中美城市生活垃圾焚燒處置現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)
城市生活垃圾無(wú)害化處置和資源化利用是各國(guó)政府面臨的共同挑戰(zhàn)，也是實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵。為正確了解中國(guó)和美國(guó)在垃圾處置，尤其是焚燒處置技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，本文對(duì)兩國(guó)垃圾產(chǎn)量、垃圾處置技術(shù)格局、焚燒處置技術(shù)應(yīng)用、焚燒過(guò)程二惡英排放及碳減排效果進(jìn)行了深入調(diào)查和計(jì)算。
1、垃圾產(chǎn)量
圖1顯示了中國(guó)和美國(guó)垃圾產(chǎn)量的變化，從圖中得到1990~2005年中國(guó)和美國(guó)生活垃圾的增長(zhǎng)顯著。1990年美國(guó)垃圾產(chǎn)量為20830萬(wàn)噸，但2005年增加到25270萬(wàn)噸，增加了21.3%;中國(guó)垃圾產(chǎn)量也從6767萬(wàn)噸增加到了15576萬(wàn)噸，增長(zhǎng)率為130%。2006年后，中美生活垃圾增長(zhǎng)量均不明顯，美國(guó)生活垃圾產(chǎn)量出現(xiàn)了一個(gè)無(wú)規(guī)律的波動(dòng)，中國(guó)小幅增長(zhǎng)(6.5%)。2010年美國(guó)垃圾產(chǎn)量為2.50億噸，中國(guó)為1.58億噸，美國(guó)是中國(guó)的1.58倍。同時(shí)2010年美國(guó)人均垃圾產(chǎn)量為2.01kg/(人˙日)，中國(guó)城市人口為6.91億，即中國(guó)人均垃圾產(chǎn)量為0.63kg/(人˙日)，認(rèn)為中國(guó)達(dá)到美國(guó)經(jīng)濟(jì)水平時(shí)垃圾產(chǎn)量將超過(guò)5億噸。目前中國(guó)統(tǒng)計(jì)的垃圾產(chǎn)量實(shí)際是指城市生活垃圾清運(yùn)量，是除去廢紙、飲料瓶等“廢品”后的剩余垃圾量，這和美國(guó)的垃圾概念存在一定差異。比較中美垃圾產(chǎn)量現(xiàn)狀后，可以清晰地得到中國(guó)必須加強(qiáng)生活垃圾的科學(xué)管理、無(wú)害化能力建設(shè)，以面對(duì)隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展垃圾產(chǎn)量的快速增長(zhǎng)，解決環(huán)境污染和垃圾“圍城”問(wèn)題。
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圖1中美城市生活垃圾產(chǎn)生量
2、垃圾處置技術(shù)
每個(gè)國(guó)家和地區(qū)都會(huì)根據(jù)自身情況發(fā)展垃圾處置技術(shù)。垃圾處置技術(shù)主要有回收、堆肥、填埋和焚燒，但中國(guó)對(duì)“廢品”回收沒(méi)有官方統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，中美垃圾處置情況如圖2。1990~2005年，美國(guó)呈現(xiàn)出填埋比例降低，回收和堆肥的比例增加，同時(shí)焚燒比例基本不變;同時(shí)在2006年后幾種技術(shù)的應(yīng)用維持相對(duì)穩(wěn)定。2003~2010年，中國(guó)垃圾處置技術(shù)應(yīng)用出現(xiàn)了較明顯的變化，表現(xiàn)為焚燒技術(shù)比例顯著增加，堆肥技術(shù)的應(yīng)用迅速萎縮，同時(shí)填埋技術(shù)比例小幅減少。2010年焚燒技術(shù)在美國(guó)垃圾處置比例占到了11.7%，在中國(guó)垃圾處置比例為19.2%，但中國(guó)垃圾無(wú)害化率僅為77.9%，仍有20%的垃圾處于無(wú)序管理狀態(tài)。
