今日分享 | 小型垃圾热解气化焚烧厂碳排放计算

黄静颖, 张浩, 谭钦怀, 等. 小型垃圾热解气化焚烧厂碳排放计算[J]. 环境卫生工程, 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.

• 研究对象

      以舟山市某垃圾无害化处理项目为研究对象，该项目的垃圾焚烧系统采用立式旋转热解气化焚烧炉对周边城市生活垃圾及部分工业可燃垃圾进行焚烧处理，处理规模为28 t/d，无须添加辅助化石燃料；并配建1.8 t/h卧式余热锅炉，给水量1.854 t/h，给水温度20℃，蒸汽压力0.7 MPa，蒸汽温度170℃；项目渣产量为3.1 t/d，灰产量为1.44 t/d；垃圾渗沥液产量为3.5 m³/d，其COD_cr浓度为6000 mg/L，垃圾渗沥液回喷至焚烧炉内进行处理。该项目新鲜垃圾的含水率为60%，详细入炉垃圾组份见表1。

      平衡法已被纳入ISO 18466:2016，并被联合国气候变化框架公约（United Nations Framework Convention on Climate Change, UNFCCC）更新至CDM方法学中用于计算垃圾组分中生物源碳和化石源碳的比例。平衡法将混合垃圾分为惰性组分、生物源碳类型垃圾、化石源碳类型垃圾和水等4个组分，通过计算5个质量平衡方程和1个能量平衡方程即可在线分析垃圾组分，方法所需数据可以从相关文献或从垃圾热解气化焚烧发电厂常规测量的运行数据中获得，无须对垃圾进行额外的采样分析。平衡法不仅可以用于计算垃圾热解气化焚烧厂的总碳排放量，还可以对各组分的排放比例进行分析。

      由Fellner团队基于欧洲垃圾组分测得的生物源碳类型垃圾包括：木材、纸张/纸板、花园（庭院）和公园垃圾、厨余垃圾、卫生纸、纺织品等；化学源碳类型垃圾包括：聚乙烯（Polyethylene，PE）、聚丙烯（Polypropylene，PP）、聚苯乙烯（Polystyrene，PS）、聚氯乙烯（Polyvinyl chloride，PVC）、聚对苯二甲酸乙二醇脂（Ethylene terephthalate，PET）、聚酰胺（Polyamide，PA）等，与IPCC法、CDM法垃圾组分的分类类型基本一致，是在全球范围内都具有参考性的分类标准。且生物源碳和化石源碳中的各种类型的垃圾元素组成及其含量差距不大，因此欧洲的数据具有一定的代表性，可用于表征我国垃圾组分的元素特点，本研究参考了文献【25】中的数据以试验平衡法在我国的适用性，具体数值见表2。

△CCER方法学

      2014年1月23日，国家发改委气候司备案通过“CM-072-V01：多选垃圾处理方式（第一版）”即CCER方法学，批准适用于碳排放交易试点市场中垃圾焚烧发电CCER项目的碳排放量计算。该方法学取自联合国气候变化框架公约（UNFCCC）“ACM0022 Alternative Waste Treatment Processes(Version 1.0)”，即CDM方法学，适用于1种或多种组合的垃圾处理项目活动，即堆制肥料或联合堆肥、厌氧消化、热处理、机械处理、气化和焚烧，涉及简历基准线的方法学、监测的方法学、确定项目边界的方法学和泄露估算、检测计划的制定和执行。

      以1 d为计算周期可得，在混合干垃圾中，生物源碳垃圾含量占75.62%（标准差为6.5%），化石源碳垃圾含量占13.59%（标准差为1.6%），惰性组分含量占10.79%（标准差为1.2%），见图1。项目焚烧垃圾来源于项目周边城市的生活垃圾，其中较高的厨余组分导致了较高的生物源碳比例，且较大的标准差说明生物源碳垃圾含量在一定范围内的变化大于化石源碳垃圾和惰性组分。由垃圾热解气化焚烧产生的总碳排放量为15.24 tCO₂e/d，单位垃圾处理碳排放产生量为0.61 tCO₂e/t（标准差为0.02 tCO₂e/t），标准差较小，整体碳排放量在计算周期内变化不大，说明入炉焚烧前垃圾混合较均匀。其中，化石源碳燃烧所产生的CO₂排放量为0.28 tCO₂e/t，占45.9%；生物源碳燃烧所产生的CO₂排放量为0.33 tCO₂e/t，占54.1%。化石源碳质量占比小，但其燃烧效率高，热值高，碳排放量大。由生物源碳燃烧所造成的碳排放量占总排放量的50%以上。生物碳源仅参与大气循环，不纳入碳排放清单，但同时可以产生电量，因此生物源碳的碳排放可视作碳减排量，由此可见垃圾热解气化焚烧处理过程的碳减排量十分可观。

      由CCER方法学计算可得，10 a计入期内项目平均每年基准线排放量为5420.9 tCO₂e，总项目排放量为3005.3 tCO₂e，总减排量为2415.6 tCO₂e。计算得出10 a计入期内的项目碳排放量如表3所示。计入期内单位垃圾采用焚烧方式处理后的基准线排放量为0.53 tCO₂e/t，项目碳排放量约为0.29 tCO₂e/t，碳减排量0.24 tCO₂e/t。

