杨 威1,4郑仁栋2张海丹1, 4朱高俊3严 密3*
浙江浙能技术研究院有限公司、杭州临江环境能源有限公司、浙江工业大学能源与动力工程研究所以及浙江省火力发电高效节能与污染物控制技术研究重点实验室。
研究背景
全球经济在发展，城市化在推进。在这样的背景下，城市生活垃圾（即“垃圾”）的产生量越来越大。垃圾的处理处置，成为了城市可持续发展所面临的重要挑战。据世界银行的《2050 年全球固体废物管理一览》可知，当前全球城市生活垃圾的产生量大约为 20 亿 t/a，并且到 2050 年将会达到 34 亿 t/a。国家统计年鉴显示，2018 年中国的垃圾清扫量为 2.28 亿 t，在世界上排第 2 位；美国的生活垃圾产量约为 2.68 亿 t，在世界上居第 1 位。然而，中国的垃圾人均产生量仅为 0.75 kg/d，美国则为 2.01 kg/d。随着社会经济不断发展，我国垃圾处置所面临的压力将会日益增大。同时，美日欧等发达国家过去一直有向发展中国家转运垃圾的行为。并且，中国乡镇的垃圾也将逐步被纳入城市环卫处理体系。基于这些情况，中国很快就会成为全球第 1 大垃圾处理处置国，所以必须做好长期规划。
卫生填埋与焚烧发电是全球应用最为广泛的垃圾处理处置末端技术。焚烧技术在发达国家起步较早，在 20 世纪 90 年代其处置率基本保持稳定，现今主要朝着大机组方向以及自动化方向发展。像新加坡，其垃圾焚烧率为 100%；日本的垃圾焚烧率为 70%；瑞士的垃圾焚烧率为 65%等国的垃圾焚烧率较高。而美国因为地域辽阔，其垃圾焚烧处置率基本维持在 10%左右。依据《“十三五”全国城镇生活垃圾无害化处理设施建设规划》，在 2020 年底之时，那些具备相应条件的直辖市、计划单列市以及省会城市（建成区）需达成原生垃圾“零填埋”这一目标。同时，全国城镇生活垃圾焚烧处理设施的能力要在无害化处理总能力中占比 50%以上，并且东部地区该比例要达到 60%以上。我国垃圾焚烧发电规模在政策支持和实际需求的双轮驱动下得以快速发展。“十三五”末期，垃圾焚烧处置量将会超过填埋量。
填埋存在不足，它有邻避风险且资源回收低；焚烧也存在不足，同样有邻避风险且资源回收低。垃圾资源化利用和终端处置亟需开展革命。为提升垃圾的资源化利用水平，我国全面推动垃圾分类工作。依据《生活垃圾分类制度实施方案》的要求，到 2020 年，在实施生活垃圾强制分类的城市中，生活垃圾的回收利用率要达到 35%以上。2019 年 5 月，我国开始在 16 个城市和地区启动“无废城市”试点建设工作。2020 年 1 月，《关于促进非水可再生能源发电健康发展的若干意见》提出要加快编制生活垃圾焚烧发电中长期专项规划。基于此，本文对我国垃圾焚烧发电行业的发展历程进行了回顾，梳理出目前存在的挑战，并对未来发展趋势进行了展望，以助力实现污染防治攻坚战的阶段性目标。对市场规模进行了分析梳理，对焚烧炉单厂规模进行了分析梳理，对运行时数和发电量进行了分析梳理，对污染控制进行了分析梳理，对投资模式进行了分析梳理，同时也对当前存在的挑战进行了分析，对未来发展方向进行了分析。
摘 要
我国快速应用了垃圾焚烧技术。2018 年我国的垃圾焚烧量达到 1.02 亿 t。此量占总无害化量的 45%。很快将形成“焚烧为主，填埋托底”的垃圾终端处理格局。还将继续从“能量回收型”向“资源回收型”发展。垃圾焚烧工程在规模方面得到了增长。垃圾焚烧工程在焚烧技术方面发生了深刻变化。垃圾焚烧工程在烟气净化系统方面发生了深刻变化。垃圾焚烧工程在市场竞争形势方面发生了深刻变化。我国垃圾焚烧行业存在诸多技术方面的痛点以及发展层面的瓶颈，可持续发展正面临着新的挑战，同时也迎来了新的机遇。未来，建议垃圾焚烧企业以及整个行业都去探索中小城市的相关情况。
01