同時(shí)根據(jù)根據(jù)《“十二五”城鎮(zhèn)生活垃圾無(wú)害化處理設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》，到2015年，全國(guó)城鎮(zhèn)生活垃圾焚燒處理設(shè)施能力達(dá)到無(wú)害化處理總能力的35%以上，據(jù)此計(jì)算全國(guó)將新建超過(guò)210座1000噸/日處理量規(guī)模的垃圾焚燒廠。中國(guó)垃圾處置技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展由自身國(guó)情和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平?jīng)Q定的，由過(guò)去的填埋占絕對(duì)，到現(xiàn)在以及未來(lái)很長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)以填埋為主、焚燒技術(shù)快速發(fā)展，再到將來(lái)的垃圾綜合利用得到發(fā)展，形成垃圾綜合利用、焚燒和填埋垃圾梯級(jí)處置的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。
美國(guó)建立了完善的垃圾分類和回收系統(tǒng)，2010年美國(guó)電池回收率達(dá)到了96.2%，廢紙回收率為71.6%，各種金屬的回收率也達(dá)到了35.1%，塑料的回收相對(duì)較低為8.2%。有資料報(bào)道中國(guó)2010年廢紙回收量3725萬(wàn)噸，廢紙回收率達(dá)到了40.8%。中國(guó)需要加強(qiáng)生活垃圾的分類、回收和統(tǒng)計(jì)工作，提高垃圾資源化利用率。當(dāng)前包括北京、上海、廣州和杭州在內(nèi)的數(shù)個(gè)城市開始重視和推廣垃圾分類工作，進(jìn)行了試點(diǎn)。垃圾分類收集是規(guī)范垃圾回收，提高垃圾資源化利用的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。
圖2中美垃圾處置技術(shù)應(yīng)用(a,美國(guó);b,中國(guó))
3、垃圾焚燒技術(shù)應(yīng)用及重點(diǎn)污染物減排
3.1垃圾焚燒技術(shù)應(yīng)用
美國(guó)垃圾熱值從上世紀(jì)90s年代的10000kj/kg上升到了13000kj/kg,而中國(guó)垃圾年均熱值在5000~6000kj/kg，所以美國(guó)垃圾相對(duì)中國(guó)具有更大的能源化價(jià)值和潛力。到2010年美國(guó)運(yùn)行的垃圾焚燒廠共有87家，主要分布在東部和西部州，其中紐約州最多，達(dá)到了10家。統(tǒng)計(jì)得到單廠的平均焚燒量為1075t/d，單臺(tái)爐平均處理量為418t/d;裝機(jī)量為2583MW，單位垃圾平均發(fā)電量為699kwh/t;也有部分焚燒爐熱量用于產(chǎn)蒸汽供熱。美國(guó)垃圾焚燒廠處置規(guī)模情況可詳見(jiàn)表1。到2010年，中國(guó)垃圾焚燒廠數(shù)量為104家，主要分布在沿海各省，尤其是浙江(22家)和廣東(16家)最多。這和美國(guó)垃圾焚燒廠分布相似，垃圾焚燒廠主要分布在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口密集地區(qū)，這是由焚燒技術(shù)占地少、處置成本相對(duì)高決定的。中國(guó)垃圾焚燒廠單廠平均處理量為816噸/日，最大處理量為1500噸/日。
中國(guó)垃圾發(fā)電量在250~300kwh/t水平，由于中國(guó)垃圾熱值僅為美國(guó)垃圾熱值的一半左右，所以垃圾熱發(fā)電效率相當(dāng)(~20%)。美國(guó)垃圾焚燒發(fā)電廠運(yùn)行的三大公司是CovantaEnergy、WheelabratorTechnologies和VeoliaESWaste-to-EnergyInc.。中國(guó)垃圾焚燒廠運(yùn)行公司都具有一定的地域背景。美國(guó)垃圾焚燒爐技術(shù)主要是爐排爐技術(shù)，有80家垃圾焚燒廠采用了爐排爐技術(shù)。爐排爐技術(shù)相對(duì)成熟，有多家技術(shù)提供商，主要是Martin,VonRoll和Keppel-Seghers。同時(shí)美國(guó)有15家焚燒廠使用了垃圾衍生燃料作為焚燒爐燃料(DRF)。中國(guó)垃圾焚燒爐技術(shù)主要有流化床和爐排爐，流化床技術(shù)為國(guó)內(nèi)自有技術(shù)，爐排爐技術(shù)主要引進(jìn)國(guó)外技術(shù)和設(shè)備。