赵磊等运用LCA方法学计算得1 t垃圾焚烧发电的碳减排量在0.6 tCO₂e以上。由于LCA法考虑了全生命周期过程的碳排放，因此具有较高的碳减排量。初金凤对某日处理量为1000 t的垃圾焚烧发电厂进行了碳减排核算，该厂渗滤液的处理方式是厌氧处理，由CDM中ACM0022方法学得该厂年均碳减排量为62051 tCO₂e。本项目废水采取回喷至炉内焚烧的处理方式，降低了项目的废水处理排放，因此碳减排水平较高。

图2比较了两种方法学的碳排放量和减排量，通过分析计算结果，可以认为结果差异在可接受的范围内，且可以互相补充。平衡法计算所得的碳排放量和减排量略高于CCER，其可能的原因如下所示。

      1）本研究的碳排放计算参考了欧洲垃圾组分中的元素含量，而我国生活垃圾组分与欧洲地区存在差异，其中，我国生活垃圾组分中厨余含量高达50%，而欧洲地区垃圾中的厨余含量仅为25%左右。因此，C、H、S、N、O等元素含量参考值对我国不完全适用，计算过程存在低估生物源碳含量的可能性。

      2）CCER方法学计算的计入期长达10 a，但垃圾采样的时间跨度较小。由于生活垃圾随季节和地域变化很大，存在样品垃圾代表性不足的问题。

      然而，为了建立更为准确的平衡法，有必要对区域性的垃圾组分进行化学元素分析，得出区域垃圾中的C、H、S、N、O平均含量。

      运用奥地利维也纳技术大学Fellner团队提出的平衡法与CCER方法学对舟山市某处理量为28 t/d的小型垃圾热解气化焚烧厂的碳排放进行计算。计算结果显示垃圾热解气化焚烧厂具有很好的碳减排效益，同时验证了平衡法在我国的可用性。由平衡法计算得该厂单位垃圾处理产生的碳排放量为0.61 tCO₂e/t，其中，化石源碳碳排放为0.28 tCO₂e/t；生物源碳碳排放为0.33 tCO₂e/t，属于碳减排。由CCER方法学计算所得的基准线排放量为0.53 tCO₂e/t；项目排放量为0.29 tCO₂e/t；项目减排量为0.24 tCO₂e/t。两种方法学下的单位排放量及减排量的计算结果基本一致。对于垃圾处理过程，平衡法能实现实时计算碳排放、垃圾热值、垃圾组分及各组分的发电比例，为CCER方法学中的项目排放量进行了补充。本研究的结果为我国开展生活垃圾焚烧厂温室气体碳排放核算提供了数据支撑和方法依据。此外，本研究计算所涉及的垃圾元素组成及其含量的参数主要基于文献数据及经验数据，尽管获得的结果较为准确，但是有必要进一步对我国进行分区域分季节的垃圾组分及元素的测量和分析，获得符合我国垃圾特征的参考值，以期获得更为准确的碳排放计算结果。

撰稿：原文作者

责任编辑：王雅楠

作者简介

李晓东 博士，浙江大学能源工程学院教授，博士生导师，主要从事废弃物焚烧及资源化利用技术、焚烧过程持久性有机污染物（POPs，特别是二恶英）的生成及控制、环境污染风险评估、低温等离子体技术在能源环境领域应用等基础研究。现任住房和城乡建设部科学技术委员会城市环境卫生专业委员会委员、全国城镇环境卫生标准化委员会委员、中国环境科学学会持久性有机污染物专业委员会委员、中国城市环境卫生协会生活垃圾处理专业委员会常务委员、国家环境保护危险废物鉴别与风险控制重点实验室学术委员会委员和浙江省生态环境监测预警及质控重点实验室学术委员会委员等。任巴塞尔公约亚太区域中心化学品和废物环境管理智库专家、垃圾能源化利用国际咨询专家委员会（ICCWtE）主席、国际固废能源化利用协会（WTERT）教育和培训委员会主任。曾任国家履行国际斯德哥尔摩公约工作协调组专家、芬兰国家材料价值链项目科学咨询委员会委员等。作为项目负责人先后承担国家重点研发计划、国家重点基础研究发展规划项目子课题（973）、国家自然科学基金及企业重大科研项目70余项。作为主要获奖者获得国家科技进步二等奖3次（生活垃圾循环流化床清洁焚烧发电集成技术，排名5，2006；污泥搅动型间接热干化和复合循环流化床清洁焚烧集成技术，排名9，2014；危险废物回转式多段热解焚烧及污染物协同控制关键技术，排名3，2017），另获浙江省科学技术一等奖3次、中国专利优秀奖2次、华夏建设科学技术一等奖1次。共发表期刊论文400余篇，其中SCI论文300余篇。合作出版编著4部，译著1部，应邀参编英文著作2部。已主编国家/行业标准、导则和指南4项，参与编制10项。