值提升近1/3,达到了欧盟国家(10065 kJ/kg)美国(10341 kJ/kg)、日本( 9485 kJ/kg)生活垃圾的热值水平。以现代垃圾焚烧发电转换效率19%计算,若用于焚烧垃圾的入炉量保持不变,吨垃圾发电量增大160~420 kW·h ,相应地,经济效益有望进一步提升。

02 对现有垃圾焚烧发电工艺的影响

1.对储存和预处理系统的影响

垃圾焚烧发电的主流工艺有机械炉排焚烧炉工艺和循环流化床焚烧炉工艺2种。对于机械炉排焚烧炉工艺,由表1数据可知:分类后用于焚烧发电垃圾的容量急剧下降,假定在焚烧炉内产生相同的热量,取分类前后垃圾热值分别为5400,10000 kJ/kg ,容量分别取290,50 kg/m(见表1)进行计算,分类前投1 t生活垃圾,分类后需投入540 kg 垃圾,但从容量来看,分类后投入垃圾的体积却是分类前生活垃圾的3倍;假定焚烧炉炉容保持不变,焚烧垃圾未压缩,相同条件下分类后垃圾进料量是分类前的17%左右,产生的热量不足分类前的1/3,也无法适应现有生产工艺的运营条件。因此,对于现有工艺,若保持原有热负荷,需要对生活垃圾进行必要的预处理,如需增加破碎和压缩成型工序,以提高焚烧垃圾的容量,缩减入炉焚烧垃圾的体积,来适应垃圾储存池以及保障入炉正常焚烧的要求;但压缩体积的倍数需控制,结合焚烧炉热工设计,建议可设定压缩体积倍数的上限,以保障设施的稳定运行。

循环流化床焚烧炉工艺为达到长期稳定运行的目的,一般需要对生活垃圾进行粗破碎、磁选、筛选、风选、细破等均质处理。对生活垃圾进行分类,相当于对金属、餐厨垃圾以及大块垃圾等进行预处理,对于循环流化床焚烧炉工艺来说,可减少均质处理中的粗破碎、磁选等工序,且不需要增加压缩成型工序,缩短了工艺流程,节省了设备投资,可视为对预处理工序的进一步优化。

2.对焚烧系统的影响

垃圾焚烧系统设计的服务期限不低于20年,为保障生活垃圾焚烧发电长期稳定运行,必须考虑在生活垃圾成分和热值合理预测的基础上,确定焚烧炉设计垃圾低位热值以及保障正常运行的焚烧炉下限和上限垃圾低位热值。当前国内垃圾的平均热值约为5400 kJ/kg,现有炉型的设计以此为基准,但生活垃圾分类后,垃圾热值比焚烧炉MCR(最大垃圾处理量)设计热值提升1/3左右。此外,由于分类后垃圾含水量的降低,在焚烧过程中水分蒸发吸收带走的热量减少,加之焚烧垃圾热值的提升,在保持投料量不变的情况下,炉膛内热负荷急剧升高,现有工艺和设备承受能力面临严峻考验。因此,在保障安全运行的情况下,分类后焚烧炉型的设计需要在焚烧炉炉排面积、炉体几何体积以及余热锅炉的受热面布置等方面,对工艺参数进行适应调整。

3.对“三废”治理系统的影响

1)渗滤液

从表1中垃圾水分和容量的变化来看,生活垃圾中水分降低,渗滤液的产生量将减少1/3左右,以我国垃圾焚烧厂产生的渗滤液一般占垃圾焚烧量的25% ~35%(质量分数)进行计算,每吨垃圾渗滤液减少约80~120 kg,相应地污水处理的处理负荷也会减轻,配套的渗滤液处理设施也可进一步优化调整,这有利于降低设备投资和运营成本。

2)废烟气

分类后焚烧垃圾的水分降低,使得排放的烟气中水分减少,对后续烟气处理系统的稳定运行更加有利。更重要的是,垃圾分类使燃烧后会产生颗粒物(粉尘)酸性气体( HCl、HF、SOx、NOx等)、重金属( Hg、Pb、Cr等)和有机剧毒性污染物(二嗯英、呋喃等)4大类的厨余垃圾、橡胶塑料制品、电子废弃物等剥离,各种污染物的原始排放浓度必存在一定程度的下降。Shi等对分类后垃圾和混合垃圾焚烧后的烟气成分分析结果也证实了这一点,经分类垃圾焚烧烟气在进人净化设施前测得的PCDD/Fs总量约为73.80 ng I-TEQ/Nm3,明显低于混合垃圾焚烧的水平( 132.99 ng I-TEQ/Nm3)。经分类垃圾焚烧烟气的二嗯英国际毒性当量(I-TEQ)为 9.28 ng I-TEQ/Nm3,仅为混合垃圾焚烧水平的69.4%。高温条件下,颗粒物(粉尘)和酸性气体原始浓度的下降,有利于提高锅炉换热效率及延长锅炉寿命,进而保障整个系统长周期稳定运行。

