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北欧国家固废处理考察调研报告
日期:2016-11-12

  

 

 

导读:

根据北欧国家垃圾管理政策法令,所有生活垃圾必须经过预处理才能进入焚烧,形成固体回收燃料,他们认为这样起到了分离金属、减少焚烧系统灰渣、降低积垢、可以使用更高参数而能有效的避免腐蚀问题、做到更低的排放标准以及提高能源转化率。从技术设计层面、典型工程实践案例层面、北欧国家对废弃物管理的政策与行业规范管理层面等几个方面进行梳理。


 

 

 

 

 


 

 

 

 

 

一、技术设计方面

  

 

 

 

在北欧国家,固体废弃物不仅仅是城市生活垃圾,还包括了农林生物质、工业垃圾等,因此固体废弃物要得到良好的处置,则燃料的制备系统以及垃圾焚烧锅炉是城市固体废弃物处理方面的核心设备,因此他们在这方面进行了深入的研究与创新;现概括性的将燃料的制备设计工艺及锅炉的设计简述如下:

  

1、燃料制备(以BMH 公司为例)

  

(1)预处理工艺构成

  

混合固体生活垃圾-----预先处理(采用筛分工艺)-----筛上物进入SRF 生产线-----筛下物(有机成分)-----进入有机成分的生物干化系统(经干化后的垃圾进入SRF 生产线或制作沼气、肥料、堆肥均可)。

  

干垃圾或其他垃圾如商务垃圾、工业垃圾等----筛上物以及经干化后的垃圾-----SRF 生产线,具体工艺流程为:步进式给料机----垃圾破碎机——输送带——磁选机——不可磁金属涡流分选机——风选机——SRF 燃料输送带-----进入成品库)。

  

(2)工艺特点:垃圾一次性破碎到≤80mm 的粒径,有利于金属的分选;风选是对破碎后并经金属分选后的垃圾进行重轻物料的分离,把垃圾中的建筑垃圾、玻璃等其它物料进行分离;经多道分选后最终生成均质的SRF 燃料入库;分选出来的金属等可利用物料进行循环利用,对分选出来的不可循环利用的惰性物料进行填埋处理。


 

  

(3)预期产生的环保效益及经济效益

  

3.1 清洁燃料,低CO2、Nox、CO 排放量;均质燃料,促使燃料充分燃烧,最大限度的避免二恶英的产生; 炉渣量及飞灰量可大幅度减少;实现均质化燃料焚烧可彻底改善排渣不畅的现状;环保设施可排放可控。锅炉年运行时间可大幅度提高,可促进设备利用率的提高;利用垃圾中的能量提高发电效率。

  

3.2 厂用电率明显下降;锅炉效率可大大提升;烟气量的稳定可促进烟气系统的选型优化,降低烟气处理系统投资;回收金属;可实现高度自动化操作,减少运维人员。

  

(4)SRF 生产线的技术工艺

  

SRF 生产线核心在于强大破碎机的应用,辅以其他分选设施进行技术集成;交流中,欧洲国家在2012 年后将泥炭定位化石燃料后,制作生物质垃圾及衍生燃料成为他们研究的一个重要课题,他们在设计阶段遵循了以下几方面的原则:

  

4.1 如以霸王龙处理线9905 型为例,则为一步到位,破碎到粒径小于80mm 的燃料。  


4.2 锅炉设计超过8000 小时,二条处理线即可满足要求,一般设计三条线,每条线运行年运行6000 小时,理论设计可达8800 小时;设计时选择留出30%的余量。 


4.3 让用户使用方便,采用了无缝切割技术,达到所需要的粒径,日常维护只有每天通过液压系统的按钮来调整下刀片的间隙即可。(如9905 型有5 个单元设定5 颗按钮)


4.4 设计时充分考虑到垃圾的特性,如水分、有机及无机物质等。  


4.5 分选效果必须在破碎后进行,采用强劲的磁选机、涡流分选机等。  


4.6 采用独特的垃圾存储设备---筒仓,其比库房更安全,顶部设有防爆门,定期监控仓内温度;在重力的作用下物料先进先出,混合均匀;取样可以更加精确。

  

2、锅炉设计(以Foster Wheeler 公司为例)

  

Foster Wheeler 公司是芬兰著名的锅炉设备设计、制造商之一,专门从事油、气以及核电站工程的设计与研发,全球有1 万多名员工,90 亿美元资产,特别在锅炉研发与烟气处理方面有深入研究,当前在全球有460 个案例投入运营。在清洁能源方面核心研发循环流化床与鼓泡流化床。

