生活垃圾亞臨界水解發(fā)電新技術(shù)應(yīng)用展望

生活垃圾亞臨界水解發(fā)電新技術(shù)應(yīng)用展望生活垃圾置于亞臨界狀態(tài)的高溫高壓水中時(shí)，其中大部分的高分子有機(jī)廢物可被水解為類似煤炭的烴類可燃物，熱值可達(dá)4200kcal/kg，由于水解過程無(wú)需垃圾發(fā)酵、無(wú)需滲濾液處理，可作為傳統(tǒng)垃圾發(fā)電工藝的“清潔焚燒發(fā)電”替代模式。這為國(guó)內(nèi)眾多中小縣城找到了一種較為理想的垃圾處理解決方案，為此建議國(guó)家在政策考慮方面給予積極的引導(dǎo)、鼓勵(lì)和支持。一、亞（超）臨界水的概念與功能水的臨界點(diǎn)溫度為374.2°C、壓力為22.1MPa。水在臨界點(diǎn)狀態(tài)下，因高溫而膨脹的水的密度和因高壓而被壓縮的水蒸汽的密度達(dá)到相同（0.323g/cm3），此時(shí)，水的液相和氣相沒有區(qū)別，完全交融在一起。溫壓處于臨界點(diǎn)以上的水，叫“超臨界水”，超臨界水的物理化學(xué)性質(zhì)與普通液態(tài)水有很大差別，它具有良好的溶解性，能實(shí)現(xiàn)氣體、液體和有機(jī)固體間的互溶。由于超臨界水對(duì)設(shè)備要求很高，而且腐蝕性極強(qiáng)，為降低對(duì)設(shè)備的要求，目前部分研究開始在“亞臨界”條件下進(jìn)行相關(guān)反應(yīng)?！皝喤R界水”（Subcriticalwater），其溫度范圍通常介于150-374C之間，壓力范圍通常介于0.4-22.1MPa之間。亞（超）臨界水具有多方面功能：優(yōu)異的溶解功能：目前用以萃取相同極性的其他物質(zhì)，例如，植物中香料的萃取、中草藥中有效成分的萃取、從餐飲廢油中萃取生物油等等。萃取過程不消耗任何酸和堿，不帶來任何新的污染，是一種真正的“綠色處理技術(shù)”。氧化促進(jìn)功能：有機(jī)物在加氧后的亞（超）臨界水中，氧化反應(yīng)能在幾秒內(nèi)對(duì)有機(jī)物高效礦化甚至徹底摧毀［1］。反應(yīng)過程中，有機(jī)物C、H元素被氧化為CO2和H2O,有機(jī)氮和無(wú)機(jī)氮通常被轉(zhuǎn)化為N2或硝酸鹽。這個(gè)功能目前在國(guó)內(nèi)外多用于工業(yè)有機(jī)污染物的氧化降解，例如苯類及酚類的氧化降解等，其中多氯聯(lián)苯（PCBs）的氧化降解，被各國(guó)研究重點(diǎn)關(guān)注。因?yàn)镻CBs屬于致癌物，焚燒過程中易生成二嗯英（PCDDs和PCDFs），故焚燒法處理存在技術(shù)缺陷［2］oModell等曾報(bào)道PCBs在溫度783K、壓力25.3MPa的水中停留222s時(shí)，PCBs的去除率達(dá)99.99%［3］，最終降解為二氧化碳、氮?dú)夂退Ｋ饷撀裙δ埽哼@個(gè)功能多用于實(shí)現(xiàn)含氯有機(jī)物的有效脫氯。例如，一般情況下，聚氯乙稀PVC相對(duì)較難實(shí)現(xiàn)降解，但在1h、300-370°C的亞臨界水中，也能實(shí)現(xiàn)56%左右的有效降解，降解后的氯以氯離子形態(tài)被水解在水體中。酸性水解功能：水在高溫高壓狀態(tài)中自電離程度較高，生成大量［H3O］+和［OH］-，呈現(xiàn)出強(qiáng)酸強(qiáng)堿性質(zhì)、具備了酸性水解功能，可將纖維素水解生成低聚糖、單糖，最終可被分解成二氧化碳、氫氣。一般在亞臨界狀態(tài)下，纖維素、木質(zhì)素等主要生成中間產(chǎn)物，這些中間產(chǎn)物通過聚合或結(jié)焦，形成焦油、焦炭等熱值化合物。