“双碳”背景下生活垃圾焚烧厂的“减碳”思考

杨毅?孟哲?刁冰

一、我国生活垃圾焚烧处理发展沿革

（一）国内生活垃圾焚烧发电行业发展现状

“十三五”期间，全国共建成生活垃圾焚烧厂254座，累计运行的生活垃圾焚烧厂超过500座，焚烧设施处理能力达58万t/d。全国城镇生活垃圾焚烧处理率约为45%，初步形成了新增处理能力以焚烧为主的垃圾处理发展格局。

国家发展和改革委员会、住房和城乡建设部印发的《“十四五”城镇生活垃圾分类和处理设施发展规划》提出，到2025年年底，全国城镇生活垃圾焚烧处理能力达到80万t/d左右，城市生活垃圾焚烧处理能力占比65%左右。

（二）生活垃圾焚烧发电行业发展趋势

1．行业不断收购整合，龙头企业市场占有率持续提升

近年来，垃圾焚烧发电行业集中度不断提升，大部分产能已集中在专业运营商企业，随着市场进一步呈现集约化趋势，专业运营商的竞争优势越发凸显，地方产能将逐渐被行业龙头企业整合。同时，垃圾焚烧发电行业内的企业也不断进行产业链横向和纵向延伸，通过规模化和精细化经营不断提升在行业中的竞争力。

2．大力推进产业园区建设

自2016年住房和城乡建设部等四部委联合发布《关于进一步加强城市生活垃圾焚烧处理工作的意见》以来，各地积极开展静脉产业园区、循环经济产业园区、静脉特色小镇等建设，统筹生活垃圾、建筑垃圾、餐厨垃圾等不同类型垃圾处理，形成一体化项目群，从而降低选址难度和减少建设投入。循环产业园区建设可以优化配置焚烧、填埋、生物处理等不同种类处理工艺，整合渗沥液等污染物处理环节，实现各种垃圾在园区内有效治理，从而提高能源综合利用效率。

3．垃圾焚烧发电市场逐步向西部转移

我国垃圾焚烧发电项目分布具有明显的地域性，区域分布不均匀问题突出。目前垃圾焚烧发电厂主要集中在中东部。从垃圾焚烧处理能力看，东部地区最大，中部次之，西部最少。东部地区，尤其是京津冀、长三角和珠三角聚集度高。西部垃圾焚烧处理能力低，但未来发展潜力可期。

4．老旧设施技改不断增多

“双碳”背景下，老旧焚烧设施的节能技改和环保技改市场将不断扩大。

（三）生活垃圾焚烧发电技术的最新发展

炉排国产化、大型化趋势明显。国内早期的单炉500t/d以下处理量正在向单炉500～1000t/d处理量过渡。炉排核心技术取得突破，国内个别企业已经在1000t/d处理量的焚烧炉的国产化方面进行了大胆的尝试和有益的探索。

在余热发电技术上，随着行业的发展，更显著的能源利用效率被提上日程。采用智能燃烧控制系统，并优化炉膛和锅炉设计，提高了锅炉的热效率。同时为追求更高的热能利用效率，余热锅炉的蒸汽参数也由传统的中温中压（4.0MPa、400℃）向中温次高压过渡，个别项目甚至采用了13.5MPa、450℃的中温高压蒸汽参数，并对炉外再热技术进行了大胆探索且在项目中成功运用。

烟气处理技术日趋先进、完善。部分项目烟气净化处理工艺脱酸采取干法+湿法或半干法+湿法或干法+半干法+湿法的组合工艺，脱硝采取SCR或SNCR+SCR的组合工艺，烟气排放指标达到欧盟2010标准或超低排放标准。

三河市生活垃圾焚烧发电 PPP 项目。作者提供

二、生活垃圾焚烧厂碳排放核算

（一）生活垃圾焚烧发电厂碳排放情况

1． 生活垃圾处理过程碳排放综述

垃圾处理过程中碳排放无处不在，垃圾的收集、运输和处理的各个环节均有碳排放。垃圾在处理之前会因为发酵腐烂而产生碳排放；垃圾运输也会因消耗化石燃料而产生碳排放；渗沥液厌氧发酵过程中会产生甲烷等温室气体；垃圾填埋过程中会产生甲烷、二氧化氮和其他含碳气体；对焚烧发电厂而言，垃圾焚烧过程本身也会产生大量的碳排放。

2．生活垃圾焚烧厂碳排放核算

以东北地区某生活垃圾焚烧发电厂进行碳排放核算。

项目垃圾焚烧处理规模为日处理生活垃圾3000t，垃圾平均热值为1800kcal/kg，垃圾中收到基元素碳含量确定为22.7%（按经验值），全厂热效率为25%（主蒸汽参数6.4MP，450℃），年上网电量4.45亿度（年运行时间8000小时，厂用电率15%），计算出全年二氧化碳排放量约为84.6万t。

