城市生活垃圾固體替代燃料的制備技術及應用

賈婷，羅立群*

1.武漢理工大學資源與環境工程學院

2.礦物資源加工與環境湖北省重點實驗室

隨著經濟快速發展，我國城鎮化水平從2005年的42.99%提高至2021 年的64.72%，城市發展規?？焖贁U大，如貴州省常住人口從2011 年3 469 萬人發展到2021 年3 852 萬人[1]，因而城市生活垃圾產生量日益增多、組分日趨復雜。垃圾在處理過程中一方面通過填埋、焚燒、堆肥等產生部分溫室氣體；另一方面在減量化處理過程中消耗了資源和能源，又造成額外溫室氣體排放[2]。我國二氧化碳排放總量約為100 億t，碳排放強度較高[3]。因此，城市生活垃圾的有效管理與處置以及實現碳減排成為當前城市發展的難點和熱點。固體替代燃料（SRF）是通過一系列預處理、破碎、分類、篩選等工藝，將來自生產、生活中的非危險廢物制備成能夠為各類單元提供熱能的燃料。我國垃圾處理存在混合收集、處置粗淺、利用率低等問題，導致可回收利用資源浪費，并存在混合部分危險廢物造成環境污染的風險。當前，我國在推進生態文明建設進程中，城市生活垃圾減量化、無害化、資源化已成為發展主線[4]。在制備SRF 過程中，生活垃圾的干化和分選，能夠降低垃圾含水率，提高垃圾焚燒熱值，提升城市生活垃圾利用效率，降低焚燒投資成本。目前SRF 主要應用于水泥煅燒和火力發電等領域，能減少化石燃料的燃燒，節約不可再生資源，有效減少碳排放，對實現碳中和具有重要的實踐意義[5]。因此，總結SRF 的制備與應用技術有助于推動城市生活垃圾減排，提升資源化利用水平，盡早實現碳中和與碳達峰目標。

1 固體替代燃料來源與標準

1.1 城市生活垃圾的組成

城市生活垃圾種類多、組成復雜，經過干化、分選等工藝制成的SRF 性質差異較大，垃圾組成會影響SRF 的質量。我國不同區域城市生活垃圾組成如表1 所示。從表1 可以看出，廚余垃圾占生活垃圾總量的比例最大，為50%～75%；其次是紙類、灰土類與橡塑類，平均占比為5%～25%；織物類、木竹類、金屬類、玻璃類、其他類垃圾占比較少，為5%以下。根據2012—2022 年《中國統計年鑒》，我國的垃圾處理方式以填埋和焚燒為主，2021 年衛生填埋處理量為0.52 億t，焚燒處理量達到了1.8 億t。2011—2021 年的生活垃圾清運量及無害化處理量見圖1。從圖1 可以看出，生活垃圾無害化處理率持續增長，2021 年達到99.9%，全國垃圾清運量達到2.49 億t[1]。

圖1 2011—2021 年我國生活垃圾清運量及無害化處理量Fig.1 Domestic solid waste clearance volume and harmless treatment volume in China from 2011 to 2021

表1 我國不同城市生活垃圾物理組分占比Table 1 The proportion of physical components of different municipal solid wastes in China %

1.2 城市生活垃圾處理現狀

我國城鎮生活垃圾處理方式以填埋和焚燒為主，垃圾填埋需占用大量土地，釋放的甲烷占溫室氣體排放的比例逐漸增大[10]，且容易對土壤及地下水造成污染；垃圾焚燒具有處理量大、速度快、占地面積小的特點，對垃圾減量化、無害化、資源化有很好的處理效果，但會排放二噁英和重金屬[11]，造成大氣污染的風險。比如貴州省黔南州羅甸縣主要采用收運+填埋的方式處理垃圾，日收集生活垃圾230 t、轉運250 t。從羅甸縣城市生活垃圾組成（表2）可以看出，羅甸縣收集到的生活垃圾成分復雜、含水量較高，可燃組分占有相當大的比例。該縣建立的生活垃圾焚燒廠處理量為700 t/d，能夠大量減少垃圾的填埋量，但目前縣城中垃圾收運體系不完善、收運方式落后、垃圾難分類等特點造成垃圾進入焚燒廠的熱值不高（原生垃圾低位熱值在5 000 kJ/kg 左右）、燃燒熱值不足，還需要添加其他燃料進行輔助燃燒。

表2 貴州省黔南州羅甸縣城市生活垃圾組成Table 2 Analysis of municipal waste composition in Luodian County,Qiannan Prefecture,Guizhou province %

