環(huán)保型焚燒爐在美國的最新應用
土地利用受到限制、運輸費用增加，對溫室氣體排放的關(guān)注等一系列原因引起了污水處理廠對固體廢物處理替代技術(shù)的關(guān)注。與此同時，焚燒爐裝置的能源利用效率變得更高，對環(huán)境更為友好。那么，這樣就可以認為焚燒爐是固體廢物處理的“環(huán)保”型替代技術(shù)嗎?答案是肯定的。
焚燒爐的先進行
據(jù)美國環(huán)保局估計，在美國大約有20%的廢水固渣被焚燒。焚燒爐有以下一些優(yōu)點:將大量固體廢物變成可以處置或再利用的無菌灰燼，對環(huán)境影響小，可以全天候連續(xù)處理。大多數(shù)情況下，公司會采用比較先進的焚燒技術(shù)。在大城市，老式的多爐腔焚燒爐已經(jīng)被新式的流化床焚燒爐所替代。然而，也有許多多爐腔焚燒爐采用排放控制設備進行升級后再投入使用，這樣升級后的焚燒爐能夠通過更多的許可驗收。
最近，焚燒爐在機械脫水和熱回收技術(shù)上的新進展使其能夠自燃，即不需要任何輔助的化石燃料。自燃利用固體物質(zhì)的生物能可以提供額外的能源用于發(fā)電，并能夠降低溫室氣體和其他空氣污染物的排放。這些進展使得焚燒成為了環(huán)保的固體廢物處理替代技術(shù)。
溫室氣體減排
雖然美國尚未簽訂京都議定書，但美國目前正在討論二氧化碳減排的可替代手段。因此，對溫室氣體減排的需要可能在不久的將來對焚燒裝置產(chǎn)生影響。
將焚燒評為“環(huán)保”技術(shù)的原因是:比起土地利用、填埋和熱干燥等固體廢物處理技術(shù)，最近“不使用化石燃料”焚燒爐的改進使其可以減少溫室氣體的排放。
環(huán)保焚燒技術(shù)是指利用可再生能源或生物質(zhì)能源—這里指的是廢水固渣，而不是化石燃料—進行固體廢物處理。利用生物質(zhì)燃料進行固體廢物處理比使用石化燃料更具經(jīng)濟效益。生物質(zhì)燃料是一種“碳中性”燃料:生物質(zhì)燃料的燃燒或者氧化會釋放出二氧化碳，但等量的二氧化碳會被大氣所吸收。這樣，生物質(zhì)燃料僅使大氣碳進行了循環(huán)而不是增加了大氣中碳含量。而使用不可再利用的化石燃料可能會增加大氣中的碳含量。
可再生溫室氣體排放包括：環(huán)境和生物質(zhì)的熱氧化，使用沼氣和垃圾填埋氣作燃料。不可再生源包括:生物質(zhì)燃燒所需的輔助燃料，運輸生物質(zhì)所需燃料，生物質(zhì)燃料使用過程中風扇、水泵和其他設備所消耗的電能。
實際的例子
我們評估了三種設備來確定從焚燒爐中釋放出的溫室氣體，其中有兩種設備是自燃型焚燒爐，僅需要少量或者不需要化石燃料來產(chǎn)生輔助熱量;另外一種是流化床焚燒爐，需要一些輔助化石燃料。
安大略省的皮爾地區(qū)
Lakeview污水處理廠有4臺流化床焚燒爐，每臺焚燒爐的額定容量是100 Mg/d。自2006年2月已有一臺裝置投人使用，剩下的3臺到2009年才更新完畢。更新完畢后，這將是北美最大的流化床裝置，總?cè)萘渴?00 Mg/d。
這些設備有幾個方面的特點促成了自燃。熱風箱設計使得加熱的流化空氣溫度高達650 C。此外，初級熱交換器采用高溫廢氣來加熱進人焚燒爐的流化空氣。流化空氣除了流化床體，還提供助燃氣。最后，離心機將未消化的固體脫水，使干固體的含量達到28%，這樣可以減少水分蒸發(fā)所需要的能量。
綠灣(威斯康辛州)都市區(qū)的污水收集系統(tǒng)
自二十世紀70年代綠灣污水處理廠建廠時建造的兩個多爐膛焚燒爐從始自終不間斷地運行。最近，人們將焚燒爐的廢氣洗滌塔進行了更新，同時為了燃燒更完全、廢氣排放量更少、操作更自由還進行了其他更新。其中一臺設備于2005年重新投入使用，其容量達到了44 Mg/d。另一臺設備于2007年完成了更新。更新后的焚燒爐提高了燃燒廢水固渣的能力，降低了石化燃料的使用和廢氣排放量。
