城市固體廢棄物制備衍生燃料技術研究進展及應用現狀

于鑒蘭 李紫龍 羅丹 劉志華 焦乙梟

（重慶遠達煙氣治理特許經營有限公司科技分公司 重慶 401122）

1 概述

隨著人口增長及城市化水平的不斷提升，城市固體廢棄物已成為影響環境問題的重要因素，關系到全球生態環境質量及人類生命健康安全［1］。據模型預測，到2050 年全世界固體廢棄物總量將增長70%，達到34 億t，而我國自2004 年起就已成為全球最大的垃圾生產國［2］。生活垃圾所帶來的水、土、氣污染已經嚴重威脅到人民的生存環境，造成不可逆的影響。因此，必須對其實現減量化、資源化和無害化處置，以降低環境危害。

目前，我國生活垃圾處置方式主要有填埋、堆肥、焚燒等。隨著生活垃圾量的增加，衛生填埋的弊端逐漸暴露，受限于土地資源、處理量低、處理過程滲濾液及惡臭氣體排放等無法得到妥善解決，嚴重影響周圍居民生活環境等問題凸顯。垃圾堆肥本身存在處理效率低且處理周期長等問題，受溫度等多種因素影響，穩定性差，無法實現大規模處置。相較于填埋和堆肥而言，垃圾焚燒具有處理時間短、效率高、不侵占大量土地、能實現資源轉化利用等優勢，在生活垃圾處置領域的占有率逐年增加，到2019 年首次突破50%［3］。

垃圾焚燒不僅能實現垃圾終端處置，而且能“變廢為寶”實現資源利用，焚燒產生的熱能可轉化為電能，國內光大環境、三峰環境等企業在垃圾焚燒發電領域技術已趨于成熟。但垃圾直接焚燒會帶來大量的污染氣體，包括二噁英、二氧化硫、氮氧化物等，且垃圾中的不燃成分和水分比例較高時，無法焚燒。為進一步優化生活垃圾焚燒技術，降低環境負擔，將生活垃圾進行預處理后再進行焚燒成為新的選擇。垃圾衍生燃料（refuse derived fuel，RDF）技術起源于美國，其原理是將生活垃圾分選、破碎、干燥、加入添加劑混合均勻后，通過成型機制成不同規格的顆粒形狀，主要成分包括塑料、橡膠、紙、木屑、紡織物以及烘干后的有機生物質等。成型的RDF 具有高熱值、易運輸等優點，可作為替代燃料，減少化石能源的使用。

2 城市固體廢棄物制備衍生燃料

2.1 生活垃圾制備衍生燃料

不同地區的城市生活垃圾成分差異較大，如表1 所示，廚余垃圾占比均超過50%，紙類、塑料、織物等占比雖小，但其熱值較高，能達到4 000 kJ/kg，具有較高的回收利用價值。RDF制備工藝如圖1 所示，通常將生活垃圾經過一次破碎，再由篩分機進行分選，將金屬、玻璃等不燃物分選去除，進行二次破碎。破碎后加入氧化鈣（CaO）等添加劑混合均勻，通過成型機壓制成型，經干燥后得到具有一定熱值的RDF。

圖1 生活垃圾衍生燃料制備工藝流程

表1 不同地區城市生活垃圾組成情況 （%）

已有研究表明［4］，成型RDF 熱值范圍在9 000～16 000 kJ/kg。影響RDF 性能的因素較多，其中包括物料含水率、添加劑比例以及成型壓力等因素。趙學［5］研究表明生活垃圾含水率為8%左右時制得的RDF 物理性能最優，延展性和耐磨性指數較強，便于堆存和運輸；李延吉等［6］實驗發現，RDF 制備過程中含水率控制在10%～14%之間時，物料出料速度和出料量穩定性較好。RDF 在制備過程中使用添加劑CaO 能有效地起到脫硫和脫氯的作用，減少酸性氣體及二噁英的排放。馬涵宇等［7］研究發現隨著CaO 添加量的增加，RDF 燃燒殘渣質量百分比增加，而尾氣中的HCl、SO2量明顯減少，當CaO 添加量達到2%時HCl 最少。此外，RDF 制備過程中的生活垃圾本身的原料組成也對RDF 影響較大。隨著塑料的增加，RDF 熱值明顯增大，但占比超過20%會導致RDF 成型困難，松散易碎。李玉龍［8］研究表明垃圾原料提質后，參照織物∶廢紙∶塑料=4∶4∶2 比例制成的RDF 熱值高達22 MJ/kg。綜上所述，目前RDF 制備受到多種因素的影響，并未形成統一的工藝流程及標準用于生產標準化的RDF，而隨著RDF 制備技術的發展也衍生出利用其他城市固體廢棄物制備RDF。

