生活垃圾置于亞臨界狀態的高溫高壓水中時，其中大部分的高分子有機廢物可被水解為類似煤炭的烴類可燃物，熱值可達4200kcal/kg，由于水解過程無需垃圾發酵、無需滲濾液處理，可作為傳統垃圾發電工藝的“清潔焚燒發電”替代模式。這為國內眾多中小縣城找到了一種較為理想的垃圾處理解決方案，為此建議國家在政策考慮方面給予積極的引導、鼓勵和支持。
生活垃圾亞臨界水解發電新技術應用展望
王建軍1許發興2王振業2
（1.中電國際新能源控股有限公司 2.吉林伸飛環保能源有限公司）
生活垃圾置于亞臨界狀態的高溫高壓水中時，其中大部分的高分子有機廢物可被水解為類似煤炭的烴類可燃物，熱值可達4200kcal/kg，由于水解過程無需垃圾發酵、無需滲濾液處理，可作為傳統垃圾發電工藝的“清潔焚燒發電”替代模式。這為國內眾多中小縣城找到了一種較為理想的垃圾處理解決方案，為此建議國家在政策考慮方面給予積極的引導、鼓勵和支持。
一、亞（超）臨界水的概念與功能
水的臨界點溫度為374.2℃、壓力為22.1 MPa。水在臨界點狀態下，因高溫而膨脹的水的密度和因高壓而被壓縮的水蒸汽的密度達到相同（0.323g/cm3），此時，水的液相和氣相沒有區別，完全交融在一起。
溫壓處于臨界點以上的水，叫“超臨界水”，超臨界水的物理化學性質與普通液態水有很大差別，它具有良好的溶解性，能實現氣體、液體和有機固體間的互溶。由于超臨界水對設備要求很高，而且腐蝕性極強，為降低對設備的要求，目前部分研究開始在“亞臨界”條件下進行相關反應。“亞臨界水”（Subcritical water），其溫度范圍通常介于150-374℃之間，壓力范圍通常介于0.4-22.1MPa之間。
亞（超）臨界水具有多方面功能：
1.優異的溶解功能：目前用以萃取相同極性的其他物質，例如，植物中香料的萃取、中草藥中有效成分的萃取、從餐飲廢油中萃取生物油等等。萃取過程不消耗任何酸和堿，不帶來任何新的污染，是一種真正的“綠色處理技術”。
2.氧化促進功能：有機物在加氧后的亞（超）臨界水中，氧化反應能在幾秒內對有機物高效礦化甚至徹底摧毀[1]。反應過程中，有機物C、H元素被氧化為CO2和H2O，有機氮和無機氮通常被轉化為N2或硝酸鹽。這個功能目前在國內外多用于工業有機污染物的氧化降解，例如苯類及酚類的氧化降解等，其中多氯聯苯（PCBs）的氧化降解，被各國研究重點關注。因為PCBs屬于致癌物，焚燒過程中易生成二噁英（PCDDs和PCDFs），故焚燒法處理存在技術缺陷[2]。Modell等曾報道PCBs在溫度783K、壓力25.3MPa的水中停留222s時，PCBs的去除率達99.99%[3]，最終降解為二氧化碳、氮氣和水。
3.水解脫氯功能：這個功能多用于實現含氯有機物的有效脫氯。例如，一般情況下，聚氯乙稀PVC相對較難實現降解，但在1h、300-370℃的亞臨界水中，也能實現56%左右的有效降解，降解后的氯以氯離子形態被水解在水體中。
4.酸性水解功能：水在高溫高壓狀態中自電離程度較高，生成大量[H3O]+和[OH]-，呈現出強酸強堿性質、具備了酸性水解功能，可將纖維素水解生成低聚糖、單糖，最終可被分解成二氧化碳、氫氣。一般在亞臨界狀態下，纖維素、木質素等主要生成中間產物，這些中間產物通過聚合或結焦，形成焦油、焦炭等熱值化合物。
5.水解燃料化功能：這個功能可能類似于地球中石油的生成機理，因為油母質轉化為石油就發生在地層深處高溫高壓的水中[4]（石油的主要成份為：烷烴、環烷烴、 芳香烴和烯烴等多種液態烴的混合物）。目前該功能多用于生物質、煤、聚合物等的水解燃料化，制取出黑褐色的、類似于原油或煤炭主要成分的“烴類燃料”（碳氫化合物），我們統一稱之為“水解燃料”。