发展历程
中国垃圾焚烧发电应用起始于 1989 年的深圳。2003 年全国有 47 家垃圾焚烧厂，到 2018 年底已建成投入运行 331 座，处置规模达到 36.36 万 t/d（合 1.33 亿 t/a），见图 1a。另外，根据芜湖生态中心的调研，2019 年 4 月底有 428 家垃圾焚烧发电厂投入运行，同时有 216 家正在建设。平均单厂处理规模呈上升趋势，2003 年为 319 t/d，到 2018 年发展到 1101 t/d，见图 1b；并且单厂最大规模在不断提高，上海在 2019 年建成了 6000 t/d 的老港再生能源利用中心。
图1 中国垃圾焚烧厂建设规模
垃圾焚烧厂建设后，我国垃圾无害化处置能力和处置量持续提升。2003 年时，我国垃圾无害化量为 0.75 亿 t，无害化率是 50.4%。到了 2018 年，垃圾无害化量达到 2.26 亿 t，处理率达到 99%。同时，垃圾年焚烧量从 2003 年的 370 万 t 发展到 2018 年的 1.02 亿 t。垃圾焚烧量占无害化处理总量的比例在 2003 年为 4.9%，到 2018 年发展到 45.1%。行业估计到 2020 年，这一比例将超过 50%（见图 2b）。由此可见，我国即将很快进入“焚烧为主，填埋托底”的垃圾终端处理格局。
图2 垃圾焚烧量和焚烧处置比例
焚烧厂实际运行情况如下：因为垃圾焚烧厂存在检修维护以及部分区域超前建设等状况，所以建设安装规模与实际处理能力并不相等。通过对建设规模和实际焚烧量的统计数据进行折算，从而得到了垃圾焚烧厂的能力利用率。从图 3 能够看出：处理能力利用率呈现出波动的态势，在 2007 年时达到最高值（0.88）。把焚烧量换算成满负荷运行的小时数，2007 年是 7708 小时，2018 年是 6704 小时，在近 10 年里，每年的运行平均小时数都没有达到 7200 小时。运行小时数还会对发电量产生直接影响。中电联网站信息显示，2011 年垃圾焚烧厂的联网装机量为 209.7 万 kW，其上网电量为 97.23 亿 kW·h。到了 2018 年，联网装机量提升至 889 万 kW，上网电量达到 481 亿 kW·h，此电量折合可节约标煤 1480 万 t（见图 4）。入厂垃圾的发电量在 300 至 400 kW·h/t 之间，热发电效率为 25%至 30%。各厂存在技术、运行水平以及厂区建设方面的差异，所以厂内用电占比在 15%至 20%之间，进而导致上网电量水平为 255 至 340kW·h/t。依据浙江省发改委公布的数据统计来看，浙江省内垃圾焚烧厂的平均上网发电量是 287kW·h/t。国家发展改革委的《关于完善垃圾焚烧发电价格政策的通知》作出规定，将生活垃圾焚烧厂的生活垃圾折算上网电量暂定为 280kW·h/t，并且依据这个限值来进行分类补贴。
图3 垃圾焚烧厂利用率
图4 垃圾焚烧发电装机量和上网电量
主要焚烧技术的应用情况如下：垃圾焚烧技术主要包含流化床焚烧和炉排炉焚烧。在垃圾焚烧行业发展的初期，因为我国垃圾的组分较为复杂，含水率较高且热值较低等缘故，从国外引进的炉排炉焚烧技术存在适应性差以及成本高昂的问题，而国内自主研发的流化床焚烧技术得以顺应需求并获得了高速发展。在相当长的一段时期里，流化床焚烧和炉排炉焚烧的市场份额是相当的，各自都占据 40%以上。炉排炉焚烧技术在我国得到应用后，摸索出了“暂存一周”的预处理模式，并且实现了炉排炉技术的国产化。与此同时，流化床技术“飞灰多”的不足逐渐显现出来。这些因素使得炉排炉焚烧技术在我国近 10 年获得了超常规发展。根据芜湖生态中心的数据计算，到 2018 年底，炉排炉的市场份额达到了 80.9%。未来焚烧技术会朝着“次高压和高压”这个目标发展，同时也会朝着“年运行 8000h”这个目标发展。
