城市生活垃圾處理中的能源化與溫室氣體減排

陳穎雯，程 敏，黃梅玲，龍吉生，歐遠(yuǎn)洋

（上海丸九環(huán)?？萍加邢薰?，上海 200040）

城市生活垃圾處理中的能源化與溫室氣體減排

陳穎雯，程 敏，黃梅玲，龍吉生，歐遠(yuǎn)洋

（上海丸九環(huán)?？萍加邢薰?，上海 200040）

簡述了城市生活垃圾能源化利用技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及國內(nèi)外的研究進(jìn)展，分析了各項能源化利用技術(shù)的特點和在國內(nèi)的運用情況以及各項技術(shù)在溫室氣體減排方面的應(yīng)用，指出垃圾能源化和減容是今后垃圾處理的主要趨勢，在各項能源化利用技術(shù)中焚燒以其能源化和減容減排優(yōu)勢將成為主導(dǎo)技術(shù)力量，并在國內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。

垃圾能源化；溫室氣體減排；低碳；填埋；焚燒；氣化；廢物衍生燃料

隨著城市化經(jīng)濟(jì)發(fā)展與城市人口的增加，城市的規(guī)模和范圍不斷擴(kuò)大，城市生活垃圾的產(chǎn)生量隨之迅速增長。據(jù)統(tǒng)計，至2008年英國的城市垃圾較20世紀(jì)60年代增加了5倍［1］，自1960年至2010年美國的城市固體垃圾產(chǎn)生量增加到2.84倍［2］，我國的城市生活垃圾清運量自2000年至2008年，年平均增長率達(dá)到近5%［3］。在土地資源有限而垃圾產(chǎn)生量激增的現(xiàn)代社會，對垃圾合理、高效的能源化處理，并緩解垃圾本身的碳排放且替代部分傳統(tǒng)能源，是實現(xiàn)資源回收利用和減少碳排放的重要議題。

目前全球?qū)τ诔鞘猩罾奶幚矸绞阶钪饕挠行l(wèi)生填埋和焚燒，雖然我國已有政策鼓勵對垃圾處理過程中產(chǎn)生的溫室氣體等進(jìn)行回收利用，然而由于成本、技術(shù)等各方面的因素，直至今日仍未得到普遍的應(yīng)用。筆者對垃圾能源化進(jìn)行了介紹，包括技術(shù)成熟且普遍應(yīng)用的填埋氣體的回收利用，垃圾焚燒發(fā)電等垃圾能源化技術(shù)和實例。此外，其他技術(shù)如垃圾的氣化處理、廢物衍生燃料也處于積極探索及實踐的階段，雖尚未在我國得到普遍運用，在此也舉例說明以供參考。

1 垃圾能源化與城市生活垃圾處理方式

1.1 垃圾能源化的含義

傳統(tǒng)意義上的垃圾能源化（waste-to-energy）是指利用垃圾焚燒過程中產(chǎn)生的電能或熱能的過程。隨著各種技術(shù)的涌現(xiàn)，垃圾能源化得到了多方面的發(fā)展，其含義也就不僅僅局限于焚燒產(chǎn)能，還包括厭氧消化、填埋氣體回收利用、氣化及廢物衍生燃料（RDF） 等產(chǎn)能過程［4］。從中可以看到，不同的垃圾能源化方式與垃圾的處理方式息息相關(guān)。

1.2 城市生活垃圾處理的主要方式

在我國衛(wèi)生填埋比例較高，直至2009年全國有衛(wèi)生填埋場447座，垃圾焚燒廠93座［5］。在一些歐美發(fā)達(dá)國家，焚燒在城市生活垃圾處理方式中占有相當(dāng)大的比例。一些歐洲如丹麥、瑞典、荷蘭、法國、德國等國家，垃圾焚燒的比例均在25%以上［6］。1960—2010年，美國垃圾焚燒并實現(xiàn)能源化的比例從0上升到約11.7%（見圖1）［2］。日本垃圾焚燒比例近85%，至2009年共有垃圾焚燒設(shè)施 1 644 處［7-8］。

2 城市生活垃圾填埋處理的能源化

城市生活垃圾中含有多種有機(jī)物質(zhì)，在垃圾填埋過程中及填埋場封場后，有機(jī)物質(zhì)經(jīng)歷長時間的厭氧反應(yīng)產(chǎn)生填埋氣體，其中大量可燃的溫室氣體甲烷的體積和含量隨垃圾中有機(jī)質(zhì)成分、水分、溫度、微生物量、填埋時間和垃圾的pH的變化而變化，高達(dá)45%～60%，有關(guān)數(shù)據(jù)顯示其熱值一般為 7 450～22 350 kJ/m3［9］。以 14 900 kJ/m3熱值計，每立方米填埋氣體中所含的能量大約相當(dāng)于0.4 L柴油或0.5 L汽油的能量，與城市煤氣熱值相近。

