城市生活垃圾固体替代燃料的制备技术及应用

贾婷，罗立群*

1.武汉理工大学资源与环境工程学院

2.矿物资源加工与环境湖北省重点实验室

随着经济快速发展，我国城镇化水平从2005年的42.99%提高至2021 年的64.72%，城市发展规模快速扩大，如贵州省常住人口从2011 年3 469 万人发展到2021 年3 852 万人[1]，因而城市生活垃圾产生量日益增多、组分日趋复杂。垃圾在处理过程中一方面通过填埋、焚烧、堆肥等产生部分温室气体；另一方面在减量化处理过程中消耗了资源和能源，又造成额外温室气体排放[2]。我国二氧化碳排放总量约为100 亿t，碳排放强度较高[3]。因此，城市生活垃圾的有效管理与处置以及实现碳减排成为当前城市发展的难点和热点。固体替代燃料（SRF）是通过一系列预处理、破碎、分类、筛选等工艺，将来自生产、生活中的非危险废物制备成能够为各类单元提供热能的燃料。我国垃圾处理存在混合收集、处置粗浅、利用率低等问题，导致可回收利用资源浪费，并存在混合部分危险废物造成环境污染的风险。当前，我国在推进生态文明建设进程中，城市生活垃圾减量化、无害化、资源化已成为发展主线[4]。在制备SRF 过程中，生活垃圾的干化和分选，能够降低垃圾含水率，提高垃圾焚烧热值，提升城市生活垃圾利用效率，降低焚烧投资成本。目前SRF 主要应用于水泥煅烧和火力发电等领域，能减少化石燃料的燃烧，节约不可再生资源，有效减少碳排放，对实现碳中和具有重要的实践意义[5]。因此，总结SRF 的制备与应用技术有助于推动城市生活垃圾减排，提升资源化利用水平，尽早实现碳中和与碳达峰目标。

1 固体替代燃料来源与标准

1.1 城市生活垃圾的组成

城市生活垃圾种类多、组成复杂，经过干化、分选等工艺制成的SRF 性质差异较大，垃圾组成会影响SRF 的质量。我国不同区域城市生活垃圾组成如表1 所示。从表1 可以看出，厨余垃圾占生活垃圾总量的比例最大，为50%～75%；其次是纸类、灰土类与橡塑类，平均占比为5%～25%；织物类、木竹类、金属类、玻璃类、其他类垃圾占比较少，为5%以下。根据2012—2022 年《中国统计年鉴》，我国的垃圾处理方式以填埋和焚烧为主，2021 年卫生填埋处理量为0.52 亿t，焚烧处理量达到了1.8 亿t。2011—2021 年的生活垃圾清运量及无害化处理量见图1。从图1 可以看出，生活垃圾无害化处理率持续增长，2021 年达到99.9%，全国垃圾清运量达到2.49 亿t[1]。

图1 2011—2021 年我国生活垃圾清运量及无害化处理量Fig.1 Domestic solid waste clearance volume and harmless treatment volume in China from 2011 to 2021

表1 我国不同城市生活垃圾物理组分占比Table 1 The proportion of physical components of different municipal solid wastes in China %

1.2 城市生活垃圾处理现状

我国城镇生活垃圾处理方式以填埋和焚烧为主，垃圾填埋需占用大量土地，释放的甲烷占温室气体排放的比例逐渐增大[10]，且容易对土壤及地下水造成污染；垃圾焚烧具有处理量大、速度快、占地面积小的特点，对垃圾减量化、无害化、资源化有很好的处理效果，但会排放二噁英和重金属[11]，造成大气污染的风险。比如贵州省黔南州罗甸县主要采用收运+填埋的方式处理垃圾，日收集生活垃圾230 t、转运250 t。从罗甸县城市生活垃圾组成（表2）可以看出，罗甸县收集到的生活垃圾成分复杂、含水量较高，可燃组分占有相当大的比例。该县建立的生活垃圾焚烧厂处理量为700 t/d，能够大量减少垃圾的填埋量，但目前县城中垃圾收运体系不完善、收运方式落后、垃圾难分类等特点造成垃圾进入焚烧厂的热值不高（原生垃圾低位热值在5 000 kJ/kg 左右）、燃烧热值不足，还需要添加其他燃料进行辅助燃烧。

表2 贵州省黔南州罗甸县城市生活垃圾组成Table 2 Analysis of municipal waste composition in Luodian County,Qiannan Prefecture,Guizhou province %

