生活垃圾焚燒發(fā)電廠熱電聯(lián)產(chǎn)碳減排效益分析

龍吉生，阮 濤

（上?？岛悱h(huán)境股份有限公司，上海 201703）

0 引言

為應(yīng)對(duì)氣候變化，我國(guó)提出“二氧化碳排放力爭(zhēng)2030 年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和”［1］等莊嚴(yán)的目標(biāo)承諾。生活垃圾焚燒產(chǎn)生的碳排放來(lái)源于生活垃圾中的化石碳成分，其可通過(guò)焚燒產(chǎn)生發(fā)電量減少碳排放，而生物源碳排放由于僅參與大氣碳循環(huán)，其排放系數(shù)為0［2］；通過(guò)垃圾焚燒發(fā)電，避免垃圾進(jìn)入填埋場(chǎng)，消除了填埋場(chǎng)產(chǎn)生CH4、CO2和其他微量溫室氣體排放的風(fēng)險(xiǎn)，有助于減輕全球變暖趨勢(shì)［3］。因此，生活垃圾焚燒發(fā)電廠具有減少火電發(fā)電產(chǎn)生的碳排放、減少填埋場(chǎng)產(chǎn)生碳排放的雙重功效。生活垃圾焚燒發(fā)電廠如能對(duì)外供熱，替代其他方式供熱，減少其碳排放，或?qū)⑦M(jìn)一步提升項(xiàng)目的碳減排效益。

隨著財(cái)政部關(guān)于“垃圾焚燒發(fā)電廠全生命合理利用小時(shí)數(shù)82 500 小時(shí)”［4］通知的頒布，生活垃圾發(fā)電廠的發(fā)電收入將受此影響。因此，為提高項(xiàng)目收益，熱電聯(lián)產(chǎn)已成為垃圾焚燒發(fā)電廠新的發(fā)展趨勢(shì)?；诜贌龔S的碳減排研究數(shù)量眾多，相關(guān)的方法學(xué)已經(jīng)較為成熟，但是，基于熱電聯(lián)產(chǎn)的碳減排效益分析還鮮有研究。因此，采用CCER 方法學(xué)（Chinese Certified Emission Reduction，中國(guó)核證自愿減排量），通過(guò)對(duì)某生活垃圾焚燒發(fā)電廠碳排放計(jì)算，結(jié)合熱電聯(lián)產(chǎn)，計(jì)算出噸垃圾碳減排效益，再通過(guò)該項(xiàng)目的噸垃圾減排量估算全國(guó)垃圾焚燒發(fā)電廠碳減排量，為全國(guó)垃圾焚燒廠碳減排量提供參考。

1 材料與方法

1.1 項(xiàng)目概況

該生活垃圾焚燒發(fā)電廠設(shè)計(jì)處理規(guī)模600 t/d，配置1 臺(tái)600 t/d 機(jī)械焚燒爐+1 臺(tái)15 MW 抽凝式高轉(zhuǎn)速汽輪發(fā)電機(jī)組。汽輪機(jī)的最大供熱量為20 t/h，因此，擬按不供熱、供熱20 t/h 和供熱10 t/h 3 種工況進(jìn)行計(jì)算。該項(xiàng)目主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

該項(xiàng)目生活垃圾成分如表2 和表3 所示。表2和表3 的數(shù)據(jù)來(lái)源于垃圾檢測(cè)報(bào)告，該數(shù)據(jù)是基于特定的時(shí)間、特定的方法及特定的采樣區(qū)域，采用不同的方法和標(biāo)準(zhǔn)、在不同的環(huán)境條件下對(duì)樣品進(jìn)行檢測(cè)，可能得出不同的結(jié)論。因此，表2和表3 的數(shù)據(jù)僅作為本研究的計(jì)算依據(jù)。

表3 該項(xiàng)目生活垃圾總成分分析Table 3 Analysis on total composition of waste in the project

1.2 方法學(xué)

本次碳減排分析采用的方法學(xué)為：CM-072-V01 多選垃圾處理方式［5］，即CCER 方法學(xué)。

項(xiàng)目減排量計(jì)算公式如下：

式中：ERy為項(xiàng)目減排量（tCO2e，噸二氧化碳當(dāng)量）；BEy為基準(zhǔn)線排放量（tCO2e），包括垃圾進(jìn)入填埋場(chǎng)而刪除的溫室氣體排放、垃圾焚燒產(chǎn)生的上網(wǎng)電量和垃圾焚燒廠代替其他燃燒方式的對(duì)外供熱量；PEy為項(xiàng)目排放量（tCO2e），包括垃圾焚燒產(chǎn)生的碳排放、垃圾焚燒添加輔助燃料產(chǎn)生的碳排放和污水處理產(chǎn)生的碳排放；LEy為泄漏排放量（tCO2e），指未燃盡的含碳物質(zhì)。