烟气排放会产生二次污染，这一情况以及由此带来的健康风险的担忧，始终伴随着垃圾焚烧技术的发展和应用推广。GB 18485《生活垃圾焚烧污染控制标准》第 1 版于 2000 年开始施行，在 2014 年进行了第 3 次修订。这次修订后，各项排放限值相比第 1 版有了大幅降低。其中，二噁英的排放限值从 1.0 ng I-TEQ/Nm3 降低到了 0.1 ng I-TEQ/Nm3。不过，我国现行的排放指标与发达国家相比，仍存在一定的差距。前期研究表明，2010 年底垃圾焚烧电厂的烟气排放净化系统主要是“半干法+活性炭喷射+布袋”。同时，美国垃圾焚烧电厂的烟气净化系统主要是“SNCR+半干法+活性炭喷射+布袋”。并且，美国垃圾焚烧炉中 SNCR 的应用率达到了 57.5%。生活垃圾焚烧污染控制标准进一步严格起来，于是更多的烟气净化技术和设备被运用到我国垃圾焚烧发电市场之中。2018 年对全国 313 家垃圾焚烧电厂（处理量 428365 t/d）的烟气净化系统进行了调查。结果显示，“半干法+活性炭喷射+布袋”是目前垃圾焚烧炉的基本配置，其占比达到 98.1%。同时，SNCR 在我国的应用率达到 69.4%。其中有 13 家垃圾焚烧电厂安装了 SCR。而静电除尘器在垃圾焚烧电厂中依然极少被应用。目前统计得出，最主流的烟气净化系统为“SNCR+半干法+干法+活性炭喷射+布袋”，在受调查的电厂中，有 112 家（占比 35.8%，日处理量 148985t）安装了此系统；其次是“SNCR+半干法+活性炭喷射+布袋”，有 88 家，占比 28.1%，日处理量 119285t；还有“半干法+活性炭+布袋”，有 83 家，占比 26.5%，日处理量 102615t。此外，国家目前不再有强制要求。然而，目前越来越多的新项目都安装了烟气“消白”设备。
灰渣及渗滤液处理方面：在很长一段时间里，垃圾焚烧发电行业中，环保监管部门以及行业自身，对灰渣与渗滤液的处置重视程度都不够，这给当下垃圾焚烧发电行业的发展带来了不足。原生渗滤液处理主要是先在原厂进行预处理，然后送往污水处理厂，或者在原厂进行深度处理后回用。原厂处理技术主要运用“调节池+厌氧消化或好氧消化+超滤或纳滤+反渗透”以及“调节池+A/O 膜生物反应器+纳滤”这样的体系。然而，当下渗滤液处理面临的技术难题包含浓缩液的处置，还有工艺对于垃圾分类、转运等所引发的渗滤液特性和产量波动的适应性问题。垃圾焚烧会生成底渣和飞灰。底渣一般被用于初级建材。飞灰在较长的一段时间内都是先进行固化，然后再进入垃圾填埋场。然而，当前随着城市填埋场库容逐渐减少，其处置方法迫切需要进行改变。
市场投资与竞争方面，由于市场竞争、厂区环境提升以及去工业化的要求，垃圾焚烧发电工程的单位投资额呈现出不断上升的趋势。10 年前，单吨日处理能力的平均投资额为 30 万元，而到了当前，已经提高到 50 万元以上，甚至出现了 70 万元的标的。与此同时，投资方式也变得更加多样化，过去主要是以 BOT 模式为主，现在则出现了越来越多的 PPP 项目以及代建项目。垃圾补贴费呈现出下降的趋势，行业有着“以抢占市场为先”的这种冲动。当下在经济较为发达的大城市里，因为用工成本高等一些因素，垃圾处理费依然能够高达 150 元/t 之上，不过通常是在 100 元/t 左右；在其他城市，垃圾处理费一般处在 50 元到 100 元/t 之间；极少个别城市由于存在不理性的竞争，垃圾处理费低于 30 元/t。投资强度和投资模式发生了变化，市场竞争变得更加充分且激烈，垃圾焚烧发电的资本主体格局也有了明显的改变。