2.2 生活污泥制備衍生燃料

生活污泥作為城市固體廢棄物之一，產生量巨大。據統計，2020 年我國濕污泥年產量約3 500 萬t，污泥中含有豐富的有機質，干基熱值在7 000～15 000 kJ/kg 之間，約為褐煤熱值的一半［15］。相較于煤，污泥具有高揮發性、低固定碳、高灰分等特點。因此，將生活污泥燃料化可在能量回收基礎上實現最大程度的減量化，并控制污泥中有害物質傳播。

目前，研究表明［16］生活污泥可作為原料替代生活垃圾中的廚余部分制作RDF，一方面可作為RDF 粘結劑，另一方面為RDF 的高熱值增效。同時，污泥也可單獨干化做成型燃料，利用污泥制備衍生燃料技術可根據污泥含水率的高低分為3 類：干污泥成型、半干污泥成型和濕污泥成型技術［17］。其中，干化污泥是將城鎮污水處理廠中含水率80%左右的污泥通過板框壓濾、圓盤脫水等脫水工藝降至含水率為20%左右，再與其他城市固體廢棄物混合壓制成燃料的過程。魏國俠等［18］將脫水污泥與破碎棉桿按照4∶1 比例混合后送入造粒機，形成的衍生燃料熱值為12.75 MJ/kg。專利“利用污泥和生活垃圾制備顆粒燃料的資源化利用方法”［19］和“利用城鎮污水廠污泥與生活垃圾制備成型燃料的方法”［20］等都是將污泥干化后再成型的工藝方法。該技術的脫水干化和成型成本較高，但實施過程中的環境衛生情況能做到最佳。

半干污泥成型技術是將含水率80%左右的污泥脫水干燥為40%～50%，加入輔助燃料混合成型，該技術充分運用了污泥的粘結劑作用。例如，李春萍［21］實驗發現，添加5%的半干污泥作為粘結劑，RDF 的成型率和落下強度均高于未添加。趙學等［5］將污泥、橡塑、紙類、織物、木竹按照16∶20∶8∶3∶3 的比例混合后制成的RDF 能滿足堆存運輸要求，且熱值能達到20 MJ/kg。專利“以高濕生活垃圾、城市污泥制備衍生燃料的工藝”［22］和“一種污水污泥資源化利用系統”［23］均是將半干污泥壓制成型制備衍生燃料。此方法相較于干化污泥成型，能夠節省一定的干化成本，但成型成本較高。

濕污泥成型技術是直接將含水率80%左右的污泥與煤、生物質和焦炭等其他助燃物混合成型，再將成型顆粒干化或直接送入爐內摻燒。呂楊等［24］研究發現，污泥按照5%的比例混入煤中摻燒，可保證發電站的尾氣凈化裝置正常運行，過高的摻燒比例會造成嚴重的結會現象。發明專利“一種超細污泥燃料及其生產方法”［25］發現將污泥、煤和燃料油混合，經過研磨和均質化處理至粒徑20 μm 以下，形成漿狀燃料直接送入爐內摻燒，燃燒完全。值得注意的是，濕污泥熱值相對較低，在進入爐內后可能會增加鍋爐的負荷，且惡臭等環境問題依然存在，但濕污泥燃料的制備成本低，無需額外的脫水工藝。

綜上所述，半干化和干化污泥的混合壓制是生活污泥制備衍生燃料技術中能較好實現減量化和資源化的主要途徑，未來污泥干化技術仍然需要進一步革新，降低成本，最終實現污泥燃料的產業化。

3 衍生燃料的應用

3.1 燃煤電廠

燃煤電廠耦合垃圾衍生燃料發電是實現煤電低碳轉型，大幅度降低二氧化碳排放的重要發展方向。近年來，國家能源局和生態環境部大力支持煤電廠耦合污泥、生物質等發電，并在多個煤電企業開展試點工作［26］。目前，利用衍生燃料的燃煤鍋爐主要有煤粉爐和循環流化床鍋爐。浙江浙能嘉興電廠利用煤粉爐耦合污泥發電，利用高溫蒸汽對污泥干化后直接送入燃煤鍋爐焚燒，截至2019 年底該項目累計處理濕污泥35 萬t；南京華潤熱電廠也利用低品質蒸汽作為熱源間接干化污泥，然后與煤按照一定的比例摻混后送入循環流化床鍋爐焚燒，該項目運行數據表明脫水污泥按照7.35%的比例摻燒時電廠尾氣排放指標均在正常范圍內［27］。然而，研究發現燃煤電廠耦合污泥發電后煙氣中的顆粒物、重金屬、二噁英含量有所增加，同時飛灰和爐渣中的重金屬含量也會增加，但將污泥摻燒比例控制在10%以內時，對重金屬的達標排放則無明顯影響。針對二噁英含量的增加盡可能選擇含氯量較低的污泥以及控制爐內溫度在850 ℃以上，保證煙氣停留時間＞2 s 或采取煙氣急冷和飛灰高效脫出等技術［26］。

