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城市生活垃圾固体回收燃料在中国的发展前

时间:2019-09-18 16:12来源:www.fimodo.com 作者:现代化工 点击:
【摘要】介绍了固体回收燃料(SRF)在国内外的发展历程以及欧盟对固体回收燃料的分类。分析了SRF与原生垃圾成分以及生活垃圾固体回收燃料的优势。SRF的有助于减少对有限的化石燃料的依赖,减少碳排放量,以满足我国趋紧的环境要求。目前SRF的研究主要在欧盟开展,在国内还没有形成完善的标准体系,因此,通过SRF制备技术将开启我国能源的高效再利用,形成“资源-废品-资源”的循环系统,实现可持续发展要求的经济与环境的双赢。

       固体回收燃料是指从非危险废弃物中制备而成的,用于在焚烧厂或协同焚烧设施内以实现能量回收再利用。2017年我国城市生活垃圾清运量达到2.15亿t,比2016年增加5.9 %,从生活垃圾无害化处置角度来看,目前我国无害化处置能力约为67.99万t/d,年处理量约为2.1亿t,无害化处置率97.67 %。其中焚烧处理是我国生活垃圾无害化处理的主要方式之一。炉排炉和流化床锅炉是目前生活垃圾焚烧处理的两大主流技术,两者占垃圾焚烧发电市场的比重合计达到95 %以上,其中炉排炉占比75 %,流化床占比20 %,可以看出,炉排炉技术逐步占据我国垃圾焚烧处理方式的主导地位。但炉排炉焚烧的生活垃圾一般为原生垃圾,垃圾中不可燃烧物较多,也造成了炉排炉焚烧不彻底的现象。生活垃圾流化床技术具有垃圾适应性强、负荷调整灵活的优点,但是流化床技术对燃料质量要求高,原生垃圾不利于设备连续运行。在严格的环保标准要求下,流化床技术也遇到了新的挑战,最根本的因素是我国生活垃圾具有混合收集、水分高和热值低等特点。因此,固体回收燃料的不仅对流化床技术的发展有利,对于炉排炉的发展也具有重要的意义。

       1  国外固体回收燃料标准发展历程

       早在20世纪90年代,欧盟已经开始进行有关回收燃料的研究。2002年,欧盟授权CEN(M/325)(欧洲标准委员会(M/325任务))进行建立固体回收燃料(SRF)技术规范并将其转化为欧洲标准(EN)的研究;2002年3月13日,成立CEN/TC 343工作小组,由芬兰标准协会担任秘书长,工作计划包括27个委任的工作项目;2004年开始,工作小组出版了技术报告;2010年开始,工作小组完成并出版了技术规范;2011 和2012年,出版欧洲标准;2012年2月,M/325 任务完成。目前,欧盟关于固体回收燃料的准确定义和分类标准仍采用BSEN 15357-2011。

       欧盟固体回收燃料标准体系中从固体回收燃料的取样过程、质量体系、技术指标等方面对标准体系进行划分,涵盖了取样方法、质量管理体系、水分、灰分、有害元素分析、生物质含量等方面。美国ASTM回收废燃料标准体系中将标准体系分为质量及取样方法、数据分析方法、水分、有害元素分析、二氧化硅含量等方面。日本JIS工业标准中只是将标准体系分为试验方法、总热值、水含量、灰分、金属含量、有害元素分析等方面,并没有建立具体垃圾再生燃料的质量标准。

       2  中国固体回收燃料发展历程

       中国对固体回收燃料的研究起步较晚,1996 年最早由中科院广州能源所和太原理工大学开始了RDF(垃圾衍生燃料) 的热解、污染等性能的研究,2001年建立了国内第一条RDF 生产线,展开了对垃圾可燃物的实践探索。除此之外部分院校和企业正在积极考虑应用固体回收燃料,主要应用于焚烧或协同处置,并制定了相应的标准如《水泥窑固体回收燃料取样方法》《水泥窑固体回收燃料垃圾》等。国内从事生活垃圾焚烧处理处置企业也已经进行了多种探索性的应用尝试,实践证明应用固体回收燃料对焚烧发电效率和污染物控制都有明显的作用,获得了较好的经济效益和环保效益。

       3  固体回收燃料评价指标

       由于中国固体回收燃料的研究起步较晚,且城市生活垃圾尚未形成固体回收燃料的产品标准,目前城市生活垃圾固体回收燃料依然采用欧盟标准(EN 15359-2011)作为分类依据。欧盟现行的固体回收燃料分类标准依据净热值、氯和汞含量不同将固体回收燃料分为5个品质等级,并组成5×5×5共125类,详见表1。