根據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)運(yùn)行的垃圾焚燒廠中采用流化床技術(shù)的焚燒發(fā)電廠有47座，合計(jì)處理能力為4.0萬(wàn)噸/日，發(fā)電裝機(jī)容量超過(guò)1000MW;采用爐排爐技術(shù)的焚燒發(fā)電廠有49座，合計(jì)處理能力為4.24萬(wàn)噸/日，發(fā)電裝機(jī)容量超過(guò)700MW;其余少部分為熱解爐和回轉(zhuǎn)窯爐。流化床焚燒爐具有較好的垃圾適應(yīng)性，在熱值不足時(shí)可添加輔助燃料，在熱值符合要求時(shí)停止使用，調(diào)節(jié)零活。中國(guó)垃圾焚燒爐煙氣凈化系統(tǒng)主要采用半干法+活性炭噴射+布袋，而美國(guó)垃圾焚燒爐煙氣凈化系統(tǒng)為非選擇性催化(SNCR)+半干法+活性碳噴射+布袋，SNCR在美國(guó)垃圾焚燒爐上的應(yīng)用比例達(dá)到了57.5%，布袋的應(yīng)用比例為83.9%。
表1美國(guó)垃圾焚燒廠處理規(guī)模情況
比較中美垃圾焚燒技術(shù)應(yīng)用得到，相對(duì)于美國(guó)爐排爐一家獨(dú)大，中國(guó)根據(jù)國(guó)內(nèi)垃圾特點(diǎn)形成了流化床和爐排爐鼎力的市場(chǎng)布局。今后中國(guó)不僅要在焚燒技術(shù)上加強(qiáng)提升外，還需要進(jìn)行垃圾源頭控制及提質(zhì)工作，包括垃圾分類、干化、預(yù)處理及RDF制備等，提高入爐垃圾燃料品位。煙氣凈化系統(tǒng)將在現(xiàn)有半干法+活性炭噴射+布袋的基礎(chǔ)上，發(fā)展SNCR及SCR脫硝技術(shù)。
3.2垃圾焚燒二惡英排放
垃圾焚燒過(guò)程中會(huì)生成和排放多種污染物，包括粉塵、SO2、NOx、重金屬和二惡英。尤其二惡英受到了民眾和科研人員的廣泛關(guān)注，成為垃圾焚燒技術(shù)推廣的一個(gè)重要瓶頸。二惡英是《關(guān)于持久性有機(jī)污染物的斯德哥爾摩持公約》規(guī)定的首批12種持久性有機(jī)污染物之一。具有強(qiáng)烈的致病、致癌等危害，需要進(jìn)行嚴(yán)格的排放控制。美國(guó)現(xiàn)行的垃圾焚燒二惡英排放標(biāo)準(zhǔn)為0.26ngI-TEQ/Nm3，統(tǒng)計(jì)平均排放濃度為0.05ngI-TEQ/Nm3，低于歐洲排放標(biāo)準(zhǔn)(0.1ngI-TEQ/Nm3);1990年美國(guó)垃圾焚燒二惡英排放量為4.26kgI-TEQ，到2000年排放量降到了12gI-TEQ，減量率為99.7%。表2是美國(guó)垃圾焚燒爐多種污染物排放濃度情況，各污染物平均濃度均低于排放標(biāo)準(zhǔn)，但NOx排放僅略低于標(biāo)準(zhǔn)。
根據(jù)《中國(guó)履行<關(guān)于持久性有機(jī)污染物的斯德哥爾摩公約>國(guó)家實(shí)施計(jì)劃》(NIP)統(tǒng)計(jì)，2004年中國(guó)二惡英總排放量為10.23kgTEQ，其中生活垃圾焚燒量為580gTEQ，2008年總排放量降到了6.45kgI-TEQ，降低率為37.0%。根據(jù)浙江大學(xué)和大連化學(xué)物理研究所檢測(cè)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)得到中國(guó)現(xiàn)階段生活垃圾焚燒二惡英煙氣排放符合國(guó)家相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)(1.0ng-TEQ/m3)的達(dá)標(biāo)率約為78.3%，比2004年的排放監(jiān)測(cè)達(dá)標(biāo)率(58%)提高了約20%，其中達(dá)到歐盟相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)(0.1ng-TEQ/m3)的達(dá)標(biāo)率約為43.5%。
垃圾焚燒設(shè)施煙氣排放二惡英類物質(zhì)濃度分布范圍為0.005～4.140ng-TEQ/m3，平均濃度為0.578ngTEQ/m3。如按照6000Nm3/t的煙氣量計(jì)算，煙氣中二惡英的排放因子約為3.47μgTEQ/t。根據(jù)2010年國(guó)家九部委聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于加強(qiáng)二惡英污染防治的指導(dǎo)意見(jiàn)》(環(huán)發(fā)[2010]123號(hào))到2015年將建立比較完善的二惡英污染防治體系和長(zhǎng)效監(jiān)管機(jī)制，重點(diǎn)行業(yè)二惡英排放強(qiáng)度降低10%，基本控制二惡英排放增長(zhǎng)趨勢(shì)。根據(jù)《全國(guó)主要行業(yè)持久性有機(jī)污染物污染防治十二五規(guī)劃》，“十二五”期間二惡英減排工程項(xiàng)目投資將達(dá)到22.91億元，包括POPs治理和處置能力建設(shè)在內(nèi)共計(jì)57.04億元。垃圾焚燒過(guò)程二惡英減排控制技術(shù)有多種，根據(jù)全過(guò)程控制理論包括垃圾調(diào)質(zhì)降低入爐垃圾氯和金屬含量，焚燒過(guò)程的3T+E優(yōu)化及爐內(nèi)抑制技術(shù)，尾部再生控制和吸附脫除，以及飛灰中二惡英處置。
