垃圾焚烧中的双碳方案

发布时间：2023-06-13 14:57:50

徐唯轶工程师学暖通考察某地垃圾焚烧厂后，对焚烧类项目有些体会：1、选址近需求端，决定商业价值2、充分回收热量，提升综合能效3、确保

徐唯轶
工程师学暖通

考察某地垃圾焚烧厂后，对焚烧类项目有些体会：
1、选址近需求端，决定商业价值
2、充分回收热量，提升综合能效
3、确保优先使用，符合双碳战略

全文分4块：
1、背景情况：必须焚烧垃圾、某焚烧厂简介
2、问题分析：商业模式对比、为什么只供电
3、应对方案：行业策略推导、行动方案推荐
4、参考资料：更多背景信息

必须焚烧垃圾：

垃圾最初考虑填埋、自然降解，但塑料什么的降解太难，会导致填埋场越来越大，越来越多，出现垃圾围城。
同时，重金属污染等，也导致处理起来也很痛苦。所以焚烧就成为目前的主流选择。
当然也是在技术进步后，才会把清洁焚烧当主流。具体有3大优势：

减量：100kg垃圾焚烧后，仅有2kg左右有害部分仍需要填埋。这极大解决土地占用，减少垃圾围城的困境。

无害：焚烧可消灭各种病原体，将多数有害有毒物质转化（烧成）为无害物，再通过技术处理，将有害部分集中处理。最终有效降低了对环境的污染。

回收：焚烧产生的热量用于发电、采暖，炉渣用于制砖、路面基层等。减少一次能源的消耗。

所以，垃圾焚烧将是垃圾处理的主流，各个城市，甚至县、镇都会需要自己的垃圾焚烧厂。事实上，各地申报的项目正如雨后春笋般不断冒出。

某焚烧厂简介：

专业处理城市固体废弃物：生活垃圾、垃圾渗滤液（污水）、市政污泥、飞灰等。设计处理量为7,800吨/天，满足整个城市垃圾处理需求。

投资建设、技术研发、运营管理一体：BOT模式（建设-经营-转让），30年合同期，含2年建设期。焚烧厂仅负责厂区内事物。对外的垃圾配送，并网供电等由政府主导。

商业模式对比：

具体到垃圾处理的对接流程中，该焚烧厂有：

垃圾处理：在整个商业模式中，焚烧厂以垃圾处理量，如100元/吨，和市政结算收益。
注：价格仅示例，不同地区的结算价格不一样，北上广深肯定是最高，三线城市肯定最低。这以竞标价格为准，如市政招标时，给定100元/吨，3家竞标，会根据各自方案的排放指标、处理方式、设备成本、投资收益等方面，有报100元，有报80元，也会有报60元的。

热能利用：利用焚烧的烟气余热发电，并网上网后，和市政、国家电网协商售电标准，如按0.4元/kWh，与电网结算收益。
注：生活垃圾焚烧属于国家鼓励范围，结算电价等会有相应补贴。甚至出现倒挂，如用电0.2元/kWh，售电0.5元/kWh，那必然是一边售电一边买电。当然这个补贴是有期限的。

关于生活垃圾焚烧供暖是否属于国家鼓励的生物质能问题---国家能源局

污水利用：垃圾中的渗透液处理后，净水作为冷却塔用水，变成水蒸汽散发到大气中。污泥再进一步处理，最后进焚烧炉烧掉。

炉渣利用：去除可回收金属后，作为地面基层，或压制成轻质砖使用。

排烟处理：无害处理后（注意排放污染不为0），将飞灰螯合固化后，安全填埋。

在另一项目应用中，热能利用环节，增加了供暖收益。烟气余热不仅用于发电，也将蒸汽凝汽热用于区域集中供暖。

那么该焚烧厂为什么只供电，不供暖呢？

为什么只供电：

从供需结构上来看，有3块：
供应不足：是焚烧厂已经没有热可供？
需求不够：是该地区已经供应充足，不差这点？
无法输送：输送成本太高？

供应不足：

冷却塔排烟被投诉：发电肯定有冷却塔，将蒸汽最后冷凝成水，再返回锅炉。这个冷凝热量就由冷却塔向大气排放。因为排放接近饱和湿度，导致排放气流在冷却塔出口处遇冷后，极易形成冷凝现象，即白烟。这白烟本质就是水汽，和云、雾一样。
传说照片就是照“骗”，在被人恶意针对时，通过逆光拍照，白烟在明暗对比下，就变成了黑烟，然后向环境部门投诉垃圾焚烧厂排黑烟，影响生活和健康。
这种投诉肯定是无稽之谈，但也是反应出，凝汽器热量是没有被利用，是排放掉了。通常凝汽器热量可以和发电量相当。所以有热可供。