表1  固体回收燃料分级系统

       4  固体回收燃料的制备技术

       目前国内主要的固体回收燃料制备技术包括干化和机械分选。干化可分为热干化和生物干化,热干化是通过外部热源对生活垃圾进行加热,从而降低物料含水率,热干化的形式多种多样,生物干化主要是利用微生物降解产生热量,从而降低含水率。本文主要讲“生物干化+机械分选”即MBT技术。

       4.1  MBT-生物干化

       生物干化(biodrying treatment)是在强制通风的情况下,微生物利用混合垃圾中的易腐有机物发酵产热、高温下通风加速水分挥发、利用暖空气比冷空气携带更多水份的原理,把垃圾中的水分带走,混合垃圾的水分显著下降,实现生物干化的目的。 

       然而,我国生活垃圾预处理面临的最大问题就是垃圾含水量高,有些地区的垃圾含水量甚至大于50 %,高水分低热值的生活垃圾焚烧起来非常困难。很多垃圾焚烧发电厂在焚烧之前将垃圾放在原生垃圾库里停留几天,以去除里面的一些渗滤液,在此过程中会自然经过一个厌氧反应过程,排放更多有害气体,增加渗滤液处理成本。且湿垃圾无法做到具备市场价值的资源化利用,无法很好地分离惰性物质、污染物质和可燃物;由于潮湿,大量有机物使得垃圾颗粒之间的粘滞力很强,即使用现代自动化分选机械效果也不是非常理想,设备阻塞现象严重。因此垃圾干化技术就成为了垃圾资源化里尤为重要的一环,垃圾经干化后水分大大减少(甚至可以达到30 %以下),干化后的垃圾较松散、颗粒之间的粘滞力降低,大大降低了机械分选的难度。垃圾干化和预处理的整个过程称为垃圾焚烧资源化预处理过程。

       4.2  MBT-机械分选

       机械分选(mechanical treatment)技术作为垃圾处理的前端环节,对于资源的再利用以及预处理后续处理来说都是一项必不可少的环节,尤其在垃圾焚烧这一领域,分选技术尤为重要。垃圾分选不仅可以提高资源的利用率,还可以提高垃圾焚烧效率。机械分选技术即基于生活垃圾中各组分的物理属性,例如:硬度、密度、质量、粒径、光学属性和电磁属性等,将垃圾经过袋装垃圾自动破袋、破碎系统、筛分系统、有机物自动破碎系统、电磁分选系统、光学分选系统、全封闭机械化风选系统等。可将城市生活垃圾分选为:可燃垃圾、综合利用、可回收垃圾。机械分选主要包括破碎、筛分、风选、磁选、涡流分选等工艺。

       5  MBT技术的应用

       5.1  MBT工艺流程

       以淄博某生活垃圾焚烧厂为例,采用“生物干化+机械分选+循环流化床锅炉”的生活垃圾焚烧工艺。其中“生物干化+机械分选”设三条处理线,每条处理量为900 t/d。干化后可分选出金属(有色金属)、玻璃、石块等不可燃烧物,提高了锅炉的焚烧效率。该燃料的设计热值为10465 kj/kg,设计含水率为30 %。其工艺流程图如图1所示。

       5.2  干化效果

       针对淄博生活垃圾焚烧项目固体回收燃料的制备工艺形成的成品固体回收燃料,特委托有资质的检测机构进行检测,检测报告见表2。

表2  固体回收燃料热值分析

       由表2可知,成品燃料检测热值基本达到设计要求,热值均值达到10536 kj/kg(2517 kcal/kg)含水率降低到30 %以下。含水率的下降对生活垃圾的焚烧是非常有利的,焚烧时垃圾中的水分不仅不利于垃圾的燃烧外,还增加烟气中的水蒸气分压、提高烟气露点和排烟温度,降低垃圾焚烧的能量化效率;一般垃圾中水的吸热占总热耗的 10 %。因此,降低垃圾的含水率是减少辅助燃料用量、提高焚烧热能输出的有效措施。同时,当垃圾水分高达 50 %时,由于炉内水汽化容积剧增以及烟气处理系统负荷增加,设施应作相应调整,这就会引起建设投资和运行管理费用增加等一系列问题。

       5.3  机械分选效果

       机械分选工艺应设在干化后,主要是因为干化后降低垃圾中的含水率,较为松散,分选效果更好。机械分选出的物料主要包含重物质(石块、鞋子、带水的瓶子等)、细物料、废铁、有色金属等。根据该电厂5月份的分选结果进行分析,具体数据如表3所示。

