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城市生活垃圾焚烧热电联产技术环境效益分析

不同掺煤量下的城市生活垃圾焚烧热电联产环境效益分析

【摘 要】利用生命周期评价的强大功能,通过对不同掺煤量下的生活垃圾焚烧热电联产中污染物的排放的计算、能量的消耗和物质消耗的计算,预测不同掺煤量系统的环境性能,并用环境影响潜值来表达,对焚烧中煤的掺入量进行评估,为生活垃圾焚烧获得最好的环境效益提供指导。

1.前言
我国现阶段,城市生活垃圾采用混合收集方式,分类回收方式尚未普及,所以垃圾的组分复杂,其中厨余垃圾为主。所以生活垃圾的含水量高,热值较低。为了稳定燃烧,掺入适当的煤辅助燃烧,这有助于提高燃烧热值,保证垃圾的充分燃烧。
显然,掺入的煤量多,焚烧炉的发热量就大,发电总量也就提高。因为发电量与焚烧厂的效益挂钩,所以运营方就会想方设法增加辅助燃料煤的添加量,尽量把国家允许的指标用足。但,在焚烧炉中掺入过多的煤就意味着更多的污染和浪费,然而其环境效益很少有人定量描述过。本文利用生命周期分析的方法将掺煤对环境的潜在影响定量化。

2.主要工艺流程及系统边界
2.1  主要工艺流程
生活垃圾焚烧热电联产的基本工艺由接收、储存和输送系统、焚烧系统、烟气净化系统、热能利用系统、灰渣处理系统、仪表及自动化系统等组成。生活垃圾通过市政环卫部门的垃圾压缩车运输到垃圾焚烧厂后,先进行垃圾预处理,将垃圾进行破碎减小垃圾的粒度,防止粗大垃圾进入垃圾焚烧炉,然后采用电磁去铁器去除垃圾中的一部分铁器,破碎后的垃圾送入垃圾库房,再通过垃圾给料机送入焚烧炉内焚烧,在送入垃圾的同时,焚烧炉内也给入一部分辅助燃料煤以保证炉膛内温度维持在850℃,垃圾库房内的垃圾渗滤液也被收集起来雾化喷入炉内焚烧,焚烧后垃圾和煤释放出来的热能被蒸汽吸收,转化为蒸汽的热能,送到汽轮机内推动汽轮发电机组做功发电。垃圾焚烧产生的烟气经过烟气净化系统处理后,达到国家规定的排放标准,经引风机通过烟囱高空排放。工艺简图见图1。

2.2  系统边界
生命周期评价的范围界定是由所开展研究的目的、未来应用及研究深度和广度等因数所确定。生活垃圾焚烧热电联产的生命周期系统边界,见图2。
城市生活垃圾焚烧热电联产的研究范围是以热电厂为边界,根据垃圾焚烧热电厂的工艺流程,确定物质和能源输入输出。
城市生活垃圾的生命周期评价研究的功能单位的确定主要基于系统的物质/能源输入,通常用质量或体积形式来表示。由于不同地区不同城市生活垃圾组成成分的差异,城市生活垃圾的比重差异较大,采用体积形式不能很好反应一个城市生活垃圾产生的真实情况。因此,城市生活垃圾焚烧热电联产生命周期研究的功能单位确定为1t生活垃圾处理量。