以下幾個因素促進了自燃燒。首先，二級爐腔取代了一個燃燒后爐腔，這樣可以不再額外使用燃料。而且，新的爐腔使得停留時間更長(1-2s)，能在較低的溫度下使氣體流中的有機物完全燃燒。而且，嚴格的空氣控制使得不必再將多余空氣加熱到燃點。有過量空氣的氣流時在這一過程中需要額外的熱量。而且，帶式壓濾機可以提供給焚燒爐23%-28%的干固體。因為固體具有更高的熱值，自燃燒需要至少26%的干固體。最后，鍋爐的廢熱還能夠提供34 bar的蒸汽，可以減少石化燃料的使用，降低溫室氣體的排放。雖然目前該技術(shù)尚未實施，但從焚燒爐廢氣中回收熱量確實可以產(chǎn)生蒸汽，生成清潔、綠色的電能供給污水處理廠使用或者進行出售。
該裝置說明對于多爐腔焚燒爐來說實現(xiàn)自燃是可能的，但這可能僅僅是個特例，大多數(shù)多爐腔焚燒爐還需要輔助燃料。
辛辛那提的都市下水道
俄亥俄的小邁阿密廢水處理廠用一臺流化床焚燒爐替代了原有的多爐腔焚燒爐。該裝置自從2000年開始運行，其容量達到了65 Mg/d。小邁阿密的情況類似于Lakeview，但其二級熱交換器被用于羽流抑制。
和Lakeview污水處理廠一樣，這里的裝置也采用了熱風箱設計，初級熱交換裝置也利用高溫廢氣來加熱流化氣蒸汽。然而，該裝置的額定容量是通常的一半，而且不能夠自燃。帶式壓濾機不能夠連續(xù)對未消化的固體進行脫水，一般可獲得22%的干固體。當干固體含量超過26%時，該裝置就可以自燃燒了。
自從2005年一系列項目改進后，該污水處理廠對天然氣的使用量從11.4 GJ/Mg降到了5.7 GJ/Mg ,二氧化碳的排放降低到了9.5 kg/d.該廠還計劃用高固體離心機替代帶式壓濾機，以降低或者消除對輔助燃料的使用。
溫室氣體排放比較
項目組列出了下列四種情形來比較典型固體廢物處理過程中的溫室氣體排放:
案例1:厭氧消化+脫水十土地利用;
案例2:厭氧消化+脫水+干燥+土地利用;
案例3:脫水+流化床焚燒爐+托運灰飛;
案例4:脫水+填埋。為了起點相同，假設每天都有100 Mg的廢水固渣進人消化器(或者進行脫水)，這樣消化對量的減少也包括在內(nèi)了。所有的情況中，電量的計算基于燃煤發(fā)電廠產(chǎn)生的電力。其他形式的無溫室氣體排放的電力來源，比氫能、風能、太陽能、或者核能等能夠大大降低不可再利用部分溫室氣體的排放。目前美國大約有28%、安大略有多于58%的能量來源于非煤、非碳氫資源。因此，實際的排放量應該大大降低。
為了比較每種固體廢物處理過程中溫室氣體的排放，針對每種情形要依次列出下面幾點:
*確定生物質(zhì)中可回收的二氧化碳氣體的量。
*比較不可再生溫室氣體的產(chǎn)生，包括發(fā)電和石化燃料燃燒產(chǎn)生的溫室氣體。
*確定可用于碳補償?shù)男庞妙~度，比如那些利用沼氣發(fā)電產(chǎn)生的二氧化碳。
*比較凈的溫室氣體排放結(jié)果。
結(jié)論
可再利用的溫室氣體
從生物質(zhì)燃料中釋放出的溫室氣體的量取決干生物質(zhì)燃料中揮發(fā)性固體的含量。在消化和干燥過程中，45%的揮發(fā)性固體被轉(zhuǎn)化成了沼氣。沼氣在燃燒過程中會產(chǎn)生溫室氣體。如果不將沼氣燃燒，其在空氣中將最終被氧化為二氧化碳。剩余55%的揮發(fā)性固體將在土地利用或者固體干燥過程中釋放出來。而對于焚燒法，在揮發(fā)性物質(zhì)燃燒過程中，所有的氣體都會從焚燒爐中釋放出來。
對于土地利用和填埋，轉(zhuǎn)化時間可能會很長，可能要數(shù)十年，這取決于土地運作。由于該項目的原因，我們假定60%的揮發(fā)性固體進入填埋場能夠在較短時間內(nèi)轉(zhuǎn)化為沼氣，而剩余物質(zhì)要在一個相對較長的時間內(nèi)被完全氧化。
不可再生溫室氣體