將這些填埋氣體收集起來并進(jìn)行發(fā)電、供熱、供氣等利用就是對垃圾填埋處理的能源化，不僅直接減少了溫室氣體甲烷的排放，而且如發(fā)電利用就能間接地通過代替部分火電減少相應(yīng)的溫室氣體排放。每立方米填埋氣體約可發(fā)電1.7 kW·h，按日處理1 000 t垃圾的填埋場產(chǎn)氣量30 000 m3估算，可發(fā)電5 MW·h/d，以上網(wǎng)電價0.6元/（kW·h） 計，售電收入可達(dá)3萬元/d，平均每噸垃圾的售電收入可達(dá)30元。然而，據(jù)2006年原建設(shè)部統(tǒng)計結(jié)果顯示，全國處理規(guī)模在500 t/d的垃圾填埋場有119座，其中有94座沒有回收填埋氣體進(jìn)行利用，填埋氣利用率僅30%，其氣體收集發(fā)電成本高，發(fā)電或供熱、供氣收益有限，是填埋氣體利用率低的主要原因。

目前一些垃圾填埋場，包括北京安定填埋場、南京天井洼垃圾填埋場、上海老港垃圾填埋場、廈門東孚垃圾填埋場等，在考慮填埋氣體利用的同時尋求了清潔發(fā)展機(jī)制（clean development mechanism，CDM）的資助。通過向聯(lián)合國申請注冊成為CDM項目，將回收利用的填埋氣體及替代的火電溫室氣體排放換算成二氧化碳減排當(dāng)量，通過認(rèn)證簽發(fā)后即可與發(fā)達(dá)國家進(jìn)行交易以獲得額外的收益，使得項目在3～5 a收回成本［10］，既對溫室氣體減排作出了貢獻(xiàn)，也克服了成本高導(dǎo)致運作難的問題。根據(jù)IGES統(tǒng)計，截至2011年12月20日，我國已注冊并簽發(fā)成功的項目有16個，二氧化碳減排總量達(dá)到147萬多t。

填埋相對焚燒等其他垃圾處理方式而言投資較少，處理費用低，處理量大且操作簡單。但直接的垃圾填埋占地面積大，無法實現(xiàn)垃圾減容的效果。若防范措施不當(dāng)，產(chǎn)生的滲瀝液易污染周邊環(huán)境。此外，填埋場的產(chǎn)氣質(zhì)量低，只適用于其鄰近地區(qū)的供能。因而，在土地資源緊張的城市中其能源化效力不大。就城市垃圾處理及能源化角度來看，對現(xiàn)有填埋場進(jìn)行能源化建設(shè)管理是非常必要的，但若對垃圾填埋進(jìn)行大力發(fā)展恐怕不是一個理想的方向。

3 城市生活垃圾焚燒處理的能源化

垃圾焚燒的能源化更為直接。其一，垃圾通過高溫焚燒而被消解，避免了其在填埋場產(chǎn)生填埋氣體而對大氣造成的溫室氣體排放；其二，對焚燒過程中的余熱進(jìn)行利用，垃圾在高溫焚燒中產(chǎn)生的熱能被轉(zhuǎn)化為高溫蒸汽，能夠推動渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動使發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能，從而又替代部分火電，減少相應(yīng)的溫室氣體排放。以1個規(guī)模為1 000 t/d的垃圾焚燒廠，每噸垃圾產(chǎn)生380 kW·h電量來估算，每天產(chǎn)生電量達(dá)380 MW·h，如其中16%為自用，則上網(wǎng)電量達(dá)到約320 MW·h，以上網(wǎng)電價0.6元/（kW·h） 計，售電收入可達(dá)19萬元/d，平均每噸垃圾的售電收入為190元。例如，長春垃圾焚燒發(fā)電廠2006年處理垃圾近14萬t，占其垃圾總量約1/6，節(jié)省20萬m3的填埋空間，同時產(chǎn)生了0.46億kW·h電量［11］，僅發(fā)電部分相當(dāng)于減排了約4萬t二氧化碳。然而，垃圾焚燒發(fā)電的成本較高，據(jù)統(tǒng)計，在相同處理能力情況下，焚燒方式形成的資金投入可達(dá)填埋方式的3倍以上［12］。