1.3 國內外固體替代燃料標準

歐盟在20 世紀90 年代開始對SRF 進行研究，之后授權歐洲標準委員會（M/325 任務）來建立SRF 技術規范并將其轉化為歐洲標準，直到2012 年歐洲標準正式出版。目前歐盟仍采用BSEN 15357—2011Solid Recovered Fuels:Terminology,Definitions and Descriptions對SRF 進行定義和分類。我國對SRF 的研究起步較晚，2021 年11 月16 日發布了T/CIC 046—2021《固體替代燃料定義與分類》，規定了SRF 的術語和定義、采樣和測定方法，羅列了制備SRF 常見的原料種類。將經濟性指標低位熱值（QARB）、控制性指標氯含量（ClADB）和排放性指標汞含量（HgARB）作為特征性指標，把固體替代燃料劃分為5 個等級，如表3 所示。

表3 SRF 的產品分級Table 3 Product classification of SRF

替代燃料的熱值與生活垃圾中的水分含量有關，低位熱值越低，能量替換比增加越快，對水泥窯等燃燒系統中的工作運行就越不利。使用替代燃料全部代替常規燃料，其熱值不應低于20 MJ/kg，若使用替代燃料的熱值較低，則只能采用部分替代，且最高替代率為15%。燃料中的氯含量達到0.3%～0.5%就有可能造成氯化物循環富集，歐盟標準要求氯含量更低，Q1 級產品氯含量要≤0.2%。因此在制備替代燃料過程中更要加強垃圾廢物的分選工作。

T/CIC 047—2021《固體替代燃料制備技術規范》規定了SRF 的制備原料、工藝、產品檢驗、工廠要求等事項；考慮到SRF 主要應用于水泥窯和火力發電，T/CIC 048—2021《火力發電用固體替代燃料》和T/CIC 049—2021《水泥窯用固體替代燃料》規定了相應的技術要求、試驗方法、檢驗以及產品的貯存運輸等內容。4 個標準發布標志著我國SRF 標準體系基本建立，正走向標準化、規范化的道路，SRF 從認定、分類、制備到應用要求都有據可依，促進了我國資源再利用、垃圾分類的生態治理。

2 固體替代燃料制備技術

SRF 的制備方法主要是機械生物處理技術（MBT），它是一種獨特的固廢分類處理集成技術，包括干化和機械分選，其中干化分為熱干化和生物干化。我國垃圾含水率較高，干化能夠減少垃圾中的水分，使垃圾比較松散，為后續分選提供便利；機械分選是根據垃圾的物理屬性，通過破碎、篩分、風選等一系列工藝進行分類和分離。MBT 技術在德國和意大利被開發，第一批工廠在1995 年建立，德國的第一代MBT 工藝為煙道處理工藝，僅能處理20%～30%的有機垃圾；第二代處理工藝將物質分揀系統帶入后能處理25%～50%的垃圾。經過不斷發展歐洲已經有較大規模的MBT 工廠且技術較成熟，如德國建成運行46 家MBT 處理廠預處理生活垃圾，處理量為500 萬t/a[12]。Grosso 等[13]研究了MBT與垃圾填埋場相結合的流程（圖2），其特點是經過MBT 工廠處理后，分選出的廢物被送入生物反應器垃圾填埋場進行處理，將獲得的SRF 重新運用于水泥窯，作為替代燃料進行燃燒。該MBT 工廠最大優勢為MBT 殘渣填埋產生的沼氣發電能夠支持它的自我運行，年沼氣發電量為3 377 MW·h，與MBT 工廠運行的能耗3 446 MW·h 幾乎一致。當MBT 作為填埋場預處理工序時，能夠固定滲濾液，減少廢物的體積和垃圾填埋產生的氣體。

圖2 MBT 與垃圾填埋場相結合流程Fig.2 Flow chart of the combination of MBT and landfill

任超峰等[14]研究的淄博某生活垃圾焚燒廠采用“生物干化+機械分選+循環流化床鍋爐”焚燒工藝，垃圾干化后通過破碎機減小粒徑，再經過風選機、磁選機和有色金屬分選機，將金屬、玻璃、石塊等不可燃物分選出來，其處理效果如表4 所示：1）生物干化后垃圾的含水率降到30%以下；2）經過機械分選后的細物料為16 mm 以下的燃料，主要由沙土、碎玻璃等組成，熱值較低，分選后生活垃圾減量率為32.63%；3）生成SRF 產品的熱值與入廠垃圾相比提高了近3 倍，達到10 536 kJ/kg。該焚燒廠在垃圾焚燒之前采用MBT 技術對生活垃圾進行分選，大大減少了垃圾的填埋量，緩解填埋場的壓力，同時生成的SRF 產品熱量高、含水率低，能夠解決垃圾焚燒爐給料不均的問題。

