生活垃圾焚烧发电厂热电联产碳减排效益分析.pdf
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1、生活垃圾焚烧发电厂热电联产碳减排效益分析龙吉生,阮涛(上海康恒环境股份有限公司,上海201703)【摘要】生活垃圾焚烧发电厂具有显著的碳减排效益,而与热电联产相结合有望更好地助力碳达峰目标。以某生活垃圾焚烧发电厂为例,重点分析了热电联产对焚烧厂碳减排效果的影响。结果表明:相对于垃圾填埋处置,该垃圾焚烧厂无供热情况下吨垃圾碳减排量为 0.15 tCO2e,若对外供热 20 t/h(蒸汽),吨垃圾的碳减排量为 0.17tCO2e,表明生活垃圾焚烧发电厂热电联产的碳减排效益更为明显。【关键词】垃圾焚烧;热电联产;碳减排中图分类号:X799.3文献标识码:A文章编号:1005-8206(2023)04
2、-0046-06DOI:10.19841/ki.hjwsgc.2023.04.008Analysis on Carbon Emission Reduction Benefits of Cogeneration in Waste to Energy PlantLONG Jisheng,RUAN Tao(Shanghai SUS Environment Co.Ltd.,Shanghai201703)【Abstract】Waste to energy(WtE)plants have significant carbon emission reduction benefits,combined wit
3、hcogeneration was expected to better help achieve the goal of carbon peak.A WtE plant was taken as an example,focused onthe impact of cogeneration on the carbon emission reduction effect of the incinerator.The results showed that the carbonemission reduction per ton of waste without heating was 0.15
4、 tCO2e compared with landfill disposal.If external heating was20 t/h steam,the carbon emission reduction per ton of waste was 0.17 tCO2e.It showed that the carbon emission reductionbenefit of cogeneration in the WtE plant was more obvious.【Key words】waste incineration;cogeneration;carbon emission re
5、duction收稿日期:2022-04-29;录用日期:2022-09-090引言为应对气候变化,我国提出“二氧化碳排放力争 2030 年前达到峰值,努力争取 2060 年前实现碳中和”1等庄严的目标承诺。生活垃圾焚烧产生的碳排放来源于生活垃圾中的化石碳成分,其可通过焚烧产生发电量减少碳排放,而生物源碳排放由于仅参与大气碳循环,其排放系数为 02;通过垃圾焚烧发电,避免垃圾进入填埋场,消除了填埋场产生 CH4、CO2和其他微量温室气体排放的风险,有助于减轻全球变暖趋势3。因此,生活垃圾焚烧发电厂具有减少火电发电产生的碳排放、减少填埋场产生碳排放的双重功效。生活垃圾焚烧发电厂如能对外供热,替代其
6、他方式供热,减少其碳排放,或将进一步提升项目的碳减排效益。随着财政部关于“垃圾焚烧发电厂全生命合理利用小时数 82 500 小时”4通知的颁布,生活垃圾发电厂的发电收入将受此影响。因此,为提高项目收益,热电联产已成为垃圾焚烧发电厂新的发展趋势。基于焚烧厂的碳减排研究数量众多,相关的方法学已经较为成熟,但是,基于热电联产的碳减排效益分析还鲜有研究。因此,采用CCER 方 法 学(Chinese Certified Emission Reduction,中国核证自愿减排量),通过对某生活垃圾焚烧发电厂碳排放计算,结合热电联产,计算出吨垃圾碳减排效益,再通过该项目的吨垃圾减排量估算全国垃圾焚烧发电厂