與垃圾填埋氣體回收利用項目相似，垃圾焚燒發(fā)電項目也能在聯(lián)合國申請成為CDM項目。將避免產(chǎn)生的填埋氣體及替代的火電溫室氣體排放換算成二氧化碳減排當(dāng)量，再扣除項目排放量，通過認(rèn)證簽發(fā)的減排量可與發(fā)達(dá)國家進(jìn)行交易以獲得額外的收益。如成都洛帶垃圾焚燒廠已經(jīng)在聯(lián)合國成功注冊，其年垃圾處理量約40萬t，設(shè)計年發(fā)電量1.17億kW·h，前7 a的二氧化碳減排量可達(dá)68萬多t［13］。在實現(xiàn)溫室氣體減排的同時，通過CDM的資助，垃圾焚燒發(fā)電項目也就能逾越投資運行成本高昂的難關(guān)。

與填埋不同，垃圾焚燒能夠切實有效地實現(xiàn)垃圾減量化和無害化，減量一般達(dá)70%，減容一般達(dá)90%［14］，垃圾中大量的病原體在高溫焚燒過程中被滅除。焚燒也避免了填埋臭氣對周邊環(huán)境的影響。據(jù)歐盟調(diào)查發(fā)現(xiàn)，填埋比例低而焚燒比例高則垃圾的資源回收利用的比例高，反之則低［14］。因此對于城市生活垃圾，焚燒處理是較好的選擇。但由于垃圾焚燒場投資運營成本高昂，而焚燒效率受垃圾成分影響較大，且居民對焚燒認(rèn)同度低，致使垃圾焚燒在我國未得到順利地發(fā)展。

4 其他領(lǐng)域

4.1 氣化

氣化（gasification）過程是對含碳燃料進(jìn)行不完全燃燒以產(chǎn)生富含一氧化碳、氫和一些飽和烴的可燃?xì)怏w（主要是沼氣），在過量空氣條件下由內(nèi)燃機(jī)、汽輪機(jī)或鍋爐進(jìn)一步燃燒的過程。通過氣化過程可對固體廢物進(jìn)行減容和能量利用［15-16］。

就采用的技術(shù)工藝而言，有熱分解氣化、傳統(tǒng)氣化以及等離子體氣化。熱分解氣化技術(shù)是熱解技術(shù)的變體，從熱解過程產(chǎn)生的液體和焦炭等進(jìn)一步通過一體化反應(yīng)器發(fā)生氣化反應(yīng)，產(chǎn)生的合成氣可用于發(fā)電或產(chǎn)生蒸汽，實現(xiàn)垃圾的能源化。根據(jù)溫度的不同最終產(chǎn)物還會有飛灰、熔渣、金屬。傳統(tǒng)氣化是在有限的空氣或者氧氣的條件下將含碳物質(zhì)轉(zhuǎn)化為合成氣的熱過程，蒸汽被噴射到反應(yīng)器中生成CO和H2，再進(jìn)一步利用。等離子體氣化是一種高溫?zé)峤膺^程，高溫由電弧激發(fā)氣體形成等離子而產(chǎn)生。通過等離子氣化，固體廢物的有機(jī)物質(zhì)（含碳物質(zhì)）被轉(zhuǎn)化成合成氣，主要含有CO和H2，無機(jī)物質(zhì)及礦物質(zhì)形成巖狀類玻璃體的副產(chǎn)物，被稱為玻璃化熔渣，可以制作絕緣材料、瓦片。除了等離子體氣化之外，其他的氣化技術(shù)都有飛灰及熔渣處理的問題［17］。

各種氣化技術(shù)均比焚燒產(chǎn)能量高，其中等離子體氣化的產(chǎn)能量最高［17］。此外，氣化技術(shù)力圖使二惡英、呋喃類（PCDD/Fs）、重金屬等劇毒二次污染物排放值降至最低［18］。據(jù)國外研究者測算比較，在建設(shè)及運行處理成本方面，氣化技術(shù)通常較垃圾焚燒低［17］。但氣化技術(shù)對熱值的要求更高，必須達(dá)到8 360 kJ/kg以上才可以選用氣化技術(shù)。我國的城市生活垃圾含水率高，熱值低，因此不適合廣泛采用氣化技術(shù)。目前我國僅有安徽南陵縣正在承建生活垃圾氣化發(fā)電廠項目，采用熱分解氣化工藝。