表4 MBT 工廠處理后SRF 的特征Table 4 Effect of SRF after MBT plant treatment

2.1 生物干化技術

生物干化可以對生活垃圾進行預處理，是目前常用的干化途徑。生物干化過程示意如圖3[15]所示，其主要干化機制是對流蒸發，先從外輸入氣流，利用廢物中的好氧生物降解產生熱量，通過2 個主要步驟減少水分含量：1）水分子從廢水表面蒸發；2）蒸發的水由氣流通過廢物基質輸送，與廢氣一起排除[16]。生物干化與堆肥過程控制目標不同，堆肥工藝目的在于分解生物質，通過好氧微生物的降解將有機物氧化成腐殖質類物質[17]；當滿足高溫和通風條件時，生物干化通過有機物降解產生熱量增強水的蒸發，能去除廢物中最初所含30%～80%的水[18]。生物干化與廢物的水分含量、自由空氣空間、膨脹劑的使用、曝氣速率、微生物活動等因素有關。通常膨脹劑用于調節水分含量，促進生物干化過程的好氧狀態，并有助于產生額外的熱量[19]。Bilgin 等[20]將生活垃圾進行生物干化降解，廢物的體積減小約32%，質量減少約50%，熱量提升至19 590 kJ/kg。生物干化的優點是能夠將廢物的生物成分和二氧化碳替代能源轉化為燃料產品，去除廢物中的過量水分，有助于機械加工并提高廢物熱回收能力[21]。

圖3 生物干化過程示意[15]Fig.3 Schematic diagram of biological drying process

2.2 機械分選技術

2.2.1 機械粉碎技術

機械粉碎是通過外力作用破壞物體內部和分子間作用力，從而使得物體尺寸變小的過程。粉碎通常是機械分選技術中的第一個操作，能夠改變固廢的性質，消除孔隙，減少材料體積，讓顆粒符合粒徑和形狀方面的要求，便于后續處理和運輸。粉碎設備一般有錘式粉碎機、旋轉剪切破碎機和球磨機。錘式粉碎機用途廣泛，其對原料含水率要求較高，當原料含水率較高時會黏附壁板，從而堵死內腔、磨損設備[22]；另外，該設備為沖擊式粉碎機，可能會造成SRF 質量不高。剪切破碎機破碎產品比錘式粉碎機更加均勻，而且不容易污染SRF，但在輸入剪切破碎機的工序之前需要篩除其中的堅硬物料，以免磨損機器。球磨機的結構簡單緊湊，可靠性高，主要有連續式和攪拌式，在MBT 工藝中被用作初級破碎，缺點是能耗高。

2.2.2 分類和分離過程

廢物的分類和分離是MBT 機械分選管理的核心，一般位于MBT 工藝流程的下游，在粉碎之后進行。不同MBT 工藝具體分離操作工序不同，一般包括給料機、圓盤篩、主破碎機、磁選機、風選機[23]，流程如圖4 所示。廢物經過簡單開袋處理、生物干化之后進入機械精煉部分，輸送到篩分機，按照粒徑20 mm 進行分類，大于20 mm 的粒徑送入風選機，風選機會將垃圾分為輕組分和重組分，輕組分經過磁選、破碎、渦流分離器分選出黑色金屬、有色金屬進行金屬回收，近紅外（NIR）光譜下工作的光學傳感器分選出含氯塑料（PVC），最后進入到SRF 庫中；重組分經過磁選分選出金屬后進行壓實送入垃圾填埋場進行填埋。

圖4 SRF 制備流程Fig.4 Flow chart of SRF preparation

另外，還可利用一些傳感器檢測有害物質，包括X 熒光、X 透射以及紅外和近紅外等設施。在MBT 工藝中使用近紅外理論上可用于去除含氯有機化合物（如聚氯乙烯）的塑料，但也存在一些局限性，比如深色塑料、難以用近紅外進行高效處理的混合材料仍然會在材料中殘存；使用X 射線可以去除SRF 雜質，如無機物和高度化學污染物質[24]。

