中美城市生活垃圾焚烧处置现状和发展趋势.pdf

中美城市生活垃圾焚烧处置现状和发展趋势 * 严密1熊祖鸿2李晓东3胡艳军1 1． 浙江工业大学能源与动力工程研究所， 杭州 310014; 2． 中国科学院广州能源研究所， 广州 510640; 3． 浙江大学能源清洁利用国家重点实验室， 杭州 310027 摘要 城市生活垃圾管理和处置是当前各国政府面临的共同挑战。为了解中国和美国垃圾焚烧处置现状和发展趋势， 对两国垃圾产量、 处置技术结构、 焚烧技术的应用、 焚烧过程二恶英排放进行了调查和比较研究。按照美国经济水平 预测， 中国垃圾产量将达 5 亿 t， 需加强垃圾无害化处置能力建设， 尤其是垃圾分类和综合利用。在中国， 垃圾焚烧技 术将得到进一步推广， 需更严格地控制二恶英排放， 达到 0. 1 ng- TEQ/m3的限值。垃圾焚烧能源化利用具有良好的碳 减排效果， 中国垃圾焚烧碳减排量约为 102 万 t。 关键词 生活垃圾; 焚烧; 二恶英排放; 碳减排 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201403021 DEVELOPMENT TＲEND AND PＲESENT STATUS OF MUNICIPAL SOLID WASTE INCINEＲATION IN CHINA AND THE US Yan Mi1Xiong Zuhong2Li Xiaodong3Hu Yanjun1 1． Institute of Energy and Engineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310014; 2． Guangzhou Institute of Energy Conversion，Chinese Academy of Science，Guangzhou 510640; 3． State Laboratory of Clean Energy Utilization，Zhejiang University， Hangzhou 310027 AbstractMunicipal solid waste MSWmanagement and treatment is the same challenge for every government at present． In order to understand the status and development trend of waste treatment in China and the US，this study made a survey and comparison of waste generation，treatment technologies constitution，application of incineration technologies，dioxins emission from waste incinerator． According the economic level of USA，the amount of waste generation in China will be more than 0. 5 billion tons． So the garbage innocent treatment facilities should be improved，especially in waste sorting and comprehensive utilization． Waste to energy will be more widely applied in China，and it is necessary to control dioxins emission from waste incinerator for meeting stringent limit standard 0. 1 ng- TEQ/m3 ． Incineration can realize the transation of waste to energy，reducing carbon emission，for instance，above 1. 