黃靜穎, 張浩, 譚欽懷, 等. 小型垃圾熱解氣化焚燒廠碳排放計(jì)算[J]. 環(huán)境衛(wèi)生工程, 2021, 29(4): 1-6.

HUANG J Y, ZHANG H, TAN Q H, et al. Calculation of carbon emissions of a small scale waste pyrolysis-gasification incineration plant[J]. Environmental Sanitation Engineering, 2021, 29(4): 1-6.

• 研究對(duì)象

      以舟山市某垃圾無害化處理項(xiàng)目為研究對(duì)象，該項(xiàng)目的垃圾焚燒系統(tǒng)采用立式旋轉(zhuǎn)熱解氣化焚燒爐對(duì)周邊城市生活垃圾及部分工業(yè)可燃垃圾進(jìn)行焚燒處理，處理規(guī)模為28 t/d，無須添加輔助化石燃料；并配建1.8 t/h臥式余熱鍋爐，給水量1.854 t/h，給水溫度20℃，蒸汽壓力0.7 MPa，蒸汽溫度170℃；項(xiàng)目渣產(chǎn)量為3.1 t/d，灰產(chǎn)量為1.44 t/d；垃圾滲瀝液產(chǎn)量為3.5 m³/d，其COD_cr濃度為6000 mg/L，垃圾滲瀝液回噴至焚燒爐內(nèi)進(jìn)行處理。該項(xiàng)目新鮮垃圾的含水率為60%，詳細(xì)入爐垃圾組份見表1。

      平衡法已被納入ISO 18466:2016，并被聯(lián)合國氣候變化框架公約（United Nations Framework Convention on Climate Change, UNFCCC）更新至CDM方法學(xué)中用于計(jì)算垃圾組分中生物源碳和化石源碳的比例。平衡法將混合垃圾分為惰性組分、生物源碳類型垃圾、化石源碳類型垃圾和水等4個(gè)組分，通過計(jì)算5個(gè)質(zhì)量平衡方程和1個(gè)能量平衡方程即可在線分析垃圾組分，方法所需數(shù)據(jù)可以從相關(guān)文獻(xiàn)或從垃圾熱解氣化焚燒發(fā)電廠常規(guī)測量的運(yùn)行數(shù)據(jù)中獲得，無須對(duì)垃圾進(jìn)行額外的采樣分析。平衡法不僅可以用于計(jì)算垃圾熱解氣化焚燒廠的總碳排放量，還可以對(duì)各組分的排放比例進(jìn)行分析。

      由Fellner團(tuán)隊(duì)基于歐洲垃圾組分測得的生物源碳類型垃圾包括：木材、紙張/紙板、花園（庭院）和公園垃圾、廚余垃圾、衛(wèi)生紙、紡織品等；化學(xué)源碳類型垃圾包括：聚乙烯（Polyethylene，PE）、聚丙烯（Polypropylene，PP）、聚苯乙烯（Polystyrene，PS）、聚氯乙烯（Polyvinyl chloride，PVC）、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇脂（Ethylene terephthalate，PET）、聚酰胺（Polyamide，PA）等，與IPCC法、CDM法垃圾組分的分類類型基本一致，是在全球范圍內(nèi)都具有參考性的分類標(biāo)準(zhǔn)。且生物源碳和化石源碳中的各種類型的垃圾元素組成及其含量差距不大，因此歐洲的數(shù)據(jù)具有一定的代表性，可用于表征我國垃圾組分的元素特點(diǎn)，本研究參考了文獻(xiàn)【25】中的數(shù)據(jù)以試驗(yàn)平衡法在我國的適用性，具體數(shù)值見表2。

△CCER方法學(xué)

      2014年1月23日，國家發(fā)改委氣候司備案通過“CM-072-V01：多選垃圾處理方式（第一版）”即CCER方法學(xué)，批準(zhǔn)適用于碳排放交易試點(diǎn)市場中垃圾焚燒發(fā)電CCER項(xiàng)目的碳排放量計(jì)算。該方法學(xué)取自聯(lián)合國氣候變化框架公約（UNFCCC）“ACM0022 Alternative Waste Treatment Processes(Version 1.0)”，即CDM方法學(xué)，適用于1種或多種組合的垃圾處理項(xiàng)目活動(dòng)，即堆制肥料或聯(lián)合堆肥、厭氧消化、熱處理、機(jī)械處理、氣化和焚燒，涉及簡歷基準(zhǔn)線的方法學(xué)、監(jiān)測的方法學(xué)、確定項(xiàng)目邊界的方法學(xué)和泄露估算、檢測計(jì)劃的制定和執(zhí)行。