4.2 廢物衍生燃料

廢物衍生燃料RDF（refuse derived fuel）是把生活垃圾除去雜質(zhì)、不可燃物質(zhì)（如玻璃、灰土等），經(jīng)干燥、脫水、破碎、壓縮成型、添加藥劑等手段制成燃料進(jìn)一步利用。美國材料測試學(xué)會（ASTM）針對RDF處理后的特性差異將RDF分成7類，見表1。歐美國家主要發(fā)展RDF-2和RDF-3，作為焚燒的一種前處理。日本主要發(fā)展RDF-5，歐洲也已有RDF-5的商品［19］。

表1 RDF分類

一般 100 t垃圾可制取得到 50～65 t的 RDF［20］。散裝RDF制備工藝簡單，但不適于長期儲藏和長途運輸，否則會發(fā)酵或產(chǎn)生沼氣、CO、CO2［20］。干燥成型的RDF具有成分均勻、熱值穩(wěn)定、燃燒熱值高、可長期儲存和運輸?shù)葍?yōu)點［19］，其設(shè)備建設(shè)費用較焚燒廠低［20］。其中，RDF-5在常溫下儲存1個月不會腐壞，可以解決鍋爐停運或者因旺季而導(dǎo)致垃圾產(chǎn)出高峰時期的處置能力問題?？梢宰鳛橹饕蠁为毴紵?，也可根據(jù)鍋爐工藝要求，與煤、燃油混燒。RDF-5的發(fā)電效率可達(dá)35%，比焚燒發(fā)電的效率高出約25%［19］。然而制取RDF對設(shè)備要求較高，工藝復(fù)雜，如未得到適當(dāng)?shù)睦脴O易回歸為垃圾來處理。且RDF原有的垃圾成分并沒有改變，燃燒時仍需煙氣處理裝置，因此某些類別的RDF會造成重復(fù)投資，難以產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益［20］。此外，我國垃圾回收沒有形成良好的分類機(jī)制，在制備RDF方面相對國外一些發(fā)達(dá)國家更具挑戰(zhàn)性。

運用氣化和RDF技術(shù)的項目也可以申請CDM項目，從而獲得額外資金支持。目前國內(nèi)外尚無城市生活垃圾氣化CDM項目的案例，在馬來西亞、泰國和印度有RDF項目在進(jìn)行CDM項目審定。

5 結(jié)論與展望

1）目前國內(nèi)外城市生活垃圾的處理方式主要是衛(wèi)生填埋和焚燒，前者的能源化集中在填埋氣體的回收利用過程，后者則集中在焚燒熱能的利用過程。其他的能源化處理方式如氣化、廢物衍生燃料也在積極的研究和試行中，然而成本高昂或應(yīng)用條件的限制使之現(xiàn)今不能得到廣泛應(yīng)用，尤其在我國垃圾成分與國外發(fā)達(dá)國家有所區(qū)別，進(jìn)口先進(jìn)技術(shù)的成本障礙尤為突出，因而這些技術(shù)的運用和推廣有待更深入的研究。

2）在我國，衛(wèi)生填埋目前仍是最主要的生活垃圾處理方式，焚燒其次。垃圾焚燒成本遠(yuǎn)高于垃圾填埋，但在占地、垃圾減量、資源回收利用等方面優(yōu)于填埋處理，因此焚燒必將長期處于城市生活垃圾處理的主導(dǎo)地位，而衛(wèi)生填埋將為焚燒產(chǎn)生的灰渣或不適于焚燒的垃圾提供去所。對于投資運行成本高收益低的項目也可以考慮CDM的資金資助以克服經(jīng)濟(jì)障礙。

3）城市的發(fā)展大大增加了垃圾的排放，而全球有很多地區(qū)能量匱乏，包括我國大部分地區(qū)還面臨電力等能源的缺乏。大力推進(jìn)垃圾能源化處理將為電力等能源供應(yīng)填補(bǔ)空缺，為垃圾的減容利用及溫室氣體減排創(chuàng)造空間。使生產(chǎn)和消費的末端也真正地實現(xiàn)低碳。

［1］ Mihaela Comǎnescu.Increasing Responsibility towards Environment［J］.Theoretical and Applied Economics，2010，5 （546）：59-72.

［2］ U.S.Environmental Protection Agency.Municipal Solid Waste Generation，Recycling，and Disposal in the United States：Facts and Figures for 2010［R］.2010.

［3］盧磊，徐志剛.垃圾焚燒飛灰處置BOT項目探索與實踐［J］.廣西城鎮(zhèn)建設(shè)，2010（1）：51-52.

