城市固体废弃物制备衍生燃料技术研究进展及应用现状

于鉴兰 李紫龙 罗丹 刘志华 焦乙枭

（重庆远达烟气治理特许经营有限公司科技分公司 重庆 401122）

1 概述

随着人口增长及城市化水平的不断提升，城市固体废弃物已成为影响环境问题的重要因素，关系到全球生态环境质量及人类生命健康安全［1］。据模型预测，到2050 年全世界固体废弃物总量将增长70%，达到34 亿t，而我国自2004 年起就已成为全球最大的垃圾生产国［2］。生活垃圾所带来的水、土、气污染已经严重威胁到人民的生存环境，造成不可逆的影响。因此，必须对其实现减量化、资源化和无害化处置，以降低环境危害。

目前，我国生活垃圾处置方式主要有填埋、堆肥、焚烧等。随着生活垃圾量的增加，卫生填埋的弊端逐渐暴露，受限于土地资源、处理量低、处理过程渗滤液及恶臭气体排放等无法得到妥善解决，严重影响周围居民生活环境等问题凸显。垃圾堆肥本身存在处理效率低且处理周期长等问题，受温度等多种因素影响，稳定性差，无法实现大规模处置。相较于填埋和堆肥而言，垃圾焚烧具有处理时间短、效率高、不侵占大量土地、能实现资源转化利用等优势，在生活垃圾处置领域的占有率逐年增加，到2019 年首次突破50%［3］。

垃圾焚烧不仅能实现垃圾终端处置，而且能“变废为宝”实现资源利用，焚烧产生的热能可转化为电能，国内光大环境、三峰环境等企业在垃圾焚烧发电领域技术已趋于成熟。但垃圾直接焚烧会带来大量的污染气体，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较高时，无法焚烧。为进一步优化生活垃圾焚烧技术，降低环境负担，将生活垃圾进行预处理后再进行焚烧成为新的选择。垃圾衍生燃料（refuse derived fuel，RDF）技术起源于美国，其原理是将生活垃圾分选、破碎、干燥、加入添加剂混合均匀后，通过成型机制成不同规格的颗粒形状，主要成分包括塑料、橡胶、纸、木屑、纺织物以及烘干后的有机生物质等。成型的RDF 具有高热值、易运输等优点，可作为替代燃料，减少化石能源的使用。

2 城市固体废弃物制备衍生燃料

2.1 生活垃圾制备衍生燃料

不同地区的城市生活垃圾成分差异较大，如表1 所示，厨余垃圾占比均超过50%，纸类、塑料、织物等占比虽小，但其热值较高，能达到4 000 kJ/kg，具有较高的回收利用价值。RDF制备工艺如图1 所示，通常将生活垃圾经过一次破碎，再由筛分机进行分选，将金属、玻璃等不燃物分选去除，进行二次破碎。破碎后加入氧化钙（CaO）等添加剂混合均匀，通过成型机压制成型，经干燥后得到具有一定热值的RDF。

图1 生活垃圾衍生燃料制备工艺流程

表1 不同地区城市生活垃圾组成情况 （%）

已有研究表明［4］，成型RDF 热值范围在9 000～16 000 kJ/kg。影响RDF 性能的因素较多，其中包括物料含水率、添加剂比例以及成型压力等因素。赵学［5］研究表明生活垃圾含水率为8%左右时制得的RDF 物理性能最优，延展性和耐磨性指数较强，便于堆存和运输；李延吉等［6］实验发现，RDF 制备过程中含水率控制在10%～14%之间时，物料出料速度和出料量稳定性较好。RDF 在制备过程中使用添加剂CaO 能有效地起到脱硫和脱氯的作用，减少酸性气体及二噁英的排放。马涵宇等［7］研究发现随着CaO 添加量的增加，RDF 燃烧残渣质量百分比增加，而尾气中的HCl、SO2量明显减少，当CaO 添加量达到2%时HCl 最少。此外，RDF 制备过程中的生活垃圾本身的原料组成也对RDF 影响较大。随着塑料的增加，RDF 热值明显增大，但占比超过20%会导致RDF 成型困难，松散易碎。李玉龙［8］研究表明垃圾原料提质后，参照织物∶废纸∶塑料=4∶4∶2 比例制成的RDF 热值高达22 MJ/kg。综上所述，目前RDF 制备受到多种因素的影响，并未形成统一的工艺流程及标准用于生产标准化的RDF，而随着RDF 制备技术的发展也衍生出利用其他城市固体废弃物制备RDF。

