城市生活垃圾处理中的能源化与温室气体减排

陈颖雯，程 敏，黄梅玲，龙吉生，欧远洋

（上海丸九环保科技有限公司，上海 200040）

城市生活垃圾处理中的能源化与温室气体减排

陈颖雯，程 敏，黄梅玲，龙吉生，欧远洋

（上海丸九环保科技有限公司，上海 200040）

简述了城市生活垃圾能源化利用技术的发展现状及国内外的研究进展，分析了各项能源化利用技术的特点和在国内的运用情况以及各项技术在温室气体减排方面的应用，指出垃圾能源化和减容是今后垃圾处理的主要趋势，在各项能源化利用技术中焚烧以其能源化和减容减排优势将成为主导技术力量，并在国内得到广泛应用。

垃圾能源化；温室气体减排；低碳；填埋；焚烧；气化；废物衍生燃料

随着城市化经济发展与城市人口的增加，城市的规模和范围不断扩大，城市生活垃圾的产生量随之迅速增长。据统计，至2008年英国的城市垃圾较20世纪60年代增加了5倍［1］，自1960年至2010年美国的城市固体垃圾产生量增加到2.84倍［2］，我国的城市生活垃圾清运量自2000年至2008年，年平均增长率达到近5%［3］。在土地资源有限而垃圾产生量激增的现代社会，对垃圾合理、高效的能源化处理，并缓解垃圾本身的碳排放且替代部分传统能源，是实现资源回收利用和减少碳排放的重要议题。

目前全球对于城市生活垃圾的处理方式最主要的有卫生填埋和焚烧，虽然我国已有政策鼓励对垃圾处理过程中产生的温室气体等进行回收利用，然而由于成本、技术等各方面的因素，直至今日仍未得到普遍的应用。笔者对垃圾能源化进行了介绍，包括技术成熟且普遍应用的填埋气体的回收利用，垃圾焚烧发电等垃圾能源化技术和实例。此外，其他技术如垃圾的气化处理、废物衍生燃料也处于积极探索及实践的阶段，虽尚未在我国得到普遍运用，在此也举例说明以供参考。

1 垃圾能源化与城市生活垃圾处理方式

1.1 垃圾能源化的含义

传统意义上的垃圾能源化（waste-to-energy）是指利用垃圾焚烧过程中产生的电能或热能的过程。随着各种技术的涌现，垃圾能源化得到了多方面的发展，其含义也就不仅仅局限于焚烧产能，还包括厌氧消化、填埋气体回收利用、气化及废物衍生燃料（RDF） 等产能过程［4］。从中可以看到，不同的垃圾能源化方式与垃圾的处理方式息息相关。

1.2 城市生活垃圾处理的主要方式

在我国卫生填埋比例较高，直至2009年全国有卫生填埋场447座，垃圾焚烧厂93座［5］。在一些欧美发达国家，焚烧在城市生活垃圾处理方式中占有相当大的比例。一些欧洲如丹麦、瑞典、荷兰、法国、德国等国家，垃圾焚烧的比例均在25%以上［6］。1960—2010年，美国垃圾焚烧并实现能源化的比例从0上升到约11.7%（见图1）［2］。日本垃圾焚烧比例近85%，至2009年共有垃圾焚烧设施 1 644 处［7-8］。

2 城市生活垃圾填埋处理的能源化

城市生活垃圾中含有多种有机物质，在垃圾填埋过程中及填埋场封场后，有机物质经历长时间的厌氧反应产生填埋气体，其中大量可燃的温室气体甲烷的体积和含量随垃圾中有机质成分、水分、温度、微生物量、填埋时间和垃圾的pH的变化而变化，高达45%～60%，有关数据显示其热值一般为 7 450～22 350 kJ/m3［9］。以 14 900 kJ/m3热值计，每立方米填埋气体中所含的能量大约相当于0.4 L柴油或0.5 L汽油的能量，与城市煤气热值相近。

将这些填埋气体收集起来并进行发电、供热、供气等利用就是对垃圾填埋处理的能源化，不仅直接减少了温室气体甲烷的排放，而且如发电利用就能间接地通过代替部分火电减少相应的温室气体排放。每立方米填埋气体约可发电1.7 kW·h，按日处理1 000 t垃圾的填埋场产气量30 000 m3估算，可发电5 MW·h/d，以上网电价0.6元/（kW·h） 计，售电收入可达3万元/d，平均每吨垃圾的售电收入可达30元。然而，据2006年原建设部统计结果显示，全国处理规模在500 t/d的垃圾填埋场有119座，其中有94座没有回收填埋气体进行利用，填埋气利用率仅30%，其气体收集发电成本高，发电或供热、供气收益有限，是填埋气体利用率低的主要原因。

