生活垃圾焚烧发电项目的节能与碳减排分析

李玉焯 王文波

(中国恩菲工程技术有限公司, 北京 100038)

生活垃圾焚烧发电项目的节能与碳减排分析

李玉焯 王文波

(中国恩菲工程技术有限公司, 北京 100038)

介绍了某生活垃圾焚烧发电项目的节能与碳减排措施。以EB提供的针对垃圾焚烧的计算方法，详细计算了项目CO2减排量预算，预计第一个减排期CO2减排量可达77.7万t。

垃圾焚烧发电； 节能； 碳减排

对生活垃圾进行焚烧处理，利用余热发电已是成熟、先进的垃圾处理技术。2011年，我国城市生活垃圾焚烧处理量已经占清运量的17.3%[1]，且我国垃圾焚烧发电厂的建设正处于高速发展期。根据《“十二五”全国城镇生活垃圾无害化处理设施建设规划》(国办发[2012]23号)，到2015年，全国城镇生活垃圾焚烧处理设施能力达到无害化处理总能力的35%以上，其中东部地区达到48%以上。

生活垃圾焚烧发电是促进垃圾资源化利用，积极推进城乡垃圾无害化处理，实现垃圾减量化、资源化和无害化的重要手段，是国家“十二五”节能减排综合性工作方案的重要内容之一。生活垃圾焚烧发电不仅实现了生活垃圾的无害化处理，还能产生巨大的社会、环境效益。本文以湖北某垃圾焚烧发电项目为例，重点阐述该项目在工艺系统中所采取的合理可行的节能减排措施及碳减排预算。

1 垃圾发电中采取的节能减排措施

1.1 节能措施

1.1.1 节约电能

垃圾焚烧工况变化大，且设计热值与目前的实际热值存在一定的差距，在采用新型高效节能型风机、水泵的同时，为进一步提高能源利用率，减少厂用电量，通过对风机、水泵等机械采用变频控制技术，可以有效降低厂内的电力消耗。在该项目中，不仅引风机、给水泵等设备采用了变频控制，一次风机和二次风机等也采用了变频控制，进一步减少了电力的消耗。

1.1.2 降低辅助燃料使用量

为适应我国低热值、高水分垃圾的特性，确保垃圾焚烧烟气实现850 ℃、2 s的环保要求，该项目设计了辅助燃烧系统，焚烧炉配备了辅助燃油燃烧器，通过ACC自动控制系统自动投入运行。为将辅助燃料的使用量减少到最低限度，该项目采用了如下措施：

(1)垃圾在垃圾坑内充分发酵后再进行焚烧，以脱除水分，熟化垃圾，提高热值。

(2)引进国际先进、成熟的Von Roll L型炉排焚烧技术和ACC自动控制技术，对垃圾进行有效干燥、燃烧和搅动。

(3)将渗沥液处理产生的沼气回喷至焚烧炉，提高炉膛热负荷，促进焚烧。

(4)极端情况下掺烧少量树皮等生物质燃料，提高垃圾热值。

通过上述措施，最大程度地减少了柴油的消耗量，节约了宝贵的不可再生能源。

1.1.3 减少水的使用量

通过适当地把厂内产生的生产废水和生活污水处理成再生水进行回收，用于焚烧厂的漏灰运输机密封水、除渣机冷却水、定期排污冷却器冷却水、飞灰稳定化用水、卸料平台冲洗水、地面冲洗水、车辆道路冲洗水和半干式脱酸塔的烟气冷却水等工艺环节，可以大大减少生产用水的使用量。

1.1.4 余热回收

(1)回收空冷耐火砖墙的余热。为了防止炉壁结焦，焚烧炉采用空冷耐火砖。把冷却空气送入空冷耐火砖，热空气从空冷耐火砖排出后，把其作为一次风的一部分送到一次风风机的吸入口，由此该热量得到回收。

(2)设置余热锅炉回收烟气的余热。通过自动控制系统把烟气中的氧含量控制在合适的浓度。若空气过量的话，会引起烟气量增加，增加了烟气携带出去的热量。通过控制氧含量，可以抑制烟气带出的热量。

焚烧炉出来的850 ℃烟气,通过余热锅炉后烟气温度降低到190(清洁状态)～210 ℃(脏污状态)后进入烟气净化系统。该余热锅炉通过对燃烧室的形状进行优化设计，合理布置受热面以及优化烟气流速等措施，有效地控制了排烟温度和防止炉墙漏风，提高了锅炉热效率，同时采用振打装置清除受热面积灰 ,防止结渣,使余热锅炉热效率达到了83%，最大程度地回收了垃圾中的能量。

