一、垃圾焚燒碳減排對于實現碳達峰、碳減排的重要意義

      2020年9月22日，習近平總書記在聯(lián)合國大會上提出我國將于2030年實現碳達峰、2060年實現碳中和的目標，作為發(fā)展中國家，我國碳達峰碳中和節(jié)奏顯著快于發(fā)達國家歷史水平；上海“十四五”規(guī)劃中提出要在2025年實現碳達峰，較國家明確的達峰時間提前5年，碳控壓力顯著。住建部環(huán)境衛(wèi)生工程技術研究中心研究表明，固體廢棄物處理是全球溫室氣體排放第四大排放源，約占3%；2018年，全國碳排放約100億t CO2e，生活垃圾處理碳排放1.04億t CO2e。2020年，做好固廢處理的溫室氣體核算與控制工作，對整體碳減排有重要作用。

      據《中國溫室氣體自愿減排項目監(jiān)測報告》顯示“垃圾焚燒項目通過焚燒方式替代填埋方式處理生活垃圾，避免了垃圾填埋產生以CH4為主的溫室氣體排放；同時利用垃圾焚燒產生熱能進行發(fā)電，替代以火力發(fā)電為主所產生的同等電量，從而實現溫室氣體（GHG）減排”。

      2020年6月10日，生態(tài)環(huán)境部副部長趙英民在《第二次全國污染源普查公報》發(fā)布會上提到，“十二五”和“十三五”期間（2011年-2020年），我國垃圾焚燒廠的數量增加了303%，焚燒處理量增加了577%。2010年我國在運行焚燒廠104座，城市生活垃圾焚燒處理量約2300萬t/a；到了2019年增長到401座，處理量達1.2億t/a。截至2020年6月1日，我國在運行的垃圾焚燒廠總計455座。10年間，城市生活垃圾中焚燒處理占比由18.8%上升至51.2%，一線城市的焚燒處理比例更高。垃圾焚燒行業(yè)已進入“運營為王”的時代，更高效的焚燒和余熱利用技術、更優(yōu)化的煙氣凈化處理工藝、更低的能耗和物耗以及新技術的應用對于實現碳減排有著積極作用，也是各大環(huán)保企業(yè)研究的重點。

老港二期焚燒廠

二、垃圾焚燒碳減排技術方向

      垃圾焚燒發(fā)電將在垃圾分類的大背景下，在細分和協(xié)同處理的基礎上，逐漸過渡融合到集約高效、碳減排的方向上。具體體現在垃圾焚燒工藝的高效化、綜合能耗和物耗的降低。

（一）應用高參數發(fā)電技術提高噸垃圾發(fā)電量

      1、提高主蒸汽參數

      根據《生活垃圾焚燒廠噸垃圾發(fā)電量的研究分析》，余熱鍋爐采用中溫次高壓參數(450℃，6.5MPa)較采用中溫中壓參數(400℃，4MPa)發(fā)電量提高17%，廣州李坑垃圾焚燒發(fā)電廠首次將中溫次高壓余熱鍋爐技術用于垃圾焚燒行業(yè)，運行初期由于出現鍋爐受熱面腐蝕等問題，當時該技術并未在全國大范圍推廣。為了解決受熱面腐蝕的問題，行業(yè)內采取的做法是在過熱器中應用高鎳合金鋼等耐腐蝕材料，使得過熱器壽命得到有效延長。雖然增加建設和運行成本，但其有著良好的綜合效益。從上海老港再生能源利用中心一二期2020年的入爐垃圾的噸發(fā)電量來看，一期工程采用中溫中壓蒸汽參數，入爐噸垃圾年均發(fā)電量為479kwh/t，二期工程采用中溫次高壓蒸汽參數，入爐噸垃圾年均發(fā)電量為554kwh/t，發(fā)電量提升15.7%，與理論計算數據基本一致。老港二期工程作為上海市第一個采用中溫次高壓參數的垃圾焚燒廠，該廠的穩(wěn)定運行對上海郊區(qū)乃至全國新建焚燒廠余熱鍋爐采用高參數都具有示范和引領意義。

      2、采用中間再熱

      除了中溫次高壓參數的應用外，余熱利用過程中增加了中間再熱技術對熱效率提升也有較為明顯的效果。目前采用的再熱方式主要由兩種，一種是在荷蘭AEB電廠采用的爐外飽和蒸汽加熱方式，主蒸汽參數為13MPa、440℃，再熱蒸汽溫度為320℃；另一種是在江陰項目采用的爐內設置再熱器的加熱方式，主蒸汽參數為6.5MPa、450℃，再熱蒸汽溫度為420℃。第一種方式汽輪機通常采用分缸方式，高壓缸部分采用高速汽輪機，高壓缸排汽進入蒸汽式再熱器再熱后進入低壓缸繼續(xù)做功。第二種方式汽輪機可以采用分缸方式也可采用單缸方式。根據理論測算，第一種方式比第二種方式可提高機組熱效率約2%~3%左右。而采用第二種再熱方式，在采用中溫次高壓主蒸汽參數的條件下，再熱機組比非再熱機組可提高機組效率約1%~2%。盡管高參數余熱利用技術能夠帶來更高的效率，但在提高主蒸汽參數時還需要統(tǒng)籌考慮汽機排汽濕度和鍋爐防腐蝕的限制。

