中美城市生活垃圾焚烧处置现状和发展趋势
摘要：城市生活垃圾管理和处置是当前各国政府面临的共同挑战。为了解中国和美国垃圾焚烧处置现状和发展趋势，对两国垃圾产量、处置技术结构，焚烧技术应用、焚烧过程二恶英排放进行了调查和比较研究。按照美国经济水平，中国垃圾产量将达5亿吨，需加强垃圾无害化处置能力建设，尤其垃圾分类和综合利用。中国垃圾焚烧技术将得到更大地推广，需更严格控制二恶英排放，实现低于0.1 ng i-teq/nm3。通过焚烧实现垃圾能源化利用，具有碳减排效果，中国垃圾焚烧碳减排量约为102万吨。
关键词：生活垃圾、焚烧、二恶英排放、碳减排
城市生活垃圾无害化处置和资源化利用是各国政府面临的共同挑战，也是实现循环经济的关键。为正确了解中国和美国在垃圾处置，尤其是焚烧处置技术应用现状和发展趋势，本文对两国垃圾产量、垃圾处置技术格局、焚烧处置技术应用、焚烧过程二恶英排放及碳减排效果进行了深入调查和计算。
1、垃圾产量
图1显示了中国和美国垃圾产量的变化，从图中得到1990~2005年中国和美国生活垃圾的增长显著。1990年美国垃圾产量为20830万吨，但2005年增加到25270万吨，增加了21.3%；中国垃圾产量也从6767万吨增加到了15576万吨，增长率为130%。2006年后，中美生活垃圾增长量均不明显，美国生活垃圾产量出现了一个无规律的波动，中国小幅增长（6.5%）。2010年美国垃圾产量为2.50亿吨，中国为1.58亿吨，美国是中国的1.58倍。同时2010年美国人均垃圾产量为2.01 kg/(人·日)，中国城市人口为6.91亿，即中国人均垃圾产量为0.63 kg/(人·日)，认为中国达到美国经济水平时垃圾产量将超过5亿吨。目前中国统计的垃圾产量实际是指城市生活垃圾清运量，是除去废纸、饮料瓶等“废品”后的剩余垃圾量，这和美国的垃圾概念存在一定差异。比较中美垃圾产量现状后，可以清晰地得到中国必须加强生活垃圾的科学管理、无害化能力建设，以面对随着经济发展垃圾产量的快速增长，解决环境污染和垃圾“围城”问题。
图1 中美城市生活垃圾产生量
2、垃圾处置技术
每个国家和地区都会根据自身情况发展垃圾处置技术。垃圾处置技术主要有回收、堆肥、填埋和焚烧，但中国对“废品”回收没有官方统计数据，中美垃圾处置情况如图2。1990~2005年，美国呈现出填埋比例降低，回收和堆肥的比例增加，同时焚烧比例基本不变；同时在2006年后几种技术的应用维持相对稳定。2003~2010年，中国垃圾处置技术应用出现了较明显的变化，表现为焚烧技术比例显著增加，堆肥技术的应用迅速萎缩，同时填埋技术比例小幅减少。2010年焚烧技术在美国垃圾处置比例占到了11.7%，在中国垃圾处置比例为19.2%，但中国垃圾无害化率仅为77.9%，仍有20%的垃圾处于无序管理状态。同时根据根据《“十二五”城镇生活垃圾无害化处理设施建设规划》，到2015年，全国城镇生活垃圾焚烧处理设施能力达到无害化处理总能力的35%以上，据此计算全国将新建超过210座1000吨/日处理量规模的垃圾焚烧厂。中国垃圾处置技术应用的发展由自身国情和经济发展水平决定的，由过去的填埋占，到现在以及未来很长时期内以填埋为主、焚烧技术快速发展，再到将来的垃圾综合利用得到发展，形成垃圾综合利用、焚烧和填埋垃圾梯级处置的稳定结构。
美国建立了完善的垃圾分类和回收系统，2010年美国电池回收率达到了96.2%，废纸回收率为71.6%，各种金属的回收率也达到了35.1%，塑料的回收相对较低为8.2%。有资料报道中国2010年废纸回收量3725万吨，废纸回收率达到了40.8%。中国需要加强生活垃圾的分类、回收和统计工作，提高垃圾资源化利用率。当前包括北京、上海、广州和杭州在内的数个城市开始重视和推广垃圾分类工作，进行了试点。垃圾分类收集是规范垃圾回收，提高垃圾资源化利用的基础和关键。
图2 中美垃圾处置技术应用（a, 美国；b, 中国）
3、垃圾焚烧技术应用及重点污染物减排
3.1 垃圾焚烧技术应用