1.3 基準(zhǔn)線排放（BEy）

1.3.1 生活垃圾進(jìn)入填埋場(chǎng)產(chǎn)生的排放（BECH4，y）

目前，該項(xiàng)目所在地的生活垃圾進(jìn)入填埋場(chǎng)進(jìn)行衛(wèi)生填埋，且該填埋場(chǎng)無(wú)沼氣收集利用裝置，填埋場(chǎng)產(chǎn)生的氣體直接排放至大氣中。該項(xiàng)目建成后，生活垃圾進(jìn)行焚燒處理，避免其進(jìn)入填埋場(chǎng)產(chǎn)生甲烷等溫室氣體。

填埋場(chǎng)中產(chǎn)生的甲烷基準(zhǔn)線排放采用清潔發(fā)展機(jī)制執(zhí)行理事會(huì)最新版“固體廢棄物處理站的排放計(jì)算工具”［6］計(jì)算，如公式（2）所示，具體計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 填埋場(chǎng)甲烷基準(zhǔn)線排放計(jì)算參數(shù)Table 4 Calculation parameters of methane baseline emission of landfill

綜上計(jì)算得出，該項(xiàng)目10 年期的填埋場(chǎng)甲烷基準(zhǔn)線排放如圖1 所示。按10 年期計(jì)算，填埋場(chǎng)平均每年產(chǎn)生的甲烷基準(zhǔn)排放為39 979 tCO2e。

圖1 10 年期填埋場(chǎng)甲烷基準(zhǔn)線排放Figure 1 10-year methane baseline emission from landfill

1.3.2 火力發(fā)電產(chǎn)生的排放（BEEC，y）

生活垃圾焚燒發(fā)電廠在焚燒處理生活垃圾的同時(shí)，產(chǎn)生的熱量通過(guò)鍋爐換熱產(chǎn)生蒸汽，推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電力，扣除自用的電量后，多余的電量并入電網(wǎng)。此部分上網(wǎng)電量將代替常規(guī)火力發(fā)電廠的上網(wǎng)電量，從而減少了常規(guī)火力發(fā)電廠的碳排放量。

火力發(fā)電的基準(zhǔn)線排放采用清潔發(fā)展機(jī)制執(zhí)行理事會(huì)最新版“電力消耗導(dǎo)致的基準(zhǔn)線、項(xiàng)目和/或泄漏排放計(jì)算工具”［8］來(lái)計(jì)算，如公式（3）所示，具體計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表5。

表5 火力發(fā)電基準(zhǔn)線排放計(jì)算參數(shù)Table 5 Emission calculation parameters of thermal power baseline

經(jīng)計(jì)算，項(xiàng)目不供熱情況下BEEC，y為42 858 tCO2e；對(duì)外供熱10 t/h 情況下BEEC，y為33 374 tCO2e；對(duì)外供熱20 t/h 情況下BEEC，y為23 971 tCO2e。

1.3.3 其他方式供熱產(chǎn)生的排放（BENG，y）

目前，該項(xiàng)目供熱區(qū)采用燃?xì)忮仩t產(chǎn)汽供熱，在項(xiàng)目建成后可替代部分燃?xì)忮仩t的供熱量，從而減少了燃燒天然氣產(chǎn)生的碳排放量。

其他方式供熱產(chǎn)生的排放采用清潔發(fā)展機(jī)制執(zhí)行理事會(huì)最新版“化石燃料燃燒導(dǎo)致的項(xiàng)目或泄漏二氧化碳排放計(jì)算工具”［10］來(lái)計(jì)算，如公式（4）所示，具體計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表6。

表6 其他方式供熱產(chǎn)生的排放計(jì)算參數(shù)Table 6 Calculation parameters of emissions fromother heating methods

經(jīng)計(jì)算，項(xiàng)目對(duì)外供熱10 t/h 情況下BENG，y為11 697 tCO2e；對(duì)外供熱20 t/h 情況下BENG，y為23 395 tCO2e。

1.4 項(xiàng)目排放（PEy）

1.4.1 生活垃圾焚燒產(chǎn)生的排放

生活垃圾焚燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生CO2、N2O 等溫室氣體。垃圾焚燒產(chǎn)生的項(xiàng)目排放由CO2和少量CH4、N2O 組成。

垃圾焚燒產(chǎn)生的CO2排放（PECOM_CO2，c，y）采用“方法學(xué)選項(xiàng)2：基于未分類的垃圾”計(jì)算，如公式（5）所示，具體計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表7。經(jīng)計(jì)算，PECOM，c，y為50 286 tCO2e。

表7 垃圾焚燒產(chǎn)生的CO2排放計(jì)算參數(shù)Table 7 Calculation parameters of CO2 emission from waste incineration