（二）降低排煙熱損失的措施

      排煙熱損失是垃圾焚燒爐的最主要熱損失，排煙熱損失主要與鍋爐的排煙溫度和焚燒爐的過量空氣系數有關。當過量空氣系數一定時，隨著排煙溫度的升高，排煙熱損失逐漸增加，排煙溫度每升高10℃，排煙熱損失升高約0.9%。排煙溫度一定時，過量空氣系數增加，排煙量也增加，排煙熱損失也相應增加。過量空氣系數每增加0.1，排煙熱損失增加約0.7%~0.9%。降低排煙熱損失主要有降低排煙溫度和降低過量空氣系數兩種措施。

      由于生活垃圾焚燒煙氣中SOx和HCl的濃度較高，過低的排煙溫度容易對鍋爐受熱面造成低溫腐蝕，為防止鍋爐受熱面的低溫腐蝕，目前生活垃圾焚燒余熱鍋爐省煤器出口排煙溫度一般在190℃~200℃之間。從上海環(huán)境眾多已運行項目的實際運行情況來看，隨著焚燒廠運行年限的增加，余熱鍋爐出口的排煙溫度無法達到設計值，甚至高出設計值20℃~30℃。造成排煙溫度過高的原因主要有兩方面，第一，已投運焚燒廠設計熱值較低，但隨著垃圾分類在全國大范圍推進，導致入爐垃圾熱值遠超設計熱值，余熱鍋爐的受熱面布置無法滿足現有焚燒工況；第二，鍋爐受熱面的清灰效果無法達到設計要求，導致受熱面換熱效果不佳。對于已運行的焚燒項目可以通過增加水冷壁受熱面、增加過熱器等、改善清灰方式等改善排煙溫度過高的問題，也可通過技改將排煙余熱回收利用。

      影響排煙熱損失的另一個主要原因是鍋爐出口的過量空氣系數，焚燒爐出口過量空氣系數一般控制在1.5左右。助燃空氣以一次風和二次風/再循環(huán)風的形式進入爐膛。其中一次風以保障爐膛內垃圾層的充分轉化為目的，二次風/再循環(huán)風則以強化氣態(tài)可燃物湍流燃燒。一次風過量空氣系數與垃圾熱值有關，低熱值垃圾所需的一次風過量空氣系數一般較高，以保證床層中垃圾的燃燒反應確保垃圾干燥過程的順利進行?？梢酝ㄟ^提高一次風溫度、改善爐膛配風、強化爐膛湍流等措施降低過量空氣系數。荏原HPCC焚燒爐的煙氣再循環(huán)技術，利用布袋除塵器出口煙氣回流至焚燒爐喉部前后拱，通過高速噴入可在焚燒爐喉部形成強烈的湍流，有效降低焚燒爐出口過量空氣系數，過量空氣系數控制在1.3左右。

（三）煙氣處理工藝組合優(yōu)化

      隨著垃圾焚燒廠逐漸由建設高峰期轉為運營高峰期，各地環(huán)保排放指標也日趨嚴格，運營廠的精細化管理以及降本增效任務也逐漸提上日程。在此背景下，焚燒廠未來的發(fā)展方向必然是朝著精細化、自動化和智能化方向發(fā)展，通過簡化煙氣系統(tǒng)工藝流程，完善和改造煙氣凈化系統(tǒng)配置，并規(guī)范運行人員操作程序，以提高垃圾焚燒和煙氣凈化效率，和降低煙氣凈化輔料的噸垃圾耗量，實現煙氣運行和檢維修費用的整體降低。