7、碳减排量,为全国垃圾焚烧厂碳减排量提供参考。1材料与方法1.1项目概况该生活垃圾焚烧发电厂设计处理规模 600 t/d,配置 1 台 600 t/d 机械焚烧炉+1 台 15 MW 抽凝式高转速汽轮发电机组。汽轮机的最大供热量为 20 t/h,因此,拟按不供热、供热 20 t/h 和供热 10 t/h 3 种工况进行计算。该项目主要技术参数如表 1 所示。第 31 卷第 4 期2023年8月环境卫生工程Environmental Sanitation EngineeringVol.31 No.4Aug.2023第 31 卷第 4 期2023年8月环境卫生工程Environmental Sani
8、tation EngineeringVol.31 No.4Aug.2023该项目生活垃圾成分如表 2 和表 3 所示。表 2和表 3 的数据来源于垃圾检测报告,该数据是基于特定的时间、特定的方法及特定的采样区域,采用不同的方法和标准、在不同的环境条件下对样品进行检测,可能得出不同的结论。因此,表 2和表 3 的数据仅作为本研究的计算依据。1.2方法学本次碳减排分析采用的方法学为:CM-072-V01 多选垃圾处理方式5,即 CCER 方法学。项目减排量计算公式如下:ERy=BEy-PEy-LEy(1)式中:ERy为项目减排量(tCO2e,吨二氧化碳当量);BEy为基准线排放量(tCO2e),包
9、括垃圾进入填埋场而删除的温室气体排放、垃圾焚烧产生的上网电量和垃圾焚烧厂代替其他燃烧方式的对外供热量;PEy为项目排放量(tCO2e),包括垃圾焚烧产生的碳排放、垃圾焚烧添加辅助燃料产生的碳排放和污水处理产生的碳排放;LEy为泄漏排放量(tCO2e),指未燃尽的含碳物质。1.3基准线排放(BEy)1.3.1生活垃圾进入填埋场产生的排放(BECH4,y)目前,该项目所在地的生活垃圾进入填埋场进行卫生填埋,且该填埋场无沼气收集利用装置,填埋场产生的气体直接排放至大气中。该项目建成后,生活垃圾进行焚烧处理,避免其进入填埋场产生甲烷等温室气体。填埋场中产生的甲烷基准线排放采用清洁发展机制执行理事会最新
10、版“固体废弃物处理站的排放计算工具”6计算,如公式(2)所示,具体计算参数见表 4。BECH4,y=y(1-fy)GWPCH4(1-OX)1612 F DOCf,y MCFyx=1yjWj,x DOCje-kj()y-x(1-e-kj)(2)综上计算得出,该项目 10 年期的填埋场甲烷基准线排放如图 1 所示。按 10 年期计算,填埋场平均每年产生的甲烷基准排放为 39 979 tCO2e。表 1该项目主要技术参数Table 1Main technical parameters of the project参数垃圾处理量/(t/a)上网电量/(MWh/a)对外供热量/(TJ/a)渗滤液处理量/
11、(t/a)CODCr浓度/(mg/L)柴油耗量/(t/a)数值2.1910572 73856 64140 68401963924.3810460 000108备注根据地磅数据不供热工况供热 10 t/h供热 20 t/h不供热工况供热 10 t/h供热 20 t/h根据运行报表设计值预估值表 2该项目生活垃圾收到基成分含量Table 2Content of received basis components of waste inthe project样本1#样2#样3#样4#样平均值沙土/%7.308.726.718.117.71玻璃/%2.573.632.121.862.55金属/%0.9
12、00.400.690.830.71纸/%15.3515.8912.3317.1515.18塑料/%17.9116.8422.1519.5819.12橡胶/%00000布/%2.381.542.531.912.09草木/%6.956.757.695.896.82厨余/%46.6446.2345.7744.6745.83表 3该项目生活垃圾总成分分析Table 3Analysis on total composition of waste in the project样本1#样2#样3#样4#样平均值沙土/%5.036.224.775.675.42玻璃/%2.423.431.991.742.40金