3 固體替代燃料的應用

3.1 固體替代燃料的燃燒應用

3.1.1 水泥行業應用

水泥行業是主要的 CO2排放行業。研究表明，2020 年我國水泥行業碳排放量為13.7×108t，其中工業過程排放占60%，能源活動排放占35%，間接排放占5%[25]，水泥行業的高碳排放量十分不利于我國碳達峰目標的實現。SRF 含有大量的塑料、紙張等相關材料，高熱凈值達10～25 MJ/kg，可用作輔助燃料，并燃燒較低等級的燃料（如生物質、泥炭等）[26]。SRF 在水泥窯中可減少傳統化石燃料的消耗，提高資源效率[27]，并進行材料回收，有助于減少溫室氣體排放；同時，與化石燃料相比，SRF 的硫含量較低，能減少酸化現象[28]。Wojtacha-Rychter等[29]分析70 個替代燃料的樣品，采取高溫燃燒紅外檢測法測定含碳量，采用量熱法測定熱值和燃燒熱，結果表明每替代10%的煤，將會減少約6%的CO2排放，具有一定的經濟效益，能夠節省材料成本，降低CO2排放費用。Fyffe 等[30]在水泥窯的分解爐中對118 t 的SRF進行燃燒試驗，發現SRF 的使用能替代7 700～8 700 t 煤炭用量，減少1.4%的CO2排放，并從垃圾填埋場轉移了7 950 t 的能源密集型材料。此外，SO2排放至少減少了19%，對節約能源和環境保護有著深遠的意義。

當SRF 在水泥窯中共處理時，SRF 的灰分能摻入到水泥熟料生產中取代一部分原材料。Viczek 等[31]對80 個SRF 樣品進行研究發現，SRF 灰分中76.8%由SiO2、CaO、Al2O3和Fe2O3組成，是水泥熟料制造的重要原材料。

3.1.2 電力行業應用

焚燒處理在我國生活垃圾處理中逐步成為主流，但由于我國生活垃圾混合收集的原因，不可燃物含量較高，導致焚燒處理時可能出現爐排燃燒不徹底的問題。在流化床焚燒爐中，這可能引發給料不均勻、鍋爐燃燒不穩定等問題，進而導致運行時間縮短和污染物排放不均勻[32]。Garg等[33]模擬分析了排放到大氣中的CO2當量對全球變暖潛能的影響，結果表明煤的碳含量很高，煤炭燃燒過程中產生的CO2會導致溫室氣體的排放，通過在燃煤電廠用SRF 替代10%的煤炭，凈CO2減排量約為1 500 g/kg。Wagland等[34]在流化床將煤分別與SRF 和垃圾衍生燃料（RDF）混合燃燒，比較SRF 和RDF 之間的差異，發現煤與RDF 的混合燃料燃燒溫度很少達到900 ℃，而煤和SRF 混合燃料的燃燒溫度可達到950 ℃，這是因為SRF 中存在更容易揮發的物質，而且比RDF 的水分含量更少。

3.2 SRF 共燃產生的潛在問題

SRF 的質量對未來資源的有效利用至關重要，作為電力行業和水泥廠化石燃料的替代品，只有在質量上對SRF 進行嚴格規范，才能讓SRF 在某些關鍵特性上與傳統燃料相似。SRF 的質量主要是由熱值、Cl 和Hg 的濃度來確定，輸入廢料和廢物處理的方式會決定SRF 的質量[35]，SRF 在共燃時潛在的質量問題如表5 所示[36-38]。由表5 可知，可從降低氯含量和灰分含量、提高熱值等方面來提升SRF 的質量，從而提高SRF 的適銷性。由于處理的固廢中含有紙張、軟塑料等成分，SRF 的粒徑達到100 mm，因此SRF 比煤炭更難研磨，在燃燒過程中需要更長的時間[37]。燃料的揮發性以及灰分含量和性質將顯著影響燃燒特性，燃料中不同灰分組分的相互作用因熔點不同而異，其先變成氣體的成分率先被釋放，導致在焚燒爐的鍋爐壁上形成大量沉積物，影響SRF的質量[39]。

表5 SRF 共燃中存在的潛在問題Table 5 Potential problems in SRF co-combustion

氯是影響SRF 質量的決定因素，可分為有機氯和無機氯，SRF 中的有機氯主要來源于塑料，無機氯來自食品垃圾。在熟料中，氯常常以無機氯化物形式存在，最常見的為CaCl2，它導致氯循環的發生[28]。Nasrullah 等[40]在研究輸入廢料對SRF 質量影響時發現，城市固廢中的橡膠、塑料材質含有高濃度的氯，尤其是橡膠中的氯濃度為7.6%～8.0%；在燃燒SRF 時會向熔爐中引入大量的Cl2，燃料中大量的氯也會導致HCl 排放。Vainio 等[41]在107 MW 鼓泡床上對SRF+樹皮+污泥共處置時發現，與單獨燃燒樹皮和污泥相比，當SRF 作為燃料混合物時，可溶性氯濃度是最高的。當煤與SRF 共燃時，由于煤和SRF 中的有機堿會與氣態氯發生反應生成堿性氯化物，加劇鍋爐中的灰燼沉積和腐蝕[42]。

