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环境工程|中国垃圾焚烧发电工程的发展历程与趋势

北极星垃圾发电网  来源:环境工程  作者:杨威 郑仁栋等  2021/4/1 8:14:49  我要投稿  

北极星垃圾发电网讯:研究背景:随着全球经济发展和城市化推进,城市生活垃圾(下文称“垃圾”)产生量日益增大,垃圾处理处置成为城市可持续发展面临的重要挑战。根据世界银行《2050年全球固体废物管理一览》,当前全球城市生活垃圾产生量约为20亿t/a,且到2050年将达到34亿t/a。根据国家统计年鉴,中国2018年的垃圾清扫量为2.28亿t,居世界第2位;美国生活垃圾产量约为2.68亿t,居世界第1位。但中国垃圾人均产生量仅为0.75 kg/d,美国为2.01 kg/d。随着社会经济发展,我国垃圾处置压力将日益增高。同时,由于美日欧等发达国家过去一直向发展中国家转运垃圾,加之中国乡镇垃圾也将逐渐纳入城市环卫处理体系,中国将很快成为全球第1大垃圾处理处置国,必须做好长期规划。

卫生填埋和焚烧发电是全球最广泛应用的垃圾处理处置末端技术。焚烧技术在发达国家应用较早,在20世纪90年代焚烧处置率基本维持稳定,当前则主要朝着大机组方向和自动化方向发展。新加坡(100%)、日本(70%)、瑞士(65%)等国垃圾焚烧率较高;美国由于地缘辽阔,垃圾焚烧处置率基本维持在10%左右。根据《“十三五”全国城镇生活垃圾无害化处理设施建设规划》,到2020年底,具备条件的直辖市、计划单列市和省会城市(建成区)要实现原生垃圾“零填埋”,全国城镇生活垃圾焚烧处理设施能力占无害化处理总能力的50%以上,其中东部地区达到60%以上。在政策支持和实际需求双轮驱动下,我国垃圾焚烧发电规模快速发展,垃圾焚烧处置量在“十三五”末期将超过填埋量。

填埋和焚烧均存在邻避风险和资源回收低的不足,垃圾资源化利用和终端处置革命亟须开展。为提高垃圾的资源化利用,我国全面推进垃圾分类工作。按照《生活垃圾分类制度实施方案》要求,到2020年在实施生活垃圾强制分类的城市,生活垃圾回收利用率达到35%以上。2019年5月,我国“无废城市”试点建设工作正式在16个城市和地区启动。2020年1月,《关于促进非水可再生能源发电健康发展的若干意见》要求加快编制生活垃圾焚烧发电中长期专项规划。因此,本文回顾了我国垃圾焚烧发电行业发展历程,梳理目前存在的挑战以及展望未来发展趋势,助力实现污染防治攻坚战阶段性目标。从市场规模、焚烧炉单厂规模、运行时数和发电量、污染控制以及投资模式等方面进行分析梳理,也对当前存在的挑战和未来发展方向做了分析。

摘 要

垃圾焚烧技术在我国得到了快速应用。2018年我国垃圾焚烧量达到1.02亿t,占总无害化量的45%,将很快形成“焚烧为主,填埋托底”的垃圾终端处理格局,也还将继续由“能量回收型”向“资源回收型”发展。垃圾焚烧工程不仅在规模上得到了增长,同时在焚烧技术、烟气净化系统和市场竞争形势上也发生了深刻变化。我国垃圾焚烧行业依然存在较多技术痛点和发展瓶颈,可持续发展面临新的挑战和机遇。未来,建议垃圾焚烧企业和行业应探索中小城市(<50万人口)垃圾焚烧推广和盈利模式,响应矿化垃圾开采及焚烧处置需求,补齐垃圾焚烧飞灰无害化处置和资源化利用短板;在“提高发电效率,降低厂用电率”等方面提高技术水平和管理能力,加强“邻利”理念引领;积极布局国际市场,重视与高校科研院所的互动,以推动技术创新和技术转移。