      目前能夠滿足《生活垃圾污染控制標準》（GB18485-2014）和歐盟EU2010/75/EC排放標準的煙氣凈化處理工藝以“SNCR+半干法+干法+活性炭+袋式除塵”和“SNCR+半干法+干法+活性炭+袋式除塵+濕法”為主。但部分省市對NOx的排放標準提出了更高的要求，如DB37/2376-2013山東省區(qū)域性大氣污染物綜合排放標準的重點控制區(qū)域NOx限值為100mg/m3，垃圾焚燒煙氣NOx排放濃度限值低于100mg/m3成了一個趨勢。部分焚燒項目因此增加了SCR工藝以適應更高的環(huán)保要求。主流的脫硝技術包括焚燒爐燃燒控制爐溫、煙氣再循環(huán)技術、SNCR系統(tǒng)、SCR系統(tǒng)以及ICR（PNCR）系統(tǒng)，其中焚燒爐燃燒控制爐溫與煙氣回流技術可有效降低原始NOx濃度。但通常采用焚燒爐燃燒控制爐溫、煙氣回流以及SNCR脫硝系統(tǒng)的情況下，NOx排放值仍無法穩(wěn)定控制在100mg/m3以內。針對NOx排放限值為100mg/m3的垃圾焚燒項目，目前國內垃圾焚燒發(fā)電廠采用的脫硝工藝有SNCR+SCR系統(tǒng)以及SNCR+ICR（PNCR）系統(tǒng)。從上海環(huán)境洛陽項目應用組合“煙氣再循環(huán)+SNCR+ICR（PNCR）”脫硝工藝后運行工況穩(wěn)定性較好，綜合成本更低。對于原先未采用煙氣再循環(huán)工藝的焚燒廠，如在引風機前增加煙氣再循環(huán)工藝，可有效降低引風機的電功率，利用再循環(huán)風替代原有二次風，可實現引風機的運行功率降低約10%。而且，應用煙氣再循環(huán)工藝后，爐內過量空氣系數降低，焚燒爐出口NOx原始濃度可降低約30%-40%，穩(wěn)定控制在200mg/Nm3以內，入爐噸垃圾尿素消耗量可節(jié)約0.5kg左右，降低系統(tǒng)運行的能耗和藥劑消耗，實現碳減排。

煙氣處理工藝優(yōu)化案例

（四）全廠效率協(xié)同優(yōu)化

      生活垃圾焚燒廠的核心主要設備包括焚燒爐、余熱鍋爐、汽輪發(fā)電機組、煙氣凈化系統(tǒng)等，主要設備一般采用單獨招標的方式，由各個廠家供貨，各設備之間設計參數和設備選型的匹配度，對全廠的運行效率有十分重要的影響。從實際運行項目得到的反饋，各核心設備在匹配過程中存在錯配導致系統(tǒng)運行無法達到最佳設計工況。如焚燒爐預留了超燒10%機械負荷的處理能力，相關余熱鍋爐的受熱面布置卻無法實現超燒，甚至無法達到滿負荷，后續(xù)煙氣凈化工藝的處理能力也存在過小或者過大的可能，處理能力過小則煙氣排放可能存在超標的風險，處理能力過大則能耗增加。因此，可以通過提高全廠各主要設備的協(xié)同能力，對已有設備進行改造和優(yōu)化使之更好的匹配，會大大提高全廠運營的穩(wěn)定性和經濟性。

      此外，對全廠高電耗和高能耗設備進行能效診斷和節(jié)能分析，通過增加變頻設備、采用低能耗設備替換、應用節(jié)能技術等方式，降低大功率風機、水泵等能耗實現節(jié)能降耗。

（五）精細化管理助力碳減排

      垃圾焚燒廠運行工況的穩(wěn)定性與進料垃圾的熱值、焚燒爐的運行控制、爐膛的配風等都有重要的關系。因此，可通過垃圾坑的精細化管理實現對進料垃圾熱值和含水率的控制，通過焚燒爐ACC（自動燃燒控制）系統(tǒng)優(yōu)化爐排運行周期和配風穩(wěn)定爐膛工況，減少鍋爐負荷波動，提高運行效率。

      此外，生活垃圾中的礦物碳主要來自塑料和橡膠等，增加對塑料的分選和利用，將減少礦物碳釋放。以上海生活垃圾為例，焚燒時塑料熱值貢獻是廢紙的3~4倍，但碳排放量達到廢紙的200倍。塑料的有效分選和利用對于碳減排的意義重大。

三、展望與結論

      隨著2020年《關于促進非水可再生能源發(fā)電健康發(fā)展的若干意見》中針對生活垃圾焚燒發(fā)電項目國補退坡政策的推出，生活垃圾焚燒發(fā)電項目的收益將受到很大影響。上海環(huán)境以新建項目為契機或對老項目進行改造，采用高參數余熱利用技術進一步提高噸垃圾發(fā)電量。對現有煙氣工藝系統(tǒng)的優(yōu)化改造以及全廠設備的協(xié)同優(yōu)化和改造深度挖潛，提升焚燒廠的發(fā)電效率、降低能耗實現碳減排。通過焚燒廠精細化管理提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低碳排放。此外，新型減碳技術的研發(fā)和應用如甲烷制氫、飛灰固碳等碳減排技術等將為碳減排提供新的途徑。