3.垃圾焚烧不同掺煤量的物流和清单分析
由图2可知,热电联产的输入流中物质与资源类有生活垃圾、煤炭、石灰石、工业水、活性炭等,能源类有电力。其中,煤炭作为辅助燃料提高燃烧热值;石灰石为烟气脱硫剂;活性炭的使用能有效地降低烟气中的重金属和二恶英的排放;工业水则向锅炉、汽轮机等设备提供冷却用水;电力为设备及工厂设施提供能源。
图2中,输出流中物质类有底灰、飞灰、污水、烟气排放等,能源类有热能和电力。其中,飞灰是由烟气净化过程产生;中国供热信息网了解到底灰指燃料在燃烧炉内燃烧后落入锅炉底部的灰渣;烟气排放为符合国家排放指标后的排放;生活垃圾焚烧产生的能量转换为热量和电力接往热网及电网,提高燃料的热效率。
为了定量讨论添煤量的影响,定义:
掺煤燃烧热耗比=掺入的煤炭发热量/(垃圾+煤焚烧的总发热量)
根据工程统计,掺煤燃烧热耗比为50%时,焚烧1t生活垃圾所产生的物质及能源输入输出流见文献[1]中表5。其它掺煤量时,认为过量空气系数不变,产生的烟气量和发热量、发电量的计算分别为:
   Vy=Vy0+Vm(1)
式中,Vy——总烟气量,Nm3/t垃圾;
Vy0——垃圾焚烧产生的烟气量,Nm3/t垃圾;
Vm- 煤炭焚烧产生的烟气量,Nm3/t垃圾。
    Qf =Qw0+Qm(2)
式中,Qf ——总热量,kWh/t垃圾;
Qw0——垃圾焚烧产生的热量,kWh/t垃圾;
Qm——煤炭焚烧产生的热量,kWh/t垃圾。
    Pf =Pw0+Pm(3)
式中,Pf ——总电量,kWh/t垃圾;
Pw0——垃圾焚烧产生的电量,kWh/t垃圾;
Pm——煤炭焚烧产生的电量,kWh/t垃圾。

垃圾焚烧中掺入的煤炭量变化时,热电联产的输入输出流均发生变化,计算如式(1)~(3)。同时烟气中污染物排放浓度、飞灰和底灰的产量以及辅助材料的消耗量等也会同时变化。因为有关数据不能都从工程实例中获得,www.china-heating.com所以当采用不同的掺煤燃烧热耗比时,输入输清单中,物质的消耗除煤外,石灰根据烟气的产生量按比例折算;活性炭耗量认为按每吨垃圾计不变;烟气中污染物排放浓度认为当净化系统不变时也不发生改变,排放总量除二恶英、HCl不变外其它随烟气产量按比例变化。

某一具体项目中,生活垃圾焚烧量为1500t/d,掺煤量为354t/d,设备配置为3台75t/h垃圾焚烧炉+2台15MW抽凝式汽轮机,3套循环悬浮半干法+布袋除尘烟气净化系统,供热热效率为25.6%,发电热效率为19.5%[1]。按上述原则计算不同掺煤燃烧热耗比下的输入输出流参数。首先,假定大气污染物及水体污染物的排放浓度不变。其二,二恶英的排放认为仅由垃圾焚烧引起,因此焚烧1t垃圾所需活性炭等辅料的消耗不变。其三,掺入的煤炭量变化,改变对应1t垃圾的烟气量和底渣、飞灰量,同时引起进入焚烧炉的热量的变化,影响垃圾焚烧炉的规模,产出的电力和热量也相应改变。不同掺煤热耗比下的输入输出流见表1。

4 生命周期评价及影响结果评价
4.1 生命周期评价
根据生活垃圾成分分析和表5的物质资源消耗,可以形成相对完整的生命周期清单,基于EDIP 97方法(Wenzel et al., 1997)将清单中的各数据按不同的环境影响因素分类,当计算环境影响潜值时,借助丹麦技术大学开发的针对废弃物的生命周期分析软件EASWASTE[2]。软件所含的模型计算焚烧各工序包括烟气净化部分向大气、水体和土壤的污染物排放以及对资源的消耗并用不同种类的环境影响潜值来表示;能量(包括电)的产生和消耗以垃圾的低位热值LHV的百分比 计量,能量(包括电)的产生认为是代替了燃煤发电供热;因而由煤燃烧而产生的对环境的污染和影响也就被抵消了;系统运行对热量和电力的消耗也以煤的燃烧供热、发电为基础,记入煤供热发电对环境的污染和影响。因此必须知道煤的燃烧排放的数据。中国供热信息网了解到我国煤燃烧供热发电的生命周期排放数据很不完善,这里借助中国火力发电燃料消耗的生命周期排放清单的数据计算发电情况[3],而热电联产则借用EASEWASTE软件中内置的以煤为燃料的热电联产数据。