  

(1)数据库建设(燃料技术参数的选择与分析):锅炉设计最重要的方面是需要对燃料进行深入分析,因此Foster Wheeler 公司对客户所需的锅炉提供的燃料进行综合分析,形成大数据库,当前已经存储有超过8000 个样本的数据。

  

(2)炉型选择与循环倍率:基本上采用中低倍率的焚烧锅炉;根据燃料的特性来决定是否采用循环床或鼓泡床;如燃料的低位发热量较高且有充分的燃料量,则考虑采用大型的循环流化床;如燃料的低位热值较低且各种杂物掺烧(如污泥、泥煤、其他生物质等),则考虑采用中、小型的鼓泡床。鼓泡床有紧凑性好、性价比高等特点。

  

(3)清灰设计:尾部烟气受热面采用机械冲击振打装置、震动传递梁采用水冷模式、适用于悬吊受热面、机械清灰采用程序控制模式,使整个受热面部件均能够得到良好的过程清洁,保持很好的烟气与管道内介质换热过程。



(4)结构设计:采用独特的布风与排渣、补沙与返料等;最大限度的做到连续给料、排渣顺畅;核心是采用外置式换热器,防止烟气对受热面的氯腐蚀;多个垃圾进料口,做到均匀给料;双烟道设计,降低烟气流速并烟气温度。


 

炉前给料/布风系统/外置式过热器

  

(5)材质的最优选择与部件组装的灵活性;制造商根据燃料的特性对使用过程中可能存在的各种问题进行深入研究与分析,并针对不同部位、不同温度环境下的受热面的材质进行最优选择;而在特别容易发生的问题的部位,采用模块化设计,可使部件在最短时间内得到更换;如整组过热器更换只需1 天时间,设计使用寿命为6--8 年的使用周期,材质采用TB347、TB34102 等(日本住友);由如激振清灰35 年的应用历史,已经相当的成熟;给料系统设计有计量系统、螺旋输送器、分料阀等,超过10 年的工程应用实践。


  流化床废弃物焚烧系统示意图

  

(6)利用流化床处置污泥。其他废弃物掺烧也很容易实现,如污泥与其他燃料掺烧可以任意比例设计;可以将干污泥与湿污泥(H20=60%或以上)利用蒸汽干燥到水分30-40%后进行混合后进炉焚烧;且污泥干化不需要添加任何药剂;小型焚烧一般有导热焦油炉干燥污泥。

  

 

 

 

 

小结:不管是与Foster Wheeler 公司还是Outotec 公司交流,他们都一致提到了根据北欧国家垃圾管理政策法令,所有生活垃圾必须经过预处理才能进入焚烧,形成固体回收燃料,他们认为这样起到了分离金属、减少焚烧系统灰渣、降低积垢、可以使用更高参数而能有效的避免腐蚀问题、做到更低的排放标准以及提高能源转化率。

 

 

 

 

 

 

二、典型工程实践案例

 

 

 

 

 

北欧国家的森林覆盖率均很高,尤其是芬兰,覆盖率达到了70%以上,所以大多数焚烧厂并不叫垃圾焚烧厂,而是生物质电厂或能源利用工厂,因为城市生活垃圾在一个焚烧工厂里只是占了所需燃烧一定的比例,还有其他农林或农林的物质进行掺烧;但在距离瑞典首都斯德哥尔摩1.5 小时车程的一个叫Vasteras 的瑞典东部城市,它是西曼兰省省会,位于滨梅拉伦湖和斯瓦特河口的地方就有一座名副其实的垃圾焚烧电厂。我们就以韦斯特罗斯的麦拉能源工厂为例进行描述,如下:

  

1、工厂简介

  

麦拉能源工厂是北欧地区最大的电厂,实行区域性供暖业务,于1954 年开始建设,1#--3#锅炉1969 年建成投产;4#锅炉1973 年投产,5#锅炉2000 年投产;6#锅炉是扩建锅炉,2002年投入使用,专门焚烧城市回收燃料的锅炉,就一台独立的锅炉,每年焚烧燃料(SRF)为48 万吨(单位时间60 吨每小时);由于本地只有11-12 万吨每年产生量,因此从欧盟其他国家进口。在欧盟如英国的填埋费用是每吨100 欧元,而卖给能源厂是40 欧元;工程投资3 亿欧元。