由于該項(xiàng)目暫未運(yùn)行，因此其燃燒產(chǎn)生的CH4和N2O 排放（PECOM_CH4，N2O，c，y）采用默認(rèn)排放因子來(lái)計(jì)算，如公式（6）所示，具體計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表8。經(jīng)計(jì)算，PECOM_CH4，N2O，c，y為3 160 tCO2e。

表8 垃圾焚燒產(chǎn)生的CH4和N2O 排放計(jì)算參數(shù)Table 8 Calculation parameters of CH4&N2O emission from waste incineration

1.4.2 滲濾液處理過(guò)程中排放的碳排放量

生活垃圾進(jìn)入焚燒廠垃圾坑儲(chǔ)存5～7 d，會(huì)析出一定量的滲濾液，經(jīng)滲濾液處理站處理合格后回用。滲濾液處理系統(tǒng)采用“預(yù)處理+ UASB（厭氧反應(yīng)器）＋MBR（反硝化+硝化+外置超濾）+NF（納濾）+ RO（反滲透）”的組合處理工藝，處理過(guò)程中將產(chǎn)生CH4等溫室氣體。

該項(xiàng)目滲濾液厭氧處理產(chǎn)生的甲烷量采用清潔發(fā)展機(jī)制執(zhí)行理事會(huì)最新版“氣流中溫室氣體質(zhì)量流量的確定工具”［11］來(lái)計(jì)算，滲濾液厭氧產(chǎn)生的甲烷全部通過(guò)管道送入焚燒爐焚燒，因此，計(jì)算公式如下：

具體計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表9。經(jīng)計(jì)算，每年送到燃燒室的甲烷量FCH4，flare，y為13 140 tCO2e。

表9 滲濾液處理產(chǎn)生的項(xiàng)目排放計(jì)算參數(shù)Table 9 Calculation parameters of the project emission from leachate treatment

該項(xiàng)目滲濾液厭氧產(chǎn)生的甲烷全部通過(guò)管道送入焚燒爐焚燒，根據(jù)方法學(xué)，假定氣體中包含甲烷的焚毀率為90%，且滲濾液處理相關(guān)的焚燒產(chǎn)生的排放等于滲濾液處理產(chǎn)生的甲烷燃燒引起的排放，即PEflare，ww，y= PEww，y，計(jì)算公式如下：

經(jīng)計(jì)算，該項(xiàng)目滲濾液處理產(chǎn)生的甲烷燃燒引起的排放（PEww，y）為1 314 tCO2e。

1.4.3 添加輔助燃料產(chǎn)生的排放

焚燒爐啟爐、停爐及焚燒期間垃圾熱值不足時(shí)，需要額外消耗柴油等化石燃料。燃燒化石燃料將會(huì)產(chǎn)生額外的溫室氣體排放。

該項(xiàng)目添加輔助燃料燃燒產(chǎn)生的項(xiàng)目排放（PEFC，INC，y）使用“化石燃料燃燒導(dǎo)致的項(xiàng)目或泄漏二氧化碳排放計(jì)算工具”計(jì)算，計(jì)算公式如下：

式中：FCdiesel，y為第y年項(xiàng)目柴油的消耗量（t），根據(jù)項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)取108 t；COEFdiesel，y為柴油的CO2排放因子，取IPCC 默認(rèn)值3.186 3。

經(jīng)計(jì)算，該項(xiàng)目每年添加輔助燃料燃燒產(chǎn)生的項(xiàng)目排放（PEFC，INC，y）為344 tCO2e。

因此，項(xiàng)目排放總量為50 286+3 160+1 314+344=55 104 tCO2e。

1.5 泄漏排放（LEy）

泄漏排放為生活垃圾匯總未燃盡的含碳物質(zhì)。該項(xiàng)目爐渣熱灼減率小于3%，因此不考慮泄漏排放。

2 結(jié)果與討論

2.1 總體情況

綜合上述計(jì)算，3 種工況碳減排計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表10。

表10 碳減排分析總體情況Table 10 Overview of carbon emission reduction analysis

不供熱工況下項(xiàng)目減排量為32 250 tCO2e，折噸垃圾的項(xiàng)目碳減排量為0.15 tCO2e；供熱10 t/h工況下項(xiàng)目減排量為34 463 tCO2e，折噸垃圾的項(xiàng)目碳減排量為0.16 tCO2e；供熱20 t/h 工況下項(xiàng)目減排量為36 758 tCO2e，折噸垃圾的項(xiàng)目碳減排量為0.17 tCO2e。

由此得出，對(duì)外供熱具有更好的碳減排效益。如能利用汽機(jī)乏汽對(duì)外供熱，還將減少更多碳排放量。與黃靜穎等［12］、王文波等［13］采用CCER 方法計(jì)算的噸垃圾碳減排數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，雖與本研究計(jì)算結(jié)果略有差距，但其分析樣本所在地不同，與本研究計(jì)算樣本在垃圾降解率、不確定修正系數(shù)、電網(wǎng)排放系數(shù)等方面有所差異，筆者通過(guò)修正以上參數(shù)后計(jì)算對(duì)比，噸垃圾碳減排量與其基本一致，說(shuō)明該計(jì)算方法可行、準(zhǔn)確。