EASEWASTE采用的环境影响潜力分类是基于EDIP 97方法(Wenzel et al., 1997)。模型中采用的是欧洲的人均当量(PE)基准。当评估我国的焚烧技术时应该采用我国的人均当量(PE)基准,但是由于本文只是对不同系统加以相对比较,因此采用欧洲的人均当量(PE)基准并不影响比较结果。系统的输出除有用物质和能量外,更有气、液、固等污染物,其对环境的影响严重程度依次减弱。模型定义了6种输出流以适应不同情况,这6种输出流为烟气、飞灰、污泥、废水和底排渣5种废物流和石膏。如果焚烧系统中不存在某种物流的输出,则不对该项进行定义,其输出量也自然为零。EASEWASTE软件计算,其结果见表2。

4. 2 影响结果评价
表2中,正值表示对环境带来不良影响,而负值表示对环境有益,避免了单纯的煤发电过程对环境的不利影响。其中当掺煤燃烧热耗比小于等于20%时全球变暖、光化学臭氧形成(低NOx)、生态毒性(土壤)、平流层臭氧消耗、光化学臭氧形成(高 NOx)等五项类别的环境影响为负值,说明热耗比20%以下时该五项对环境有正面影响;而其余6项不管热耗比为多少均对环境有不良影响,说明了垃圾焚烧处理这一过程不可避免会对环境造成一定的影响。www.china-heating.com就单个环境影响类别而言,随着掺煤燃烧热耗比的增加其环境影响就越大,越不能体现垃圾焚烧这一缓解环境污染过程的环境效益。综合考虑各类别的影响因素,并考虑到添加煤对促进稳定燃烧的必要性,推荐热耗比等于20%时的工况为垃圾焚烧热电联产最佳添加煤量。可以看见,掺煤量对应的热耗比越大,越不利,所以在实际运行时应该避免掺入过多的煤,掺煤热量应控制在总热量的20%以下。这一结果验证了2006年国家环境保护总局颁布的《关于加强生物质发电项目环境影响评价管理工作的通知》中“采用流化床焚烧炉处理生活垃圾的发电项目的消耗热量中常规燃料的消耗量按照热值换算可不超过总消耗量的20%”条款的合理性。

5 总结
本文通过列出掺煤燃烧热耗比分别为10%~50%时的垃圾焚烧热电联产清单,并借助废弃物的生命周期软件EASWASTE进行环境影响潜值计算。结果表明,当热耗比小于等于20%时垃圾焚烧热电联产对环境的不良影响最小,甚至某些影响因素有益于对环境的保护。

现阶段,我国的生活垃圾热值低、水分高,垃圾焚烧炉的燃烧运行不够理想,且故障率高。因此在原有的设备制造基础上,应加大低热值垃圾焚烧的自主开发力度,做到掺入少量煤或不加煤也能够充分燃烧且不熄火。同时应将垃圾分类收集工作做到实处,提高生活垃圾的热值,有利于垃圾焚烧炉的正常运行。--上海市机电设计研究院有限公司 崔福华

参考文献
[1]如皋垃圾焚烧热电联产项目初步设计.机电设计研究院有限公司内部资料,2005
[2] T Janus. Kirkeby,Gurbakhash Singh Bhander, Harpa Birgisdottir. Environmental assessment of solid waste systemsand technologies:EASEWASTE.Waste Manage-ment & Research, 2006,Vol.24:3~15
[3]狄向华,聂祚仁,左铁镛.中国火力发电燃料消耗的生命周期排放清单.中国环境科学,2005, Vol.25(5):632~635

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