  

2、核心设备提供商

  

垃圾制备设备(芬兰BMH 公司)、锅炉(芬兰Valmet 公司)、汽轮发电机(德国SIEMENS公司)、烟气处理系统(法国Alston 公司);烟气排放完全符合欧盟标准。

 

3、工艺流程

  

城市生活垃圾经运输车或船运到码头-----车子调拨到垃圾原生库-----全自动行车抓吊-----破碎机-----磁力分选机(铁器类金属)-----涡流分选机(铝、铜等金属)-----风力分选机(可自动调节)------惰性物料分离------轻质物料进入垃圾成品库-----经全自动抓吊进入炉前受料装置------由炉前垃圾输送机进入锅炉焚烧。

  

焚烧炉需要150 吨的沙子作为床料启动锅炉,锅炉冷态启动所用的燃料的是油,当床温达到550℃时投入木片生物质燃料,当床温达到850℃时投入垃圾(SRF),启动油与生物质停运。


前处理系统流程

  

经过一系列能量转换,锅炉产生的热能产生50MW 的电力,7.5Mpa、480℃的蒸汽、150MW 的区域性供暖;烟气净化系统处置烟气采用了石灰增湿活化喷射、活性炭喷射以及水,经布袋除尘器除尘后再经过烟气洗涤塔,然后采用烟气冷凝技术将排烟温度135℃降到35℃,实现30MW 的区域供暖,合计180MW 是区域供暖(不发电)、夏季74℃、冬季120℃,压力1.6Mpa,供周边居民使用。


能量转换流程


4、运行管理

  

(1)取样管理;进厂区域与国内的垃圾焚烧厂类似设置有自动计量过磅系统,同时在磅区有取样间与化验间,进厂的车辆进行抽样取样,并标号、化验、记录、存储。

  

(2)黄色、蓝色区划进行划分;蓝色区域说明是安全并没有臭味、粉尘,对人体不会产生有害;而标注的黄色区域说明是对人体有一定危害的区域,需要相关人员进入该区域进行工作防护,进入清洁区域前进行冲洗、更换防护设施等。


  

(3)其他:首先是标识标牌,全厂的标识、标牌十分的规范与整齐,与建设工程电缆、管道铺设、外保温安装等相辅相成;其次是全厂每一个设备上均有挂牌及二维扫描码,进入电脑程序可以知晓设备的所有相关信息,为设备的点检奠定了基础;再次该厂自动化程度极高,全厂工作值班人员为12 人,负责6 台锅炉的运行(预处理车间做到了无人值守)。


  

全自动行车/标识、标牌/电子信息牌

  

(4)运行总体信息:

  

4.1 收入来源:电价发电0.1 欧元/KW.H;蒸汽与供暖;价格因使用方不一而不一,指公司、家庭不同而付费不一;外购垃圾补贴,进口48 万吨每年(40 欧一吨)  


4.2 炉渣与飞灰,总产生量为10%,比例5:5;炉渣用于铺路、建材或填埋场覆盖;飞灰也属于危废,而在瑞典没有此类填埋场,运到了挪威,一般是固化后填埋(废弃的石灰石矿场内)。 


4.3 每年设定2 周的维护保养,维护人员一般为外协为主,企业协助;2014 年盈利额达到了550 万欧元。  


4.4 燃料来源的稳定性分析与判断:全欧洲对固体废弃物的产生量进行数据库分析,如瑞典900 万人口,34 个厂,英格兰24 个厂,为了节约运输成本,由原来的火车改为船运。

  

5、瑞典对城市固废的产生与处置原则

  

(1)号召国民对垃圾进行全面分类,从源头减量;  

(2)通过各个环节的现代化机械装置进行分选再利用;  

(3)分选出来的可利用的物质进入再循环;  

(4)制作回收能源燃料作为能源或其他形式使用。  

(5)终端处理。

  

 

 

 

 

 

小结:将SRF 作为主燃料焚烧或气化的项目定位能源工厂,高标准建设,采用当前全世界最先进的装备及工业,加上精益的生产管理体系,打造成智能化工厂与高效的能源利用工厂,达到了运行连续稳定、清洁排放、能源转化率做到最优的环保电厂,成为了北欧国家乃至整个欧盟的典范

 

 

 

 

 

三、固废政策与行业规范体系建设

 

 

 

 

 