02 carbon emission reduction in China can be achieved． Keywordsmunicipal solid waste;incineration;dioxins emission;carbon emission reduction * “863” 计划资源环境技术领域重点项目 2009AA063104 。 收稿日期 2013 －04 －16 城市生活垃圾无害化处置和资源化利用是各国 政府面临的共同挑战， 也是实现循环经济的关键。为 客观了解中国和美国在垃圾处置， 尤其是焚烧处置技 术的应用现状和发展趋势， 本文对两国垃圾产量、 垃 圾处置技术格局、 焚烧处置技术应用、 焚烧过程二恶 英排放及碳减排效果进行了深入调查和分析。 1垃圾产量 图 1 显示了 19902010 年中国和美国垃圾产量 的变化情况。从图 1 中可知 19902005 年中国和 美国生活垃圾的增长显著。1990 年美国垃圾产量为 20 830 万 t， 2005 年增长到 25 270 万 t［1 ］， 增长了 21. 3; 期间中国垃圾产量也从 6 767 万 t 增长到了 15 576 万 t［2 ］， 增长率为 130。2006 年后， 中美生活 垃圾增长量均不明显， 美国生活垃圾产量出现了无规 律的波动， 中国则呈现小幅增长 6. 5 。2010 年美 国垃圾产量为 2. 50 亿 t［1 ］， 中国为 1. 58 亿 t［2 ］， 美国 垃圾产量是中国的 1. 58 倍。同时 2010 年美国人均 垃圾产量为 2. 01 kg/ 人d ， 中国城市人口为 6. 91 78 固废处理与处置 Solid Waste Treatment and Disposal 亿， 即中国人均垃圾产量为 0. 63 kg/ 人d ， 可认为 中国达到美国目前的经济水平时， 垃圾产量将超过 5 亿 t。目前中国统计的垃圾产量实际是指城市生活垃 圾清运量， 是除去废纸、 饮料瓶等“废品” 后的剩余垃 圾量， 这和美国的垃圾概念存在一定差异。比较中美 垃圾产量现状后， 可以清晰地得到中国必须加强生活 垃圾的科学管理及无害化能力建设， 以面对随着经济 发展垃圾产量的快速增长， 解决环境污染和垃圾“围 城” 问题。 图 1中美城市生活垃圾产生量［1- 2 ］ Fig．1Sino- US urban domestic refuse output 2垃圾处置技术 每个国家和地区都会根据自身情况发展垃圾处 置技术。垃圾处置技术主要有回收、 堆肥、 填埋和焚 烧， 但中国对 “废品” 回收没有官方统计数据， 中美垃 圾处置情况见图 2。19902005 年， 美国呈现出填埋 比例降低， 回收和堆肥的比例增加， 同时焚烧比例基 本不变的趋势; 同时在 2006 年后几种技术的应用维 持相对稳定。20032010 年， 中国垃圾处置技术应 用出现了较明显的变化， 表现为焚烧技术比例显著增 加， 堆肥技术的应用迅速萎缩， 同时填埋技术所占比 例小幅减少。2010 年焚烧技术在美国垃圾处置比例 占到了 11. 7， 在中国垃圾处置比例为 19. 2， 但中 国垃圾无害化率仅为 77. 9， 仍有 20 以上的垃圾 处于无序管理状态。同时根据 “十二五” 城镇生活 垃圾无害化处理设施建设规划 ， 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， 据此计算， 全国将新建超过 210 座处 理量为 1 000 t/d 的垃圾焚烧厂。中国垃圾处置技术 应用的发展由自身国情和经济发展水平决定， 由过去 的填埋占绝对地位， 到现在以及未来很长时期内以填 埋为主、 焚烧技术快速发展， 再到未来的垃圾综合利 用得到长足发展， 基本形成垃圾综合利用、 焚烧和填 埋垃圾梯级处置的稳定结构。 图 2中美垃圾处置技术应用 Fig．2Applied treatment technologies for domestic refuse in China and US 美国建立了完善的垃圾分类和回收系统， 2010 年美国电池回收率达到了 96. 2， 废纸回收率为 71. 6， 金属的回收率也达到了 35. 1， 塑料的回收 相对较低， 为 8. 2。