美国垃圾热值从上世纪90s年代的10000 kj/kg上升到了13000 kj/kg,而中国垃圾年均热值在5000~6000 kj/kg，所以美国垃圾相对中国具有更大的能源化价值和潜力。到2010年美国运行的垃圾焚烧厂共有87家，主要分布在东部和西部州，其中纽约州zui多，达到了10家。统计得到单厂的平均焚烧量为1075 t/d，单台炉平均处理量为418 t/d；装机量为2583mw，单位垃圾平均发电量为699 kwh/t；也有部分焚烧炉热量用于产蒸汽供热。美国垃圾焚烧厂处置规模情况可详见表1。到2010年，中国垃圾焚烧厂数量为104家，主要分布在沿海各省，尤其是浙江（22家）和广东（16家）zui多。这和美国垃圾焚烧厂分布相似，垃圾焚烧厂主要分布在经济发达、人口密集地区，这是由焚烧技术占地少、处置成本相对高决定的。中国垃圾焚烧厂单厂平均处理量为816吨/日，zui大处理量为1500吨/日。中国垃圾发电量在250~300 kwh/t水平，由于中国垃圾热值仅为美国垃圾热值的一半左右，所以垃圾热发电效率相当（~20%）。美国垃圾焚烧发电厂运行的三大公司是covanta energy、wheelabrator technologies和veolia es waste-to-energy inc.。中国垃圾焚烧厂运行公司都具有一定的地域背景。美国垃圾焚烧炉技术主要是炉排炉技术，有80家垃圾焚烧厂采用了炉排炉技术。炉排炉技术相对成熟，有多家技术提供商，主要是martin, von roll和keppel-seghers。同时美国有15家焚烧厂使用了垃圾衍生燃料作为焚烧炉燃料（drf）。中国垃圾焚烧炉技术主要有流化床和炉排炉，流化床技术为国内自有技术，炉排炉技术主要引进国外技术和设备。根据统计，中国运行的垃圾焚烧厂中采用流化床技术的焚烧发电厂有47座，合计处理能力为4.0万吨/日，发电装机容量超过1000mw；采用炉排炉技术的焚烧发电厂有49座，合计处理能力为4.24万吨/日，发电装机容量超过700mw；其余少部分为热解炉和回转窑炉。流化床焚烧炉具有较好的垃圾适应性，在热值不足时可添加辅助燃料，在热值符合要求时停止使用，调节零活。中国垃圾焚烧炉烟气净化系统主要采用半干法+活性炭喷射+布袋，而美国垃圾焚烧炉烟气净化系统为非选择性催化（sncr）+半干法+活性碳喷射+布袋，sncr在美国垃圾焚烧炉上的应用比例达到了57.5%，布袋的应用比例为83.9%。
表1 美国垃圾焚烧厂处理规模情况
比较中美垃圾焚烧技术应用得到，相对于美国炉排炉一家独大，中国根据国内垃圾特点形成了流化床和炉排炉鼎力的市场布局。今后中国不仅要在焚烧技术上加强提升外，还需要进行垃圾源头控制及提质工作，包括垃圾分类、干化、预处理及rdf制备等，提高入炉垃圾燃料品位。烟气净化系统将在现有半干法+活性炭喷射+布袋的基础上，发展sncr及scr脱硝技术。
3.2 垃圾焚烧二恶英排放
垃圾焚烧过程中会生成和排放多种污染物，包括粉尘、so2、nox、重金属和二恶英。尤其二恶英受到了民众和科研人员的广泛关注，成为垃圾焚烧技术推广的一个重要瓶颈。二恶英是《关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩持公约》规定的首批12种持久性有机污染物之一。具有强烈的致病、致癌等危害，需要进行严格的排放控制。美国现行的垃圾焚烧二恶英排放标准为0.26 ng i-teq/nm3，统计平均排放浓度为0.05 ng i-teq/nm3，低于欧洲排放标准（0.1 ng i-teq/nm3）；1990年美国垃圾焚烧二恶英排放量为4.26 kg i-teq，到2000年排放量降到了12 g i-teq，减量率为99.7%。表2是美国垃圾焚烧炉多种污染物排放浓度情况，各污染物平均浓度均低于排放标准，但nox排放仅略低于标准。根据《中国履行<关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约>国家实施计划》（nip）统计，2004年中国二恶英总排放量为10.23 kg teq，其中生活垃圾焚烧量为580g teq，2008年总排放量降到了6.45 kg i-teq，降低率为37.0%。