水解燃料化功能：這個(gè)功能可能類似于地球中石油的生成機(jī)理，因?yàn)橛湍纲|(zhì)轉(zhuǎn)化為石油就發(fā)生在地層深處高溫高壓的水中［4］（石油的主要成份為：烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴和烯烴等多種液態(tài)烴的混合物）。目前該功能多用于生物質(zhì)、煤、聚合物等的水解燃料化，制取出黑褐色的、類似于原油或煤炭主要成分的“烴類燃料”（碳?xì)浠衔铮?，我們統(tǒng)一稱之為“水解燃料”。日常生活垃圾的成份除了水份外，其他主要是高分子有機(jī)物，如纖維素、木質(zhì)素、聚酯、聚氯乙稀、蛋白質(zhì)、脂肪、淀粉等。從上述功能分析，生活垃圾也應(yīng)該能夠在亞臨界水中水解成類似煤炭或石油的烴燃料，利用這種燃料去參與焚燒發(fā)電，將省去垃圾發(fā)酵過程、省去滲濾液處理環(huán)節(jié)、甚至在簡(jiǎn)化煙氣處理工藝也能達(dá)標(biāo)的情況下，實(shí)現(xiàn)生活垃圾的減量化、無(wú)害化、資源化處理。二、生活垃圾水解燃料化技術(shù)應(yīng)用及“清潔焚燒發(fā)電”新工藝流程日本曾經(jīng)做過針對(duì)生活垃圾進(jìn)行亞臨界水解處理的相關(guān)研究，并把該技術(shù)成功應(yīng)用于印尼雅加達(dá)生活垃圾處理，處理規(guī)模為40噸/天，處理后產(chǎn)物為黑色烴燃料，并獲得“聯(lián)合國(guó)全球推薦”榮譽(yù)。國(guó)內(nèi)某機(jī)構(gòu)于2018年從日本引進(jìn)該技術(shù)，現(xiàn)已建成一條60kg/h的生活垃圾亞臨界水解燃料小型工業(yè)化應(yīng)用生產(chǎn)線、成功產(chǎn)出了黑色固態(tài)水解燃料，燃料產(chǎn)出率達(dá)40%。《測(cè)試報(bào)告》［5］顯示：該水解燃料熱值達(dá)4200kcal/kg，相當(dāng)于原生態(tài)生活垃圾中的所有熱值被“壓縮”在了產(chǎn)出率為40%的燃料中，其余60%為水份。過程中無(wú)任何環(huán)境污染點(diǎn)?！稖y(cè)試報(bào)告》顯示，該水解燃料干燥后的顆粒，主要成份類似于煤炭，而且揮發(fā)分較高，容易點(diǎn)燃，著火溫度251C、焚燒后煙氣中SO2含量不超過40mg/Nm3、NOx含量不超過10mg/Nm3（11%基準(zhǔn)含氧量），遠(yuǎn)低于垃圾發(fā)電GB18485-2014《生活垃圾污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的限值（SO2和NOX的日均值分別為80和250mg/Nm3）,為此，后續(xù)煙氣處理是否可以取消SNCR脫硝系統(tǒng)，有待于實(shí)際工業(yè)應(yīng)用的進(jìn)一步驗(yàn)證。但是，煙氣脫酸系統(tǒng)仍需要保留，因?yàn)楦鶕?jù)檢測(cè)，水解燃料焚燒后煙氣中HCl含量仍在400mg/Nm3以上，超過了50mg/Nm3的日均限值。三、生活垃圾亞臨界水解燃料發(fā)電技術(shù)投資收益分析投資模型一：周邊多個(gè)縣城各自建設(shè)一套水解生產(chǎn)線+某一區(qū)域集中建設(shè)一座25MW裝機(jī)容量的常規(guī)火電廠我們以1200噸/日生活垃圾處理規(guī)模為例，假設(shè)原生垃圾來自于周邊300公里范圍內(nèi)的四個(gè)縣，每個(gè)縣城原生垃圾處理量為300噸/日，系統(tǒng)投資主要分兩大塊：“四條垃圾水解生產(chǎn)線”和“一座焚燒發(fā)電生產(chǎn)線”。