芬兰国家技术中心(VTT)是该国科技创新的一个重要基地,由18 个国内的顶级企业以及11 个国家级的高等院校、科研院所组成进行联合机构;主要针对自然资源、环境、基础应用研究、中试研究、清洁与可持续发展等方面进行联合攻关,是一个非盈利的机构,该集团由政府、欧盟机构、企业各占1/3 联合投资组成。

  

我们在芬兰国家技术中心(VTT)了解到,他们认为,生物经济是循环经济的重要组成部分,他们的职责是价值链创新,帮助企业盈利,主导编制国家标准、行业规范乃至参与欧盟的标准与规范体系,所以在模拟仿真、行业更新、提高附加值方面做了大量的工作。VTT 的相关专家为我们介绍了欧盟对固体废物的管理标准、SRF 的定义与简析、燃料与烟气的检测以及CFB 燃烧SRF 的应用研究成果等;简述如下:

 

1、政策

  

基于废弃物管理原则的欧洲废弃物立法

  

(1)欧盟废弃物框架指令:2008/98/EC 定义基本原则

  

1.1 废弃物处理不得危害人类健康或环境  

1.2 选择处理方式时,必须优先次 

1.3 废弃物处理商责任制  

1.4 污染者付费制

  

(2)国家立法强制执行,要求提供废弃物的使用率

  

2.1 2012 年5 月,发布最新的芬兰废弃物处置法律  


2.2 减少填埋处置,提高源头分类、回收。  


2.3 回收目标:垃圾70% (2020 年)、MSW 50%(2016 年);生活垃圾中的纸张、金属、塑料、玻璃50%(2016 年)  


2.4 禁止填埋有机垃圾,实际处理中,将会终结处理MSW 的填埋。  


2.5 垃圾填埋税2011 年为40 欧元每吨,2015 年55 欧元每吨。

  

(3)法令明确固体废弃物管理流程中的各方职责


3.1 政府机构负责家庭生活垃圾和公用服务所产生的垃圾(城市垃圾)。


3.2 企业负责自己所产生的垃圾(占总MSW 的30-40%)


3.3 处理商负责下列类型废弃物的收集与回收利用,如废弃轮胎、再生纸、报废汽车、电子电器设备、包装废物、电池等。


3.4 主要的收集系统:指定特性物品的收集点;当地的收集点(如靠近超市等)。

  

2、标准(关于SRF 的相关规范体系)

  

(1)定义

  

固体回收燃料SRF(Solid recovered fuel):从非危险废弃物种生存而成的固体燃料,用于在焚烧长或燃烧设施内实现能量回收再利用,它必须满足在EN15359 标准设定的分级和规范要求。

  

术语SRF 仅在满足标准EN15359 设定的条件下使用;SRF 不等同于RDF(垃圾衍生燃料Refuse derived fuel)

  

(2)SRF 标准化过程

  

19 世纪90 年代,已进行数个有关回收燃料的执行指南;2002 年,授权CEN(M/325)进行SRF 标准化,建立技术规范(TS),转化技术规范为欧洲标准(EN);2002 年3 月13 日,成立CEN/TS 343 工作小组;芬兰标准化协会成立工作组,工作方案包括27 个强制性工作条款,分配到5 个工作小组;2004 年开始,出版技术报告;2010 年开始,完成并出版技术报告;2011 和2012 年,出版欧标版技术规范;2012 年2 月,M/325 实现授权。

  

(3)SRF 的标准化及目标

  

(4)效益分析

  

固体回收燃料:标准化的高质量燃料,高热值且生物质含量高;减少碳排放量,满足环境要求;提供高效垃圾管理方案,帮助满足减少填埋目标;减少对有限的且进口化石燃料的依赖。

  

标准化:强化理解-----SRF 是燃料;提供工具----质量一致性和量化属性;改善商业环境;垃圾管理的样例。

  

(5)EN15359 标准的目标

 

欧洲标准(EN)致力于促进SRF 的高效率交易;增强燃料市场对SRF 的可接受度;提高公信度;该标准将促进买卖双方达成良好的理解;有助于购买,跨界交易、使用和管理,和设备制造商沟通;授权许可程度。

  

(6)SRF 分级系统

  

EN15359 是SRF 标准化的核心标准,其基于三个主要参数:

  

6.1 经济参数:燃料的低位热值

6.2 技术参数:垃圾中的氯含量

6.3 环境参数:垃圾中的汞含量

  

选取的参数将以直接且简单的描述形式,向利益相关人展示商议中的SRF 质量和数值。


  