根据浙江大学和大连化学物理研究所检测数据，统计得到中国现阶段生活垃圾焚烧二恶英烟气排放符合国家相关排放标准(1.0 ng-teq/m3)的达标率约为78.3%，比2004年的排放监测达标率（58%）提高了约20%，其中达到欧盟相关排放标准（0.1 ng-teq/m3）的达标率约为43.5%。垃圾焚烧设施烟气排放二恶英类物质浓度分布范围为0.005～4.140 ng-teq/m3，平均浓度为0.578 ng teq/m3。如按照6000nm3/t的烟气量计算，烟气中二恶英的排放因子约为3.47 μg teq/t。根据2010年国家九部委联合发布的《关于加强二恶英污染防治的指导意见》（环发[2010]123号）到2015年将建立比较完善的二恶英污染防治体系和长效监管机制，重点行业二恶英排放强度降低10%，基本控制二恶英排放增长趋势。根据《全国主要行业持久性有机污染物污染防治十二五规划》，“十二五”期间二恶英减排工程项目投资将达到22.91亿元，包括pops治理和处置能力建设在内共计57.04亿元。垃圾焚烧过程二恶英减排控制技术有多种，根据全过程控制理论包括垃圾调质降低入炉垃圾氯和金属含量，焚烧过程的3t+e优化及炉内抑制技术，尾部再生控制和吸附脱除，以及飞灰中二恶英处置。
表2 美国垃圾焚烧炉污染物排放水平
垃圾焚烧二恶英排放问题已经成为社会焦点，只有重视焚烧炉污染排放控制，尤其是二恶英近零排放后，垃圾焚烧市场才能健康发展。根据新《生活垃圾焚烧污染控制标准》征求意见稿，生活垃圾焚烧炉二恶英排放标准已经提高到0.1 ng i-teq/nm3；同时二恶英的在线检测技术也是研究热点，在线检测技术可实时显示二恶英浓度，提供反馈信息优化焚烧工况和烟气净化系统的组织。
3.3 垃圾焚烧发电碳减排作用
warm（waste reduction model）是美国环境保护署（usepa）用于计算生活垃圾各种管理措施的碳减排效果的数据模型。模型给出了垃圾源头减量、回收、燃烧、堆肥和填埋的碳排放系数，该模型对公众免费开放，同时usepa也在对模型进行不断的更新和丰富。usepa公布了美国生活垃圾各种组分的处置详实情况，利用warm模型（10版）和2010年美国垃圾处置数据，计算得到如表4。垃圾的回收、堆肥和焚烧均具有碳减排作用，美国垃圾处置行业总体呈现了碳减排效果。从碳减排平均因子可以看到垃圾回收碳减排率zui高（1.46），回收碳减排量达到了9471万吨，填埋存在碳排放（-73.2×10-3）。填埋过程中释放的甲烷，其温室效应是co2的21倍，如果对垃圾填埋场进行填埋气收集和利用将存在碳减排效果。目前在较多垃圾填埋场安装了填埋气发电机组，包括杭州的天子岭垃圾填埋场。美国焚烧发电碳减排量为110万吨，减排因子为37.6 kg/t。
表3 中国部分垃圾焚烧炉二恶英检测报告，ng i-teq/nm3
表4 美国各垃圾处置技术碳减排
表5 中国各垃圾处置技术碳减排
由于中国没有垃圾各成分处置情况的统计数据，所以将垃圾作为混合垃圾，不计算垃圾回收碳减排部分。根据中国统计年鉴数据结合warm模型（10版）计算中国2010年垃圾处置碳减排情况，结果如表5。堆肥和焚烧均存在碳减排能力，焚烧发电碳减排效果为102万吨。比较发现没有分类的垃圾填埋碳排放因子远大于分类以后的垃圾碳排放因子。
4 结论
通过对中美垃圾产生、垃圾处置技术、焚烧处置应用、焚烧过程二恶英排放及碳减排作用的调查、分析，得到：
1）按照美国经验，中国垃圾增量仍将巨大，需要做好垃圾科学管理和无害化能力的建设。在垃圾分类、回收和统计工作加大力度，促进垃圾资源化综合利用的发展。
2）中国垃圾焚烧市场将继续快速发展，需加强焚烧技术提升和尾部净化系统升级以外，更应重视垃圾源头调质，提高入炉垃圾品质。
3）垃圾焚烧炉二恶英排放标准将提高到0.1ng i-teq/nm3，需进行更严格的二恶英控制措施，同时二恶英在线检测技术也需得到重视。
4）垃圾焚烧技术不仅能实现垃圾的能源化利用，用于发电及供汽，也具有碳减排效果，利用warm模型计算得到中国垃圾焚烧碳减排量约为102万吨。
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