日常生活垃圾的成份除了水份外，其他主要是高分子有機物，如纖維素、木質素、聚酯、聚氯乙稀、蛋白質、脂肪、淀粉等。從上述功能分析，生活垃圾也應該能夠在亞臨界水中水解成類似煤炭或石油的烴燃料，利用這種燃料去參與焚燒發電，將省去垃圾發酵過程、省去滲濾液處理環節、甚至在簡化煙氣處理工藝也能達標的情況下，實現生活垃圾的減量化、無害化、資源化處理。
二、生活垃圾水解燃料化技術應用及“清潔焚燒發電”新工藝流程
日本曾經做過針對生活垃圾進行亞臨界水解處理的相關研究，并把該技術成功應用于印尼雅加達生活垃圾處理，處理規模為40噸/天，處理后產物為黑色烴燃料，并獲得“聯合國全球推薦”榮譽。國內某機構于2018年從日本引進該技術，現已建成一條60kg/h的生活垃圾亞臨界水解燃料小型工業化應用生產線、成功產出了黑色固態水解燃料，燃料產出率達40%。《測試報告》[5]顯示：該水解燃料熱值達4200kcal/kg，相當于原生態生活垃圾中的所有熱值被“壓縮”在了產出率為40%的燃料中，其余60%為水份。過程中無任何環境污染點。
《測試報告》顯示，該水解燃料干燥后的顆粒，主要成份類似于煤炭，而且揮發分較高，容易點燃，著火溫度251℃、焚燒后煙氣中SO2含量不超過40mg/Nm3、NOx含量不超過10mg/Nm3（11%基準含氧量），遠低于垃圾發電GB18485-2014《生活垃圾污染物控制標準》規定的限值（SO2和NOX的日均值分別為80和250mg/Nm3），為此，后續煙氣處理是否可以取消SNCR脫硝系統，有待于實際工業應用的進一步驗證。但是，煙氣脫酸系統仍需要保留，因為根據檢測，水解燃料焚燒后煙氣中HCl含量仍在400mg/Nm3以上，超過了50mg/Nm3的日均限值。
三、生活垃圾亞臨界水解燃料發電技術投資收益分析
投資模型一：周邊多個縣城各自建設一套水解生產線+某一區域集中建設一座25MW裝機容量的常規火電廠
我們以1200噸/日生活垃圾處理規模為例，假設原生垃圾來自于周邊300公里范圍內的四個縣，每個縣城原生垃圾處理量為300噸/日，系統投資主要分兩大塊：“四條垃圾水解生產線”和“一座焚燒發電生產線”。
1.投資水平：根據測算，每個縣城每條“300噸/日水解生產線”總投資7500萬元，四條水解生產線總投資約3億元，產出率40%、熱值4200kcal/kg的水解燃料能夠配套建設一座25MW的鍋爐汽機發電機組、投資約2億元。
系統總投資約5億元，相當于每噸垃圾投資42萬元。
2.經營成本水平：測算的全年經營成本為5900萬元/年，包括四個縣生活垃圾水解燃料生產成本、25MW火電機組運行成本、水解燃料運輸成本等。
3.年收益水平：垃圾發電主營業務收入主要來源于垃圾貼費年收入和年發電收入，其中垃圾水解生產線可連續生產，垃圾貼費以65元/噸計、25MW火電機組年利用小時數以7200小時、廠用電率以7%計、全年上網電量約1.67億千瓦時、噸垃圾上網電量=1.67億千瓦時/（1200噸/日×365日）=381千瓦時/噸；地方脫硫煤炭標桿上網電價以0.36元/千瓦時取值，那么年售電收入：（280千瓦時/噸×0.65元/千瓦時+101千瓦時/噸×0.36元/千瓦時）×1200噸/日×365日/年=9564萬元/年。
上述兩項相加，全年運行總收入為1.24億元/年。
