黃靜穎, 張浩, 譚欽懷, 等. 小型垃圾熱解氣化焚燒廠碳排放計算[J]. 環境衛生工程, 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.
目前，生活垃圾焚燒碳排放的計算方法主要有：IPCC國際核算，生命周期評價法（LCA）及清潔發展機制（CDM）的方法學。然而目前國內電廠缺乏計算所需的大量基礎數據。且我國生活垃圾成分復雜，分布不均，季節性和地域性明顯，直接套用現有方法學所提供的缺省值得到的計算數據準確性不足。而考慮到生活垃圾焚燒發電行業的快速發展以及碳排放權交易市場的不斷完善，建立適合我國的方便、準確、快捷的碳排放計算方法迫在眉睫。本研究將彌補這方面的空白，創新性地用奧地利維也納技術大學提出的平衡法應用于我國垃圾焚燒發電廠的碳排放量計算，并檢驗平衡法對我國垃圾焚燒廠的適用性，以期為我國垃圾焚燒發電廠的碳排放計算提供參考，并為我國碳市場建設提供可能的方法學參考。
以舟山市某垃圾熱解氣化焚燒廠為例，分別采用平衡法和CCER方法學對該廠中的碳排放和碳減排量進行了對比計算。由平衡法計算得該廠單位垃圾碳排放量為0.61 tCO2e/t，其中，化石源碳燃燒產生的碳排放量為0.28 tCO2e/t，生物源碳碳排放為0.33 tCO2e/t（該部分可產生碳減排效益）；CCER方法學計算所得的基準線排放量為0.53 tCO2e/t，項目排放量為0.29 tCO2e/t，項目減排量為0.24 tCO2e/t。兩種方法學的計算結果基本一致。平衡法可以對CCER方法學中項目排放量的垃圾焚燒產生的排放項進行補充，同時是一種簡便快捷、準確性高，價格低廉的碳排放在線分析的可行方法。但仍需對我國垃圾組分進行特定分析以完善平衡法。
以舟山市某垃圾無害化處理項目為研究對象，該項目的垃圾焚燒系統采用立式旋轉熱解氣化焚燒爐對周邊城市生活垃圾及部分工業可燃垃圾進行焚燒處理，處理規模為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℃；項目渣產量為3.1 t/d，灰產量為1.44 t/d；垃圾滲瀝液產量為3.5 m3/d，其CODcr濃度為6000 mg/L，垃圾滲瀝液回噴至焚燒爐內進行處理。該項目新鮮垃圾的含水率為60%，詳細入爐垃圾組份見表1。
平衡法已被納入ISO 18466:2016，并被聯合國氣候變化框架公約（United Nations Framework Convention on Climate Change, UNFCCC）更新至CDM方法學中用于計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個組分，通過計算5個質量平衡方程和1個能量平衡方程即可在線分析垃圾組分，方法所需數據可以從相關文獻或從垃圾熱解氣化焚燒發電廠常規測量的運行數據中獲得，無須對垃圾進行額外的采樣分析。平衡法不僅可以用于計算垃圾熱解氣化焚燒廠的總碳排放量，還可以對各組分的排放比例進行分析。
由Fellner團隊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、衛生紙、紡織品等；化學源碳類型垃圾包括：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，是在全球范圍內都具有參考性的分類標準。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，因此歐洲的數據具有一定的代表性，可用于表征我國垃圾組分的元素特點，本研究參考了文獻【25】中的數據以試驗平衡法在我國的適用性，具體數值見表2。
2014年1月23日，國家發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，批準適用于碳排放交易試點市場中垃圾焚燒發電CCER項目的碳排放量計算。該方法學取自聯合國氣候變化框架公約（UNFCCC）“ACM0022 Alternative Waste Treatment Processes(Version 1.0)”，即CDM方法學，適用于1種或多種組合的垃圾處理項目活動，即堆制肥料或聯合堆肥、厭氧消化、熱處理、機械處理、氣化和焚燒，涉及簡歷基準線的方法學、監測的方法學、確定項目邊界的方法學和泄露估算、檢測計劃的制定和執行。