1.2 减排措施

1.2.1 烟气净化

该工程烟气净化工艺采用国际先进的“机械旋转雾化脱酸反应塔+活性炭喷射+袋式除尘器”工艺，不仅使烟气污染物排放浓度满足环评要求和国际标准，部分指标还达到欧盟2000标准。同时在每条焚烧线的烟囱部分设置烟气在线连续监测装置，针对每条焚烧线的负荷变化，及时调整石灰乳的喷射量，可以实现最合适的石灰乳喷雾量。

1.2.2 废水处理

本工艺中的排渣机用水和半干式脱酸塔的烟气冷却水等可以使用再生水，由此可以减少排到公共水域的排放量，减轻外部环境负担。

1.2.3 渗沥液处理

设置垃圾渗沥液回喷系统，把一部分渗沥液喷入焚烧炉进行处理，这样可以减少污水处理装置的负荷，同时可以减少排放到公共水域的排水量。

1.2.4 回收有价物质

在炉渣运送系统中设置分离、回收铁的磁选机，可以回收有价物质，并减少炉渣的填埋量。

2 垃圾发电项目碳减排预算

生活垃圾焚烧处理不仅对污染物的减排作用明显，对温室气体的减排也非常显著。生活垃圾在焚烧过程中，会增加一些温室气体排放(主要来自化石类燃料中C的燃烧以及少量NO2排放)，但同时有两种途径可减少温室气体排放：一是避免由于填埋处理产生填埋气体(主要是甲烷)而造成的温室气体；二是由于焚烧余热利用替代化石燃料而减少温室气体排放。下面对该项目的温室气体碳减排量进行测算。

2.1 计算依据

对于碳减排，国际CDM(清洁能源发展机制)已经有了对于垃圾焚烧碳减排方面的计算方法，为确保CDM项目产生长期的、实际可测量的、额外的减排量，CDM执行理事会(EB)提供了一套有效的、透明的和可操作的方法指南及相关工具。该方法指南主要包括基准线确定、额外性评价、项目边界界定和泄漏估算、减排量计算、监测要求和CDM项目设计报告格式等。EB提供的碳减排计算方法为国际通行多年，并被国际公认为最具权威的碳减排计算方法。本项目将采用EB提供的针对垃圾焚烧的计算方法来计算碳减排量。

2.2 计算方法

EB中适用于生活垃圾焚烧的方法为AM0025：改变废弃物处理方式，避免有机废弃物产生的温室气体排放。截至目前，此方法已更新至第11版。根据此方法，生活垃圾焚烧项目产生的减排量(ERy)等于基准线排放量减去项目排放量和泄露量。

2.2.1 基准线排放量

基准线排放量(BEy)包括：

BEy1：垃圾焚烧处理，从而避免填埋产生的填埋气体；

BEy2：焚烧余热发电，替代燃烧化石燃料的电量，包括电网和自备火力电厂供电。

2.2.2 项目排放量

项目排放量(PEy)包括：

PEy1：项目额外使用电网或自备电厂电量所产生的排放量；

PEy2：燃烧化石燃料所产生的排放量，主要来自焚烧过程中使用的辅助燃料(如柴油、天然气、煤等)；

PEy3：垃圾焚烧过程所产生的排放量，包括焚烧塑料类垃圾(即在自然界不会降解的垃圾成分，其中的碳含量为化石碳)产生的CO2排放；焚烧垃圾产生的N2O和CH4；

PEy4：垃圾渗滤液如果采用厌氧方式处理，需计算厌氧处理产生的沼气排放。

2.2.3 泄漏量

泄漏量(Ly)包括：

Ly1：若垃圾收集点到焚烧厂的距离大于到填埋场的距离，还需计算增加的运输距离内运输垃圾所产生的排放；

Ly2：垃圾焚烧后残渣中残碳含量。其中化石碳主要是指在自然界不能生物降解的碳元素，如垃圾中的塑料、橡胶等含的化石碳。项目设计时采用IPCC(全球气候委员会)缺省值作为事前估算化石碳含量，见表1。

表1 不同垃圾成分中的化石碳含量和总碳含量 单位：%

IPCC规定连续燃烧的生活垃圾焚烧厂产生的N2O和CH4排放值如表2所示。

表2 生活垃圾焚烧的N2O和CH4排放值 单位：kg/1 000 t垃圾

2.3 计算的基础数据

(1)以10年为减排预算的计算期。

(2)本项目的年垃圾处理量按800 t/d，年运行8 000 h计算，年处理垃圾量为26.667万t。发电机组发电量为12 MW,产用电率为20%，电网CO2排放因子取华中电网排放因子0.58。

(3)垃圾成分以湖北省武汉市环境卫生科学研究设计院提供的生活垃圾物理成份分析结果为计算依据，如表3。

表3 生活垃圾物理成分分析表(湿基，%)

2.4 项目碳减排计算

2.4.1 避免产生填埋气体的CO2减排量(BEy1)