表2美國(guó)垃圾焚燒爐污染物排放水平
垃圾焚燒二惡英排放問(wèn)題已經(jīng)成為社會(huì)焦點(diǎn)，只有重視焚燒爐污染排放控制，尤其是二惡英近零排放后，垃圾焚燒市場(chǎng)才能健康發(fā)展。根據(jù)新《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》征求意見(jiàn)稿，生活垃圾焚燒爐二惡英排放標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)提高到0.1ngI-TEQ/Nm3;同時(shí)二惡英的在線檢測(cè)技術(shù)也是研究熱點(diǎn)，在線檢測(cè)技術(shù)可實(shí)時(shí)顯示二惡英濃度，提供反饋信息優(yōu)化焚燒工況和煙氣凈化系統(tǒng)的組織。
3.3垃圾焚燒發(fā)電碳減排作用
WARM(WasteReductionModel)是美國(guó)環(huán)境保護(hù)署(USEPA)用于計(jì)算生活垃圾各種管理措施的碳減排效果的數(shù)據(jù)模型。模型給出了垃圾源頭減量、回收、燃燒、堆肥和填埋的碳排放系數(shù)，該模型對(duì)公眾免費(fèi)開放，同時(shí)USEPA也在對(duì)模型進(jìn)行不斷的更新和豐富。USEPA公布了美國(guó)生活垃圾各種組分的處置詳實(shí)情況，利用WARM模型(10版)和2010年美國(guó)垃圾處置數(shù)據(jù)，計(jì)算得到如表4。垃圾的回收、堆肥和焚燒均具有碳減排作用，美國(guó)垃圾處置行業(yè)總體呈現(xiàn)了碳減排效果。從碳減排平均因子可以看到垃圾回收碳減排率最高(1.46)，回收碳減排量達(dá)到了9471萬(wàn)噸，填埋存在碳排放(-73.2×10-3)。填埋過(guò)程中釋放的甲烷，其溫室效應(yīng)是CO2的21倍，如果對(duì)垃圾填埋場(chǎng)進(jìn)行填埋氣收集和利用將存在碳減排效果。目前在較多垃圾填埋場(chǎng)安裝了填埋氣發(fā)電機(jī)組，包括杭州的天子嶺垃圾填埋場(chǎng)。美國(guó)焚燒發(fā)電碳減排量為110萬(wàn)噸，減排因子為37.6kg/t。
表3中國(guó)部分垃圾焚燒爐二惡英檢測(cè)報(bào)告，ngI-TEQ/Nm3 
由于中國(guó)沒(méi)有垃圾各成分處置情況的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，所以將垃圾作為混合垃圾，不計(jì)算垃圾回收碳減排部分。根據(jù)中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)結(jié)合WARM模型(10版)計(jì)算中國(guó)2010年垃圾處置碳減排情況，結(jié)果如表5。堆肥和焚燒均存在碳減排能力，焚燒發(fā)電碳減排效果為102萬(wàn)噸。比較發(fā)現(xiàn)沒(méi)有分類的垃圾填埋碳排放因子遠(yuǎn)大于分類以后的垃圾碳排放因子。
4結(jié)論
通過(guò)對(duì)中美垃圾產(chǎn)生、垃圾處置技術(shù)、焚燒處置應(yīng)用、焚燒過(guò)程二惡英排放及碳減排作用的調(diào)查、分析，得到：
1)按照美國(guó)經(jīng)驗(yàn)，中國(guó)垃圾增量仍將巨大，需要做好垃圾科學(xué)管理和無(wú)害化能力的建設(shè)。在垃圾分類、回收和統(tǒng)計(jì)工作加大力度，促進(jìn)垃圾資源化綜合利用的發(fā)展。
2)中國(guó)垃圾焚燒市場(chǎng)將繼續(xù)快速發(fā)展，需加強(qiáng)焚燒技術(shù)提升和尾部?jī)艋到y(tǒng)升級(jí)以外，更應(yīng)重視垃圾源頭調(diào)質(zhì)，提高入爐垃圾品質(zhì)。
3)垃圾焚燒爐二惡英排放標(biāo)準(zhǔn)將提高到0.1ngI-TEQ/Nm3，需進(jìn)行更嚴(yán)格的二惡英控制措施，同時(shí)二惡英在線檢測(cè)技術(shù)也需得到重視。
4)垃圾焚燒技術(shù)不僅能實(shí)現(xiàn)垃圾的能源化利用，用于發(fā)電及供汽，也具有碳減排效果，利用WARM模型計(jì)算得到中國(guó)垃圾焚燒碳減排量約為102萬(wàn)噸。
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