目前一些垃圾填埋场，包括北京安定填埋场、南京天井洼垃圾填埋场、上海老港垃圾填埋场、厦门东孚垃圾填埋场等，在考虑填埋气体利用的同时寻求了清洁发展机制（clean development mechanism，CDM）的资助。通过向联合国申请注册成为CDM项目，将回收利用的填埋气体及替代的火电温室气体排放换算成二氧化碳减排当量，通过认证签发后即可与发达国家进行交易以获得额外的收益，使得项目在3～5 a收回成本［10］，既对温室气体减排作出了贡献，也克服了成本高导致运作难的问题。根据IGES统计，截至2011年12月20日，我国已注册并签发成功的项目有16个，二氧化碳减排总量达到147万多t。

填埋相对焚烧等其他垃圾处理方式而言投资较少，处理费用低，处理量大且操作简单。但直接的垃圾填埋占地面积大，无法实现垃圾减容的效果。若防范措施不当，产生的渗沥液易污染周边环境。此外，填埋场的产气质量低，只适用于其邻近地区的供能。因而，在土地资源紧张的城市中其能源化效力不大。就城市垃圾处理及能源化角度来看，对现有填埋场进行能源化建设管理是非常必要的，但若对垃圾填埋进行大力发展恐怕不是一个理想的方向。

3 城市生活垃圾焚烧处理的能源化

垃圾焚烧的能源化更为直接。其一，垃圾通过高温焚烧而被消解，避免了其在填埋场产生填埋气体而对大气造成的温室气体排放；其二，对焚烧过程中的余热进行利用，垃圾在高温焚烧中产生的热能被转化为高温蒸汽，能够推动涡轮机转动使发电机产生电能，从而又替代部分火电，减少相应的温室气体排放。以1个规模为1 000 t/d的垃圾焚烧厂，每吨垃圾产生380 kW·h电量来估算，每天产生电量达380 MW·h，如其中16%为自用，则上网电量达到约320 MW·h，以上网电价0.6元/（kW·h） 计，售电收入可达19万元/d，平均每吨垃圾的售电收入为190元。例如，长春垃圾焚烧发电厂2006年处理垃圾近14万t，占其垃圾总量约1/6，节省20万m3的填埋空间，同时产生了0.46亿kW·h电量［11］，仅发电部分相当于减排了约4万t二氧化碳。然而，垃圾焚烧发电的成本较高，据统计，在相同处理能力情况下，焚烧方式形成的资金投入可达填埋方式的3倍以上［12］。

与垃圾填埋气体回收利用项目相似，垃圾焚烧发电项目也能在联合国申请成为CDM项目。将避免产生的填埋气体及替代的火电温室气体排放换算成二氧化碳减排当量，再扣除项目排放量，通过认证签发的减排量可与发达国家进行交易以获得额外的收益。如成都洛带垃圾焚烧厂已经在联合国成功注册，其年垃圾处理量约40万t，设计年发电量1.17亿kW·h，前7 a的二氧化碳减排量可达68万多t［13］。在实现温室气体减排的同时，通过CDM的资助，垃圾焚烧发电项目也就能逾越投资运行成本高昂的难关。

与填埋不同，垃圾焚烧能够切实有效地实现垃圾减量化和无害化，减量一般达70%，减容一般达90%［14］，垃圾中大量的病原体在高温焚烧过程中被灭除。焚烧也避免了填埋臭气对周边环境的影响。据欧盟调查发现，填埋比例低而焚烧比例高则垃圾的资源回收利用的比例高，反之则低［14］。因此对于城市生活垃圾，焚烧处理是较好的选择。但由于垃圾焚烧场投资运营成本高昂，而焚烧效率受垃圾成分影响较大，且居民对焚烧认同度低，致使垃圾焚烧在我国未得到顺利地发展。

4 其他领域

4.1 气化

气化（gasification）过程是对含碳燃料进行不完全燃烧以产生富含一氧化碳、氢和一些饱和烃的可燃气体（主要是沼气），在过量空气条件下由内燃机、汽轮机或锅炉进一步燃烧的过程。通过气化过程可对固体废物进行减容和能量利用［15-16］。