以1 d為計算周期可得，在混合干垃圾中，生物源碳垃圾含量占75.62%（標準差為6.5%），化石源碳垃圾含量占13.59%（標準差為1.6%），惰性組分含量占10.79%（標準差為1.2%），見圖1。項目焚燒垃圾來源于項目周邊城市的生活垃圾，其中較高的廚余組分導致了較高的生物源碳比例，且較大的標準差說明生物源碳垃圾含量在一定范圍內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生的總碳排放量為15.24 tCO2e/d，單位垃圾處理碳排放產生量為0.61 tCO2e/t（標準差為0.02 tCO2e/t），標準差較小，整體碳排放量在計算周期內變化不大，說明入爐焚燒前垃圾混合較均勻。其中，化石源碳燃燒所產生的CO2排放量為0.28 tCO2e/t，占45.9%；生物源碳燃燒所產生的CO2排放量為0.33 tCO2e/t，占54.1%?；刺假|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，不納入碳排放清單，但同時可以產生電量，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方法學計算可得，10 a計入期內項目平均每年基準線排放量為5420.9 tCO2e，總項目排放量為3005.3 tCO2e，總減排量為2415.6 tCO2e。計算得出10 a計入期內的項目碳排放量如表3所示。計入期內單位垃圾采用焚燒方式處理后的基準線排放量為0.53 tCO2e/t，項目碳排放量約為0.29 tCO2e/t，碳減排量0.24 tCO2e/t。
趙磊等運用LCA方法學計算得1 t垃圾焚燒發電的碳減排量在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。初金鳳對某日處理量為1000 t的垃圾焚燒發電廠進行了碳減排核算，該廠滲濾液的處理方式是厭氧處理，由CDM中ACM0022方法學得該廠年均碳減排量為62051 tCO2e。本項目廢水采取回噴至爐內焚燒的處理方式，降低了項目的廢水處理排放，因此碳減排水平較高。
圖2比較了兩種方法學的碳排放量和減排量，通過分析計算結果，可以認為結果差異在可接受的范圍內，且可以互相補充。平衡法計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存在差異，其中，我國生活垃圾組分中廚余含量高達50%，而歐洲地區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我國不完全適用，計算過程存在低估生物源碳含量的可能性。
2）CCER方法學計算的計入期長達10 a，但垃圾采樣的時間跨度較小。由于生活垃圾隨季節和地域變化很大，存在樣品垃圾代表性不足的問題。
平衡法僅考慮垃圾熱解氣化焚燒過程所產生的碳排放。CCER方法則對包括焚燒、發電、廢水處理等在內的垃圾處理過程進行了較完整的評價；且結果表明，該項目中，由垃圾熱解氣化焚燒產生的碳排放占總碳排放的比例最大。表4分析比較了兩種方法學的特點。 根據兩種方法學的特點，平衡法可以對CCER方法學計算中項目排放量的“垃圾焚燒產生的排放”項進行很好的補充。采用CCER方法學計算垃圾熱解氣化焚燒產生的碳排放時，無需對垃圾進行采集并分類到特定的垃圾類型以滿足選擇排放因子的要求，同時避免了采樣樣品代表性不足的問題。只需通過平衡法分析焚燒廠常規測量的運行數據，即可計算相關碳排放值，降低了計算成本，簡便快捷、準確性高。同時，平衡法可以實時在線分析垃圾熱值，基于所得數據對焚燒爐運行進行優化，提高垃圾熱解氣化焚燒廠的運行穩定性和全廠效率。 然而，為了建立更為準確的平衡法，有必要對區域性的垃圾組分進行化學元素分析，得出區域垃圾中的C、H、S、N、O平均含量。