投資水平：根據(jù)測(cè)算，每個(gè)縣城每條“300噸/日水解生產(chǎn)線”總投資7500萬(wàn)元，四條水解生產(chǎn)線總投資約3億元，產(chǎn)出率40%、熱值4200kcal/kg的水解燃料能夠配套建設(shè)一座25MW的鍋爐汽機(jī)發(fā)電機(jī)組、投資約2億元。系統(tǒng)總投資約5億元，相當(dāng)于每噸垃圾投資42萬(wàn)元。經(jīng)營(yíng)成本水平：測(cè)算的全年經(jīng)營(yíng)成本為5900萬(wàn)元/年，包括四個(gè)縣生活垃圾水解燃料生產(chǎn)成本、25MW火電機(jī)組運(yùn)行成本、水解燃料運(yùn)輸成本等。年收益水平：垃圾發(fā)電主營(yíng)業(yè)務(wù)收入主要來源于垃圾貼費(fèi)年收入和年發(fā)電收入，其中垃圾水解生產(chǎn)線可連續(xù)生產(chǎn)，垃圾貼費(fèi)以65元/噸計(jì)、25MW火電機(jī)組年利用小時(shí)數(shù)以7200小時(shí)、廠用電率以7%計(jì)、全年上網(wǎng)電量約1.67億千瓦時(shí)、噸垃圾上網(wǎng)電量=1.67億千瓦時(shí)/（1200噸/日X365日）=381千瓦時(shí)/噸；地方脫硫煤炭標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)以0.36元/千瓦時(shí)取值，那么年售電收入：（280千瓦時(shí)/噸X0.65元/千瓦時(shí)+101千瓦時(shí)/噸X0.36元/千瓦時(shí)）X1200噸/日X365日/年二9564萬(wàn)元/年。上述兩項(xiàng)相加，全年運(yùn)行總收入為1.24億元/年。投資回報(bào)率：項(xiàng)目總投資5億元，注冊(cè)資本金以總投資33%計(jì)，其余資金國(guó)內(nèi)貸款，建設(shè)期貸款年名義利率4.9%（按季結(jié)息）。銀行借款償還期15年，項(xiàng)目經(jīng)營(yíng)期25年，每年運(yùn)行成本5900萬(wàn)元/年，年總收入12411萬(wàn)元/年。固定資產(chǎn)形成比例95%，殘值率5%，25年直線折舊，無(wú)形資產(chǎn)形成比例5%，攤銷年限5年，所得稅率25%，售電增值稅率13%，城市維護(hù)建設(shè)稅率7%，教育費(fèi)附加5%，法定盈余公積金10%。由上述條件計(jì)算出的財(cái)務(wù)評(píng)價(jià)指標(biāo)：總投資收益率8.82%、資本金內(nèi)部收益率12.72%（稅前）、11.13%（稅后），資本金凈利潤(rùn)率17.44%，投資回收期10.25年。經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)優(yōu)良，具有較好的投資回收預(yù)期。投資模型二：生物質(zhì)秸稈水解燃料生產(chǎn)線+一座相應(yīng)規(guī)模裝機(jī)容量的常規(guī)火電廠研究和應(yīng)用表明：亞臨界水解技術(shù)用于生物質(zhì)秸稈，可以免除對(duì)生物質(zhì)秸稈的干燥，產(chǎn)出的水解燃料熱值達(dá)4800Kcal/kg、水解燃料產(chǎn)出率達(dá)75%以上。這個(gè)特征同樣給傳統(tǒng)生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)提供了一種嶄新的前置處理方法和后置清潔焚燒發(fā)電工藝。