按相同供电量（年运行时间8000小时）的燃煤机组计算，根据国家发展和改革委员会发布的2021年火电厂供电标准煤耗率302.5g/kW·h，煤元素分析選用某种三类无烟煤（低位热值24.43kJ/kg），计算出燃煤电厂二氧化碳年排放量约为39.4万t。

计算结果显示，供电量相同的情况下，生活垃圾焚烧发电厂比燃煤电厂碳排放的绝对量高。

生活垃圾中的碳源包括生物碳源和化石碳源两部分，生物碳源排放仅参与大气碳循环，不增加大气中碳的绝对量 。发达国家生活垃圾中其他垃圾生物质碳大多在60%以上。目前我国缺乏生活垃圾中生物质碳和化石碳相关的统计数据。

（二）清洁焚烧是生活垃圾减量的必由之路

生活垃圾焚烧处理技术具有占地省、减量效果明显、余热可以利用等特点，在发达国家和地区得到广泛应用。在我国，经历三十多年的发展，垃圾焚烧处理技术装备日趋成熟，产业链条、骨干企业和建设运行管理模式逐步形成，已成为城市生活垃圾处理的重要方式。同时，我国的垃圾焚烧发电产业也由高速发展阶段逐渐转变为存量的提质增效阶段，需要引导生活垃圾焚烧厂向常态化稳定达标、低污染物排放和高效能源利用的高标准焚烧厂发展，从而有效地提升生活垃圾处理水平。

三、生活垃圾焚烧发电厂的减碳路径

国家发展和改革委员会提出从以下六个方面推进碳中和：调整能源结构、加快推动产业结构转型、提升能源利用效率、加速低碳技术研发推广、健全低碳发展体制和机制、增加生态碳汇。

具体到生活垃圾焚烧发电厂，降碳的首要措施应是“降能耗、提能效”，项目周边有用热需求时，应积极发展热电联产。

（一）设计是减碳源头 

1．规划不同垃圾协同处置，实现节能、降碳、保护环境的目的

不同垃圾在产业园协同处置，不但可以降低输送能耗和减少废物排放，还可以降低选址难度和减少建设投入。优化配置焚烧、填埋、生物处理等不同种类处理工艺，整合渗沥液等污染物处理环节，实现各种垃圾在园区内有效治理，提高能源综合利用效率，最终减少碳排放。

2．严格执行节能相关规范，实行节能设计

《工业建筑节能设计统一标准》等节能设计规范对工业建筑的总图布置、建筑与建筑热工、供热通风空调与给排水、电气、能源回收与可再生能源利用等方面做了详细规定，设计时需要严格按照相关节能设计规范设计。

3．因地制宜采用热电联供

“双碳”背景下，生活垃圾焚烧发电厂提质增效势在必行。为进一步提高项目综合能效，生活垃圾焚烧发电厂可结合周边地区的产业布局特点，将项目热能利用由单纯发电设置为热电联供或者冷热电三联供系统。特别是加强对焚烧发电厂的汽机乏汽的低品位余热利用，可以达到极好的减碳效果。

4．积极推广应用新技术

垃圾焚烧发电项目热能利用系统采用高参数和中间再热技术是目前垃圾焚烧高效发电发展方向之一。过热蒸汽参数与汽轮发电机组的发电效率成正比，蒸汽参数越高，发电效率越高。国内某项目主蒸汽参数采用13.5Mpa、450℃，并且采用了中间再热技术，第三方性能测试表明，焚烧处理能力、主蒸汽参数、发电效率等核心指标均达到设计值，其中全厂发电效率超过30%。

长春市城市生活垃圾焚烧发电项目。作者提供

（二）运行重在挖潜 

生活垃圾焚烧厂应在以下四个方面挖掘潜力，提质增效，不断提高运行管理水平：（1）强化管理，保障焚烧全过程运行工况平稳。从垃圾匀化、负荷控制、料层厚度控制、配风控制、炉膛主控温度区温度控制等环节着手，减少工况波动的负面影响。（2）减少停炉启炉次数。焚烧炉停炉次数反映了焚烧炉运行水平，停炉多说明焚烧炉运行工况不稳定，且停炉、启炉易造成烟气的超标排放。（3）优化设备运行，降低厂用电率。不同的生活垃圾焚烧发电厂厂用电率差异较大，部分焚烧发电厂厂用电率居高不下。目前先进的焚烧发电厂厂用电率在13%左右。焚烧发电厂应通过节能技术改造和优化设备运行不断降低厂用电率，实现焚烧厂节能、低耗运行。（4）能源计量器具达标配置。用能单位计量器具的达标配置是用能单位实现节能考核、自检自查的前提，也是设备、设施节能运行的前提。用能设备和设施的计量应符合现行国家标准《用能单位能源计量器具配备和管理通则》（GB 17167—2006）的有关规定。焚烧发电厂应对主要耗能设备及系统及时监测分析，找准薄弱环节，有的放矢地制定改进措施。