垃圾填埋气体的甲烷会增加全球温室效用，其温室效应作用是二氧化碳的22倍，目前有多种方法来预测填埋气体CH4的产生量，本项目将采用清华大学环境科学与工程系开发的适合我国城市生活垃圾填埋现状的预测模型，可描述为：

F=M·exp(-t/d)/d

(1)

式中：F——填埋气体产生量,m3；M——垃圾特定产CH4潜能,m3/a；d——垃圾生命持续时间,a；t——垃圾填埋时间,a。

此模型为半经验模型，以10年为计算期，计算结果见表4。

表4 产生填埋气体的CO2减排量(BEy1)

2.4.2 替代化石能源所产生的CO2减排量(BEy2)

垃圾发电替代电网中等量电量所产生的排放计算模型为：

GCO2=WePe

(2)

式中：We——项目年发电量，kW·h;Pe——按供电量所计算出的区域电网CO2排放因子，项目所在华中电网(2007)的排放因子为1.125 5。

因此计算得每年替代电网中等量电量所产生的年排放量为108 048 t。

2.4.3 项目用电所产生的的CO2排放量(PEy1)

项目用电=项目发电量×产用电率

(3)

根据以上提供的模型，计算项目用电产生的年排放量为21 609.6 t。

2.4.4 垃圾焚烧过程中燃烧化石燃料所产生的排放量(PEy2)

化石燃料所产生的排放量=
化石燃料量×碳含量×44/12

(4)

本项目采用0#轻柴油作为辅助燃料，其用量第一年由于调试和垃圾热值低等原因，用量较多，以后逐渐减少，见表5。轻柴油的含碳量取85%。

2.4.5 垃圾焚烧产生的CO2排放量(PEy3)

垃圾焚烧过程所产生的排放量，包括垃圾中化石碳产生的CO2排放、焚烧垃圾产生的N2O和CH4。

表5 燃烧化石燃料的二氧化碳排放量(PEy2)

化石碳产生的的CO2排放量=垃圾年处理量×
垃圾中化石碳含量×垃圾燃尽率×44/12

(5)

根据表1及表3计算得到垃圾中化石碳含量为12.775%，垃圾焚烧燃尽率取0.991，得到项目垃圾焚烧产生的CO2排放量为123 802.4 t；根据表2计算焚烧垃圾产生的N2O和CH4所对应的CO2排放量(PEy3)为12.6 t。

由于垃圾渗滤液厌氧处理后的沼气采用回炉燃烧方式，故PEy4为0。

由于中转站到垃圾焚烧发电厂距离与到填埋场距离相(15 km)，故Ly1取0。

垃圾焚烧炉渣的热灼减率按小于5%计，炉渣产生率为0.178 8，得到未燃尽的垃圾含量小于0.008 9，年未燃尽垃圾量为2 373.3 t，此项对应的CO2减排量(Ly2)约为对应的垃圾产生填埋气体产生量CO2减排量，见表6。

表6 残渣对应的二氧化碳当量(Ly2)

2.5 碳减排预算结果

根据以上计算，得到项目的减排量：

碳减排量(ERy)=
基线排放量-项目排放量-泄漏量=
(BEy1+BEy2)-(PEy1+PEy2+PEy3+PEy4)-
(Ly1+Ly2)

(6)

计算结果见表7。

表7 项目CO2减排预算表 单位：t

3 结语

垃圾焚烧发电项目不仅是使垃圾得到“减量化、资源化、无害化”的处理技术，同时也具有节能减排的重要作用。该项目年均焚烧垃圾量不低于25.5万t，年发电量可达9 000万kW·h，上网电量7 500万kW·h，可满足4万人一年的家庭用电，可节约大量不可再生的化石能源，项目具有显著的节能效应。同时，预计第一个减排期(7年)CO2年减排量可达77.7万t，符合清洁能源发展机制项目(简称CDM项目)的要求。

[1] 徐文龙，刘晶昊. 国内外生活垃圾焚烧厂建设进展及技术应用分析[J].环境卫生工程,2013,21(增刊1).

An Analysis of Energy Saving and Carbon Emission Reduction in Project of Power Generation from MSW Incineration

LI Yu-zhuo, WANG Wen-bo

This paper introduces some measures of energy saving and carbon emission reduction in project of power generation from MSW incineration. Based on the MSW incineration calculation methods provided by EB, estimation of CO2emission reduction is calculated in detail, the result forecasts that up to 777,000 tons of CO2will be reduced on the first emission stage.

power generation from municipal solid waste (MSW) incineration; energy saving; carbon emission reduction

2014-02-17

李玉焯(1972—)，吉林柳河人，硕士，高级工程师，从事企业管理工作。

X799.3

A

1008-5122(2014)03-0037-05