1.3 国内外固体替代燃料标准

欧盟在20 世纪90 年代开始对SRF 进行研究，之后授权欧洲标准委员会（M/325 任务）来建立SRF 技术规范并将其转化为欧洲标准，直到2012 年欧洲标准正式出版。目前欧盟仍采用BSEN 15357—2011Solid Recovered Fuels:Terminology,Definitions and Descriptions对SRF 进行定义和分类。我国对SRF 的研究起步较晚，2021 年11 月16 日发布了T/CIC 046—2021《固体替代燃料定义与分类》，规定了SRF 的术语和定义、采样和测定方法，罗列了制备SRF 常见的原料种类。将经济性指标低位热值（QARB）、控制性指标氯含量（ClADB）和排放性指标汞含量（HgARB）作为特征性指标，把固体替代燃料划分为5 个等级，如表3 所示。

表3 SRF 的产品分级Table 3 Product classification of SRF

替代燃料的热值与生活垃圾中的水分含量有关，低位热值越低，能量替换比增加越快，对水泥窑等燃烧系统中的工作运行就越不利。使用替代燃料全部代替常规燃料，其热值不应低于20 MJ/kg，若使用替代燃料的热值较低，则只能采用部分替代，且最高替代率为15%。燃料中的氯含量达到0.3%～0.5%就有可能造成氯化物循环富集，欧盟标准要求氯含量更低，Q1 级产品氯含量要≤0.2%。因此在制备替代燃料过程中更要加强垃圾废物的分选工作。

T/CIC 047—2021《固体替代燃料制备技术规范》规定了SRF 的制备原料、工艺、产品检验、工厂要求等事项；考虑到SRF 主要应用于水泥窑和火力发电，T/CIC 048—2021《火力发电用固体替代燃料》和T/CIC 049—2021《水泥窑用固体替代燃料》规定了相应的技术要求、试验方法、检验以及产品的贮存运输等内容。4 个标准发布标志着我国SRF 标准体系基本建立，正走向标准化、规范化的道路，SRF 从认定、分类、制备到应用要求都有据可依，促进了我国资源再利用、垃圾分类的生态治理。

2 固体替代燃料制备技术

SRF 的制备方法主要是机械生物处理技术（MBT），它是一种独特的固废分类处理集成技术，包括干化和机械分选，其中干化分为热干化和生物干化。我国垃圾含水率较高，干化能够减少垃圾中的水分，使垃圾比较松散，为后续分选提供便利；机械分选是根据垃圾的物理属性，通过破碎、筛分、风选等一系列工艺进行分类和分离。MBT 技术在德国和意大利被开发，第一批工厂在1995 年建立，德国的第一代MBT 工艺为烟道处理工艺，仅能处理20%～30%的有机垃圾；第二代处理工艺将物质分拣系统带入后能处理25%～50%的垃圾。经过不断发展欧洲已经有较大规模的MBT 工厂且技术较成熟，如德国建成运行46 家MBT 处理厂预处理生活垃圾，处理量为500 万t/a[12]。Grosso 等[13]研究了MBT与垃圾填埋场相结合的流程（图2），其特点是经过MBT 工厂处理后，分选出的废物被送入生物反应器垃圾填埋场进行处理，将获得的SRF 重新运用于水泥窑，作为替代燃料进行燃烧。该MBT 工厂最大优势为MBT 残渣填埋产生的沼气发电能够支持它的自我运行，年沼气发电量为3 377 MW·h，与MBT 工厂运行的能耗3 446 MW·h 几乎一致。当MBT 作为填埋场预处理工序时，能够固定渗滤液，减少废物的体积和垃圾填埋产生的气体。

图2 MBT 与垃圾填埋场相结合流程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烧厂采用“生物干化+机械分选+循环流化床锅炉”焚烧工艺，垃圾干化后通过破碎机减小粒径，再经过风选机、磁选机和有色金属分选机，将金属、玻璃、石块等不可燃物分选出来，其处理效果如表4 所示：1）生物干化后垃圾的含水率降到30%以下；2）经过机械分选后的细物料为16 mm 以下的燃料，主要由沙土、碎玻璃等组成，热值较低，分选后生活垃圾减量率为32.63%；3）生成SRF 产品的热值与入厂垃圾相比提高了近3 倍，达到10 536 kJ/kg。该焚烧厂在垃圾焚烧之前采用MBT 技术对生活垃圾进行分选，大大减少了垃圾的填埋量，缓解填埋场的压力，同时生成的SRF 产品热量高、含水率低，能够解决垃圾焚烧炉给料不均的问题。