2.2 生活污泥制备衍生燃料

生活污泥作为城市固体废弃物之一，产生量巨大。据统计，2020 年我国湿污泥年产量约3 500 万t，污泥中含有丰富的有机质，干基热值在7 000～15 000 kJ/kg 之间，约为褐煤热值的一半［15］。相较于煤，污泥具有高挥发性、低固定碳、高灰分等特点。因此，将生活污泥燃料化可在能量回收基础上实现最大程度的减量化，并控制污泥中有害物质传播。

目前，研究表明［16］生活污泥可作为原料替代生活垃圾中的厨余部分制作RDF，一方面可作为RDF 粘结剂，另一方面为RDF 的高热值增效。同时，污泥也可单独干化做成型燃料，利用污泥制备衍生燃料技术可根据污泥含水率的高低分为3 类：干污泥成型、半干污泥成型和湿污泥成型技术［17］。其中，干化污泥是将城镇污水处理厂中含水率80%左右的污泥通过板框压滤、圆盘脱水等脱水工艺降至含水率为20%左右，再与其他城市固体废弃物混合压制成燃料的过程。魏国侠等［18］将脱水污泥与破碎棉杆按照4∶1 比例混合后送入造粒机，形成的衍生燃料热值为12.75 MJ/kg。专利“利用污泥和生活垃圾制备颗粒燃料的资源化利用方法”［19］和“利用城镇污水厂污泥与生活垃圾制备成型燃料的方法”［20］等都是将污泥干化后再成型的工艺方法。该技术的脱水干化和成型成本较高，但实施过程中的环境卫生情况能做到最佳。

半干污泥成型技术是将含水率80%左右的污泥脱水干燥为40%～50%，加入辅助燃料混合成型，该技术充分运用了污泥的粘结剂作用。例如，李春萍［21］实验发现，添加5%的半干污泥作为粘结剂，RDF 的成型率和落下强度均高于未添加。赵学等［5］将污泥、橡塑、纸类、织物、木竹按照16∶20∶8∶3∶3 的比例混合后制成的RDF 能满足堆存运输要求，且热值能达到20 MJ/kg。专利“以高湿生活垃圾、城市污泥制备衍生燃料的工艺”［22］和“一种污水污泥资源化利用系统”［23］均是将半干污泥压制成型制备衍生燃料。此方法相较于干化污泥成型，能够节省一定的干化成本，但成型成本较高。

湿污泥成型技术是直接将含水率80%左右的污泥与煤、生物质和焦炭等其他助燃物混合成型，再将成型颗粒干化或直接送入炉内掺烧。吕杨等［24］研究发现，污泥按照5%的比例混入煤中掺烧，可保证发电站的尾气净化装置正常运行，过高的掺烧比例会造成严重的结会现象。发明专利“一种超细污泥燃料及其生产方法”［25］发现将污泥、煤和燃料油混合，经过研磨和均质化处理至粒径20 μm 以下，形成浆状燃料直接送入炉内掺烧，燃烧完全。值得注意的是，湿污泥热值相对较低，在进入炉内后可能会增加锅炉的负荷，且恶臭等环境问题依然存在，但湿污泥燃料的制备成本低，无需额外的脱水工艺。

综上所述，半干化和干化污泥的混合压制是生活污泥制备衍生燃料技术中能较好实现减量化和资源化的主要途径，未来污泥干化技术仍然需要进一步革新，降低成本，最终实现污泥燃料的产业化。

3 衍生燃料的应用

3.1 燃煤电厂

燃煤电厂耦合垃圾衍生燃料发电是实现煤电低碳转型，大幅度降低二氧化碳排放的重要发展方向。近年来，国家能源局和生态环境部大力支持煤电厂耦合污泥、生物质等发电，并在多个煤电企业开展试点工作［26］。目前，利用衍生燃料的燃煤锅炉主要有煤粉炉和循环流化床锅炉。浙江浙能嘉兴电厂利用煤粉炉耦合污泥发电，利用高温蒸汽对污泥干化后直接送入燃煤锅炉焚烧，截至2019 年底该项目累计处理湿污泥35 万t；南京华润热电厂也利用低品质蒸汽作为热源间接干化污泥，然后与煤按照一定的比例掺混后送入循环流化床锅炉焚烧，该项目运行数据表明脱水污泥按照7.35%的比例掺烧时电厂尾气排放指标均在正常范围内［27］。然而，研究发现燃煤电厂耦合污泥发电后烟气中的颗粒物、重金属、二噁英含量有所增加，同时飞灰和炉渣中的重金属含量也会增加，但将污泥掺烧比例控制在10%以内时，对重金属的达标排放则无明显影响。针对二噁英含量的增加尽可能选择含氯量较低的污泥以及控制炉内温度在850 ℃以上，保证烟气停留时间＞2 s 或采取烟气急冷和飞灰高效脱出等技术［26］。