在能源處理、傳輸或作為原材料時會產(chǎn)生不可再利用溫室氣體。這包括電力能源使用、輔助或補充燃料、化學品或聚合物生產(chǎn)、運輸用柴油燃料。用電產(chǎn)生的溫室氣體計算基于燃煤發(fā)電站排放的溫室氣體。
從此項分析中可以得出以下幾點:
*土地利用生成不可再生溫室氣體的潛在可能性最小，而熱干燥最多。這可能有些出人意料，因為即使是土地利用，運輸用燃料的影響也相對較小。
*對干熱干燥，輔助燃料是產(chǎn)生溫室氣體的最大來源，占溫室氣體排放量的62%。對于干燥，使用的輔助燃料的價值遠大于土地利用和焚燒。
*用電是溫室氣體的最大產(chǎn)生者，占焚燒溫室氣體釋放量的85%，占土地利用釋放量的69 %
溫室氣體排放權(quán)
如果生物質(zhì)的生物能源價值更夠抵消燃煤電廠的電能，我們還確定了潛在的“排放配額”。對于土地利用和干燥，這包括利用沼氣通過發(fā)動機一發(fā)電機發(fā)電。對于熱干燥，這包括利用沼氣進行干燥以抵消對輔助燃料的需求。對于焚燒爐，可以收集垃圾填埋氣，用發(fā)動機一發(fā)電機來發(fā)電。
消化比焚燒的排放配額高，因為引擎比渦輪機在將能源轉(zhuǎn)換成電能方面效率高。引擎發(fā)電的效率大約是35%，而渦輪蒸汽機的效率僅有25%。
對于烘干機，大多數(shù)污水處理廠采用沼氣來提供50%一100%干燥所需的能源，以減少不可再生燃料的使用。
我們注意到土地利用的消化配額大于沼氣抵消的熱干燥。從一個大的視角來看，對于污水處理廠來說沼氣發(fā)電比購買燃料用于干燥要有利得多。然而仍然存在的問題是:使用沼氣是不是真正能帶來益處?回答是:發(fā)動機一發(fā)電機比燃煤電廠要高效得多，使用電能減少了溫室氣體的排放。
填埋和土地利用對溫室氣體排放的影響最小，熱干燥影響最大，焚燒居中。
污水處理廠可以采取的步驟
研究結(jié)果有些出人意料:除干燥之外，用電帶來的溫室氣體排放量在所有選項中最大。如果其他因素—比如商用氮肥或者熱干燥生產(chǎn)的燃料產(chǎn)品帶來的偏移可能會影響分析結(jié)果。干燥的燃料產(chǎn)品可以計入商業(yè)發(fā)電站補償煤的消耗。類似地，干燃料有時被用作水泥廠的原料。
有焚燒爐的污水處理廠可能想考慮具體行動。最好的減少溫室氣體排放的方法是減少用于干燥的電能和輔助燃料的消耗。如果溫室氣體減排是最主要的目標，價錢、操作的難易程度和維修問題是次要目標，那么建議進行以下的操作:
*優(yōu)化運行，使設備在效率最高點附近運轉(zhuǎn)，設備運轉(zhuǎn)負荷只有一半時應將設備關(guān)掉。
*優(yōu)化脫水過程，因為該過程占據(jù)了整個排放量的一大部分。用電及聚合物的排放量遠遠高于拖運和土地利用。
*收集沼氣或垃圾填埋氣。電動機一發(fā)電機發(fā)電的效率大約是35%,渦輪蒸汽機的發(fā)電效率僅有25 %。這些數(shù)據(jù)說明消化一部分廢水固渣再進行焚燒，只要焚燒爐能夠進行自燃，便可提供最多的溫室氣體排放份額。然而，我們要牢記，增加使用沼氣會增加污水處理廠的氣體排放量，可能會對清潔空氣法案第五條或其他空氣法規(guī)產(chǎn)生影響。
對于消化和垃圾填埋氣系統(tǒng)取得清潔系統(tǒng)操作成功非常重要。氣體清潔系統(tǒng)將去除濕氣、二氧化硫和硅氧烷。然而，一些市政污水處理廠發(fā)現(xiàn)難以達到嚴格的運作和維修要求。
我們僅僅評估了各種固體廢物處理方法對溫室氣體排放的影響，但這不能作為選擇固體處理方法的唯一標誰。還應該考慮:資本開支和運營成本;可供使用的土地利用場地或者填埋空間;公眾對交通、噪音、氣味和廢氣排放的關(guān)注;任何天氣狀況下運行的可靠性;排放的其他氣體比如氮氧化物、硫氧化物和顆粒物對環(huán)境的影響;整個系統(tǒng)的復雜性和可維護性。
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