表4 MBT 工厂处理后SRF 的特征Table 4 Effect of SRF after MBT plant treatment

2.1 生物干化技术

生物干化可以对生活垃圾进行预处理，是目前常用的干化途径。生物干化过程示意如图3[15]所示，其主要干化机制是对流蒸发，先从外输入气流，利用废物中的好氧生物降解产生热量，通过2 个主要步骤减少水分含量：1）水分子从废水表面蒸发；2）蒸发的水由气流通过废物基质输送，与废气一起排除[16]。生物干化与堆肥过程控制目标不同，堆肥工艺目的在于分解生物质，通过好氧微生物的降解将有机物氧化成腐殖质类物质[17]；当满足高温和通风条件时，生物干化通过有机物降解产生热量增强水的蒸发，能去除废物中最初所含30%～80%的水[18]。生物干化与废物的水分含量、自由空气空间、膨胀剂的使用、曝气速率、微生物活动等因素有关。通常膨胀剂用于调节水分含量，促进生物干化过程的好氧状态，并有助于产生额外的热量[19]。Bilgin 等[20]将生活垃圾进行生物干化降解，废物的体积减小约32%，质量减少约50%，热量提升至19 590 kJ/kg。生物干化的优点是能够将废物的生物成分和二氧化碳替代能源转化为燃料产品，去除废物中的过量水分，有助于机械加工并提高废物热回收能力[21]。

图3 生物干化过程示意[15]Fig.3 Schematic diagram of biological drying process

2.2 机械分选技术

2.2.1 机械粉碎技术

机械粉碎是通过外力作用破坏物体内部和分子间作用力，从而使得物体尺寸变小的过程。粉碎通常是机械分选技术中的第一个操作，能够改变固废的性质，消除孔隙，减少材料体积，让颗粒符合粒径和形状方面的要求，便于后续处理和运输。粉碎设备一般有锤式粉碎机、旋转剪切破碎机和球磨机。锤式粉碎机用途广泛，其对原料含水率要求较高，当原料含水率较高时会黏附壁板，从而堵死内腔、磨损设备[22]；另外，该设备为冲击式粉碎机，可能会造成SRF 质量不高。剪切破碎机破碎产品比锤式粉碎机更加均匀，而且不容易污染SRF，但在输入剪切破碎机的工序之前需要筛除其中的坚硬物料，以免磨损机器。球磨机的结构简单紧凑，可靠性高，主要有连续式和搅拌式，在MBT 工艺中被用作初级破碎，缺点是能耗高。

2.2.2 分类和分离过程

废物的分类和分离是MBT 机械分选管理的核心，一般位于MBT 工艺流程的下游，在粉碎之后进行。不同MBT 工艺具体分离操作工序不同，一般包括给料机、圆盘筛、主破碎机、磁选机、风选机[23]，流程如图4 所示。废物经过简单开袋处理、生物干化之后进入机械精炼部分，输送到筛分机，按照粒径20 mm 进行分类，大于20 mm 的粒径送入风选机，风选机会将垃圾分为轻组分和重组分，轻组分经过磁选、破碎、涡流分离器分选出黑色金属、有色金属进行金属回收，近红外（NIR）光谱下工作的光学传感器分选出含氯塑料（PVC），最后进入到SRF 库中；重组分经过磁选分选出金属后进行压实送入垃圾填埋场进行填埋。

图4 SRF 制备流程Fig.4 Flow chart of SRF preparation

另外，还可利用一些传感器检测有害物质，包括X 荧光、X 透射以及红外和近红外等设施。在MBT 工艺中使用近红外理论上可用于去除含氯有机化合物（如聚氯乙烯）的塑料，但也存在一些局限性，比如深色塑料、难以用近红外进行高效处理的混合材料仍然会在材料中残存；使用X 射线可以去除SRF 杂质，如无机物和高度化学污染物质[24]。