3)灰渣固废

从垃圾组分变化来看,实施垃圾分类后,废旧金属、玻璃等可循环回收利用的垃圾资源、含水量高的厨余垃圾和有害垃圾均被分离出去,使得不可燃物质大幅减少,焚烧后产生的灰渣量或最终需要填埋的处理量也相应下降,比现有不分类焚烧工艺(灰渣量占比为20% ~30%)进一步减量约10百分点。在当前垃圾填埋场及危险废物填埋场用地困难及容量目趋减少,固体废物管理趋严的情况下,垃圾分类后再焚烧无疑是解决生活垃圾管理问题的关键举措。

03 国家产业政策的调整分析

据前所述,实施生活垃圾分类后,生活垃圾焚烧发电工艺流程缩短,热值显著提升,发电量提升,投入和运营成本降低,使得焚烧发电项目整体经济效益显著提升,对于垃圾发电企业的营收将形成积极影响。

目前,垃圾发电企业的收入包括垃圾焚烧处理和售电收入2部分,其中售电占比为70% ~80% ,为主要盈利点,且多数垃圾焚烧发电企业处于微利经营状态,电价补贴下调或取消将极可能导致企业进入亏损状态。财政部《对十三届全国人大二次会议第8443号建议的答复》指出,2016—2019年,中央财政共拨付可再生能源电价附加补助资金超过3000亿元,其中用于生物质发电(含垃圾发电项目) 378亿元,占比较少,仅为12%。对于垃圾发电项目的补贴,经财政部、国家发展改革委、国家能源局等部委研究决定,对已有项目延续现有补贴政策,但考虑到垃圾焚烧发电项目效率低、生态效益欠佳等情况,后续更多是希望通过垃圾处理费等市场化方式来支持垃圾焚烧发电产业,同时将逐步减少新增项目纳入补贴范围的比例。2020年4月3日,国家发展改革委发布《关于有序推进新增垃圾焚烧发电项目建设有关事项的通知》(征求意见稿)「中也明确指出,2020年1月20日后并网发电的生活垃圾焚烧发电(含沼气发电)新增项目,通过可再生能源发展基金继续予以支持,但遵循以收定支的原则。对于2020年1月20日前并网发电的存量项目,继续根据现行《可再生能源电价附加补助资金管理办法》有关规定管理。

总体来说,从国家政策和产业发展需求来看,近期对于生活垃圾焚烧发电产业的取消补贴政策的可能性很小,且现有税收优惠政策变化的可能性不大。但在垃圾分类后,考虑到企业经济效益将得到提升,同时国家更多地希望生活垃圾焚烧发电产业以市场化模式运行,因此国家及地方政府可能会调整现有支持政策,远期或逐步降低补贴比例甚至取消补贴的政策。行业中技术落后﹑盈利能力低的企业需要加快提升技术与装备水平,否则生存将面临严峻的考验。

04 生活垃圾焚烧发电产业发展模式的演变分析

一直以来,我国生活垃圾的处置均以政府为主体,给政府财政负担造成一定的压力。但随着生活垃圾问题的日益加剧,环保市场的逐步释放,垃圾焚烧发电产业的发展模式经历了从“政府直接投资-政府特许大型国有企业经营-政府特许经营权市场招标-PPP模式”的转变,在PPP模式中政府与私营企业建立起“利益共享、风险共担、全程合作”的共同体关系,在生活垃圾处理的过程中逐渐出现企业的角色,政府的担子有所减轻。但需要注意的是,PPP项目周期长、资金投入大、回报率低﹑投资回收期长且受政策影响较大,在项目实施前需要进行充分的风险识别和评估。从现有生活垃圾焚烧发电项目的合作模式来看, BOT模式将成为我国城市生活垃圾处理的主导运营模式。

伴随全民参与生活垃圾分类的实施和焚烧发电技术的日趋成熟,垃圾焚烧发电产业的经济效益将显著改善,企业单独投资运营的积极性也逐渐高涨,其完全市场化运行的可行性也进一步提升。焚烧发电产业由PPP、BOT可转变为EPC模式,完全由第三方独立运营收费,甚至生活垃圾产业链上游的收集、运输等也实现市场化。在生活垃圾处置过程中,政府为主体的角色将发生转变,从当前参与、监管的角色转变为单一监管角色,生活垃圾焚烧发电产业发展模式也将呈现为全民参与+EPC模式。

05 结论

通过统计和理论计算分析表明:分类后生活垃圾物理化学性质变化较大,与分类前相比,水分含量降低 25百分点以上,热值提升至8790~13810 kJ/kg ,容量下降为50 kg/m3,对垃圾焚烧发电整体有利,且产生的灰渣量进一步减量约10百分点,现有工艺势必要进行适应调整。

生活垃圾分类对现有焚烧发电企业影响较大,一方面使企业投入成本降低,另一方面热值升高,吨垃圾发电量增加160~420 kW·h,可大幅提升项目的经济效益,激发企业自主投资建设的积极性,有利于垃圾焚烧发电产业的市场化运营。

在政策层面,可依据焚烧发电产业发展需要和市场化调节情况,适时调整补贴和税收政策,同时可从生活垃圾处置的主角转变成单一监管角色。

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