4.投資回報率：項目總投資5億元，注冊資本金以總投資33%計，其余資金國內貸款，建設期貸款年名義利率 4.9%（按季結息）。銀行借款償還期 15 年，項目經營期25年，每年運行成本5900萬元/年，年總收入12411萬元/年。固定資產形成比例95%，殘值率5%，25年直線折舊，無形資產形成比例5%，攤銷年限5年，所得稅率25%，售電增值稅率13%，城市維護建設稅率7%，教育費附加5%，法定盈余公積金10%。
由上述條件計算出的財務評價指標：總投資收益率8.82%、資本金內部收益率12.72%（稅前）、11.13%（稅后），資本金凈利潤率17.44%，投資回收期10.25年。經濟效益指標優良，具有較好的投資回收預期。
投資模型二：生物質秸稈水解燃料生產線+一座相應規模裝機容量的常規火電廠
研究和應用表明：亞臨界水解技術用于生物質秸稈，可以免除對生物質秸稈的干燥，產出的水解燃料熱值達4800Kcal/kg、水解燃料產出率達75%以上。這個特征同樣給傳統生物質發電技術提供了一種嶄新的前置處理方法和后置清潔焚燒發電工藝。測算后的各項經濟效益指標與傳統的“生物質秸稈直燃發電”模型的經濟效益相當或略優，但生物質發電的資本金收益率和投資回報期受原材料價格影響因素波動較大，這一點是困擾所有生物質發電行業的一項重大不可控因素。
投資模型三：在傳統的亞臨界、超臨界、超超臨界火電廠增建一套亞臨界水解反應成套設備
生產用高溫高壓水蒸汽來自于火電廠直接抽取，產出的水解燃料，由于熱值與煤炭平均熱值基本相當，可直接用于與煤炭燃料耦合發電，但水解燃料采購價格能穩定在500元/噸左右，跟目前煤炭價格相比，能整體拉低火電廠燃料采購平均價格，為此節省的燃料采購費用、以及水解燃料焚燒發電后執行國家上網電價政策（垃圾發電0.65元/kWh、生物質秸稈0.75元/kWh）與煤炭標桿上網電價的溢價收入，就是該投資模型帶給火電廠的純利收入。
考慮到生活垃圾、生物質秸稈與煤炭耦合發電方式，缺少如何認定各自貢獻上網電量的技術標準，目前在執行相關電價方面有待于填補政策空白，在此不再展開討論。
四、生活垃圾亞臨界水解燃料發電技術與傳統生活垃圾直燃發電技術的異同
生活垃圾亞臨界水解燃料發電與傳統生活垃圾直燃發電產生的電能均來自于原生態生活垃圾的熱值貢獻，所以從本質上完全能夠認定此類發電歸屬于“生活垃圾焚燒發電”，并執行國家所有的電價政策、節能減排政策和稅收優惠政策。
兩種技術的區別主要在于：
1.生活垃圾在焚燒發電前的預處理方式不同
傳統生活垃圾焚燒發電，在焚燒前的預處理方式為：生活垃圾進入廠內垃圾池發酵5-9天（相應需要投資建設一座5-9天儲量的大型垃圾庫），期間濾出滲濾液，為此需要配備占地面積足夠大的、完整的滲濾液處理系統、沼氣收集、回噴系統，滲濾液處理后產生的濃縮液，也需要有合適的處理方式。
而水解燃料發電技術，生活垃圾不需要發酵，不需要配備儲量5-9天的大型垃圾庫（可能會按環評要求配置一個垃圾事故池），不需要濾出滲濾液，從而不需要配備大型的滲濾液處理系統，而且無論原生態垃圾含水率多少，都可直接進入反應釜進行水解反應，大大節省了相應的投資成本和運行成本。
2.生活垃圾水解后的熱值沒有損失
傳統生活垃圾焚燒發電，發酵效果受季節溫度、發酵時間、混合攪拌程度所左右，發酵后熱值要么沒有完全釋放，要么在發酵過程中喪失一部分熱值。而且發酵過程中濾出的滲濾液是一種高濃度有機廢水，其中含有的熱值也不能低估，如處理過程中產生的沼氣、以及處理后濃縮液中含有的熱值，這些熱值損失都從一定程度上降低了原生態生活垃圾的固有熱值，從而降低了相應的電能轉換量。