01发展历程

1)焚烧厂建设:中国垃圾焚烧发电应用始于1989年的深圳,全国垃圾焚烧厂从2003年的47家发展到2018年底已建成投入运行331座,处置规模达到36.36万t/d(合1.33亿t/a),见图1a。另根据芜湖生态中心调研,2019年4月底有428家垃圾焚烧发电厂投入运行,并且216家正在建设。平均单厂处理规模也不断上升,从2003年的319 t/d发展到2018年的1101 t/d,见图1b;同时单厂最大规模不断提高,其中上海于2019年建成6000 t/d的老港再生能源利用中心。

2)焚烧量的发展:随着垃圾焚烧厂的建设,我国垃圾无害化处置能力和处置量不断提高。2003年我国垃圾无害化量为0.75亿t,无害化率为50.4%,到2018年垃圾无害化量达到2.26亿t,处理率达到99%(图2a)。垃圾年焚烧量从2003年的370万t发展到2018年的1.02亿t(图2a)。垃圾焚烧量占无害化处理总量的比例从2003年的4.9%发展到2018年的45.1%。而且根据行业估计到2020年超过50%(图2b)。据此,我国将很快进入“焚烧为主,填埋托底”的垃圾终端处理格局。

3)焚烧厂实际运行:由于垃圾焚烧厂存在检修维护以及部分区域超前建设等原因,建设安装规模不等于实际处理能力。根据建设规模和实际焚烧量的统计数据,折算得到垃圾焚烧厂能力利用率。由图3可看出:处理能力利用率存在波动,最高出现在2007年(0.88)。将焚烧量折算到满负荷运行的小时数,2007年为7708 h,2018年为6704 h,近10年来年运行平均时数均未达到7200 h。运行小时数也会直接影响发电量。根据中电联网站信息,垃圾焚烧厂2011年联网装机量为209.7万kW,上网电量为97.23亿kW·h,到2018年联网装机量达到889万kW,上网电量为481亿kW·h,折合节约标煤1480万t(图4)。入厂垃圾发电量为300~400 kW·h/t,热发电效率为25%~30%。同时由于各厂技术、运行水平及厂区建设差异,厂内用电占比为15%~20%,因此上网电量水平为255~340 kW·h/t。根据浙江省发改委公布数据统计,浙江省内垃圾焚烧厂平均上网发电量287 kW·h/t。国家发展改革委《关于完善垃圾焚烧发电价格政策的通知》规定,生活垃圾焚烧厂生活垃圾折算上网电量暂定为280 kW·h/t,并按照该限值进行分类补贴。

4)主要焚烧技术应用:垃圾焚烧技术主要有流化床焚烧和炉排炉焚烧。垃圾焚烧行业发展初期,由于我国垃圾组分复杂、含水率高及热值低等原因,国外引进的炉排炉焚烧技术适应性差和成本高昂,国内自主研发的流化床焚烧技术应运获得高速发展,在相当长一段时期内,流化床焚烧和炉排炉焚烧市场份额相当,各占40%以上。随着炉排炉焚烧技术应用在我国摸索出“暂存一周”的预处理模式和炉排炉技术国产化,以及流化床技术“飞灰多”不足的逐步凸显,使得炉排炉焚烧技术在我国近10年获得了超常规发展。根据芜湖生态中心数据计算,2018年底炉排炉市场份额达到80.9%。但未来焚烧技术都将朝着“次高压和高压”“年运行8000 h”等目标发展。