限定供电时长：发电通常是8,000小时/年，即除去必要的停机维护保养，基本都在发电。
而根据不同的形势，相关部门会有相应政策管控发电。在考察时，则出现以某年为限，之前投产发电机组按6,000小时发电，之后按4,000小时发电。
不能发电，就意识着焚烧热量没有被利用。特别是垃圾焚烧烟气是不能增加排烟温度的，必须快速降温到200℃以下，以避免二噁英重组，所以这多余的热量必须由冷却塔降温，并向大气排放。所以有热可供。

垃圾处理量相对稳定：城市垃圾量基本稳定，在社区垃圾站、区域垃圾站等多级汇总、缓冲模式下，全年的日垃圾量处理基本稳定，每天配送的车辆、重量基本相当。
垃圾数量相当，即每天的焚烧量的变化很小，可用热基本不变。因为垃圾焚烧是第一优先级，在没有其他需求的情况，热量只能排放掉。所以有热可供。

汇总上述3点，该焚烧厂的热供应是充足的。以额定100 MW发电量预估，同样有100 MW热量可供，以集中供暖的50 - 55 W/平米计算，该焚烧厂有供180万平米采暖的潜力。在考察交流中，焚烧厂也是希望能利用这些热量来创造新的收益点。本身是有意愿和资本来投入新设备、改进新工艺来增加收益。
此时需要强调一下BOT 30年（含2年建设期）模式。各地的资本回报诉求、BOT年限不同，对方案的投资回报率要求不同，编制方案时，一定要考虑投资回收期和BOT期限。如方案很好，投资回收仅2年，但BOT明天到期，则焚烧厂对方案是完全没有兴趣的，此时需要的后续接收方谈。（注：政策不同，也有可能是同一公司继续运营，但收益主体可能会变更）。

需求不够：

热需求弱：作为焚烧厂所在城市，全年的月平均温度（干球温度）以9℃以上，采暖是11月到3月间，掐头去尾约4个月。具体应用时：
入门：如家用。用电暖器，不是全屋级的，是500W以下的局部型电暖器。放在书桌等下方，再用被子盖着，全身还是很暖的，当然人也就基本不想起身了。比较类似日式暖桌。
主流：如办公室。人坐下不想起身可不行，需要办公走动，被子就是不能用的，所以全屋用空调（热泵模式）进行整体升温，桌下的电暖器继续用，只不过功率从不到500W，多数会选用400 - 1000W，提升局部的体验品质。
高级：如商场、医院等公共区域。这是无法安排局部电暖器，只能用中央暖通系统，确保整个空间的各个角落都整体升温。之前年代，电力紧张，电空调不发达时，会只用锅炉采暖。现在电发达，空气能电热泵在该城市多数可实现制热COP在3以上，甚至多数是4，因为外部气温确实不低。所以新系统多数会争取用空调（热泵模式）打底，不足再用锅炉补。高端家用，也会是空调+电辅热的形式。通常锅炉使用时间会压缩在2个月内，让系统能效最高。

冷需求强：4月到10月均需，同样掐头去尾后，有6个月制冷期。
电空调是目前的绝对主力，溴化锂直燃机曾经在缺电年代辉煌过，现在没落了。
一、使用成本难以和电空调对抗。天然气成本高，直燃机COP 1.3，对比电空调 COP 4.0以上，不仅是直接能耗高，同时还会导致冷却水的水耗量、与水泵电耗。且天然气最佳应用，还是先发电，再利用烟气余热溴化锂空调，而非直接用天然气制冷。
二、使用复杂程度高，需要专业维护团队。直燃机体积大，腔体相对电空调2腔，直燃机有4腔，相应的安全件、监控件多。同时，直燃机在绝对数量上，远低于电空调，导致服务人员除了厂家，基本没有第三方。
三、供气在建筑规划上，危险等级高于电。因为电失控，所以快速的逐级跳闸，一点爆发了问题，如起火，周边基本安全。但天然气起火，一条管道的阀门关闭需要时间，同时关闭后的内部残余气体仍是风险点。
所以目前城市中的溴化锂直燃机、以及燃气灶等用气设备，在政策下，是面临替换的情况。2021年11月19日，国家机关事务管理局国家发展和改革委员会财政部生态环境部，关于印发深入开展公共机构绿色低碳引领行动，促进碳达峰实施方案的通知，就明确提出减少直燃机、燃气灶的使用，

