城市生活垃圾气化发电的技术经济性评价王贝

城市生活垃圾气化发电的技术经济性评价王贝

王贝

(中国能源建设集团山西省电力勘测设计院有限公司山西太原030001)

摘要：随着人们对生存环境要求的不断提高和土地资源价值的日益提升，城市生活垃圾热转化处理已逐渐取代填埋处理，成为垃圾处理的主要选择。垃圾熔融气化技术是近年兴起的处理方式，参考日本一座处理量为400t/d的城市生活垃圾熔融气化发电工程，运用生命周期评价和投入产出分析方法分析其环境影响和经济性，结果显示，垃圾气化熔融的烟气污染和二噁英排放的环境影响均低于传统的直燃工程；工程投资和垃圾处理补贴是垃圾热转化工程经济性的重要影响因素，垃圾气化熔融工程经济性略低于直燃工程。未来如在我国推广垃圾熔融气化技术，需适当提高垃圾处理补贴，并进一步加强垃圾分类以提高入炉垃圾的热值和成分稳定性。

关键词：城市生活垃圾；熔融气化；生命周期评价；投入产出分析

生产力的快速发展，使人们在生产生活过程中的废弃物产生量也越来越大。据统计，我国城市垃圾年产量超过1.4亿t以上占世界城市垃圾总产生量的26.5%，城市垃圾量正以8%~10%的年增长率不断增加，2/3的城市已形成了垃圾包围城市的严重局面，全国垃圾累计占地达5.4亿m2。一直以来，填埋处理是我国废弃物处理的主要手段，但是随着人们对环境要求的不断提高和土地资源价值的日益提升，这种处理方式已经显得不合时宜。近年来，生活垃圾热转化处理因其资源化利用效果好、占地省等优点越来越受到重视。我国已陆续兴建了一些垃圾焚烧发电工程，但是由于垃圾焚烧过程中的污染物排放问题，使垃圾焚烧处理工程在实施中也遭遇了很大的阻力。相对于直燃方法，目前欧美、日本等发达国家正在应用的垃圾气化发电技术被认为是一种更为环保的处理途径，并已有成熟的商业化工程项目运行，这类相关产业在我国的应用仍然处于起步阶段，其可行性和适用性尚待进一步的论证和研究。

一、工程案例

国外某垃圾气化发电系统的工艺流程。垃圾处理量约为400t/d，年运行时间7800h，入炉垃圾热值约为10462.5kJ/kg。垃圾入炉气化之后合成气需要先经过燃气净化装置除焦脱硫之后再进入锅炉燃烧发电，气化熔融炉温度为1250~1400℃。运行过程中产生的炉渣熔化后从底部出口排出，通过磁分离装置分离出金属和炉渣，分离出的金属回收利用，一部分经处理后可用做绝热材料用于采矿工业，另一部分和飞灰一起做填埋处理。由于采用了炉渣分选系统，大部分金属元素被分离出来，既降低了最终的残渣产量，提高了资源的利用率，又大大减轻了填埋处理的重金属污染。采用熔融气化技术，每吨垃圾最终残渣产量可以从180kg降低至120kg的水平，减排率约为33%由于熔融气化炉的温度高，垃圾气化系统的炉渣和飞灰产量显著低于传统的垃圾直燃系统。一部分飞灰经熔融炉被融化，使得炉渣生成总量增加，生成的炉渣经过金属分离设备分离后大部分金属元素被分离出来，既降低了飞灰的产率，又降低了炉渣填埋处理的重金属污染。熔融炉中的高温能有效降低炉渣的含水率，高温处理之后的滤渣再进行填埋处理可有效降低渗滤作用。为了进行工程数据对比，我们选择中国广州李坑垃圾焚烧电厂一期工程为垃圾直燃方式的代表，工程采用日本三菱重工的垃圾焚烧炉排炉，处理量1040t/d，装机容量22MW，收集垃圾低位热值为5.632MJ/kg。

