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今日分享 | 小型垃圾熱解氣化焚燒廠碳排放計(jì)算

分類(lèi):固廢觀察    發(fā)布時(shí)間:2022年9月5日 9:36    作者:固廢觀察公眾號(hào)    文章來(lái)源:固廢觀察公眾號(hào)

歡迎引用

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.

本文亮點(diǎn)

目前,生活垃圾焚燒碳排放的計(jì)算方法主要有:IPCC國(guó)際核算,生命周期評(píng)價(jià)法(LCA)及清潔發(fā)展機(jī)制(CDM)的方法學(xué)。然而目前國(guó)內(nèi)電廠缺乏計(jì)算所需的大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。且我國(guó)生活垃圾成分復(fù)雜,分布不均,季節(jié)性和地域性明顯,直接套用現(xiàn)有方法學(xué)所提供的缺省值得到的計(jì)算數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性不足。而考慮到生活垃圾焚燒發(fā)電行業(yè)的快速發(fā)展以及碳排放權(quán)交易市場(chǎng)的不斷完善,建立適合我國(guó)的方便、準(zhǔn)確、快捷的碳排放計(jì)算方法迫在眉睫。本研究將彌補(bǔ)這方面的空白,創(chuàng)新性地用奧地利維也納技術(shù)大學(xué)提出的平衡法應(yīng)用于我國(guó)垃圾焚燒發(fā)電廠的碳排放量計(jì)算,并檢驗(yàn)平衡法對(duì)我國(guó)垃圾焚燒廠的適用性,以期為我國(guó)垃圾焚燒發(fā)電廠的碳排放計(jì)算提供參考,并為我國(guó)碳市場(chǎng)建設(shè)提供可能的方法學(xué)參考。


內(nèi)容簡(jiǎn)介及結(jié)論

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(xué)對(duì)該廠中的碳排放和碳減排量進(jìn)行了對(duì)比計(jì)算。由平衡法計(jì)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(chǎn)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(chǎn)生碳減排效益);CCER方法學(xué)計(jì)算所得的基準(zhǔn)線(xiàn)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)的計(jì)算結(jié)果基本一致。平衡法可以對(duì)CCER方法學(xué)中項(xiàng)目排放量的垃圾焚燒產(chǎn)生的排放項(xiàng)進(jìn)行補(bǔ)充,同時(shí)是一種簡(jiǎn)便快捷、準(zhǔn)確性高,價(jià)格低廉的碳排放在線(xiàn)分析的可行方法。但仍需對(duì)我國(guó)垃圾組分進(jìn)行特定分析以完善平衡法。


圖文導(dǎo)讀
研究對(duì)象和方法
  • 研究對(duì)象

      以舟山市某垃圾無(wú)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(wú)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CODcr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(jiàn)表1。

  • 研究方法

△平衡法

      平衡法已被納入ISO 18466:2016,并被聯(lián)合國(guó)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(lèi)型垃圾、化石源碳類(lèi)型垃圾和水等4個(gè)組分,通過(guò)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(xiàn)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(cè)量的運(yùn)行數(shù)據(jù)中獲得,無(wú)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(cè)得的生物源碳類(lèi)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(lèi)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(lèi)類(lèi)型基本一致,是在全球范圍內(nèi)都具有參考性的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。且生物源碳和化石源碳中的各種類(lèi)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(guó)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(guó)的適用性,具體數(shù)值見(jiàn)表2。

CCER方法學(xué)

      2014年1月23日,國(guó)家發(fā)改委氣候司備案通過(guò)“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(chǎng)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(guó)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(jiǎn)歷基準(zhǔn)線(xiàn)的方法學(xué)、監(jiān)測(cè)的方法學(xué)、確定項(xiàng)目邊界的方法學(xué)和泄露估算、檢測(cè)計(jì)劃的制定和執(zhí)行。

結(jié)果與分析
  • 平衡法計(jì)算結(jié)果

      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(jiàn)圖1。項(xiàng)目焚燒垃圾來(lái)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(shuō)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(shuō)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%?;刺假|(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(jiàn)垃圾熱解氣化焚燒處理過(guò)程的碳減排量十分可觀。

  • CCER方法學(xué)計(jì)算結(jié)果

      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(xiàn)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(xiàn)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。

  • 分析與對(duì)比

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(guò)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(guò)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(guó)生活垃圾組分與歐洲地區(qū)存在差異,其中,我國(guó)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?jī)H為25%左右。因此,C、H、S、N、O等元素含量參考值對(duì)我國(guó)不完全適用,計(jì)算過(guò)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(zhǎng)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(wèn)題。