有资料报道中国 2010 年废纸 回收量 3725 万 t， 废纸回收率达到了 40. 8［3 ］。中 国需要加强生活垃圾的分类、 回收和统计工作， 提高 垃圾资源化利用率。当前包括北京、 上海、 广州和杭 州在内的数个城市开始重视和推广垃圾分类工作， 并 进行了试点。垃圾分类收集是规范垃圾回收， 提高垃 圾资源化利用的基础和关键。 3垃圾焚烧技术应用及重点污染物减排 3. 1垃圾焚烧技术应用 美国垃圾热值从 20 世纪90 年代的10 000 kJ/kg 上升到了 13 000 kJ/kg［4 ］， 而中国垃圾年均热值在 5 000 ～6 000 kJ/kg， 所以美国垃圾相对中国具有更 大的能源化价值和潜力。到 2010 年， 美国运行的垃 圾焚烧厂共有 87 家 ［5 ］， 主要分布在东部和西部各州， 88 环境工程 Environmental Engineering 其中纽约州最多， 达到了 10 家。统计得到单厂的平 均焚烧量为 1 075 t/d， 单台炉平均处理量为 418 t/d; 装机量为2 583MW， 单位垃圾平均发电量为699 kW h/t; 也有部分焚烧炉热量用于生产蒸汽供热。美国 垃圾焚烧厂处置规模情况见表 1。 表 1美国垃圾焚烧厂处理规模情况［5 ］ Table 1Treatment scale of the incinerators in the US 单厂规模/ t d －1≤400 400 ～800 800 ～1 200 1 200 ～600 1 600 厂数202610922 厂数比例/2329. 9 11. 510. 325. 3 注 垃圾焚烧单厂规模最小为 10 t/d， 最大为 3 00 t/d， 平均为 1 075 t/d， 中值为 750 t/d。 到 2010 年， 中国垃圾焚烧厂数量为 104 家 ［2 ］ ， 主 要分布在沿海各省， 尤其是浙江 22 家 和广东 16 家 最多。这和美国垃圾焚烧厂分布相似。中国垃 圾焚烧厂单厂平均处理量为 816t/d， 最大处理量为 1 500 t/d。中国垃圾发电量在 250 ～300 kWh/t， 由 于中国垃圾热值仅为美国垃圾热值的一半左右， 所以 垃圾热发电效率相当～20 。 美国垃圾焚烧发电厂运行的三大公司是 Covanta Energy、 Wheelabrator Technologies 和 Veolia ES Waste- to- Energy Inc， 而中国垃圾焚烧厂运行公司都具有一定 的地域背景。美国垃圾焚烧炉技术主要是炉排炉技 术， 有80 家垃圾焚烧厂采用了炉排炉技术， 该技术有 多家 提 供 商， 主 要 是 Martin、 Von Ｒoll 和 Keppel- Seghers ［ 5 ］。同时美国有 15 家焚烧厂使用了垃圾衍生 燃料 ＲDF 作为焚烧炉燃料 ［ 5 ］。中国垃圾焚烧炉技术 主要有流化床和炉排炉， 流化床技术为国内自有技术， 炉排炉技术主要引进国外技术和设备。根据统计， 中 国运行的垃圾焚烧厂中采用流化床技术的焚烧发电厂 有47 座， 合计处理能力为4. 0 万 t/d， 发电装机容量超 过1 000 MW; 采用炉排炉技术的焚烧发电厂有 49 座， 合计处理能力为 4. 24 万 t/d， 发电装机容量超过 700 MW; 其余少部分为热解炉和回转窑炉。流化床焚 烧炉具有较好的垃圾适应性， 在热值不足时可添加辅 助燃料， 在热值符合要求时停止使用， 调节灵活。 中国垃圾焚烧炉烟气净化系统主要采用半干 法 活性炭喷射 布袋， 而美国垃圾焚烧炉烟气净化 系统为非选择性催化 SNCＲ 半干法 活性碳喷 射 布袋， SNCＲ 在美国垃圾焚烧炉上的应用比例达 到了 57. 5， 布袋的应用比例为 83. 9［6 ］。 比较中美垃圾焚烧技术的应用， 今后中国不仅要 在焚烧技术上加强提升外， 还需要进行垃圾源头控制 及提质工作， 包括垃圾分类、 干化、 预处理及 ＲDF 制 备等， 提高入炉垃圾燃料品位。烟气净化系统将在现 有半干法 活性炭喷射 布袋的基础上， 发展 SNCＲ 及 SCＲ 脱硝技术。 3. 2垃圾焚烧二恶英排放 垃圾焚烧过程中会生成和排放多种污染物， 包括 粉尘、 SO2、 NOx、 重金属和二恶英。