13、属/%0.840.370.640.780.66纸/%8.298.596.659.228.19塑料/%9.719.2411.8610.6010.35橡胶/%00000布/%1.420.901.341.141.20草木/%3.913.744.563.363.89厨余/%13.7613.4513.0313.0113.31水分/%54.6154.0655.1654.4754.58表 4填埋场甲烷基准线排放计算参数Table 4Calculation parameters of methane baselineemission of landfill参数yfyGWPCH4OXFDOCf,yMCFyWj,
14、xDOCjkj说明第 y 年模型不确定修正系数第 y 年避免甲烷排放到大气中采取的燃烧或其他手段捕获甲烷的比例甲烷全球温升潜势值氧化因子填埋气中的甲烷体积比例(体积比)第 y 年在填埋场可降解有机碳比例第 y 年甲烷修正因子第 x 年被处理的垃圾类型j 的量(t)垃圾类型 j 的可降解有机碳比例()垃圾类型 j 的降解率数值0.802500.50.50.8纸张 33 244,纺织品 4 577,厨余 100 362,木材 14 936纸张 40,纺织品 24,厨余 15,木材 43,园林垃圾 20纸张 0.04,纺织品 0.04,厨余 0.06,木材 0.02,园林垃圾 0.05备注“固体废弃
15、物处理站的排放计算工具”默认值,B 情况,干条件IPCC7默认值IPCC 默认值IPCC 默认值IPCC 默认值IPCC 默认值IPCC 默认值根据该项目垃圾收到基成分计算,按 365 d/a 计算IPCC 默认值IPCC 默认值,北温带(年平均气温 14.2),干条件龙吉生,等.生活垃圾焚烧发电厂热电联产碳减排效益分析 47环境卫生工程2023 年 8 月第 31 卷第 4 期1.3.2火力发电产生的排放(BEEC,y)生活垃圾焚烧发电厂在焚烧处理生活垃圾的同时,产生的热量通过锅炉换热产生蒸汽,推动汽轮发电机产生电力,扣除自用的电量后,多余的电量并入电网。此部分上网电量将代替常规火力发电厂的
16、上网电量,从而减少了常规火力发电厂的碳排放量。火力发电的基准线排放采用清洁发展机制执行理事会最新版“电力消耗导致的基准线、项目和/或泄漏排放计算工具”8来计算,如公式(3)所示,具体计算参数见表 5。BEEC,y=ECBL,k,y EFEL,k,y(1+TDLk,y)(3)经计算,项目不供热情况下BEEC,y为 42 858tCO2e;对外供热 10 t/h 情况下BEEC,y为 33 374tCO2e;对外供热 20 t/h 情况下BEEC,y为 23 971tCO2e。1.3.3其他方式供热产生的排放(BENG,y)目前,该项目供热区采用燃气锅炉产汽供热,在项目建成后可替代部分燃气锅炉的供
17、热量,从而减少了燃烧天然气产生的碳排放量。其他方式供热产生的排放采用清洁发展机制执行理事会最新版“化石燃料燃烧导致的项目或泄漏二氧化碳排放计算工具”10来计算,如公式(4)所示,具体计算参数见表 6。BENG,y=BIOGASNG,y NCCBIOGAS,NG,y EFCO2,NG,y(4)表 6其他方式供热产生的排放计算参数Table 6Calculation parameters of emissions fromother heating methods参数BIOGASNG,yNCCBIOGAS,NG,yEFCO2,NG,y说明第 y 年因项目活动而输送至天然气管网的天然气量(m)第 y