測(cè)算后的各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)與傳統(tǒng)的“生物質(zhì)秸稈直燃發(fā)電”模型的經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)或略優(yōu)，但生物質(zhì)發(fā)電的資本金收益率和投資回報(bào)期受原材料價(jià)格影響因素波動(dòng)較大，這一點(diǎn)是困擾所有生物質(zhì)發(fā)電行業(yè)的一項(xiàng)重大不可控因素。投資模型三：在傳統(tǒng)的亞臨界、超臨界、超超臨界火電廠增建一套亞臨界水解反應(yīng)成套設(shè)備生產(chǎn)用高溫高壓水蒸汽來自于火電廠直接抽取，產(chǎn)出的水解燃料，由于熱值與煤炭平均熱值基本相當(dāng)，可直接用于與煤炭燃料耦合發(fā)電，但水解燃料采購(gòu)價(jià)格能穩(wěn)定在500元/噸左右，跟目前煤炭?jī)r(jià)格相比，能整體拉低火電廠燃料采購(gòu)平均價(jià)格，為此節(jié)省的燃料采購(gòu)費(fèi)用、以及水解燃料焚燒發(fā)電后執(zhí)行國(guó)家上網(wǎng)電價(jià)政策（垃圾發(fā)電0.65元/kWh、生物質(zhì)秸稈0.75元/kWh）與煤炭標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)的溢價(jià)收入，就是該投資模型帶給火電廠的純利收入?？紤]到生活垃圾、生物質(zhì)秸稈與煤炭耦合發(fā)電方式，缺少如何認(rèn)定各自貢獻(xiàn)上網(wǎng)電量的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，目前在執(zhí)行相關(guān)電價(jià)方面有待于填補(bǔ)政策空白，在此不再展開討論。四、生活垃圾亞臨界水解燃料發(fā)電技術(shù)與傳統(tǒng)生活垃圾直燃發(fā)電技術(shù)的異同生活垃圾亞臨界水解燃料發(fā)電與傳統(tǒng)生活垃圾直燃發(fā)電產(chǎn)生的電能均來自于原生態(tài)生活垃圾的熱值貢獻(xiàn)，所以從本質(zhì)上完全能夠認(rèn)定此類發(fā)電歸屬于“生活垃圾焚燒發(fā)電”，并執(zhí)行國(guó)家所有的電價(jià)政策、節(jié)能減排政策和稅收優(yōu)惠政策。兩種技術(shù)的區(qū)別主要在于：生活垃圾在焚燒發(fā)電前的預(yù)處理方式不同傳統(tǒng)生活垃圾焚燒發(fā)電，在焚燒前的預(yù)處理方式為：生活垃圾進(jìn)入廠內(nèi)垃圾池發(fā)酵5-9天（相應(yīng)需要投資建設(shè)一座5-9天儲(chǔ)量的大型垃圾庫(kù)），期間濾出滲濾液，為此需要配備占地面積足夠大的、完整的滲濾液處理系統(tǒng)、沼氣收集、回噴系統(tǒng)，滲濾液處理后產(chǎn)生的濃縮液，也需要有合適的處理方式。而水解燃料發(fā)電技術(shù)，生活垃圾不需要發(fā)酵，不需要配備儲(chǔ)量5-9天的大型垃圾庫(kù)（可能會(huì)按環(huán)評(píng)要求配置一個(gè)垃圾事故池），不需要濾出滲濾液，從而不需要配備大型的滲濾液處理系統(tǒng)，而且無(wú)論原生態(tài)垃圾含水率多少，都可直接進(jìn)入反應(yīng)釜進(jìn)行水解反應(yīng)，大大節(jié)省了相應(yīng)的投資成本和運(yùn)行成本。