3 固体替代燃料的应用

3.1 固体替代燃料的燃烧应用

3.1.1 水泥行业应用

水泥行业是主要的 CO2排放行业。研究表明，2020 年我国水泥行业碳排放量为13.7×108t，其中工业过程排放占60%，能源活动排放占35%，间接排放占5%[25]，水泥行业的高碳排放量十分不利于我国碳达峰目标的实现。SRF 含有大量的塑料、纸张等相关材料，高热净值达10～25 MJ/kg，可用作辅助燃料，并燃烧较低等级的燃料（如生物质、泥炭等）[26]。SRF 在水泥窑中可减少传统化石燃料的消耗，提高资源效率[27]，并进行材料回收，有助于减少温室气体排放；同时，与化石燃料相比，SRF 的硫含量较低，能减少酸化现象[28]。Wojtacha-Rychter等[29]分析70 个替代燃料的样品，采取高温燃烧红外检测法测定含碳量，采用量热法测定热值和燃烧热，结果表明每替代10%的煤，将会减少约6%的CO2排放，具有一定的经济效益，能够节省材料成本，降低CO2排放费用。Fyffe 等[30]在水泥窑的分解炉中对118 t 的SRF进行燃烧试验，发现SRF 的使用能替代7 700～8 700 t 煤炭用量，减少1.4%的CO2排放，并从垃圾填埋场转移了7 950 t 的能源密集型材料。此外，SO2排放至少减少了19%，对节约能源和环境保护有着深远的意义。

当SRF 在水泥窑中共处理时，SRF 的灰分能掺入到水泥熟料生产中取代一部分原材料。Viczek 等[31]对80 个SRF 样品进行研究发现，SRF 灰分中76.8%由SiO2、CaO、Al2O3和Fe2O3组成，是水泥熟料制造的重要原材料。

3.1.2 电力行业应用

焚烧处理在我国生活垃圾处理中逐步成为主流，但由于我国生活垃圾混合收集的原因，不可燃物含量较高，导致焚烧处理时可能出现炉排燃烧不彻底的问题。在流化床焚烧炉中，这可能引发给料不均匀、锅炉燃烧不稳定等问题，进而导致运行时间缩短和污染物排放不均匀[32]。Garg等[33]模拟分析了排放到大气中的CO2当量对全球变暖潜能的影响，结果表明煤的碳含量很高，煤炭燃烧过程中产生的CO2会导致温室气体的排放，通过在燃煤电厂用SRF 替代10%的煤炭，净CO2减排量约为1 500 g/kg。Wagland等[34]在流化床将煤分别与SRF 和垃圾衍生燃料（RDF）混合燃烧，比较SRF 和RDF 之间的差异，发现煤与RDF 的混合燃料燃烧温度很少达到900 ℃，而煤和SRF 混合燃料的燃烧温度可达到950 ℃，这是因为SRF 中存在更容易挥发的物质，而且比RDF 的水分含量更少。

3.2 SRF 共燃产生的潜在问题

SRF 的质量对未来资源的有效利用至关重要，作为电力行业和水泥厂化石燃料的替代品，只有在质量上对SRF 进行严格规范，才能让SRF 在某些关键特性上与传统燃料相似。SRF 的质量主要是由热值、Cl 和Hg 的浓度来确定，输入废料和废物处理的方式会决定SRF 的质量[35]，SRF 在共燃时潜在的质量问题如表5 所示[36-38]。由表5 可知，可从降低氯含量和灰分含量、提高热值等方面来提升SRF 的质量，从而提高SRF 的适销性。由于处理的固废中含有纸张、软塑料等成分，SRF 的粒径达到100 mm，因此SRF 比煤炭更难研磨，在燃烧过程中需要更长的时间[37]。燃料的挥发性以及灰分含量和性质将显著影响燃烧特性，燃料中不同灰分组分的相互作用因熔点不同而异，其先变成气体的成分率先被释放，导致在焚烧炉的锅炉壁上形成大量沉积物，影响SRF的质量[39]。

表5 SRF 共燃中存在的潜在问题Table 5 Potential problems in SRF co-combustion

氯是影响SRF 质量的决定因素，可分为有机氯和无机氯，SRF 中的有机氯主要来源于塑料，无机氯来自食品垃圾。在熟料中，氯常常以无机氯化物形式存在，最常见的为CaCl2，它导致氯循环的发生[28]。Nasrullah 等[40]在研究输入废料对SRF 质量影响时发现，城市固废中的橡胶、塑料材质含有高浓度的氯，尤其是橡胶中的氯浓度为7.6%～8.0%；在燃烧SRF 时会向熔炉中引入大量的Cl2，燃料中大量的氯也会导致HCl 排放。Vainio 等[41]在107 MW 鼓泡床上对SRF+树皮+污泥共处置时发现，与单独燃烧树皮和污泥相比，当SRF 作为燃料混合物时，可溶性氯浓度是最高的。当煤与SRF 共燃时，由于煤和SRF 中的有机碱会与气态氯发生反应生成碱性氯化物，加剧锅炉中的灰烬沉积和腐蚀[42]。

