垃圾分类 — 利空还是利好？
2019年6月11日，住建部发布了<全国地级以上市全面开展垃圾分类的通知>，上海也于2019年7月1日起正式实施垃圾分类，标志着我国正式开始全面推进垃圾分类。
对于垃圾分类对垃圾焚烧的影响，一般的思路是：本该进入垃圾焚烧厂的垃圾中，可回收垃圾被分拣、湿垃圾和有害垃圾被分离。导致进入焚烧厂的垃圾减少，发电量随之减少,焚烧厂的收入随之下降。
但事实真的是这样吗？
本篇会在讨论垃圾分类的基础上，引入垃圾焚烧技术的讨论，看看垃圾分类到底会对这个行业带来怎样的影响。
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1.垃圾分类
1.1 何为垃圾分类
上图为百度百科对垃圾分类的解释。简单来说，是把垃圾按不同种类，分别收集、运输、处理。好处是可以提高资源利用效率和降低处理垃圾的压力，是一个利国利民的好政策，作为公民大家都应该大力支持垃圾分类。
由于我国目前垃圾处理的压力比较大，想要快速达到一个理想的分类效果，难度很大。
1.2 垃圾分类目前面临的问题
1.2.1 好作业，不好抄
谈到垃圾分类，作为全球分类做的比较好的国家，各路媒体都喜欢拿日本来举例子。
托日本朋友找到了日本环境部制作的《日本废弃物处理历史》，如上图：日本从1971年实施《废弃物处理法》；1970年代末开始部分城市试点垃圾分类；1980年代末全国推进垃圾分类；1991年开始在《废弃物处理法》强制居民、企业垃圾分类，并提出3R循环型社会的概念(Reduce,Reuse,Recycle.要求工业企业在设计生产阶段考虑到回收利用等)；直到2000年垃圾分类才开始出现效果。
在此过程中，我认为日本垃圾分类已经交出了一份接近满分的答卷，从居民、生产企业到法律几乎无死角地推进垃圾分类。还出现早起早期垃圾分类现金奖励制度(如上图横滨市垃圾分类现金奖励示意图)和后来收费制度的建立(丢垃圾要花钱，类似贴个邮票在垃圾袋上面)，做到从奖励到收费的过渡。
日本到目前为止，由于垃圾分类是由地方自治，只是东京、京都这些大城市做到了仔细的垃圾分类；而在其他如伊豆这样的小城市，垃圾只分：可燃、不可燃、大件以及资源型垃圾。（参考：《日本垃圾分类真实状况》）
即便这样，日本也花了近20年，才看到效果。用我国目前的进度对比，实话说，任重道远。
1.2.2 各环节发展严重不均衡
垃圾分类的要求是：分类收集、分类运输、分类中转以及分类处理。但是目前我们强调的，仅有分类收集，更甚者我们甚至能发现，有些分类收集垃圾桶并没有配套分类垃圾运输车！者意味着，某些刚分好的垃圾，我们前脚丢，后脚就被混在一起(参考：《为何垃圾分类不受欢迎》)。
对于分类、运输和中转，我认为多花一些钱和时间，大家再努努力还是能做好的。
问题主要是处理：
上图数据来自我对历年《统计年鉴》的整理，垃圾的终端的回收和堆肥处理经过16年发展，从2003年的0.07亿吨，下跌到2007-2010年的0.02亿吨，在2019年才重新回到0.09亿吨。下图会更直观地表示过去我国垃圾的处理方式：
可以看出，这16年间，除了垃圾填埋和焚烧，垃圾的回收和堆肥能力几乎没有增长，产能几乎空白。而且这还是城市的统计口径，农村更不必说。此外，垃圾回收是一个特别广的细分领域：瓦楞纸、废金属、塑料单独都还可以继续细分，而且每种回收材料的回收工艺差别巨大，对回收材料的纯度要求也截然不同。（参考：《不可回收的‘可回收垃圾’》）
想要做好真正的垃圾回收，是非常昂贵的，而且实际经济效益极微。由于短期内终端基本不具备分类处理的能力，前端即便分类收集运输做好，分类好的垃圾在终端依旧殊途同归。