二、案例分析

2.1污染物排放

在垃圾气化系统中，垃圾进入气化炉热解气化所产生的合成气在锅炉内发生的均相燃烧比垃圾直燃系统中的多相燃烧可控性更强，增强燃烧稳定性的同时降低了污染物的生成。垃圾处理系统烟气中主要污染物的比较圾气化系统烟气中，各项污染物的产率均低于垃圾直燃系统。由于垃圾气化系统中合成气进入锅炉中进行均相燃烧，相较于直燃系统燃烧更稳定，这是垃圾气化燃烧HCl产率明显低于直燃的重要原因。本文的垃圾气化系统中合成气净化系统和烟气净化系统对污染物进行多次脱除，这也是气化系统污染物排放情况优于直燃系统的重要原因之一，但也造成了处理成本的上升。基于LCA方法得到的主要污染物的环境效应，包括酸化、水体富营养化以及人体毒性的影响等3个方面，各类影响数据已经过标准化处理和加权处理。由于CO2的排放在燃烧充分的情况下主要与原料中的C含量相关，本文所涉及的两种工艺在CO2减排效果方面并无明显差别，因此并未将全球变暖影响列入研究范围。影响相加得到总体环境影响，通过比较可以看到，垃圾直燃工艺的环境显著高于气化工艺。3类环境影响中水体富营养化影响所占比重最大，人体毒性影响次之，数据分析结果显示，这两部分影响主要源自NOx的排放，由于垃圾气化工艺燃烧过程更为稳定，生成的NOx更少，对工程整体环境影响改善效果明显。二噁英等污染物的排放是垃圾热转化处理过程中的另一个焦点。采用垃圾气化和直燃方式下飞灰和烟气中二噁英含量的比较。气化工程烟气中二噁英含量远远低于0.1ng-TEQ/m3的国家标准，主要原因是气化熔融炉中熔融区高温对二噁英等有机污染物的分解作用明显，所以飞灰中二噁英含量远远低于传统的直燃系统。气化工程中气化温度较高，焦的产量大大减少，使得接下来的气体均相燃烧更为稳定充分，也有助于降低二噁英等污染物的排放。

2.2经济性

由于采用的工艺更为复杂，且工程发电效率较低，垃圾熔融气化工程单位规模投资额和垃圾处理运行费用均高于垃圾直燃工程。在二者采用同样的上网电价和垃圾处理补贴的情况下，垃圾熔融气化工程的经济性弱于垃圾直燃工程。参照垃圾直燃工程，如将日本垃圾熔融气化工程初始投资、垃圾处理补贴、电价等根据我国国情进行调整，估算得到的年收益率约为-2.01%。由前文分析可知，垃圾处理补贴是控制工程年收益水平保持稳定的重要杠杆，如将垃圾处理补贴从140元/t提高至275元/t，预计垃圾熔融气化工程的经济性能保持与当前垃圾直燃工程相当。如果要在中国推广垃圾熔融气化技术，除了采取适当提高垃圾补贴等外部调控措施之外，还应在如何提高发电效率和发电量上多做研究。如前所述，垃圾熔融气化技术对于入炉垃圾的热值和成分要求较高，而我国垃圾热处理工程入炉垃圾热值约为5MJ/t，也没有进行严格的区分和成分筛选，造成发电效率与国外先进水平有很大差距，阻碍了新技术在国内的实施及推广。因此，

贯彻垃圾分类理念、尽快制定相关标准，有效提高工程发电效率和发电量是当前垃圾处理过程中需要重点推行的工作。

三、结束语

垃圾气化发电在我国尚处于起步和发展阶段，现阶段其发电效率相比于垃圾直燃工程仍有一定差距，但随着人们环保意识的逐渐提高和垃圾分类的不断推进以及入炉垃圾热值和成分稳定性的提高，垃圾气化工程的整体效率有望得到进一步提升。垃圾气化系统总体环境影响明显优于直燃系统，烟气和飞灰中二噁英排放优于国家标准；气化熔融炉中的高温有效地降低了飞灰的比例；残渣填埋前经过了金属的分离，整体环境影响显著降低，渗滤过程中重金属浓度均在相关标准范围内。

参考文献:

[1]国家统计局.中国统计年鉴（1998年）[M].北京中国统计出版社，2015.

[2]赵华林.中国工业固体废弃物处置现状与发展[J].中国环境科学出版社，2016.

[3]王伟，袁光钰.我国的固体废弃物处置现状与发展[J].环境科学，2014