关于印发深入开展公共机构绿色低碳引领行动，促进碳达峰实施方案的通知

在以上气候条件下，焚烧厂所在城市的暖通系统，主要以冷暖两用型空调为主。其热需求对供暖的拉动作用小。

无法输送：

该焚烧厂距城市中心约24km，对外有市政运营的垃圾车辆配送每日需处理的垃圾，有电网供电及收电，有专用水管从周边河水中抽水，用于冷却塔使用。没有配供暖管网，因为距离需求端太远了，成本太高。主要有2方面因素：

异味：
生活垃圾分类中，如果对湿垃圾不太好理解，简单解释就是放着会变臭的垃圾。这类垃圾含水、有机物等，放着就会发酵，产生热量和沼气。热量和沼气可是爆炸的要素，那种垃圾山爆炸的新闻就是源于此。
湿垃圾的主要来源就是厨余垃圾。我们经过各种垃圾桶、垃圾站时，闻到的异味，就是那些边边角角没有被收拾干净的垃圾，在放置一段时间后，发酵发臭。
在垃圾分类发达的国家，这类垃圾会单独处理，因为成分都是有机物，经过发酵后，都是很好的肥料。目前在我国，想分类收取这类垃圾，再经过合适筛选、处理，是个比较困难的工作。未来的解决方案之一是用粉碎机，将厨余垃圾全部粉碎进下水道，这样一来异味问题才算能根治。也方便回收处理成有机肥。

目前措施是：
垃圾站尽量封闭，每次转运垃圾后，都用水冲洗各处。
垃圾转运车也采用封闭式，配渗透液（白话：臭水）收集罐。
焚烧厂卸料平台采用负压设计，即焚烧用空气（氧气）从“垃圾放置仓-卸料平台-厂房外”这条路径设计。将异味“烧掉”。

在考察中，焚烧厂部分区域会出现淡淡的臭味，这是在维护检修过程中，渗透液处理仓打开后，飘散出来的味道。而在厂区外没有闻道这些味道。整体控制是到位的。

污染：
垃圾焚烧的烟气会混合着垃圾的成分，生成各种各样的污染物。目前技术条件下，绝大多数污染物被转化、过滤、吸附成飞灰，然后经过安全填埋，等待未来的技术处理。而处理后的烟气继续向大气排放。
以二噁英为例，目前实际排放是国标，以及欧盟标准的2%-5%

这时不管是多少，只要不为0，就会受到时间积累的影响。部分污染物在人体内的半衰期很长，只要吸收就是会积累，当超过一定阈值后，就会变成对人体的有害，导致各种疾病。
以《流浪地球》中的饱和式救援精神，以及中国国土面积够大，所以选址通常会远离人群。不像韩国这类地方，在市中心建焚烧厂。而在中国，一旦市中心建垃圾焚烧厂，恐怕周边的房价会断崖式下跌。

最后，基于异味与污染这2个因素，焚烧厂仍会远离人群，导致供暖管网的建设和运营成本会劝退很多开发利用的想法。

回头再看供需的3个因素：
供应：大量有余，只能排放。
需求：采暖需求不强，用冷暖空调即可满足大部分场景。
输送：选址太远，管网建设与运营成本太高。
最终，以既有需求，难以支持远距离输送管网建设，导致该焚烧厂只能供电，无法供暖。