運用奧地利維也納技術大學Fellner團隊提出的平衡法與CCER方法學對舟山市某處理量為28 t/d的小型垃圾熱解氣化焚燒廠的碳排放進行計算。計算結果顯示垃圾熱解氣化焚燒廠具有很好的碳減排效益，同時驗證了平衡法在我國的可用性。由平衡法計算得該廠單位垃圾處理產生的碳排放量為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方法學計算所得的基準線排放量為0.53 tCO2e/t；項目排放量為0.29 tCO2e/t；項目減排量為0.24 tCO2e/t。兩種方法學下的單位排放量及減排量的計算結果基本一致。對于垃圾處理過程，平衡法能實現實時計算碳排放、垃圾熱值、垃圾組分及各組分的發電比例，為CCER方法學中的項目排放量進行了補充。本研究的結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據支撐和方法依據。此外，本研究計算所涉及的垃圾元素組成及其含量的參數主要基于文獻數據及經驗數據，盡管獲得的結果較為準確，但是有必要進一步對我國進行分區域分季節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，以期獲得更為準確的碳排放計算結果。
撰稿：原文作者
責任編輯：王雅楠
李曉東 博士，浙江大學能源工程學院教授，博士生導師，主要從事廢棄物焚燒及資源化利用技術、焚燒過程持久性有機污染物（POPs，特別是二惡英）的生成及控制、環境污染風險評估、低溫等離子體技術在能源環境領域應用等基礎研究。現任住房和城鄉建設部科學技術委員會城市環境衛生專業委員會委員、全國城鎮環境衛生標準化委員會委員、中國環境科學學會持久性有機污染物專業委員會委員、中國城市環境衛生協會生活垃圾處理專業委員會常務委員、國家環境保護危險廢物鑒別與風險控制重點實驗室學術委員會委員和浙江省生態環境監測預警及質控重點實驗室學術委員會委員等。任巴塞爾公約亞太區域中心化學品和廢物環境管理智庫專家、垃圾能源化利用國際咨詢專家委員會（ICCWtE）主席、國際固廢能源化利用協會（WTERT）教育和培訓委員會主任。曾任國家履行國際斯德哥爾摩公約工作協調組專家、芬蘭國家材料價值鏈項目科學咨詢委員會委員等。作為項目負責人先后承擔國家重點研發計劃、國家重點基礎研究發展規劃項目子課題（973）、國家自然科學基金及企業重大科研項目70余項。作為主要獲獎者獲得國家科技進步二等獎3次（生活垃圾循環流化床清潔焚燒發電集成技術，排名5，2006；污泥攪動型間接熱干化和復合循環流化床清潔焚燒集成技術，排名9，2014；危險廢物回轉式多段熱解焚燒及污染物協同控制關鍵技術，排名3，2017），另獲浙江省科學技術一等獎3次、中國專利優秀獎2次、華夏建設科學技術一等獎1次。共發表期刊論文400余篇，其中SCI論文300余篇。合作出版編著4部，譯著1部，應邀參編英文著作2部。已主編國家/行業標準、導則和指南4項，參與編制10項。浙江大學熱能工程研究所是我國高等學校在能源清潔利用與環境工程領域的重要研究基地之一，是我國工程熱物理學科的國家重點學科點，國家首批211工程和985重點學科建設單位，國務院批準的首批博士和碩士學位授予點，并建有能源清潔利用國家重點實驗室和垃圾焚燒技術與裝備國家工程實驗室等多個國家級科研基地。研究所在廢棄物高效清潔熱處置技術領域教職員工25人，其中院士1人，教授11人（長江學者獎勵計劃特聘教授2人），研究員1人，副教授1人，博士后2人，項目聘用人員10人，總研究隊伍達100多人。研究團隊近年來承擔了國家重點基礎研究發展計劃（973）、國家高技術研究發展計劃(863)、國家高技術產業化示范項目、國家科技支撐計劃項目、國家自然科學基金、國際合作項目、部委省級重點科研項目以及企業委托項目等項目。研究團隊長期開展了固體廢棄物高效清潔熱處置技術和污染物控制技術研究，特別是廢棄物高效清潔熱處置技術和關鍵污染物協同控制技術已經達到了國際領先水平，研制了擁有獨立知識產權、適合中國國情的城市生活垃圾循環流化床焚燒集成處置技術、污泥脫水干化焚燒集成處置技術和危險廢物回轉式多段熱解焚燒集成處置技術，并得以廣泛應用，積累了豐富的研究和工程應用經驗。在特殊污染物二惡英研究方面，長期開展了生成機理、抑制和排放控制研究，已建立起完整的二惡英排放檢測系統和一個具有世界先進水平二惡英分析實驗室并通過國家計量認證（CMA），被列入聯合國環境保護署全球持久性有機污染物監測與分析實驗室目錄。
作者 | 黃靜穎, 張浩, 譚欽懷,詹明秀,林曉青,林曉東