中国垃圾焚烧发电行业在过去的 10 年有了显著的发展。这一发展得益于国家的政策引领，也得益于地方城市的实际需求。同时，外部的发展环境在不断地发生变化。诸多技术方面存在痛点，这些痛点仍然没有获得突破。这使得我国的垃圾焚烧发电行业遭遇了新的发展瓶颈和挑战。
02
垃圾焚烧发电行业未来机遇与挑战
为了应对未来新的挑战并且抓住新的发展机会，我国焚烧行业需要重视以下几个方面：一是要重视现有工程的高水平运营；二是要重视国内外新市场的开拓；三是要重视新技术储备与应用。以下这些要点应当得到关注：
1.中小城市生活垃圾焚烧工程建设探索
市场调研表明，我国垃圾焚烧规模在 500t/d 以下的垃圾焚烧发电工程难以实现有效盈利。这意味着政府财政补贴将面临更大压力。垃圾焚烧投资企业通常不愿意进入中小城市，导致中小城市的垃圾焚烧项目出现流标、悔标等情况。然而，继续采用填埋方式是不可持续的，并且存在政策压力。所以，中小城市面临着两难的局面。
2.垃圾分类后全链适应性提升
我国的垃圾分类工作正有序且大力地推进着，这会对垃圾的资源化利用以及终端处置产生深远的影响。垃圾在源头进行分类，提升了在源头实现功能型和材料型回收的效率，但同时也给终端利用和处置带来了新的要求。我国各个地方的垃圾分类主要分为可回收、可燃烧、湿垃圾以及危险垃圾这几类。可回收垃圾和危险垃圾的处理方式相对较为明确，然而可燃烧垃圾和湿垃圾部分的资源化利用率却不是很高。分类后进入垃圾焚烧厂的可燃烧垃圾，其成分会发生显著变化，热值也会有所改变。这使得现有垃圾焚烧厂面临适应性挑战，垃圾热值超过设计热值，就需要对焚烧炉膛温度控制进行优化，提出新的要求。同时，垃圾量下降，对企业的经济效益也产生了影响。目前，各地在湿垃圾处理能力方面普遍存在不足，技术上也存在短板。我国城市生活垃圾中约有一半是餐厨垃圾。报告显示，仅厨余垃圾每年的产生量就超过 3000 万 t。由于垃圾分类在持续推进，这将促使垃圾终端利用与处置发生变革，提升终端资源化和能源化的深度与价值。
3.城市化驱动矿化垃圾开采
1990 年到现在，经统计我国垃圾填埋量达到 30 亿 t。全国城乡一体化建设一直在持续推进，这导致土地区位功能会发生变化。老旧填埋场的地理位置与城市中心的距离以及土地价值发生显著变化之后，老旧填埋场治理以及综合开发的需求会越来越旺盛，这种情况将促使城市管理者对老旧填埋场进行封场修复或者开挖移除。大城市的垃圾焚烧能力依旧比较紧张。然而，中小城市由于存在土地开发需求以及焚烧处理能力有富余这双重因素，所以推动矿化垃圾开采及焚烧处理的热情将会逐渐展现出来。
4.焚烧灰渣利用与处置需补短板
中国的垃圾焚烧工程一直存在这样一种现象，即“重烟气、轻灰渣”。这种现象导致了灰渣利用与处置技术的研发以及能力建设都比较滞后。目前，底渣在大型焚烧项目中是有市场利用价值的，并且普遍采用金属回收和分级建材应用的模式。然而，仍然需要进一步对高值化深度利用技术进行研究和工程示范，有研究报道称可以将底渣用于氢气制备。底渣与之相比，飞灰所含重金属、二噁英以及盐等的浓度更高，这是当前垃圾焚烧发电工程面临的实际挑战。飞灰处置的市场价格在不断上升，2000 元/t 已成为一种常见的情况。炉排炉产生的飞灰量占垃圾焚烧量的 3%～5%，而流化床产生的飞灰量占比高达 10%以上，这使得垃圾焚烧工程的市场盈利模式持续承受压力。现有的飞灰工程化处置技术主要有稳定化填埋以及水洗后水泥窑协同这两种方式。然而，这两种方式都存在着明显的缺陷：稳定化填埋会占用土地，并且城市填埋场的库容通常都不够充足，同时还存在着盐、重金属浸出等长期的风险；水洗后水泥窑协同处置技术则存在着高含盐废水难以进行处置以及水泥窑受到地域限制等不足之处。因此，飞灰成为了垃圾焚烧工程可持续发展的重要瓶颈之一。新型飞灰处置和利用技术的研究以及工程示范需要马上开展。
5.工程盈利从规模效应向技术与管理效应转换