而水解燃料發電技術，由于原生態垃圾直接進入水解反應釜，其中含有的所有熱值，包括滲濾液中蘊含的熱值，都被“壓縮”在了產出物水解燃料中，過程沒有任何熱值損失環節，所以水解燃料發電技術的電能轉換率更高，其“噸垃圾上網電量”也一定高于傳統生活垃圾直燃發電技術。
3.臭味程度不一
傳統生活垃圾入廠后在垃圾池中儲存5-9天和發酵時產生的臭味閾值遠遠高于“水解生產線”1-2天（事故池）的臭味閾值。
另外，對于異地建設焚燒發電廠來講，由于水解燃料沒有任何異味，所以整個廠區沒有任何臭味源，與常規燃煤火力發電廠完全相同，這在很大程度上避免了安全風險、環境污染風險和鄰避效應風險。
4.焚燒爐型有重大區別
國內目前多數采用的生活垃圾焚燒爐為“爐排爐”，設備占地面積大、投資高、運行過程和運行參數（溫度、壓力、配風、燃燼率等）很難達到精細化調節，單爐處理規模最高也只能達到850噸/日。
而水解燃料發電技術，由于水解燃料本質上與煤炭雷同，所以“焚燒爐”選擇方面沒有特別要求，只要是火力發電常規鍋爐，皆可以選用，技術成熟，投資節省，運行穩定，而且單臺處理規�？勺龅竭h遠大于850噸/日（原生垃圾）的水平。
5.發電效率重大區別
目前生活垃圾直燃發電采用鍋和爐分體，傳熱損失較大，能量回收不充分，而且與常規火力發電相比，蒸發量和蒸汽參數仍然偏低，致使生活垃圾直燃發電全廠發電效率大約為22%。
而生活垃圾經水解轉化成水解燃料后，可直接作為常規燃煤電廠的燃料。燃煤發電廠為鍋爐一體，具有較高的熱效率、蒸汽參數及發電效率，燃煤火電廠發電效率一般可達41%。
另外，盡管幾個縣城需要各自建設一條水解生產線，但卻可以合并建設一座常規小火電，由傳統垃圾發電的“1+1”模式改變為“N+1”模式，發電效率更高、同時避免了常規小型火電設備的重復投資與建設。
五、環境效益
傳統生活垃圾焚燒發電，人們普遍比較關心的環境風險主要來自于：垃圾池大量臭味溢散；滲濾液處理不當或者雨季來臨時滲濾液產量過多、處理不及時而產生的二次污染；沼氣的產生多了一處危險源辨識點；煙氣處理不當產生的污染物超標；設備運行過程處理不當而產生的二噁英超標等方面。
而水解燃料發電，配置的1-2天垃圾庫僅用于環評要求的事故儲存，不用于發酵，儲存時間較短而產生的臭味量大大減少；而且滲濾液可用作水解過程的補充用水并參與其中的水解反應而全部消耗；針對產出物水解燃料，由于高溫高壓水解過程中把大量的高分子有機物（包括二噁英前驅物PCBs、含氯有機物等）斷裂成低分子有機酸類，后續進入鍋爐燃燒時，燃燒溫度更高、燃燒更充分、二噁英生成條件受到極大限制，煙氣處理負擔較輕，綜合環境風險極小，是一種典型的綠色無污染清潔焚燒發電方式，具備較好的環境效益和較為優良的環境友好性。
六、應用方向
1.水解燃料發電技術，為中小型縣城提供了一種可行的、實用的生活垃圾清潔化減量處理方式：
對于原生垃圾處理量小于300噸/日的中小縣城，多數選擇放棄投資建設傳統生活垃圾直燃發電廠，因為目前國家電價政策背景下所建立的財務模型達不到收益預期，而且國家政策明確表示不鼓勵建設處理規模為300噸/日以下的垃圾焚燒發電廠[6]。
而水解燃料發電技術，由于水解過程和發電過程可以分隔開來，分隔距離甚至可以達到300公里，那么對于垃圾產生量較小的每個縣城，僅考慮上馬建設一條水解生產線即可，而產出物水解燃料由于體積大幅度壓縮，運輸條件等同于煤炭運輸，所以可以運至區域范圍內配套的一座常規火電廠去參與焚燒。從這個特征來看，水解燃料發電技術，實質上是提供了一種“周邊幾個中小縣城水解處理、某一區域集中焚燒發電”的區域間共享共建嶄新模式。