針對RDF 的應用，國外已有較成熟的產業鏈，例如，歐洲一些國家將固廢制成RDF 產品銷售，并對其生命周期進行評估，發現RDF 混合發電可減少51.47%的溫室氣體排放，而泰國、印度等國家也提出開發5～15 MW 的小型發電廠用于RDF發電［28-29］。我國針對RDF 的應用雖發展較晚，但也有大量的研究表明RDF 在煤電廠應用的可行性。王靜毅［30］研究證實，RDF摻燒比例＜30%時，鍋爐熱效率能維持較高水平，煙氣中污染物排放量均達標，且能夠減少煙氣中SO2的排放量。江蘇徐礦綜合利用發電有限公司利用循環流化床鍋爐綜合利用污泥與紡織廢料制備的RDF，可實現年處理紡織邊角料20 萬t/a，廢污泥20 萬t/a；國能駐馬店熱電有限公司利用現有煤粉爐協同資源化利用7.2 萬t/a 危廢，其中污泥3.6 萬t/a，藥渣3.6 萬t/a；河南華潤電力首陽有限公司依托直流鍋爐綜合利用生活污泥、鞋業廢料等，年處理能力達13 萬t。

總體而言，RDF 在燃煤電廠的應用還處于發展階段，要實現節能環保的要求必須控制摻燒的比例，確定摻燒入爐條件，然而目前我國尚未出臺相關的法律法規和技術規范，因此，有必要通過技術的發展、市場的開放推動政策的落地。

3.2 水泥窯

RDF 替代化石能源燃燒最先出現在水泥窯中。20 世紀80 年代，挪威一水泥廠首先使用污泥作為替代燃料，開啟了水泥窯協同處置城市污泥的先例。隨后，國內學者在開展污泥制備燃料研究時發現成型污泥燃料能滿足工業燃用標準，且混燒后不產生二噁英等，環境風險較?。?9-31］。目前，我國已出臺《水泥窯協同處置工業廢物設計規范》（GB 50634—2010）［32］、《水泥窯協同處置固體廢物污染控制標準》（GB 30485—2013）［33］、《水泥窯協同處置固體廢物環境保護技術規范》（HJ 662—2013）［34］等相關規定，要求用作水泥生產替代燃料的廢物熱值應＞11 MJ/kg，并對入窯物料重金屬含量設定限值。據統計，截至2021 年底，我國共有300 多條水泥熟料線配套協同處置項目，其中塔牌水泥、冀東水泥、拉法基水泥、紅獅水泥等龍頭企業均大力發展水泥窯協同處置項目。例如，華新水泥預計在2025 年前使用替代燃料，使全系統熱替代率達到30%；臺泥水泥在2025 年前替代燃料總利用規模將達到3 000 t/d；華潤水泥預計達到節約燃煤2 000 t/d。按照2022 年我國水泥產量22.18 億t 核算，以20%的比例摻燒RDF 作為水泥窯替代燃料，可節約3.11 億t 煤。此外，實驗表明［35］RDF 的投放可以減低煙氣中NOx 和SO2的生成量。由此可知，水泥窯綜合利用衍生燃料發展較為成熟，應用案例已遍布全國各地，值得一提的是制約其發展的主要因素是無法獲取穩定的RDF 來源，這與我國欠缺統一的RDF 等級標準有關。

4 結語

城市固體廢棄物制備衍生燃料技術具有對象廣、數量大、二次污染少等優勢，應積極推廣，特別是應鼓勵大中型城市建立固定的固廢處置中心，生產統一的衍生燃料產品。一方面利用衍生燃料熱值替代化石能源節能減排，另一方面將固廢無害化、減量化和資源化利用。作為企業，不管是燃煤鍋爐還是水泥窯的協同綜合利用都應充分考慮燃料的準入要求，降低污染物的排放，嚴控二噁英等危害物質的產生，再考慮其經濟性。作為政府，應積極推動企業綠色低碳轉型，完善衍生燃料制備相關技術標準，給予技術研發單位足夠的支持，促進固廢處理行業的快速發展。整體看來，我國衍生燃料制備技術已趨于成熟，尚缺乏相關法律法規，而市場應用正處于發展階段，未來衍生燃料的使用可為電廠、水泥廠等企業節能減碳開辟新的出路。