垃圾焚烧中的双碳方案
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。
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，
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》：
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。
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。
二噁英
首先这个“噁”字确实没有查到权威的发音。有读“恶意”的“恶”，第4声。也有读“误会”的“误”，第4声。本文的推荐是10年后再看，那个用得多，就读哪个，语言只是一个工具，如五笔输入，还拼音输入，这不重要。
二噁英不是一个单一物质，是一组含氯的污染物。是一组剧毒物质、致癌物。在人体半衰期有5 - 10年，即不管吸多少，当我们以10年的长度来看时，还是越少越好。
这个东西不是人工主动合成，是燃烧的副产品。在300 - 400℃产生，在800℃停留2秒时，完全分解。
当燃烧的成分中，含有氯时，这个祸害就有可能出现。而垃圾焚烧的原料 - 垃圾含有巨多的氯（各种塑料制品），还会有铜、钴这类金属催化物，所以垃圾焚烧是极易产生，其处理时必须满足：
高温焚烧：烟气在850℃以上停留2秒以上，这个高出的50℃是工艺安全余量，以免出现炉内温度不均时，部分区域没有达到800℃.
减少滞留：烟气降温时，快速降到200℃以下，减少在200 - 500℃的时间，相对二噁英特性的300 - 400℃产生温度，同样是留出100℃安全余量。
活性碳吸附：最后在各种烟气净化工艺后，用活性碳再吸附二噁英，以及其他的有害成分。
具体可见国标：生活垃圾处理技术指南，建城[2010]61号
生活垃圾处理技术指南更多二噁英通识，请见百度百科：
二噁英_百度百科余热发电系统：
与常规火力蒸汽轮机发电机组，唯一区别就是这个锅炉是烟气余热蒸汽锅炉。需要配合垃圾烟气的特性做好防腐涂层，定期喷淋除垢系统，以及定期更换换热管避免腐蚀穿孔。
其他如标准蒸汽轮机系统，蒸汽驱动轮机，由凝汽器冷凝成水，进入除氧器除氧，最后回到余热锅炉生成蒸汽。
热泵的热电联产：
也如同标准热电厂，热泵低温水（冷水）对接冷却塔，代替冷却塔的冷却功能。
中温水是热网回水，经热泵1级升温后，再进入2级换热器，由蒸汽换热，确保热网供水温度达到与外界的合同约定值。
同时这路蒸汽也是热泵的驱动热源。
此类应用，采用溴化锂蒸汽热泵居多，也有用电热泵的，一切以运营成本说话。
溴化锂与电热泵对比，请见《热泵 溴化锂vs电 决策的秘密》：
市政污泥处置
如同前文的渗透液处置，净水排放或再利用，剩余的即为污泥。
因为污泥最后的归属就是焚烧，所以垃圾焚烧厂通常会配有污泥处置生产线。
目前较火热的是热水解+高温厌氧消化工艺：
热水解是70℃保温3天，再55℃厌氧环境保温25天。
根据具体成分和工艺，过程会产生沼气、有机肥、残渣等，分别对应烧掉、用掉、焚烧的最终处理归属。
参考：“热水解-高温厌氧消化”工艺处理高含固率剩余污泥的中试研究，环境科学
更多参考资料有：
生活垃圾焚烧污染控制标准，GB18485-2014
生活垃圾焚烧污染控制标准_中华人民共和国生态环境部生活垃圾焚烧发电厂环境管理进入新阶段—《生活垃圾焚烧发电厂自动监测数据应用管理规定》解读
生活垃圾焚烧发电厂环境管理进入新阶段-《生活垃圾焚烧发电厂自动监测数据应用管理规定》解读_中华人民共和国生态环境部垃圾焚烧中的双碳方案
徐唯轶
工程师学暖通