建厂历史：

我们不仅分析既有现状，也跳出来，在历史维度上看焚烧厂。

1998：市政决定设立填埋场，经过5年的策划、讨论，2003年投入使用。
即既有焚烧厂的地址，在20多年前就开始被影响。

2015：清洁焚烧成为共同的认识，开始启动项目。2018年完成1期工程。
当年规划中，没有供暖，其主要关注点在清洁焚烧上。

2021：完成2期工程，实现7800吨/天的处理量。
这实现了城市的全量焚烧。历史填埋场的垃圾，将挖出来，再焚烧掉。原填埋场改填埋焚烧后的飞灰。

站在历史的长河，作为填埋场，肯定是越远越偏越恶劣为好，不影响周边。
而作为焚烧厂则面临用既有土地（历史填埋场），和新规划垃圾用地。
以及规划时的技术水平，民众认知等因素，来决定焚烧厂选址。
最后，当地的采暖需求会决定供暖管网的成本是否能被收回。
所以，规划时，要尽早、以历史的长周期角度进行综合规划，来实现综合收益最佳。

行业策略推导

综合以上观察到、分析出的情况，对于垃圾焚烧行业有3大基本面：

选址：
无异味影响，和饱和式污染防治仍决定垃圾焚烧厂需远离人群。
而远了，供暖管网的建设和运营成本会让投资难以回收成本。
所以在安全距离下，尽量靠近需求是选址决定整个商业价值的关键。

规划：
焚烧厂的体量是否够大，值得配管网。以考察的焚烧厂为例，每100吨垃圾约可发电、供暖各1.28 MW。
回收电力和热力，肯定是提升了焚烧能效，因为不用就只能向大气排放。
同时，规划时，不仅是当下，还需要考虑未来，生活水平提高了，供暖肯定会提升要求，也许未来供暖负荷就多了、集中了。

如同前文的对比案例中，另一案例是全年供暖，冬天满足采暖和卫生热水需求，收流量费和热量费，不足时，用天然气补。夏天则满足卫生热水需求，仅收流量费。
所以那个区域还衍生出另一模式，夏天在用户端用溴化锂热水制冷空调。一方面降低最终用户的空调费用，一方面提升整个区域的能效，因为垃圾处理工艺的限制，只要烧了，热量不用就只能排放。

政策：
垃圾焚烧热量，不用就只能排放。如果政策限定，如前文的情况之一，市政限定发电量，其他地区的需求就只能通过其他能源满足，比如天然气。这显然与双碳目标是背离的。

同时，集中需求后，才有助于深挖焚烧热量，比如凝汽热量、排烟处理的浆液热量（如果有此工艺）等，这些通过热泵可以回收，一方面提升焚烧厂的热效率，另一方面进一步降低社会整体的一次能源消耗，提升社会能效，为双碳目标助力。

管网建设：

推动管网建设时，只有2个档口：必建和好建

必建：

需求存在缺口：这种情况就是既有能源的综合利用和再建热力厂对比。
一般来说管道还是比热力厂要成本低些。
一、都是污染区，只是单纯热力厂，烧天然气的话，污染程度会低些，可靠近些。
二、都要建管道。
三、热力厂的新增设备成本和运营费用可比管道高多了。
所以此时，为焚烧厂建管道通常是最优解决方案的。

能源体系降碳：在需求变化不大时，既有能源体系可以满足地，想改变就需要有动力，目前动力之一就是双碳目标。通过优先使用焚烧热量，降低一次能源消耗，这是客观存在的方案。所以此时会考虑对焚烧厂建管道。

但不管什么理由，底线是投资回报必须为正，其收益必须能支撑其运营成本，否则理想再丰满，现实也会骨感到“呵呵”。

好建：

工业区扩容搬迁：中国仍在发展中，一线城市开始在腾笼换鸟，二线、三线城市在有条件的招商引资。工业区升级、扩容、搬迁仍在长期状态。

部分重能源企业型企业，因为重能源（需要大量能源），多数是污染型企业，即需要烧大量燃料。这类企业对焚烧厂的抵触就比较低，甚至在企业设计时就会考虑。比如某造纸企业（纸浆部）在厂房设计时会靠近焚烧厂，企业的工艺废料会打包运送到焚烧电厂，连同周边其他的生物垃圾一同焚烧发电、产蒸汽。所产蒸汽被造纸企业消化，电消化一部分后，其他供周边其他工业或居民使用。