生活垃圾水解后的熱值沒有損失傳統(tǒng)生活垃圾焚燒發(fā)電，發(fā)酵效果受季節(jié)溫度、發(fā)酵時(shí)間、混合攪拌程度所左右，發(fā)酵后熱值要么沒有完全釋放，要么在發(fā)酵過程中喪失一部分熱值。而且發(fā)酵過程中濾出的滲濾液是一種高濃度有機(jī)廢水，其中含有的熱值也不能低估，如處理過程中產(chǎn)生的沼氣、以及處理后濃縮液中含有的熱值，這些熱值損失都從一定程度上降低了原生態(tài)生活垃圾的固有熱值，從而降低了相應(yīng)的電能轉(zhuǎn)換量。而水解燃料發(fā)電技術(shù)，由于原生態(tài)垃圾直接進(jìn)入水解反應(yīng)釜，其中含有的所有熱值，包括滲濾液中蘊(yùn)含的熱值，都被“壓縮”在了產(chǎn)出物水解燃料中，過程沒有任何熱值損失環(huán)節(jié)，所以水解燃料發(fā)電技術(shù)的電能轉(zhuǎn)換率更高，其“噸垃圾上網(wǎng)電量”也一定高于傳統(tǒng)生活垃圾直燃發(fā)電技術(shù)。臭味程度不一傳統(tǒng)生活垃圾入廠后在垃圾池中儲(chǔ)存5-9天和發(fā)酵時(shí)產(chǎn)生的臭味閾值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于“水解生產(chǎn)線”1-2天（事故池）的臭味閾值。另外，對(duì)于異地建設(shè)焚燒發(fā)電廠來講，由于水解燃料沒有任何異味，所以整個(gè)廠區(qū)沒有任何臭味源，與常規(guī)燃煤火力發(fā)電廠完全相同，這在很大程度上避免了安全風(fēng)險(xiǎn)、環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)和鄰避效應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)。焚燒爐型有重大區(qū)別國(guó)內(nèi)目前多數(shù)采用的生活垃圾焚燒爐為“爐排爐”，設(shè)備占地面積大、投資高、運(yùn)行過程和運(yùn)行參數(shù)（溫度、壓力、配風(fēng)、燃燼率等）很難達(dá)到精細(xì)化調(diào)節(jié)，單爐處理規(guī)模最高也只能達(dá)到850噸/日。而水解燃料發(fā)電技術(shù)，由于水解燃料本質(zhì)上與煤炭雷同，所以“焚燒爐”選擇方面沒有特別要求，只要是火力發(fā)電常規(guī)鍋爐，皆可以選用，技術(shù)成熟，投資節(jié)省，運(yùn)行穩(wěn)定，而且單臺(tái)處理規(guī)?？勺龅竭h(yuǎn)遠(yuǎn)大于850噸/日（原生垃圾）的水平。發(fā)電效率重大區(qū)別目前生活垃圾直燃發(fā)電采用鍋和爐分體，傳熱損失較大，能量回收不充分，而且與常規(guī)火力發(fā)電相比，蒸發(fā)量和蒸汽參數(shù)仍然偏低，致使生活垃圾直燃發(fā)電全廠發(fā)電效率大約為22%。而生活垃圾經(jīng)水解轉(zhuǎn)化成水解燃料后，可直接作為常規(guī)燃煤電廠的燃料。燃煤發(fā)電廠為鍋爐一體，具有較高的熱效率、蒸汽參數(shù)及發(fā)電效率，燃煤火電廠發(fā)電效率一般可達(dá)41%。另外，盡管幾個(gè)縣城需要各自建設(shè)一條水解生產(chǎn)線，但卻可以合并建設(shè)一座常規(guī)小火電，由傳統(tǒng)垃圾發(fā)電的“1+1”模式改變?yōu)椤癗+1”模式，發(fā)電效率更高、同時(shí)避免了常規(guī)小型火電設(shè)備的重復(fù)投資與建設(shè)。