针对RDF 的应用，国外已有较成熟的产业链，例如，欧洲一些国家将固废制成RDF 产品销售，并对其生命周期进行评估，发现RDF 混合发电可减少51.47%的温室气体排放，而泰国、印度等国家也提出开发5～15 MW 的小型发电厂用于RDF发电［28-29］。我国针对RDF 的应用虽发展较晚，但也有大量的研究表明RDF 在煤电厂应用的可行性。王静毅［30］研究证实，RDF掺烧比例＜30%时，锅炉热效率能维持较高水平，烟气中污染物排放量均达标，且能够减少烟气中SO2的排放量。江苏徐矿综合利用发电有限公司利用循环流化床锅炉综合利用污泥与纺织废料制备的RDF，可实现年处理纺织边角料20 万t/a，废污泥20 万t/a；国能驻马店热电有限公司利用现有煤粉炉协同资源化利用7.2 万t/a 危废，其中污泥3.6 万t/a，药渣3.6 万t/a；河南华润电力首阳有限公司依托直流锅炉综合利用生活污泥、鞋业废料等，年处理能力达13 万t。

总体而言，RDF 在燃煤电厂的应用还处于发展阶段，要实现节能环保的要求必须控制掺烧的比例，确定掺烧入炉条件，然而目前我国尚未出台相关的法律法规和技术规范，因此，有必要通过技术的发展、市场的开放推动政策的落地。

3.2 水泥窑

RDF 替代化石能源燃烧最先出现在水泥窑中。20 世纪80 年代，挪威一水泥厂首先使用污泥作为替代燃料，开启了水泥窑协同处置城市污泥的先例。随后，国内学者在开展污泥制备燃料研究时发现成型污泥燃料能满足工业燃用标准，且混烧后不产生二噁英等，环境风险较小［29-31］。目前，我国已出台《水泥窑协同处置工业废物设计规范》（GB 50634—2010）［32］、《水泥窑协同处置固体废物污染控制标准》（GB 30485—2013）［33］、《水泥窑协同处置固体废物环境保护技术规范》（HJ 662—2013）［34］等相关规定，要求用作水泥生产替代燃料的废物热值应＞11 MJ/kg，并对入窑物料重金属含量设定限值。据统计，截至2021 年底，我国共有300 多条水泥熟料线配套协同处置项目，其中塔牌水泥、冀东水泥、拉法基水泥、红狮水泥等龙头企业均大力发展水泥窑协同处置项目。例如，华新水泥预计在2025 年前使用替代燃料，使全系统热替代率达到30%；台泥水泥在2025 年前替代燃料总利用规模将达到3 000 t/d；华润水泥预计达到节约燃煤2 000 t/d。按照2022 年我国水泥产量22.18 亿t 核算，以20%的比例掺烧RDF 作为水泥窑替代燃料，可节约3.11 亿t 煤。此外，实验表明［35］RDF 的投放可以减低烟气中NOx 和SO2的生成量。由此可知，水泥窑综合利用衍生燃料发展较为成熟，应用案例已遍布全国各地，值得一提的是制约其发展的主要因素是无法获取稳定的RDF 来源，这与我国欠缺统一的RDF 等级标准有关。

4 结语

城市固体废弃物制备衍生燃料技术具有对象广、数量大、二次污染少等优势，应积极推广，特别是应鼓励大中型城市建立固定的固废处置中心，生产统一的衍生燃料产品。一方面利用衍生燃料热值替代化石能源节能减排，另一方面将固废无害化、减量化和资源化利用。作为企业，不管是燃煤锅炉还是水泥窑的协同综合利用都应充分考虑燃料的准入要求，降低污染物的排放，严控二噁英等危害物质的产生，再考虑其经济性。作为政府，应积极推动企业绿色低碳转型，完善衍生燃料制备相关技术标准，给予技术研发单位足够的支持，促进固废处理行业的快速发展。整体看来，我国衍生燃料制备技术已趋于成熟，尚缺乏相关法律法规，而市场应用正处于发展阶段，未来衍生燃料的使用可为电厂、水泥厂等企业节能减碳开辟新的出路。