6.4 强制说明还规定了其他附带性条例,如来源、颗粒形式、颗粒尺寸、净热值、灰分含量、含水量、氯含量、重金属等,每一个项目都有一个指导性的导则,如下:


  

3、国家技术中心对CRF 在CFB 焚烧炉内燃烧的研究

  

(1)产、学、研高度融合

  

利用SRF 燃料进行高效的清洁利用方面,芬兰有两大研究基地,分布在中部与南部,中部负责流化床燃烧技术的研究,南部负责气化技术的研究;流化床平台有100 多位技术专家组成;他们做好该技术要认识到:

  

3.1 各工艺的区别主要在于温度等级和气体环境。

  

3.2 工艺集成、行业紧密合作和优异强大的实验能力。


(2)排放标准严格执行2000/76/EC

(3)排放测量的能力建设,同时与国际相关机构的合作。

(4)对流化床燃烧废弃物进行深入研究,如燃烧、排放、飞灰、石灰、结焦、腐蚀、积灰、燃烧失衡等,结合工程实践,对各种环境进行仿真模拟试验。


 

 

 

 

小结:根据欧盟及芬兰的法令,未经处理的城市生活垃圾不能进行填埋;“谁产生、谁负责”的收税原则;定义SRF 的是燃料,不是垃圾,量化属性的依据,固体回收燃料,改善商业环境提供示范;制定燃料规范,设定等级,并加以产业化推广应用。另外我们在Lahti的废物管理公司也了解到,进入填埋场的是不能循环利用的废物,当前填埋场已经关闭多座,废物管理公司也与很多的合作伙伴展开回收利用的工作,这些场地作为学生研究学习的实践地之一,并出台未来5-10 年的废弃物管理计划,使废物管理达到一个较高的水平。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

四、总结

  

 

 

 

 

通过对北欧国家的考察学习,个人理解对城市废弃物的管理与合理的处置是一个庞大的系统工程,需要政府、企业以及科研院所的协调与支持,同时具有强大创新能力的优质设备制造商也是支撑废弃物循环利用、能源清洁转化的关键之一,总结如下:

  

1、管理政策与行业标准层面

  

(1)呼吁政府主管部门打破单一的直线管理模式,实现跨界合作,如农业部门、林业部门、城市环卫部门等相关主管机构强强联合,对人们生产、生活过程中以及农林、生物质等所产生的废弃物统一协调管理。

  

(2)根据不同种类的废弃物,借鉴与学习国外的经验,制定出台符合中国特点的SRF 标准,全面推进促进资源化利用,促进建设节约型、环境友好型社会。

  

(3)在投资、建设、营运模式方面,除了BOT、BOO、BT 等模式,是否可以考虑实践推进PPP 模式。

  

(4)对废弃物的管理制定法令,以法律予以约束,提高垃圾废物产生者的收费税率,提高处理商的合理处置利润空间。如英国:所有的焚烧厂均需要采取预处理后焚烧或气化发电;荷兰作为一个新兴国家,对垃圾的处理也是最大化的回收后焚烧发电。

  

(5)积极鼓励国民源头分类、资源回收,可再次利用的资源不能浪费,进入循环体系。

  

2、科研机构与废物处理商(运行企业)层面

  

(1)在国家政策层面良好环境的驱动下,高等院校、科研院所以及运行企业、设备制造商紧密合作,进行产、学、研强强联合是很有必要的,因为工程实践需要科技的支撑。

  

(2)多方团队组成研究机构必须要有创新精神,建立强大的信息数据库及各种试验装置,为后续的工程实践提供科学的设计与运行依据。

  

(3)大力发展分布式能源、热电联产类项目,将工业垃圾、农业垃圾、生物质、城市生活垃圾等协同处理是很好的城市及城镇废弃物解决方案;可以单独的燃料设计也可以多种燃料设计。

  

(4)投资者要聚焦世界上最先进的工艺与装备,要想达到高效的能源利用与转化率以及高品质的参数(高温高压),因此要做到高参数、高标准、高能效,则必须是高效的制备与焚烧系统、清洁排放的烟气净化系统、高效的汽轮发电系统等,需要装备的全面集成。

  

(5)借鉴与学习国外的装备及制作工艺技术,特别是材料的选择与加工工艺方面,发展国有装备技术,建立工程装备示范基地,因此设备制造商也需要在冶金制造、机械设计加工方面努力提升,以便更好的服务于环境业。

瑞图