需要明確的是，SRF 共燃過程中氯的有關問題是可控的。Szyde?ko 等[43]研究發現，埃洛石、高嶺土具有很高的氯化物結合效果，在SRF 燃燒過程中，通過添加礦物添加劑，氯會與其中的礦物質結合，減少氯化物的排放量。Liu 等[44]通過微波照射除去SRF 中的氯，得出280 ℃為最佳的微波改性溫度，9℃/min 為最佳加熱速率，選擇具有良好微波吸收特性的SiC 和石墨作為微波吸收劑，發現經過改性之后SRF 的低熱值達到20.56 MJ/kg，接近我國褐煤和煙煤的低熱值。

3.3 MBT 技術與常規垃圾處理效果對比

MBT 技術是不同工藝單元的有機組合，其中生物干化能夠有效降低垃圾的含水率，再通過機械分選產生的SRF 為高熱值成分，可以作為替代燃料進行燃燒，整個MBT 工藝不僅能減少垃圾的容量，還能回收混合垃圾中的可回收物。

我國生活垃圾清運和處理過程中出現的最大問題在于垃圾混合收集，從而導致垃圾含水率高、熱值過低，還會產生滲濾液污染環境。MBT 技術與常規垃圾處理技術的效果對比如圖5 所示。羅甸縣某生活垃圾焚燒廠入爐垃圾低位熱值為7 200 kJ/kg，原生垃圾熱值僅為5 600 kJ/kg 左右，貯存3～5 d 脫水處理后低位熱值能增加9%～11%，達到6 500 kJ/kg左右，達不到自主燃燒的程度，還需添加輔助燃料，焚燒垃圾發電過程中并沒有完全能夠利用垃圾熱能；利用MBT 工藝能夠有效提高垃圾的熱值。淄博某生活垃圾焚燒廠利用MBT 工藝產生的SRF 產品平均熱值高達10 536 kJ/kg，與入廠垃圾的2 762 kJ/kg 相比，提升了近300%，達到焚燒熱值，減少化石燃料的使用，降低碳排放，且只需對分選之后的不可燃物進行填埋，減輕填埋場的壓力。采用MBT 工藝后生成的SRF 產品能夠替代化石燃料進行燃燒，且更經濟，耗電量更小，比混合垃圾對焚燒爐的傷害更小，降低企業維修成本；從羅建華[45]對MBT 技術與焚燒處理法的經濟分析可知，焚燒處理法對垃圾的耗電量為530 kW·h/t，投資為300～500 歐元/t，而MBT 技術的耗電量為235 kW·h/t，投資為200～350歐元/t，可見MBT 技術在能源與資金方面更加節省。

圖5 MBT 技術與常規垃圾處理效果對比Fig.5 Comparison of MBT technology and conventional waste treatment effect

綜上，通過對比MBT 技術處理后的垃圾焚燒與常規的直接焚燒兩種技術發現，MBT 技術能夠最大程度地回收垃圾中的可利用資源，對分選出來的高熱值成分進行焚燒，不僅能降低焚燒后底灰、飛灰的含量，減少污染物排放量，還能降低焚燒的耗電量，實現我國垃圾處理的可持續發展。

4 結論

（1）城市生活垃圾產生量大、組分復雜，并有溫室氣體排放。SRF 能夠實現生活垃圾的分選和減量，垃圾減量率達到32.63%；分選出高熱值燃料在水泥窯和發電廠等領域作為替代燃料，減少化石燃料的使用，縮減碳排放量，實現資源高效利用。

（2）SRF 多由MBT 技術制備，在制備過程中經過生物干化和分選后垃圾含水率降至30%以下，排除不可燃物，可提高燃料焚燒效率，實現分類利用，減輕垃圾填埋場壓力。

（3）MBT 技術處理后的SRF 產品熱值為10 536 kJ/kg，達到原生垃圾熱量的3 倍，可減少輔助燃料添加；焚燒耗電量僅為235 kW·h/t，為常規垃圾焚燒耗電量的1/2，更具有經濟適用性。隨著SRF 制備工藝研究的深入和SRF 燃燒質量的提高，可解決其燃燒過程中出現的燃燒時間長、易腐蝕焚燒爐、產生沉積物等問題。