［4］ Toshihiko Nakata，Mikhail Rodionov，Diego Silva，et al.Shift to a Low Carbon Society through Energy Systems Design［J］.Sci China Ser E，2010，53（1）：134-143.

［5］各地區(qū)城市市容環(huán)境衛(wèi)生情況（2009年）［EB/OL］.（2009-12-06） .http：//www.stats.gov.cn/tjsj/qtsj/hjtjzl/hjtjsj2009/t20101206_402687953.htm.［6］余昆朋，張進(jìn)鋒.生活垃圾焚燒處理技術(shù)的發(fā)展分析與建議［J］.環(huán)境衛(wèi)生工程，2009，17（3）：12-16.

［7］整體（垃圾處置情況） 匯總結(jié)果（2009年）［EB/OL］.http：//www.env.go.jp/recycle/waste_tech/ippan/h21/data/shori/total/01.xls.

［8］ 焚燒設(shè)施匯總 （2009年）［EB/OL］.http：//www.env.go.jp/recycle/waste_tech/ippan/h21/data/seibi/facility/01.xls.

［9］田斌.蘭州市城市垃圾能源化及資源化處理方案的設(shè)計［J］.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008，43（3）：121-124.

［10］龍吉生，歐遠(yuǎn)洋，仝巖，等.CDM機(jī)制與填埋氣回收利用［J］.建設(shè)科技，2010（15）：56-58.

［11］ Cheng HF，Zhang Y G，Meng A H，et al.Municipal Solid Waste Fueled Power Generation in China：A Case Study of Waste-to-energy in Changchun City［J］.Environ Sci Technol，2007，41 （21）：7509-7515.

［12］李昂.城市生活垃圾處理方式的投資比較分析［J］.中國科技縱橫，2009（8）：77-79.

［13］ 洛帶焚燒項目 CDM 設(shè)計文件［EB/OL］.［2010-12-17］.http：//cdm.un fccc.int/filestorage/R/E/K/REKQNFWJT9MY73S6PV4GAO2ZLHX5U0/Chengdu%20Luodai%20PDD.pdf?t=VWZ8bHd5ZXprfDB5ps-3c-G67WUFeq-TfOWG.

［14］徐海云.生活垃圾焚燒處理技術(shù)發(fā)展分析［J］.中國環(huán)保產(chǎn)業(yè)，2010（9）：10-15.

［15］ Tchobanoglous G，Theisen H，Vigil SA，Integrated Solid Waste Management，Engineering Principles and Management Issues［M］.McGraw-Hill，1993.

［16］ Castaldi MJ，Themelis NJ.The Casefor Increasingthe Global Capacity for Wasteto Energy（WTE）［J］.Waste Biomass Valor，2010，1 （1）：91-105.

［17］ Young GC.Municipal Solid Waste to Energy Conversion Processes：Economic，Technical and Renewable Comparisons［M］.New Jersey：John Wiley&Sons，Inc，2010.

［18］胡建杭.城市生活垃圾氣化熔融焚燒技術(shù)［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2008，31（11）：78-81.

［19］王冰.垃圾衍生燃料的應(yīng)用［J］.環(huán)保與節(jié)能，2008（1）：9-12.

［20］國家環(huán)境保護(hù)總局污染控制司.城市固體廢物管理與處理處置技術(shù)［M］.北京：中國石化出版社，2000.

Energy Regeneration and Greenhouse Gases Reduction in Municipal Domestic Waste Treatment

Chen Yingwen,Cheng Min,Huang Meiling,Long Jisheng,Ou Yuanyang
（Marukyu Shanghai Environment Co.,Ltd,Shanghai 200040）

The status of municipal domestic waste-to-energy technologies and its progresses at home and abroad were sketched.The characteristics of every technology and their applications in China were analyzed,as well as their greenhouse gases reductions.It is pointed out that waste-to-energy and volume reduction are major trend of waste treatment in the future.Incineration is the leading technical force in all energy regeneration technologies because of its advantages in energy regeneration,volume and emission reductions.And the incineration technology will be widely used in China.

waste-to-energy；greenhouse gases reduction；low-carbon；landfill；incineration；gasification；refuse derived fuel（RDF）

X705；X701

A

1005－8206（2012） 01－0040－04

2011-11-29

陳穎雯（1985—），碩士，主要從事清潔發(fā)展機(jī)制（CDM） 和碳交易項目開發(fā)管理。

（責(zé)任編輯：鄭雯）