5)烟气污染控制:烟气排放二次污染和健康风险的担忧一直伴随着垃圾焚烧技术的发展和应用推广。GB 18485《生活垃圾焚烧污染控制标准》第1版在2000施行,并于2014年进行了第3次修订,相较于第1版各项排放限值大幅降低,特别是二噁英排放限值从1.0 ng I-TEQ/Nm3降低到0.1 ng I-TEQ/Nm3。当然,我国现行排放指标仍与发达国家存在一定差距。根据前期研究,2010年底垃圾焚烧电厂烟气排放净化系统主要是“半干法+活性炭喷射+布袋”,而美国垃圾焚烧电厂烟气净化系统主要是“SNCR+半干法+活性炭喷射+布袋”。美国垃圾焚烧炉SNCR的应用率达到57.5%。随着生活垃圾焚烧污染控制标准进一步严格,更多的烟气净化技术和设备被应用到我国垃圾焚烧发电市场。根据2018年全国313家垃圾焚烧电厂(处理量428365 t/d)烟气净化系统的调查结果,“半干法+活性炭喷射+布袋”是目前垃圾焚烧炉基本配置,占比达到98.1%;同时SNCR在我国应用率也达到69.4%;其中13家垃圾焚烧电厂安装了SCR,而静电除尘器依然极少在垃圾焚烧电厂应用。通过统计,目前最主流的烟气净化系统是“SNCR+半干法+干法+活性炭喷射+布袋”,受调查的电厂中有112家(35.8%,148985 t/d)安装了此系统;其次是“SNCR+半干法+活性炭喷射 + 布袋”(88家,28.1%,119285 t/d)和“半干法+活性炭+布袋” (83家,26.5%,102615 t/d)。此外,虽然国家不再强制要求,但目前越来越多的新项目安装了烟气“消白”设备。

6)灰渣及渗滤液处理:垃圾焚烧发电行业在很长一段时期内,环保监管部门和行业自身都普遍对灰渣与渗滤液处置重视度不足,这给当前垃圾焚烧发电行业发展制造了短板。原生渗滤液处理主要采用原厂预处理再外送污水处理厂和原厂深度处理回用的模式。原厂处理技术主要采用“调节池+厌氧消化/好氧消化+超/纳滤+反渗透”和“调节池+A/O膜生物反应器+纳滤”等体系。但目前对渗滤液处理的技术难题是浓缩液的处置,以及工艺对垃圾分类、转运等引起的渗滤液特性和产量波动的适应性问题。垃圾焚烧会产生底渣和飞灰,底渣通常用于初级建材,飞灰在较长时间内都是固化后进垃圾填埋场,但目前随着城市填埋场库容减少,其处置方法亟须改变。

7)市场投资与竞争:随着市场竞争、厂区环境提升及去工业化要求,垃圾焚烧发电工程的单位投资额不断提高。从10年前的单吨日处理能力平均30万元提高到当前的50万元以上,甚至出现了70万标的。同时投资方式也变得更加多元,过去以BOT模式为主,现在出现越来越多的PPP项目以及代建项目。垃圾补贴费却呈现降低趋势,行业存在“抢占市场为先”的冲动。目前在经济比较发达的大城市,由于用工成本高等因素,垃圾处理费仍可高达150元/t以上,但普遍在100元/t左右;在其他城市,垃圾处理费一般在50~100元/t;极个别城市由于不理性竞争,垃圾处理费低于30元/t。投资强度和投资模式的变化,市场竞争更充分与激烈,垃圾焚烧发电资本主体格局也发生了明显变化。

中国垃圾焚烧发电行业在过去10年获得了显著发展,这得益于国家政策引领和地方城市实际需求。同时,外部发展环境也不断变化,诸多技术痛点仍未获得突破,使得我国垃圾焚烧发电行业遇到了新的发展瓶颈和挑战。

02垃圾焚烧发电行业未来机遇与挑战

为应对未来新的挑战和抓住新的发展机会,我国焚烧行业应重视现有工程的高水平运营、国内外新市场的开拓和新技术储备与应用。以下几点应得到关注:

1.中小城市生活垃圾焚烧工程建设探索

根据市场调研,我国垃圾焚烧规模在500 t/d以下的垃圾焚烧发电工程很难实现有效盈利,或政府财政补贴将承受更大压力。垃圾焚烧投资企业普遍不愿意进入中小城市,中小城市的垃圾焚烧项目甚至出现流标、悔标。但继续采用填埋又不可持续,存在政策压力,因此中小城市(<50万人口)的垃圾处理转型升级成为难题。如何解决垃圾资源化及能源化利用也成为垃圾焚烧发电行业的现实挑战。各地也正在探索多种突破,包括农村和乡镇垃圾也将纳入城市环卫体系,推进垃圾处理城乡一体化,扩大垃圾焚烧工程服务范围;将污水污泥、一般工业垃圾以及矿化垃圾等纳入焚烧对象,提升焚烧工程适应能力;将垃圾进行分选燃料化,进行区域协同处理,如区域共建共享以及与热电厂耦合处置等。但目前仍没有成熟的和可复制的方案和经验,需要在经济收益模式创新、焚烧技术提升和垃圾转运政策支撑等方面继续探索。

2.垃圾分类后全链适应性提升

我国垃圾分类工作正在有序地大力推进,将对垃圾资源化利用和终端处置产生深远影响。垃圾源头分类提高了源头实现功能型和材料型回收,但也对终端利用和处置提出了新要求。我国各地垃圾分类主要分成可回收、可燃烧、湿垃圾及危险垃圾。可回收和危险垃圾的处理相对明确,但可燃烧和湿垃圾部分的资源化利用率不高。分类后进入垃圾焚烧厂的可燃烧垃圾成分及热值将发生显著变化,对现有垃圾焚烧厂的适应性挑战已经显现。垃圾热值超过设计热值,对焚烧炉膛温度控制优化提出新要求,同时垃圾量下降对企业经济效益也产生了影响。目前各地普遍对湿垃圾的处理能力不足,技术也存在短板。我国城市生活垃圾中50%左右为餐厨垃圾,根据报告,仅厨余垃圾年产生量就超过3000万t。基于垃圾分类持续推进的预期,将倒逼垃圾终端利用与处置进行革命,提高终端资源化和能源化的深度和价值。

3.城市化驱动矿化垃圾开采

根据统计,1990年至今,我国垃圾填埋量达到30亿t。全国城乡一体化建设持续推进,使得土地区位功能将发生变化。老旧填埋场的地理位置相对城市中心距离和土地价值发生显著变化后,老旧填埋场治理及综合开发的需求将日益旺盛,这将驱动城市管理者对老旧填埋场进行封场修复或开挖移除。大城市的垃圾焚烧能力依然吃紧,但中小城市在土地开发需求和焚烧处理能力有富余的双重因素下,推动矿化垃圾开采及焚烧处理的热情将逐渐释放。

4.焚烧灰渣利用与处置需补短板

中国垃圾焚烧工程一直存在“重烟气、轻灰渣”现象,造成灰渣利用与处置技术研发和能力建设滞后。目前底渣在大型焚烧项目上存在市场利用价值,普遍采用金属回收和分级建材应用模式。但仍需进一步高值化深度利用技术的研究和工程示范,如有研究报道可将底渣用于氢气制备。相对底渣,飞灰含有更高浓度的重金属、二噁英以及盐等,是当前垃圾焚烧发电工程面临的现实挑战。飞灰处置市场价格不断升高,2000元/t已成为常态。炉排炉飞灰产生量占垃圾焚烧量的3%~5%,流化床飞灰产生量占比高达10%以上,这造成垃圾焚烧工程的市场盈利模式不断承压。现有的飞灰工程化处置技术主要是稳定化填埋和水洗后水泥窑协同,但是二者都存在明显短板:稳定化填埋存在占用土地,城市填埋场库容普遍不足,同时存在盐、重金属浸出等长期风险;水洗后水泥窑协同处置技术存在高含盐废水难以处置和水泥窑地域限制等不足。因此,飞灰已经成为垃圾焚烧工程可持续发展的最大瓶颈之一,新型飞灰处置和利用技术研究和工程示范亟须开展。