      平衡法僅考慮垃圾熱解氣化焚燒過(guò)程所產(chǎn)生的碳排放。CCER方法則對(duì)包括焚燒、發(fā)電、廢水處理等在內(nèi)的垃圾處理過(guò)程進(jìn)行了較完整的評(píng)價(jià);且結(jié)果表明,該項(xiàng)目中,由垃圾熱解氣化焚燒產(chǎn)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(xué)的特點(diǎn)。
      根據(jù)兩種方法學(xué)的特點(diǎn),平衡法可以對(duì)CCER方法學(xué)計(jì)算中項(xiàng)目排放量的“垃圾焚燒產(chǎn)生的排放”項(xiàng)進(jìn)行很好的補(bǔ)充。采用CCER方法學(xué)計(jì)算垃圾熱解氣化焚燒產(chǎn)生的碳排放時(shí),無(wú)需對(duì)垃圾進(jìn)行采集并分類(lèi)到特定的垃圾類(lèi)型以滿(mǎn)足選擇排放因子的要求,同時(shí)避免了采樣樣品代表性不足的問(wèn)題。只需通過(guò)平衡法分析焚燒廠常規(guī)測(cè)量的運(yùn)行數(shù)據(jù),即可計(jì)算相關(guān)碳排放值,降低了計(jì)算成本,簡(jiǎn)便快捷、準(zhǔn)確性高。同時(shí),平衡法可以實(shí)時(shí)在線(xiàn)分析垃圾熱值,基于所得數(shù)據(jù)對(duì)焚燒爐運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化,提高垃圾熱解氣化焚燒廠的運(yùn)行穩(wěn)定性和全廠效率。

      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。

結(jié)

      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(guó)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(xiàn)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(guò)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(guó)開(kāi)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(guó)進(jìn)行分區(qū)域分季節(jié)的垃圾組分及元素的測(cè)量和分析,獲得符合我國(guó)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(jiǎn)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(guò)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(zhuān)業(yè)委員會(huì)委員、全國(guó)城鎮(zhèn)環(huán)境衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)委員、中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)持久性有機(jī)污染物專(zhuān)業(yè)委員會(huì)委員、中國(guó)城市環(huán)境衛(wèi)生協(xié)會(huì)生活垃圾處理專(zhuān)業(yè)委員會(huì)常務(wù)委員、國(guó)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(cè)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(kù)專(zhuān)家、垃圾能源化利用國(guó)際咨詢(xún)專(zhuān)家委員會(huì)(ICCWtE)主席、國(guó)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(guó)家履行國(guó)際斯德哥爾摩公約工作協(xié)調(diào)組專(zhuān)家、芬蘭國(guó)家材料價(jià)值鏈項(xiàng)目科學(xué)咨詢(xún)委員會(huì)委員等。作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人先后承擔(dān)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目子課題(973)、國(guó)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(guó)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(guó)專(zhuān)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(guó)家/行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、導(dǎo)則和指南4項(xiàng),參與編制10項(xiàng)。


作者團(tuán)隊(duì)介紹


浙江大學(xué)熱能工程研究所是我國(guó)高等學(xué)校在能源清潔利用與環(huán)境工程領(lǐng)域的重要研究基地之一,是我國(guó)工程熱物理學(xué)科的國(guó)家重點(diǎn)學(xué)科點(diǎn),國(guó)家首批211工程和985重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)單位,國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)的首批博士和碩士學(xué)位授予點(diǎn),并建有能源清潔利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和垃圾焚燒技術(shù)與裝備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室等多個(gè)國(guó)家級(jí)科研基地。研究所在廢棄物高效清潔熱處置技術(shù)領(lǐng)域教職員工25人,其中院士1人,教授11人(長(zhǎng)江學(xué)者獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃特聘教授2人),研究員1人,副教授1人,博士后2人,項(xiàng)目聘用人員10人,總研究隊(duì)伍達(dá)100多人。研究團(tuán)隊(duì)近年來(lái)承擔(dān)了國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)、國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863)、國(guó)家高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化示范項(xiàng)目、國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)際合作項(xiàng)目、部委省級(jí)重點(diǎn)科研項(xiàng)目以及企業(yè)委托項(xiàng)目等項(xiàng)目。研究團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期開(kāi)展了固體廢棄物高效清潔熱處置技術(shù)和污染物控制技術(shù)研究,特別是廢棄物高效清潔熱處置技術(shù)和關(guān)鍵污染物協(xié)同控制技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平,研制了擁有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)、適合中國(guó)國(guó)情的城市生活垃圾循環(huán)流化床焚燒集成處置技術(shù)、污泥脫水干化焚燒集成處置技術(shù)和危險(xiǎn)廢物回轉(zhuǎn)式多段熱解焚燒集成處置技術(shù),并得以廣泛應(yīng)用,積累了豐富的研究和工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。在特殊污染物二惡英研究方面,長(zhǎng)期開(kāi)展了生成機(jī)理、抑制和排放控制研究,已建立起完整的二惡英排放檢測(cè)系統(tǒng)和一個(gè)具有世界先進(jìn)水平二惡英分析實(shí)驗(yàn)室并通過(guò)國(guó)家計(jì)量認(rèn)證(CMA),被列入聯(lián)合國(guó)環(huán)境保護(hù)署全球持久性有機(jī)污染物監(jiān)測(cè)與分析實(shí)驗(yàn)室目錄。


來(lái)源 | 環(huán)境衛(wèi)生工程
作者 | 黃靜穎, 張浩, 譚欽懷,詹明秀,林曉青,林曉東
編輯 | 匡宋堯

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