2.水解燃料發電技術，同樣可以用作任何大型城市垃圾焚燒發電，而且由于“發電環節”等同于常規火電，所以機爐選型簡單，也無需“幾用幾備”考慮，多大規模都可以上馬一套機爐即可（停機檢修時，水解過程可以持續生產運行）。考慮到目前國內大部分大型城市垃圾焚燒發電廠已經建成，全壽命周期較長，所以這項嶄新技術在大型城市的推廣應用可能會受到限制。
3.水解燃料發電技術也可作為傳統生物質秸稈發電的替代方式，但投資收益效果仍跟傳統技術一樣，主要受制于秸稈燃料價格的不可控。
4.更小的縣城如果暫時不具備“共享共建”條件，同樣可以只建設一條亞臨界水解生產線，產出物水解燃料供給周邊燃煤火電廠參與耦合發電，也是另外一種可行的應用方向。
七、發展評估與政策建議
1.開發新型可持續能源已成為世界范圍內最重要的課題之一。一方面，利用風能、太陽能、水能、地熱能、海洋能等新型清潔能源，另一方面，從生物質及有機廢物中獲取能源，同樣是尋求可持續能源的有效途徑。生活垃圾中的大部分成份在本質上歸屬于“可再生生物質”，所以針對生活垃圾處理，在其徹底廢棄前進行能源化利用（同時實現減量化目標），也是實現“可持續能源”的途徑之一。
2.目前，在國內外，“亞臨界水技術”的研究和應用開發方興未艾，尤其在固廢處理領域和高濃度、高污染有機廢水處理領域，經常能看到最新的研究成果，目前這項技術用于生活垃圾處理和生物質秸稈處理領域，就是一種嶄新的嘗試和探索，并為我們提供了一種耳目一新的工藝系統和工業應用。同時，由于其生產過程的“清潔”屬性、以及不受規模約束的“分散”屬性，將來勢必會成為固廢處理領域的主流技術而得到大面積的推廣、應用和發展。
全國目前有3000多個中小縣城，大部分縣域的垃圾產生量較小，傳統垃圾直燃發電模式不適合在每個縣城投資建設和運營，致使中小縣城生活垃圾“減量化、無害化、資源化”目標難以實現，污染了大片土地資源和水域資源。而“垃圾水解發電技術”作為傳統直燃發電的“清潔焚燒發電替代模式”，至少為國內眾多中小縣城找到了一種較為理想的解決途徑，為此建議國家在政策考慮方面給予積極的引導、鼓勵和支持。
參考文獻
[1]關清卿，寧平，谷俊杰. 亞（超）臨界水技術與原理[M].北京：冶金工業出版社.
[2]李靈軍，蔣可. 國產多氯聯苯及其焚燒煙灰中類二噁英多氯聯苯測定[J]. 環境科學. 6（1995）：55-58 .
[3]Modell. Processing methods for the oxidation of organics in supercritical water [D]. US 4543190A.
[4]Siskin M,Katritzky A R.Reactivity of organic compounds in hot water:Geochemical and technological implications [J]. Science,254(1991):231-237.
[5]吉林省電力科學研究院.《測試報告》（編號：HXM20-2019 ）.
[6]國家發改委,住建部.《“十三五”全國城鎮生活垃圾無害化處理設施建設規劃》.
原文首發于《電力決策與輿情參考》2019年12月13日第47期
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