四、案例分析

垃圾焚烧处理时会产生大量余热，垃圾焚烧厂的热能利用主要是将垃圾焚烧产生的高温高压蒸汽通过汽轮发电机组发电并对外供电。热能转化为电能的过程中，热能损失很大，热能损失的大小取决于垃圾的发热量、余热锅炉效率以及汽轮发电机的效率。在损失的热能中，烟气热损失大约占20%，凝汽器的热损失占全厂热能损失的50%～60%。垃圾焚烧项目只有20%～30%的热能用于发电。

对垃圾焚烧发电厂热能利用过程中损失部分的低品位热量进行有效回收与应用，可以进一步达成保护环境、绿色发展的目标，在提倡绿色、可持续发展的当下，具有重要的现实意义。

垃圾焚烧项目低品位余热利用途径主要包含汽机凝汽器余热利用和烟气余热利用，本文仅对汽机凝汽器余热利用技术进行探讨。

东北地区某垃圾焚烧发电项目日处理入炉垃圾3000t，分两期建设，一期和二期建设规模均为1500t。焚烧炉采用往复式机械炉排炉，余热锅炉主蒸汽参数采用6.4Mpa（g）、450℃，一期项目汽机选用纯凝机组，二期项目汽机选用低真空机组。

项目周边供热项目现有供热面积约200万m²，一次网主干网管道按远期供暖400万m²设计，采用2台58MW燃煤循环流化床热水锅炉。区域内住宅建筑采暖热指标为45W/m²，公建建筑采暖热指标为55W/m²，工业建筑采暖热指标为90W/m²，综合采暖热指标确定为50W/m²。項目配备2台热网循环水泵，水泵采用1台变频、1台工频，水泵参数：扬程59m、流量1500m³/h、功率355kW。

二期项目凝汽器采用循环冷却水冷却。低真空机组可以维持相对较高的排汽压力及排汽温度，从而获得较高的凝汽器循环水出水温度。在采暖季，将汽轮机排汽压力提至36kPa，排汽温度73℃，供热介质取代原汽机循环冷却水进入凝汽器水室吸收汽轮机乏汽余热，供热介质温度最高可以达到70℃左右。经计算，二期低真空热源可提供至少71MW余热热负荷。

一期项目选用纯凝机组，凝汽器采用循环冷却水冷却。项目建设规模为2台日处理量750 t的机械炉排焚烧炉。项目增设一套背压式汽轮发电机组，背压机组进汽流量同余热锅炉最大连续蒸发量匹配。背压机组额定供热负荷为65～69MW。

在采暖季的初、末期，仅利用二期低真空供热系统对外供热；当室外气温降低，二期低真空汽轮机组供热能力无法满足热用户需求时， 背压机组投入运行，利用背压机组排汽加热一次网循环水回水，此时低真空汽轮机组和背压机组协同运行，同时纯凝机组和背压机组并联运行，背压机组蒸汽流量根据供暖回水温度采用阀控，纯凝机组蒸汽流量采用压控。随着室外气温进一步降低，背压机组满负荷运行后，启动原热水锅炉尖峰加热。

低真空供热和背压机供热可提供140MW的基本热负荷，叠加原有的热水锅炉（尖峰热源）所提供的58MW热负荷，具备大约400万m2采暖面积的供热能力。

在垃圾焚烧厂区内设置换热首站和配套用循环水泵房，在换热首站建设背压式汽轮发电机组及配套设施，在原热水锅炉厂红线内新建尖峰热源换热站。在换热首站和尖峰热源换热站之间建设约7km长的市政供暖热水管道。

由于采暖季初期和末期用户侧热负荷需求较低，系统设置一套减温换热装置，换热能力为20MW，减温换热装置通过已有冷却塔系统将采暖回水降温，将未被热用户消纳的多余热负荷带入大气环境中，从而保证供暖回水温度能满足低真空汽轮发电机组凝汽器的进水温度要求。减温换热装置通过监测凝汽器的真空度和供暖回水温度实现系统启停。

经计算，该焚烧项目将凝汽器低品位余热用于市政供暖，一个采暖季供暖需要总热量约1912025GJ，热电联产后，可以利用凝汽器低品位余热约1145671GJ。可以节省标准煤约3.9万t，可以减少二氧化碳排量约12.8万t。

五、结语

本文提出了“双碳”背景下生活垃圾焚烧厂的减碳思路是“降能耗、提能效”，项目周边有用热需求时，积极发展热电联产，重点论述了生活垃圾焚烧厂低品位余热利用的技术路线，通过案例说明了热电联产在生活垃圾焚烧厂可以取得明显的减碳效果，以期为生活垃圾焚烧发电厂减碳提供借鉴。

参考文献：

[1]龙吉生，杜海亮，等.关于城市生活垃圾处理碳减排的系统研究[J].中国科学院院刊，2022（8）：1143.

[2]陈迎，巢清尘，等.碳达峰、碳中和100问[M].北京：人民日报出版社，2021.

（责任编辑：张秋辰）