表3  机械分选数据分析

       由表3可知,经机械分选后,包含细物料在内,生活垃圾减量化约为32.63 %。对重物质、废铁、有色金属等不可燃烧物都在很大程度上进行了筛分。该项目固体回收燃料制备技术采用的是16 mm的筛网(经反复试验,16 mm为该项目成品燃料筛网的最佳尺寸。最佳尺寸的选择需综合考虑固体回收燃料的产量和锅炉燃烧工况,其他项目可根据实际情况选择孔径),16 mm以上粒径的成品燃料,热值较高,可直接用于高参数焚烧锅炉直接焚烧,而16 mm以下燃料可以称为“细物料”,该部分物料沙土、碎玻璃含量较高,热值较低。本文通过取样分析,对细物料热值、灰分进行检测。检测结果见表4。

表4  细物料热值分析

       由表4可知,细物料含水率与固体回收燃料基本相当,但灰分较高,热值不到成品燃料的50 %。该部分物料的处理则根据电厂的实际情况选择是否焚烧,或进行进一步的处理。

       为比较垃圾经MBT处理后的效果,特选取了入厂垃圾、原生库垃圾(堆放1~2天)、细物料和成品燃料进行比较,比较结果见表5。

表5  生活垃圾热值变化

       由表5数据可知,原生垃圾在送入原生库中,由于堆放的原因,含水率会有所下降(含水率下降的多少与具体堆放天数有关)。随着含水率的降低,灰分和可燃物比例都有明显的提高。含水率降低到25.67 %,热值达到10536 kj/kg(2517 kcal/kg),热值提高了约3倍,干化效果明显。在含水率相差较大的情况下,灰分的多少不足以判断热值的高低,必须结合含水率和可燃物的含量来综合判断。在含水率相差不大的情况下(如细物料和SRF),灰分和可燃物的比例决定了热值的高低,灰分越高、可燃物越低,则热值越高。

       6   固体回收燃料的优势

       6.1  清洁化焚烧

       目前SRF主要还是用于焚烧,在欧盟,由生活垃圾制成的SRF量大约为每年1200万t。SRF作为廉价的可替代能源给能源产业部门带来持续增长的利润,很多送彩金娱乐建设了新的MBT厂。

       在我国SRF焚烧技术主要用于循环流化床锅炉,由于我国垃圾分类情况差、水分高、组分复杂,循环流化床锅炉面临着焚烧不稳定和污染物超标等问题。做成SRF不仅可以解决如今垃圾焚烧炉存在的给料不均和排放超标问题,还能减少受热面腐蚀、提高锅炉连续运行时间,使锅炉运行参数向高参数、大容量方向发展。

       6.2  垃圾减量化

       根据淄博电厂的固体回收燃料成分数据来看,垃圾减量化效果明显,不可燃烧物(重物质、铁、有色金属)减量化约15.13 %,含水率从原生库垃圾的61.03 %降低至25.67 %。固体回收燃料不仅可以用于焚烧,也可用于垃圾填埋。根据《“十三五”全国城镇生活垃圾无害化处理设施建设规划》提出的目标:到2020年底,具备条件的直辖市、计划单列市和省会城市(建成区)实现原生垃圾“零填埋”,建制镇实现生活垃圾无害化处理能力全覆盖。“十三五”期间政府将会继续加大存量垃圾的治理力度,预计实施垃圾填埋封场治理项目845个,拟封场处理能力147585 t/d,占当前填埋处理能力的21%。

       固体回收燃料制备技术可对需要填埋或已填埋的生活垃圾进行处理,分选出其中可燃物另行处置,将不可燃烧物填埋。减少了填埋场压力,实现了资源的合理利用。同时生物干化后的垃圾的含水率下降,能降低渗滤液对膜的污染,延长了填埋场的使用年限,减少了填埋场长期运行管理成本。

       6.3  产品交易

       固体回收燃料还作为一种可以交易的商品,其市场价格具有不确定性,但往往低于石油、煤炭等化石燃料的价格。在欧洲,水泥企业和燃煤电厂根据价格的变动来调整固体回收燃料的掺烧量,保证了固体回收燃料价格的稳定性,也为企业提供了更多的燃料供应选择。考虑到我国环保税的出台和碳交易市场的开放以及环保压力的加大,应用固体回收燃料替代部分化石燃料将带来一定的经济效益。

       7  结论

       SRF具有以下几个优点:①提高热值,生活垃圾经干化和机械分选后形成热值在2000~3500 kcal/kg的高质量固体燃料,其发热量是原生垃圾的3倍;②提供高效垃圾管理方案,帮助实现垃圾分类和降低垃圾填埋的目标;③SRF的有助于减少对有限的化石燃料的依赖,减少碳排放量,满足我国趋紧的环境要求。而目前SRF的研究主要在欧盟开展,在国内还没有形成完善的标准体系,因此,通过SRF制备技术将开启我国能源的高效再利用,形成“资源-废品-资源”的循环系统,实现可持续发展要求的经济与环境的双赢。

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