      以1 d為計(jì)算周期可得，在混合干垃圾中，生物源碳垃圾含量占75.62%（標(biāo)準(zhǔn)差為6.5%），化石源碳垃圾含量占13.59%（標(biāo)準(zhǔn)差為1.6%），惰性組分含量占10.79%（標(biāo)準(zhǔn)差為1.2%），見圖1。項(xiàng)目焚燒垃圾來源于項(xiàng)目周邊城市的生活垃圾，其中較高的廚余組分導(dǎo)致了較高的生物源碳比例，且較大的標(biāo)準(zhǔn)差說明生物源碳垃圾含量在一定范圍內(nèi)的變化大于化石源碳垃圾和惰性組分。由垃圾熱解氣化焚燒產(chǎn)生的總碳排放量為15.24 tCO₂e/d，單位垃圾處理碳排放產(chǎn)生量為0.61 tCO₂e/t（標(biāo)準(zhǔn)差為0.02 tCO₂e/t），標(biāo)準(zhǔn)差較小，整體碳排放量在計(jì)算周期內(nèi)變化不大，說明入爐焚燒前垃圾混合較均勻。其中，化石源碳燃燒所產(chǎn)生的CO₂排放量為0.28 tCO₂e/t，占45.9%；生物源碳燃燒所產(chǎn)生的CO₂排放量為0.33 tCO₂e/t，占54.1%。化石源碳質(zhì)量占比小，但其燃燒效率高，熱值高，碳排放量大。由生物源碳燃燒所造成的碳排放量占總排放量的50%以上。生物碳源僅參與大氣循環(huán)，不納入碳排放清單，但同時(shí)可以產(chǎn)生電量，因此生物源碳的碳排放可視作碳減排量，由此可見垃圾熱解氣化焚燒處理過程的碳減排量十分可觀。

      由CCER方法學(xué)計(jì)算可得，10 a計(jì)入期內(nèi)項(xiàng)目平均每年基準(zhǔn)線排放量為5420.9 tCO₂e，總項(xiàng)目排放量為3005.3 tCO₂e，總減排量為2415.6 tCO₂e。計(jì)算得出10 a計(jì)入期內(nèi)的項(xiàng)目碳排放量如表3所示。計(jì)入期內(nèi)單位垃圾采用焚燒方式處理后的基準(zhǔn)線排放量為0.53 tCO₂e/t，項(xiàng)目碳排放量約為0.29 tCO₂e/t，碳減排量0.24 tCO₂e/t。

趙磊等運(yùn)用LCA方法學(xué)計(jì)算得1 t垃圾焚燒發(fā)電的碳減排量在0.6 tCO₂e以上。由于LCA法考慮了全生命周期過程的碳排放，因此具有較高的碳減排量。初金鳳對(duì)某日處理量為1000 t的垃圾焚燒發(fā)電廠進(jìn)行了碳減排核算，該廠滲濾液的處理方式是厭氧處理，由CDM中ACM0022方法學(xué)得該廠年均碳減排量為62051 tCO₂e。本項(xiàng)目廢水采取回噴至爐內(nèi)焚燒的處理方式，降低了項(xiàng)目的廢水處理排放，因此碳減排水平較高。

圖2比較了兩種方法學(xué)的碳排放量和減排量，通過分析計(jì)算結(jié)果，可以認(rèn)為結(jié)果差異在可接受的范圍內(nèi)，且可以互相補(bǔ)充。平衡法計(jì)算所得的碳排放量和減排量略高于CCER，其可能的原因如下所示。

      1）本研究的碳排放計(jì)算參考了歐洲垃圾組分中的元素含量，而我國生活垃圾組分與歐洲地區(qū)存在差異，其中，我國生活垃圾組分中廚余含量高達(dá)50%，而歐洲地區(qū)垃圾中的廚余含量僅為25%左右。因此，C、H、S、N、O等元素含量參考值對(duì)我國不完全適用，計(jì)算過程存在低估生物源碳含量的可能性。

      2）CCER方法學(xué)計(jì)算的計(jì)入期長達(dá)10 a，但垃圾采樣的時(shí)間跨度較小。由于生活垃圾隨季節(jié)和地域變化很大，存在樣品垃圾代表性不足的問題。

      然而，為了建立更為準(zhǔn)確的平衡法，有必要對(duì)區(qū)域性的垃圾組分進(jìn)行化學(xué)元素分析，得出區(qū)域垃圾中的C、H、S、N、O平均含量。