主管网近焚烧厂：对于集中供暖地区，存在热电厂，管网已经比较发达，此时焚烧厂是远离人群，但与热电厂可能不远，所以联合运行时，可考虑将焚烧厂热量送到热电厂。

这类好建的项目，通常只是缺少发现的眼睛。在可行性分析通过后，会很快上马，资本会促进项目的快速推进。

使用设备：

作为供方的焚烧厂，热泵是主力设备。通常溴化锂蒸汽热泵比较常见。
注：溴化锂与电热泵对比，请见《热泵溴化锂vs电决策的秘密》：

徐唯轶：热泵溴化锂vs 电决策的秘密

对外设计暖通管网时，通常只会是热网，因为冷水管网的热损失太大，输送距离近。
同时，焚烧厂的低温可回收余热多，如凝汽热、烟气降温热等等。

如果焚烧厂周边1km范围内就是工业区，则可考虑直接上冷水管网，采用溴化锂蒸汽或热水制冷空调，这在部分新建工业园区有过此案例。
想要更长距离，不是不可以，管网的保温成本就会上升很多，需要评估是否划算。

作为需求的能源站，也会有热泵和空调两种应用。

热泵是在城市扩容时，主管网升级困难，通过增加热泵将一次侧的热量回收一部分到二次侧，这样一次侧的供回水温差拉大，在其流量不变的情况下，增加了一次侧管网的输送能力。

而溴化锂空调则是在夏季使用热网水进行制冷，如同前文的应用案例。

行动方案推荐：2022年4月

垃圾焚烧在我国的项目仍在持续增长中。
为解决垃圾围城，垃圾清洁焚烧的减量化、无害化、可回收让垃圾焚烧成为主流方向。
为解决邻避效应，同时基于现行的技术、装备水平已经和发达国家在同一水平，2020年1月1日，已经全面施行自动监测排放来确保污染控制在标准范围内。

生活垃圾焚烧发电厂自动监测数据应用管理规定

同时双碳目标让节能减排的意愿进一步得到强化，对焚烧厂的热量利用，会有更深入的需求。

所以选址上会尽量缩短远离程度，或者与工业区整合，规划时会争取热电联供，在政策制定时，也会优先使用废热，减少一次能源使用。

具体到区域，则是集中供暖区域，其热负荷大，管网集中，需求的拉动能力强。和工业园区，这对污染的接受程度高，会主动靠近焚烧厂。同时，全年都有制冷制热负荷，与焚烧厂的长期稳定供应正好匹配。

相关背景信息：

焚烧工艺：1进5出。

1进：垃圾
垃圾进到焚烧厂时，需要放置3-4天。
一方面是让湿垃圾部分进行发酵，提升燃料热值。
另一方面是排出垃圾中的水。

1出：净水
垃圾中出来的液体有个专属名称叫渗透液。这个处理和反渗透水，海水淡化一样，将渗透液经过多次过滤。
一方面得到净水。会向大自然排放或者自用于冷却塔。
另一方面含杂质多的部分则会成为“污泥”，按污泥工艺处理后，最后的浆液会喷入焚烧炉中焚烧掉。

2出：炉渣
垃圾进入了焚烧炉，焚烧后，有害物、有机物都变成飞灰，随烟气向大气排放，剩下的都无害物。
再经过金属分离，金属回收，最后的渣渣，其透水性强，抗压性差，作为路面基层、与轻质砖是刚刚好。

3出：余热
烟气包含着大量的热，经过余热锅炉，将热传到水中，变成蒸汽发电或供暖。同时也将烟气快速降到200℃以下，减少烟气有害成分的重组。

4出：飞灰
降温后烟气开始进行安全处理，三板斧：洗澡、过滤、和吸附。
洗澡：是针对特定成分，喷酒化学浆液，将成分留在浆液中，再对浆液进行处理。
过滤：是物理滤网，主要是各种过滤口径的布袋，将粉尘等过滤、留下。
吸附：是相对化学性滤网，比如放个屁，不管是什么样的布袋滤网，总是会闻到。而用活性碳之类的吸附剂则可吸收臭气成分，让人闻不到。
烟气净化工艺就是这三板斧的叠加，戏称一个洗澡不够，就多洗几个，烟气也就干净了。
而最终收集飞灰、和吸附后的活性碳，经过压制减少体积后，进行安全填埋，以未来的科技来进一步处理。

5出：烟气
净化处理后的烟气，在自动监控平台的监控中，以满足GB18485-2014的要求，向大气排放。