需要明确的是，SRF 共燃过程中氯的有关问题是可控的。Szydełko 等[43]研究发现，埃洛石、高岭土具有很高的氯化物结合效果，在SRF 燃烧过程中，通过添加矿物添加剂，氯会与其中的矿物质结合，减少氯化物的排放量。Liu 等[44]通过微波照射除去SRF 中的氯，得出280 ℃为最佳的微波改性温度，9℃/min 为最佳加热速率，选择具有良好微波吸收特性的SiC 和石墨作为微波吸收剂，发现经过改性之后SRF 的低热值达到20.56 MJ/kg，接近我国褐煤和烟煤的低热值。

3.3 MBT 技术与常规垃圾处理效果对比

MBT 技术是不同工艺单元的有机组合，其中生物干化能够有效降低垃圾的含水率，再通过机械分选产生的SRF 为高热值成分，可以作为替代燃料进行燃烧，整个MBT 工艺不仅能减少垃圾的容量，还能回收混合垃圾中的可回收物。

我国生活垃圾清运和处理过程中出现的最大问题在于垃圾混合收集，从而导致垃圾含水率高、热值过低，还会产生渗滤液污染环境。MBT 技术与常规垃圾处理技术的效果对比如图5 所示。罗甸县某生活垃圾焚烧厂入炉垃圾低位热值为7 200 kJ/kg，原生垃圾热值仅为5 600 kJ/kg 左右，贮存3～5 d 脱水处理后低位热值能增加9%～11%，达到6 500 kJ/kg左右，达不到自主燃烧的程度，还需添加辅助燃料，焚烧垃圾发电过程中并没有完全能够利用垃圾热能；利用MBT 工艺能够有效提高垃圾的热值。淄博某生活垃圾焚烧厂利用MBT 工艺产生的SRF 产品平均热值高达10 536 kJ/kg，与入厂垃圾的2 762 kJ/kg 相比，提升了近300%，达到焚烧热值，减少化石燃料的使用，降低碳排放，且只需对分选之后的不可燃物进行填埋，减轻填埋场的压力。采用MBT 工艺后生成的SRF 产品能够替代化石燃料进行燃烧，且更经济，耗电量更小，比混合垃圾对焚烧炉的伤害更小，降低企业维修成本；从罗建华[45]对MBT 技术与焚烧处理法的经济分析可知，焚烧处理法对垃圾的耗电量为530 kW·h/t，投资为300～500 欧元/t，而MBT 技术的耗电量为235 kW·h/t，投资为200～350欧元/t，可见MBT 技术在能源与资金方面更加节省。

图5 MBT 技术与常规垃圾处理效果对比Fig.5 Comparison of MBT technology and conventional waste treatment effect

综上，通过对比MBT 技术处理后的垃圾焚烧与常规的直接焚烧两种技术发现，MBT 技术能够最大程度地回收垃圾中的可利用资源，对分选出来的高热值成分进行焚烧，不仅能降低焚烧后底灰、飞灰的含量，减少污染物排放量，还能降低焚烧的耗电量，实现我国垃圾处理的可持续发展。

4 结论

（1）城市生活垃圾产生量大、组分复杂，并有温室气体排放。SRF 能够实现生活垃圾的分选和减量，垃圾减量率达到32.63%；分选出高热值燃料在水泥窑和发电厂等领域作为替代燃料，减少化石燃料的使用，缩减碳排放量，实现资源高效利用。

（2）SRF 多由MBT 技术制备，在制备过程中经过生物干化和分选后垃圾含水率降至30%以下，排除不可燃物，可提高燃料焚烧效率，实现分类利用，减轻垃圾填埋场压力。

（3）MBT 技术处理后的SRF 产品热值为10 536 kJ/kg，达到原生垃圾热量的3 倍，可减少辅助燃料添加；焚烧耗电量仅为235 kW·h/t，为常规垃圾焚烧耗电量的1/2，更具有经济适用性。随着SRF 制备工艺研究的深入和SRF 燃烧质量的提高，可解决其燃烧过程中出现的燃烧时间长、易腐蚀焚烧炉、产生沉积物等问题。