      運(yùn)用奧地利維也納技術(shù)大學(xué)Fellner團(tuán)隊(duì)提出的平衡法與CCER方法學(xué)對(duì)舟山市某處理量為28 t/d的小型垃圾熱解氣化焚燒廠的碳排放進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果顯示垃圾熱解氣化焚燒廠具有很好的碳減排效益，同時(shí)驗(yàn)證了平衡法在我國的可用性。由平衡法計(jì)算得該廠單位垃圾處理產(chǎn)生的碳排放量為0.61 tCO₂e/t，其中，化石源碳碳排放為0.28 tCO₂e/t；生物源碳碳排放為0.33 tCO₂e/t，屬于碳減排。由CCER方法學(xué)計(jì)算所得的基準(zhǔn)線排放量為0.53 tCO₂e/t；項(xiàng)目排放量為0.29 tCO₂e/t；項(xiàng)目減排量為0.24 tCO₂e/t。兩種方法學(xué)下的單位排放量及減排量的計(jì)算結(jié)果基本一致。對(duì)于垃圾處理過程，平衡法能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)計(jì)算碳排放、垃圾熱值、垃圾組分及各組分的發(fā)電比例，為CCER方法學(xué)中的項(xiàng)目排放量進(jìn)行了補(bǔ)充。本研究的結(jié)果為我國開展生活垃圾焚燒廠溫室氣體碳排放核算提供了數(shù)據(jù)支撐和方法依據(jù)。此外，本研究計(jì)算所涉及的垃圾元素組成及其含量的參數(shù)主要基于文獻(xiàn)數(shù)據(jù)及經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，盡管獲得的結(jié)果較為準(zhǔn)確，但是有必要進(jìn)一步對(duì)我國進(jìn)行分區(qū)域分季節(jié)的垃圾組分及元素的測量和分析，獲得符合我國垃圾特征的參考值，以期獲得更為準(zhǔn)確的碳排放計(jì)算結(jié)果。

撰稿：原文作者

責(zé)任編輯：王雅楠

作者簡介

李曉東 博士，浙江大學(xué)能源工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，主要從事廢棄物焚燒及資源化利用技術(shù)、焚燒過程持久性有機(jī)污染物（POPs，特別是二惡英）的生成及控制、環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、低溫等離子體技術(shù)在能源環(huán)境領(lǐng)域應(yīng)用等基礎(chǔ)研究。現(xiàn)任住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科學(xué)技術(shù)委員會(huì)城市環(huán)境衛(wèi)生專業(yè)委員會(huì)委員、全國城鎮(zhèn)環(huán)境衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)委員、中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)持久性有機(jī)污染物專業(yè)委員會(huì)委員、中國城市環(huán)境衛(wèi)生協(xié)會(huì)生活垃圾處理專業(yè)委員會(huì)常務(wù)委員、國家環(huán)境保護(hù)危險(xiǎn)廢物鑒別與風(fēng)險(xiǎn)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)委員會(huì)委員和浙江省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測預(yù)警及質(zhì)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)委員會(huì)委員等。任巴塞爾公約亞太區(qū)域中心化學(xué)品和廢物環(huán)境管理智庫專家、垃圾能源化利用國際咨詢專家委員會(huì)（ICCWtE）主席、國際固廢能源化利用協(xié)會(huì)（WTERT）教育和培訓(xùn)委員會(huì)主任。曾任國家履行國際斯德哥爾摩公約工作協(xié)調(diào)組專家、芬蘭國家材料價(jià)值鏈項(xiàng)目科學(xué)咨詢委員會(huì)委員等。作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人先后承擔(dān)國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目子課題（973）、國家自然科學(xué)基金及企業(yè)重大科研項(xiàng)目70余項(xiàng)。作為主要獲獎(jiǎng)?wù)攉@得國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)3次（生活垃圾循環(huán)流化床清潔焚燒發(fā)電集成技術(shù)，排名5，2006；污泥攪動(dòng)型間接熱干化和復(fù)合循環(huán)流化床清潔焚燒集成技術(shù)，排名9，2014；危險(xiǎn)廢物回轉(zhuǎn)式多段熱解焚燒及污染物協(xié)同控制關(guān)鍵技術(shù)，排名3，2017），另獲浙江省科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)3次、中國專利優(yōu)秀獎(jiǎng)2次、華夏建設(shè)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)1次。共發(fā)表期刊論文400余篇，其中SCI論文300余篇。合作出版編著4部，譯著1部，應(yīng)邀參編英文著作2部。已主編國家/行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、導(dǎo)則和指南4項(xiàng)，參與編制10項(xiàng)。