2.2 基準(zhǔn)線排放組成分析

根據(jù)計(jì)算，各工況填埋場(chǎng)基準(zhǔn)線一致，隨著對(duì)外供熱量的增加，火力發(fā)電基準(zhǔn)線排放隨之降低，但總量有所上升，如圖2 所示。不供熱工況下，填埋場(chǎng)甲烷基準(zhǔn)線排放約占48%，火力發(fā)電基準(zhǔn)線排放約占52%；供熱10 t/h 工況下，填埋場(chǎng)甲烷基準(zhǔn)線排放約占47%，火力發(fā)電基準(zhǔn)線排放約占39%，其他方式供熱約占14%；供熱20 t/h 工況下，填埋場(chǎng)甲烷基準(zhǔn)線排放約占46%，火力發(fā)電約占27%，其他供熱方式約占27%。

圖2 各工況基準(zhǔn)線排放對(duì)比Figure 2 Comparison of baseline emission under various working conditions

2.3 項(xiàng)目排放組成分析

項(xiàng)目排放主要是垃圾焚燒產(chǎn)生CO2（約占91%）和少量CH4、N2O（約占6%），約占項(xiàng)目排放總量的97%（53 446 tCO2e），滲濾液處理產(chǎn)生的排放約占2%（1 314 tCO2e），還有少量添加輔助燃料產(chǎn)生的排放約占1%（344 tCO2e）。

項(xiàng)目排放的主要來(lái)源為燃燒產(chǎn)生的CO2，而這部分CO2來(lái)源為生活垃圾中紙張、紡織品、塑料和其他惰性物中的化石碳，其對(duì)項(xiàng)目CO2排放的貢獻(xiàn)率分別為1%、1%、96% 和2%。減少垃圾中塑料的比例，將更有效地減少碳排放。

2.4 碳減排分析

1）生活垃圾焚燒發(fā)電廠碳減排貢獻(xiàn)主要來(lái)源是替代傳統(tǒng)火電的碳排放，約占全部減排量的52%；另一半減排貢獻(xiàn)則來(lái)源于替代了原本填埋場(chǎng)甲烷的排放，約占全部減排量的48%。

2）若對(duì)外供熱后，生活垃圾焚燒發(fā)電廠碳減排貢獻(xiàn)主要來(lái)源是替代傳統(tǒng)火電的碳排放及替代其他方式供熱產(chǎn)生的碳排放，分別各占27%；而替代了原本填埋場(chǎng)甲烷的排放占到減排量的46%，且整體碳減排量略有所提高，每多供熱10 t/h，碳減排效益約提升6.9%。

2.5 我國(guó)生活垃圾焚燒發(fā)電廠碳減排量估算

根據(jù)中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒（2020 年）［14］，2019 年全國(guó)生活垃圾焚燒處理量達(dá)到1.217 42×108t。按照每噸垃圾碳減排量0.15 tCO2e 估算，則全年的碳減排可達(dá)1.826 13×107tCO2e。如垃圾焚燒項(xiàng)目周邊有熱用戶需求，利用生活垃圾焚燒發(fā)電廠對(duì)外供熱可進(jìn)一步提升碳減排效果。但是，由于我國(guó)地域遼闊，各地氣象條件、垃圾組分不盡相同，碳減排量有所不同，依據(jù)該項(xiàng)目碳減排的數(shù)據(jù)估算全國(guó)生活垃圾焚燒發(fā)電的碳減排量數(shù)據(jù)僅供參考。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)垃圾焚燒發(fā)電廠碳減排分析結(jié)合熱電聯(lián)產(chǎn)計(jì)算，垃圾焚燒發(fā)電廠作為替代傳統(tǒng)垃圾填埋方式具有較好的碳減排效果，噸垃圾減排量為0.15 tCO2e，若能對(duì)外供熱，碳減排效益將進(jìn)一步提升。根據(jù)項(xiàng)目排放組成分析，CO2為項(xiàng)目排放的主要成分，占到總排放量的91%，而CO2排放的主要來(lái)源為塑料，占CO2排放的96%，故如能減少生活垃圾中的塑料等化石碳成分比例，垃圾焚燒廠的碳排放量將大幅降低，進(jìn)一步提升碳減排效益。本研究基于垃圾焚燒發(fā)電廠熱電聯(lián)產(chǎn)計(jì)算碳減排量，為我國(guó)垃圾焚燒廠積極融入碳交易市場(chǎng)、助力實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)提供了數(shù)據(jù)支持和方法依據(jù)。