尤其二恶英受到 了民众和科研人员的广泛关注， 成为垃圾焚烧技术推 广的一个重要瓶颈。二恶英是关于持久性有机污 染物的斯德哥尔摩持公约 规定的首批 12 种持久性 有机污染物之一， 具有强烈的致病、 致癌等危害， 需要 进行严格的排放控制。美国现行的垃圾焚烧二恶英 排放标准为 0. 26 ng- TEQ/m3， 统计平均排放浓度为 0. 05 ng- TEQ/m3［7 ］， 低于欧洲排放标准 0. 1 ng- TEQ/ m3 ; 1990 年美国垃圾焚烧二恶英排放量为 4. 26 kg- TEQ， 到 2000 年排放量降到了 12 g- TEQ， 减量率为 99. 7［8 ］。表 2 是美国垃圾焚烧炉多种污染物排放 浓度情况 ［7 ］， 除 NO x外的各污染物平均浓度均低于 排放标准。根据中国履行 ＜ 关于持久性有机污染 物的斯德哥尔摩公约 ＞ 国家实施计划 NIP 统计， 2004 年中国二恶英总排放量为 10. 23 kg- TEQ［9 ］ ， 其 中生活垃圾焚烧量为 580g- TEQ， 2008 年总排放量降 到了 6. 45 kg- TEQ， 降低率为 37. 0。根据浙江大学 和大连化学物理研究所检测数据， 得到中国现阶段生 活垃圾焚烧二恶英烟气排放符合国家相关排放标准 1. 0 ng- TEQ/m3 的达标率约为 78. 3， 比 2004 年的 排放监测达标率 58 提高了约 20， 其中达到欧盟 相关排放标准 0. 1 ng- TEQ/m3 的比率约为43. 5。 表 2美国垃圾焚烧炉污染物排放水平［7 ］ Table 2Pollutants level of the municipal solid waste incenerators in the US 污染物 二恶英/ ng- TEQ m －3 粉尘/ mg- TEQ m －3 CO/10 －6 SO2/10 －6 NOx/10 －6 HCl/10 －6 汞/ mg m －3 镉/ mg m －3 铅/ mg m －3 平均排放浓度0. 054306170100. 010. 0010. 02 USEPA 标准0. 26 2410030180250. 080. 020. 20 垃圾焚烧设施烟气排放二恶英类物质浓度分布范围 为 0. 005 ～ 4. 140 ng- TEQ/m3，平 均 浓 度 为 98 固废处理与处置 Solid Waste Treatment and Disposal 0. 578 ng- TEQ/m3。如按照垃圾焚烧 6 000 Nm3/t 的 烟气量计算 ［10 ］， 烟气中二恶英的排放因子约为 3. 47 μg- TEQ/t。根据 2010 年国家九部委联合发布 的 关于加强二恶英污染防治的指导意见 环发 ［ 2010］ 123 号 ， 到 2015 年将建立比较完善的二恶英 污染防治体系和长效监管机制， 重点行业二恶英排放 强度降低10， 基本控制二恶英排放的增长趋势［11 ］。 根据 全国主要行业持久性有机污染物污染防治十 二五规划 ， “十二五” 期间二恶英减排工程项目投资 将达到 22. 91 亿元， 包括 POPs 治理和处置能力建设 在内共计 57. 04 亿元 ［12 ］。垃圾焚烧过程二恶英减排 控制技术有多种， 根据全过程控制理论， 主要包括垃 圾调质降低入炉垃圾氯和金属含量， 焚烧过程的 3T E 优化及炉内抑制技术， 尾部再生控制和吸附脱除 以及飞灰中二恶英处置［13- 14 ］。 垃圾焚烧二恶英排放问题已经成为社会焦点， 只 有重视焚烧炉污染排放控制， 尤其是二恶英接近零排 放后， 垃圾焚烧市场才能健康发展。根据新生活垃 圾焚烧污染控制标准 征求意见稿， 生活垃圾焚烧炉 二恶英排放标准已经提高到 0. 1 ng- TEQ/m3; 同时二 恶英的在线检测技术也是研究热点， 在线检测技术可 实时显示二恶英浓度， 提供反馈信息以优化焚烧工况 和烟气净化系统的组织［15- 16 ］。我国部分垃圾焚烧炉 二恶英排放情况见表 3。 表 3中国部分垃圾焚烧炉二恶英检测报告 Table 3Dioxin test results of some incinerators in China 单台处 理量/ t d －1 数量 范围/ ng- TEQ m －3 平均浓度/ ng- TEQ m －3 国标 1.0 达标率/ 欧标 0.1 达标率/ ≤300180. 