五、環(huán)境效益?zhèn)鹘y(tǒng)生活垃圾焚燒發(fā)電，人們普遍比較關(guān)心的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)主要來自于：垃圾池大量臭味溢散；滲濾液處理不當(dāng)或者雨季來臨時(shí)滲濾液產(chǎn)量過多、處理不及時(shí)而產(chǎn)生的二次污染；沼氣的產(chǎn)生多了一處危險(xiǎn)源辨識(shí)點(diǎn)；煙氣處理不當(dāng)產(chǎn)生的污染物超標(biāo)；設(shè)備運(yùn)行過程處理不當(dāng)而產(chǎn)生的二嗯英超標(biāo)等方面。而水解燃料發(fā)電，配置的1-2天垃圾庫(kù)僅用于環(huán)評(píng)要求的事故儲(chǔ)存，不用于發(fā)酵，儲(chǔ)存時(shí)間較短而產(chǎn)生的臭味量大大減少；而且滲濾液可用作水解過程的補(bǔ)充用水并參與其中的水解反應(yīng)而全部消耗；針對(duì)產(chǎn)出物水解燃料，由于高溫高壓水解過程中把大量的高分子有機(jī)物（包括二嗯英前驅(qū)物PCBs、含氯有機(jī)物等）斷裂成低分子有機(jī)酸類，后續(xù)進(jìn)入鍋爐燃燒時(shí)，燃燒溫度更高、燃燒更充分、二嗯英生成條件受到極大限制，煙氣處理負(fù)擔(dān)較輕，綜合環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)極小，是一種典型的綠色無(wú)污染清潔焚燒發(fā)電方式，具備較好的環(huán)境效益和較為優(yōu)良的環(huán)境友好性。六、應(yīng)用方向水解燃料發(fā)電技術(shù)，為中小型縣城提供了一種可行的、實(shí)用的生活垃圾清潔化減量處理方式：對(duì)于原生垃圾處理量小于300噸/日的中小縣城，多數(shù)選擇放棄投資建設(shè)傳統(tǒng)生活垃圾直燃發(fā)電廠，因?yàn)槟壳皣?guó)家電價(jià)政策背景下所建立的財(cái)務(wù)模型達(dá)不到收益預(yù)期，而且國(guó)家政策明確表示不鼓勵(lì)建設(shè)處理規(guī)模為300噸/日以下的垃圾焚燒發(fā)電廠［6］。而水解燃料發(fā)電技術(shù)，由于水解過程和發(fā)電過程可以分隔開來，分隔距離甚至可以達(dá)到300公里，那么對(duì)于垃圾產(chǎn)生量較小的每個(gè)縣城，僅考慮上馬建設(shè)一條水解生產(chǎn)線即可，而產(chǎn)出物水解燃料由于體積大幅度壓縮，運(yùn)輸條件等同于煤炭運(yùn)輸，所以可以運(yùn)至區(qū)域范圍內(nèi)配套的一座常規(guī)火電廠去參與焚燒。從這個(gè)特征來看，水解燃料發(fā)電技術(shù)，實(shí)質(zhì)上是提供了一種“周邊幾個(gè)中小縣城水解處理、某一區(qū)域集中焚燒發(fā)電”的區(qū)域間共享共建嶄新模式。水解燃料發(fā)電技術(shù)，同樣可以用作任何大型城市垃圾焚燒發(fā)電，而且由于“發(fā)電環(huán)節(jié)”等同于常規(guī)火電，所以機(jī)爐選型簡(jiǎn)單，也無(wú)需“幾用幾備”考慮，多大規(guī)模都可以上馬一套機(jī)爐即可（停機(jī)檢修時(shí)，水解過程可以持續(xù)生產(chǎn)運(yùn)行）?？紤]到目前國(guó)內(nèi)大部分大型城市垃圾焚燒發(fā)電廠已經(jīng)建成，全壽命周期較長(zhǎng)，所以這項(xiàng)嶄新技術(shù)在大型城市的推廣應(yīng)用可能會(huì)受到限制。水解燃料發(fā)電技術(shù)也可作為傳統(tǒng)生物質(zhì)秸稈發(fā)電的替代方式，但投資收益效果仍跟傳統(tǒng)技術(shù)一樣，主要受制于秸稈燃