就采用的技术工艺而言，有热分解气化、传统气化以及等离子体气化。热分解气化技术是热解技术的变体，从热解过程产生的液体和焦炭等进一步通过一体化反应器发生气化反应，产生的合成气可用于发电或产生蒸汽，实现垃圾的能源化。根据温度的不同最终产物还会有飞灰、熔渣、金属。传统气化是在有限的空气或者氧气的条件下将含碳物质转化为合成气的热过程，蒸汽被喷射到反应器中生成CO和H2，再进一步利用。等离子体气化是一种高温热解过程，高温由电弧激发气体形成等离子而产生。通过等离子气化，固体废物的有机物质（含碳物质）被转化成合成气，主要含有CO和H2，无机物质及矿物质形成岩状类玻璃体的副产物，被称为玻璃化熔渣，可以制作绝缘材料、瓦片。除了等离子体气化之外，其他的气化技术都有飞灰及熔渣处理的问题［17］。

各种气化技术均比焚烧产能量高，其中等离子体气化的产能量最高［17］。此外，气化技术力图使二恶英、呋喃类（PCDD/Fs）、重金属等剧毒二次污染物排放值降至最低［18］。据国外研究者测算比较，在建设及运行处理成本方面，气化技术通常较垃圾焚烧低［17］。但气化技术对热值的要求更高，必须达到8 360 kJ/kg以上才可以选用气化技术。我国的城市生活垃圾含水率高，热值低，因此不适合广泛采用气化技术。目前我国仅有安徽南陵县正在承建生活垃圾气化发电厂项目，采用热分解气化工艺。

4.2 废物衍生燃料

废物衍生燃料RDF（refuse derived fuel）是把生活垃圾除去杂质、不可燃物质（如玻璃、灰土等），经干燥、脱水、破碎、压缩成型、添加药剂等手段制成燃料进一步利用。美国材料测试学会（ASTM）针对RDF处理后的特性差异将RDF分成7类，见表1。欧美国家主要发展RDF-2和RDF-3，作为焚烧的一种前处理。日本主要发展RDF-5，欧洲也已有RDF-5的商品［19］。

表1 RDF分类

一般 100 t垃圾可制取得到 50～65 t的 RDF［20］。散装RDF制备工艺简单，但不适于长期储藏和长途运输，否则会发酵或产生沼气、CO、CO2［20］。干燥成型的RDF具有成分均匀、热值稳定、燃烧热值高、可长期储存和运输等优点［19］，其设备建设费用较焚烧厂低［20］。其中，RDF-5在常温下储存1个月不会腐坏，可以解决锅炉停运或者因旺季而导致垃圾产出高峰时期的处置能力问题。可以作为主要原料单独燃烧，也可根据锅炉工艺要求，与煤、燃油混烧。RDF-5的发电效率可达35%，比焚烧发电的效率高出约25%［19］。然而制取RDF对设备要求较高，工艺复杂，如未得到适当的利用极易回归为垃圾来处理。且RDF原有的垃圾成分并没有改变，燃烧时仍需烟气处理装置，因此某些类别的RDF会造成重复投资，难以产生经济效益［20］。此外，我国垃圾回收没有形成良好的分类机制，在制备RDF方面相对国外一些发达国家更具挑战性。

运用气化和RDF技术的项目也可以申请CDM项目，从而获得额外资金支持。目前国内外尚无城市生活垃圾气化CDM项目的案例，在马来西亚、泰国和印度有RDF项目在进行CDM项目审定。

5 结论与展望

1）目前国内外城市生活垃圾的处理方式主要是卫生填埋和焚烧，前者的能源化集中在填埋气体的回收利用过程，后者则集中在焚烧热能的利用过程。其他的能源化处理方式如气化、废物衍生燃料也在积极的研究和试行中，然而成本高昂或应用条件的限制使之现今不能得到广泛应用，尤其在我国垃圾成分与国外发达国家有所区别，进口先进技术的成本障碍尤为突出，因而这些技术的运用和推广有待更深入的研究。

2）在我国，卫生填埋目前仍是最主要的生活垃圾处理方式，焚烧其次。垃圾焚烧成本远高于垃圾填埋，但在占地、垃圾减量、资源回收利用等方面优于填埋处理，因此焚烧必将长期处于城市生活垃圾处理的主导地位，而卫生填埋将为焚烧产生的灰渣或不适于焚烧的垃圾提供去所。对于投资运行成本高收益低的项目也可以考虑CDM的资金资助以克服经济障碍。

3）城市的发展大大增加了垃圾的排放，而全球有很多地区能量匮乏，包括我国大部分地区还面临电力等能源的缺乏。大力推进垃圾能源化处理将为电力等能源供应填补空缺，为垃圾的减容利用及温室气体减排创造空间。使生产和消费的末端也真正地实现低碳。

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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

陈颖雯（1985—），硕士，主要从事清洁发展机制（CDM） 和碳交易项目开发管理。

（责任编辑：郑雯）