这些仅是技术和执行上的问题，想要垃圾分类有更好的发展，法制健全同样重要。关于垃圾分类在法律上的约束，目前同样空缺。
1.3 目前垃圾分类真正有效部分
目前的垃圾分类也不是没有效果，顺应我们终端处理方式大部分都是焚烧处理，主要有效的是干湿分类，因为能起到降低终端垃圾的含水量的作用。过去配套的垃圾车大多也都有压实功能和渗滤液收集箱，从垃圾中分离出的水分(渗滤液)可以分流到污水处理厂处理，就等于把垃圾中的污水从固废处理转移到污水处理，缓解了固废处理的压力。
至于为什么干湿分类有助于垃圾焚烧处理，请继续往下看。
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2.垃圾焚烧主流技术 -- 炉排炉
谈到垃圾分类和垃圾焚烧的关系之前，我们可以先来看看目前主流的垃圾焚烧处理技术 -- 垃圾焚烧炉排炉技术。（注：以下有关技术资料来源均来自白良成老师的著作《生活垃圾焚烧处理工程技术》）
2.1 什么是炉排炉技术
视频地址：《往复式炉排炉》，视频中可看到垃圾在炉排炉焚烧的过程。
垃圾在运入垃圾焚烧厂后，会先送入垃圾池进行数天的搅拌发酵和进一步沥干。然后通过抓斗送入焚烧炉，正式开始燃烧过程：
如上图，燃烧分3个阶段：干燥(点火)段、燃烧段、燃尽段，具体每段的特点如下：
简单来说，垃圾焚烧炉排炉技术就是：垃圾进入焚烧炉排炉后，首先会在干燥段被加热、蒸发水分，随之点着；然后，在燃烧段释放大量的热，并传递到发电机组进行发电；最后在燃尽段持续燃烧直至达到减量要求。整个过程产生的炉渣、渗滤液、烟气会辅以相应无害化处理。
2.2 炉排炉的关键参数 -- 热值
其实垃圾焚烧炉的发电原理和煤炭发电(火电)原理一致，都是通过燃烧可燃物把热能经转换后最终成为电能。这个可燃物的品质，就是整个燃烧系统设计的关键，也就是我们说的垃圾热值：
比如下两图，炉排炉其中2个关键参数 -- 炉排燃烧速率&燃烧室容积热负荷 的参数制定，计算时就需要用到垃圾的低位热值：
而垃圾的热值，主要由灰分和水分影响：
根据公式可以看出，当垃圾的含水率W2越小，热值Q2越大。所以在垃圾分类的过程中，干湿分类对垃圾热值有明显的影响。
2.3 炉排炉的核心技术特点
炉排炉相对于其他炉的优势有很多，但这里只讨论最核心的一个 --- 可处理热值范围较宽。以下图的西格斯排炉为例，可处理6000-14000kJ/kg中低热值的垃圾。
要知道，由于垃圾分类程度低，我国垃圾的热值低且不稳定。炉排炉可处理垃圾热值较宽，也就是可以适应垃圾热值在较大区间的变化。而这一特点遇到到垃圾分类后，会给垃圾焚烧发电系统的优化提供条件。
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3.垃圾分类 + 炉排炉 = ？
3.1 垃圾焚烧‘不挑食’
不像垃圾回收和堆肥，需要相当高的垃圾分类基础，回收物纯度高到一定程度后，才有资源化利用的经济条件。即使垃圾未分类，生活垃圾同样可以送入垃圾焚烧炉焚烧，这一特点决定了在漫长的垃圾分类过程中，垃圾焚烧仍需承担着垃圾处理的绝大部分工作。
3.2 垃圾分类降低垃圾焚烧成本
垃圾分类主动通过四方面减少垃圾焚烧成本：
1）渗滤液处理减少：这个不必多说，主要是湿垃圾的分离能减少入场垃圾的含水量。
2）烟气处理成本降低：当垃圾的含水量降低时，垃圾焚烧产生的部分酸性物质如HCl、HF的产生量会减少。不同于催化反应，处理这些酸性物质主要通过氧化还原反应，需要大量碱性耗材（参考下图）。所以酸性有害物的减少可以节约碱性耗材的消耗。