5.工程盈利从规模效应向技术与管理效应转换

过去相当长的一段时期,垃圾焚烧工程投资企业主要依托规模效应盈利,甚至为了扩大规模抢占市场,不断压低补贴投标价。但是随着市场格局稳定,设备寿命也逐渐到期,工程运行和管理水平差异逐渐凸显,将逐渐进入“运营为王”时期。通过高参数蒸汽以及多联产等提高发电效率和热效率,电泵改汽泵等节能改造降低厂用电率,开展多源固废混烧及智能电厂等将是今后技术与管理发展的方向。地方政府将逐渐能进行全周期成本和效益分析进一步择优选择运营商。同时,包括垃圾焚烧发电在内的生物质能发电补贴政策存在松动预期,对现有垃圾焚烧工程构成巨大挑战。技术水平和管理能力将成为应对政策调整的最有效手段,应通过先进技术实现高效发电、清洁燃烧,通过管理创新实现成本控制和增强竞争力。

6.“邻利”需求牵引产业升级

“邻避”现象一直伴随着垃圾焚烧工程发展,但其一方面阻碍了焚烧发电工程快速发展,另一方面也在倒逼焚烧工程质量提升。在邻避倒逼过程中,逐渐形成了“邻利”潜力。政府在选择规划过程更注重科学和利益补偿平衡,焚烧工程不断去工业化,融入工业旅游等多功能元素,逐渐和周边社区形成良性互动。未来,政府和企业必须更加重视焚烧工程的“邻利”,在选址、设计、建设和运营等环节进行升级,将焚烧工程成为保障地方社会经济发展和提升周边居民福祉的有效设施。

7.焚烧发电技术国际化开拓

世界格局正在发生深刻变化,发展中国家正成为新兴经济体,但其生活垃圾的无害化率还非常低,特别是低收入国家垃圾无害化处置率不足10%,对垃圾焚烧技术和装备需求强烈 。随着国内焚烧市场的饱和,国内企业也集聚了“走出去” 的强大意愿。基于“一带一路” 倡议的有力推进,我国垃圾焚烧发电企业、技术和装备将有更多机会参与一带一路沿线国家城镇化建设。但发展中国家垃圾焚烧发电工程推广也存在较多挑战,在法律法规、技术标准、市场模式等方面都还不明确。因此垃圾焚烧发电工程国际化市场机遇与挑战并存,建议积极布局。

8.加强创新与技术储备

科技创新已成为现代经济体和企业市场竞争的要素,包括垃圾焚烧企业在内的垃圾处理处置行业,应加强与科研院所的互动,共同推动技术创新和产业化应用,提升行业技术水平,应对与国际企业在海内外市场的竞争。对于二噁英在线检测、等离子飞灰熔融以及盐回收、矿化垃圾开采、热解气化、水热处理、固体燃料制备、功能碳制备等技术研究,行业均应有所关注和参与。

03总 结

我国垃圾焚烧发电行业始于1989年,当前在市场规模和垃圾焚烧量上已经得到了超常规发展。垃圾焚烧量在“十三五”末将超过填埋量,很快形成“焚烧为主,填埋托底”的垃圾终端处置格局。垃圾焚烧工程不仅在规模上得到了增长,同时在焚烧技术、烟气净化系统和市场经济模式上也发生了深刻变化,以逐渐适应我国垃圾特点和社会需求。随着垃圾分类的推进,我国垃圾处理格局也将逐步从能量回收型向资源回收型转变。

我国垃圾焚烧行业依然存在较多技术痛点和发展瓶颈,未来行业可持续发展面临新的挑战和机遇。垃圾焚烧行业应主动探索中小城市垃圾焚烧工程实施和盈利模式,响应矿化垃圾开采及焚烧处置需求,补飞灰无害化处置和资源化利用的短板;转变规模效益到技术和管理效益、加强“邻利”理念引领;积极布局国际市场,重视与高校科研院所的互动,以推动技术创新和转移。

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