042 ～4. 140 0. 76472. 244. 4 300 ～400180. 005 ～2. 1650. 42983. 333. 3 400 ～50070. 050 ～3. 1740. 65371. 442. 9 ＞50030. 013 ～0. 0710. 061100100 3. 3垃圾焚烧发电碳减排作用 WAＲM Waste Ｒeduction Model 是美国环境保护 署 USEPA 用于计算生活垃圾各种管理措施碳减排 效果的数据模型 ［17 ］。模型给出了垃圾源头减量、 回 收、 燃烧、 堆肥和填埋的碳排放系数， 该模型对公众免 费开放， 同时 USEPA 也在对模型进行不断地更新和 丰富。USEPA 公布了美国生活垃圾各种组分的处置 详细情况， 利用 WAＲM 模型 10 版 和 2010 年美国 垃圾处置数据， 计算结果见表 4。 垃圾的回收、 堆肥和焚烧均具有碳减排作用， 美 国垃圾处置行业总体呈现出碳减排效果。从碳减排 表 4美国各垃圾处置技术的碳减排效果 Table 4Carbon reduction of each municipal solid waste treatment in the US 处置方法回收堆肥焚烧填埋总量 垃圾量/万 t64972017 29271354524986 碳减排/万 t9471550 110－9919140 CO2减排/万 t 347272016403－323033513 碳减排因子/ t t－1 1. 4650.5 10－337.6 10－3－73.2 10－3 0. 37 平均因子可以看到垃圾回收碳减排率最高 1. 46 t/ t ， 回收碳减排量达到了 9 71 万 t， 填埋存在碳排放 －73. 2 10 －3 t/t 。填埋过程中释放的甲烷， 其温 室效应相当于 CO2的 21 倍［18 ］， 如果对垃圾填埋场进 行填埋气收集和利用， 将产生碳减排效果。目前在较 多垃圾填埋场安装了填埋气发电机组， 包括杭州的天 子岭垃圾填埋场等。美国焚烧发电碳减排量为 110 万 t， 减排因子为 37. 6 kg/t。 由于中国没有垃圾各成分处置情况的统计数据， 所以将垃圾作为混合垃圾， 不计算垃圾回收碳减排部 分。根据中国统计年鉴数据， 结合 WAＲM 模型 10 版 计算中国 2010 年垃圾处置碳减排情况， 结果如表 5 所示。堆肥和焚烧均存在碳减排能力， 焚烧发电碳 减排效果为 102 万 t。比较发现未分类的垃圾填埋碳 排放因子远大于分类以后的垃圾碳排放因子。 表 5中国各垃圾处置技术碳减排效果 Table 5Carbon reduction on each municipal solid waste treatment in China 处置方法回收堆肥焚烧填埋总量 垃圾量/万 t181 2317959812096 碳减排/万 t9 102－4340－4229 CO2减排/万 t 33374－15913－15506 碳减排因子①/ t t－150. 5 10 －344. 0 10－3 －0. 45－0. 35 注 ①利用了 WAＲM 中混合垃圾 MSW 的碳排放因子。 4结论 按照美国经验， 中国垃圾增量空间仍然巨大， 需 要做好垃圾科学管理和无害化能力的建设。在垃圾 分类、 回收和统计工作环节加大力度， 促进垃圾资源 化综合利用的发展。 中国垃圾焚烧市场将继续快速发展， 除需加强焚 烧技术提升和尾部净化系统升级以外， 更应重视垃圾 源头调质， 提高入炉垃圾品质。 垃圾焚烧炉二恶英排放标准将提高到0.1 ng- TEQ/ m3， 需执行更严格的二恶英控制措施， 同时二恶英在 线检测技术也需得到重视。 垃圾焚烧技术不仅能实现垃圾的能源利用， 用于 09 环境工程 Environmental Engineering 发电及供汽， 也具有碳减排效果， 利用 WAＲM 模型计 算得到中国垃圾焚烧碳减排量约为 102 万 t。 参考文献 ［1］USEPA． Ｒeport on MSW generation， recycling， and 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