在过去很长的一段时间里，垃圾焚烧工程投资企业主要是依靠规模效应来获取盈利。它们甚至为了能够扩大规模并抢占市场，持续降低补贴投标价。然而，随着市场格局变得稳定，设备的寿命也逐步到达期限，工程的运行以及管理水平之间的差异开始逐渐显现出来，并且将会逐渐进入一个“运营为王”的时期。通过高参数蒸汽以及多联产等方式来提高发电效率和热效率，通过电泵改汽泵等节能改造来降低厂用电率，开展多源固废混烧以及智能电厂等工作，这些将是今后技术与管理发展的方向。地方政府将逐渐具备进行全周期成本和效益分析的能力，从而能够进一步择优选择运营商。同时，包括垃圾焚烧发电在内的生物质能发电补贴政策有松动的预期，这对现有的垃圾焚烧工程构成了巨大的挑战。技术水平能够成为应对政策调整的有效手段，管理能力也能成为应对政策调整的有效手段。应借助先进技术来达成高效发电以及清洁燃烧的目标，通过管理创新来实现成本控制并且增强竞争力。
6.“邻利”需求牵引产业升级
“邻避”现象始终伴随垃圾焚烧工程的发展。它一方面对焚烧发电工程的快速发展形成了阻碍，另一方面也促使焚烧工程的质量得以提升。在邻避的倒逼作用下，逐渐孕育出了“邻利”的潜力。政府在进行规划选择的过程中，更加注重科学与利益补偿的平衡。焚烧工程不断减少工业化的特征，融入了工业旅游等多种功能元素，逐渐与周边社区建立起了良性的互动关系。要将焚烧工程成为提升周边居民福祉的有效设施。
7.焚烧发电技术国际化开拓
世界格局正经历深刻变化，发展中国家正成为新兴经济体。然而，这些发展中国家的生活垃圾无害化率很低，尤其是低收入国家，其垃圾无害化处置率不足 10%，对垃圾焚烧技术和装备有着强烈需求。随着国内焚烧市场趋于饱和，国内企业也产生了强烈的“走出去”意愿。“一带一路”倡议得到有力推进，这使得我国垃圾焚烧发电企业、技术和装备能有更多机会参与到一带一路沿线国家的城镇化建设中。然而，发展中国家在垃圾焚烧发电工程推广方面存在诸多挑战，其在法律法规、技术标准、市场模式等方面都尚不明确。所以，垃圾焚烧发电工程的国际化市场既有机遇也有挑战，建议积极进行布局。
8.加强创新与技术储备
科技创新已成为现代经济体和企业市场竞争的重要要素。对于垃圾处理处置行业，包括垃圾焚烧企业在内，应当加强与科研院所的互动。这样做的目的是共同推动技术创新和产业化应用，进而提升行业的技术水平，以更好地应对在海内外市场与国际企业的竞争。行业应对功能碳制备技术进行关注和参与。
03
总 结
我国的垃圾焚烧发电行业起始于 1989 年。如今，在市场规模以及垃圾焚烧量方面，都已经取得了超常规的发展。在“十三五”末期，垃圾焚烧量将会超过填埋量。并且会很快构建起“焚烧为主，填埋托底”这样一种垃圾终端处置的格局。垃圾焚烧工程规模有所增长，焚烧技术发生了深刻变化，烟气净化系统有了改进，市场经济模式也发生了变化，这些变化使其逐渐能适应我国垃圾特点和社会需求。随着垃圾分类的推进，我国垃圾处理格局会逐步从以能量回收为主转变为以资源回收为主。
我国垃圾焚烧行业存在不少技术方面的痛点，同时也有发展上的瓶颈。在未来，该行业的可持续发展将会面临新的挑战，也会迎来新的机遇。垃圾焚烧行业要主动去探索中小城市垃圾焚烧工程的实施方式以及盈利模式。要响应矿化垃圾的开采和焚烧处置需求。要弥补飞灰无害化处置以及资源化利用方面的不足。要将发展重点从规模效益转变为技术和管理效益。要加强“邻利”理念的引领作用。要积极在国际市场进行布局。要重视与高校科研院所的互动交流。以此来推动技术的创新和转移。
杨威、郑仁栋、张海丹、朱高俊和严密指出，相关内容来源于《中国垃圾焚烧发电工程的发展历程与趋势》这篇论文，该论文发表在《环境工程》期刊 2020 年第 38 卷第 12 期，其中提到的相关内容为 124 至 129 页