3）维修频率降低：由于焚烧过程中产生的过饱和水蒸气以及含酸性物质的高温烟气，垃圾焚烧炉的工况非常严苛。酸性物质的减少可以降低比如金属管壁的腐蚀，从而延长维修的周期和降低易损件的折耗：
4）辅助燃料消耗减少甚至不再需要：如下图，当垃圾热值提高到临界值之后，就不再需要添加辅助燃料。
3.3 垃圾分类重塑垃圾焚烧炉排炉系统
说到垃圾分类对垃圾焚烧发电的影响，我过去会很直观地从成本端和收入端去进行分析。在这里不妨跳出这个框架，从技术上讨论垃圾分类与垃圾焚烧炉排炉技术会带来怎样的化学反应。
3.3.1 垃圾 和 燃料
之前说过，垃圾焚烧系统和火力发电系统很类似，只不过燃料不是煤而是生活垃圾。正如煤炭热值对火力发电有极大影响，垃圾的热值也是如此。尤其是分离湿垃圾的影响：
1）湿垃圾水分汽化吸收额外能量导致垃圾能量损失：湿垃圾中水分汽化的过程会吸收热量，直到水蒸气达到该压力下的饱和温度，湿垃圾本身能量密度很低，会额外消耗干垃圾和燃料的能量
2）湿垃圾限制了炉内温度，导致有害气体燃烧不充分：理论上最高温的水蒸气是不到600摄氏度，远低于环保要求的炉内最低温度850摄氏度（如下图，700度是理论上，850度是法律要求）。湿垃圾越多，燃烧过程中水蒸汽就越多，就需要用更多的能量才能达到环保要求的炉内温度。
随着垃圾分类的进展，垃圾含水量降低和热值提升，是不断提纯垃圾焚烧系统中燃料品质的过程。从能量守恒的角度来看，燃料品质的提升，定会带来发电量的提升。（参考：《垃圾分类后的热值变化》）
3.3.2 系统优化
回顾垃圾焚烧过程的第1个阶段，干燥点火段：
随着垃圾分类造成垃圾含水量的不断降低，干燥点火段的水分蒸发时间被缩短了。而蒸发时间缩短，就会缩短垃圾在炉排的停留时间：
根据 垃圾日处理量 = 24小时 * 每小时垃圾处理量速度(也就是上述停留时间)，
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这意味着：
对于现有垃圾发电设备，如果焚烧炉底层设计(炉排的热适应性、燃烧室容积热负荷、烟气处理系统、发电机组功率等)留有足够余量，未来可以随着垃圾分类的推进，理论上可以通过逐步加快给料速度，从而一定程度上放大产能； 即便设计余量不够，也可以通过补短板来强化整个系统，进而放大产能。
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通过垃圾分类，垃圾热值这一关键参数发生了良性变化。整个垃圾焚烧发电系统的动态平衡被重塑，理论上最优平衡状态得以被提高。
这样的好处是，现有的产能可在更少追加投入的情况下扩展。在我国经济发展、城市化进程推进、垃圾收运系统完善的背景下，待处理的垃圾量会越来越高。垃圾分类做的越好，现有焚烧产能的消化能力就越强，垃圾处理的压力就越低。当然，企业的收入也会增多。
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4.总结
垃圾分类：困难重重，任重道远。收运、处理链条的不均衡发展，决定了除湿垃圾外大部分垃圾仍需回流焚烧处理。
炉排炉技术：宽热值适应性以及自身技术特点，决定其可在垃圾分类的推进过程中降本增收。
‘垃圾分类 + 炉排炉焚烧技术’ ：垃圾热值(炉排炉设计的关键参数)在垃圾分类过程中被不断优化，进而整个焚烧发电系统动态平衡被重塑。理论上来说，通过技术优化，原有焚烧设备的产能存在扩大的条件。
下篇：
垃圾焚烧发电系列(八) — 碳中和
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