18、 年因项目活动而输送至天然气管网的天然气热值(TJ/m)第 y 年天然气的平均 CO2排放因子(tCO2/TJ)数值6 05512 11034.435 256.1备注供热 10 t/h 工况供热 20 t/h 工况IPCC 默认值IPCC 默认值经计算,项目对外供热 10 t/h 情况下BENG,y为 11 697 tCO2e;对外供热 20 t/h 情况下BENG,y为23 395 tCO2e。1.4项目排放(PEy)1.4.1生活垃圾焚烧产生的排放生活垃圾焚烧过程中会产生 CO2、N2O 等温室气体。垃圾焚烧产生的项目排放由 CO2和少量CH4、N2O 组成。垃圾焚烧产生的 CO2排放(P
19、ECOM_CO2,c,y)采用“方法学选项 2:基于未分类的垃圾”计算,如公式(5)所示,具体计算参数见表 7。经计算,PECOM,c,y为 50 286 tCO2e。PECOM_CO2,c,y=4412 EFFCOM,c,y Qwaste,c,yFFCwaste,c,y(5)由于该项目暂未运行,因此其燃烧产生的 CH4和 N2O 排放(PECOM_CH4,N2O,c,y)采用默认排放因子来计算,如公式(6)所示,具体计算参数见表 8。排放量/tCO2e70 00060 00050 00040 00030 00020 00010 00002022202320242025202620272028
20、202920302031年份8 36516 32523 90331 11737 98744 52950 76156 69862 35667 747图 110 年期填埋场甲烷基准线排放Figure 110-year methane baseline emission from landfill10 年干均值:39 979表 5火力发电基准线排放计算参数Table 5Emission calculation parameters ofthermal power baseline参数ECBL,k,yEFEL,k,yTDLk,yk说明基准线电力消耗源 k 在第 y 年的电力消耗量(MWh/a)第 y
21、年发电来源 k 的排放因子(tCO2e/MWh)第 y 年电量提供到电源 k 的平均技术传输损耗(%)基准线下电量消耗来源数值72 73856 64140 6840.572 053华中电网备注不供热工况供热 10 t/h 工况供热 20 t/h 工况根据 2019 年度减排项中国区域电网基准线排放因子9计算根据“电力消耗导致的基准线、项目和/或泄漏排放计算工具”选取表 7垃圾焚烧产生的 CO2排放计算参数Table 7Calculation parameters of CO2emission fromwaste incineration参数44/12EFFCOM,c,yQwaste,c,yFF
22、Cwaste,c,yc说明转换因子第 y 年燃烧室 c 的燃烧效率(%)第 y 年供给燃烧室 c 的新鲜垃圾量(t)第 y 年供给燃烧室 c 的垃圾中化石碳的比例(%)项目所采用的燃烧室数值44/1297175 2008.07焚烧炉备注项目焚烧炉特性按 365 d/a,扣除 20%渗滤液IPCC 默认值:纸张 1%,纺织品 20%,塑料 100%,其他惰性物 100%48经计算,PECOM_CH4,N2O,c,y为 3 160 tCO2e。PECOM_CH4,N2O,c,y=Qwaste,c,y(EFN2O,t GWPN2O+EFCH4,t GWPCH4)(6)1.4.2渗滤液处理过程中排放的
23、碳排放量生活垃圾进入焚烧厂垃圾坑储存 57 d,会析出一定量的渗滤液,经渗滤液处理站处理合格后回用。渗滤液处理系统采用“预处理+UASB(厌氧反应器)MBR(反硝化+硝化+外置超滤)+NF(纳滤)+RO(反渗透)”的组合处理工艺,处理过程中将产生 CH4等温室气体。该项目渗滤液厌氧处理产生的甲烷量采用清洁发展机制执行理事会最新版“气流中温室气体质量流量的确定工具”11来计算,渗滤液厌氧产生的甲烷全部通过管道送入焚烧炉焚烧,因此,计算公式如下:FCH4,flare,y=QCH4,y=Qww,y PCOD,y Bo MCFwwGWPCH4(7)具体计算参数见表 9。经计算,每年送到燃烧室的甲烷量F
24、CH4,flare,y为 13 140 tCO2e。该项目渗滤液厌氧产生的甲烷全部通过管道送入焚烧炉焚烧,根据方法学,假定气体中包含甲烷的焚毁率为 90%,且渗滤液处理相关的焚烧产生的排放等于渗滤液处理产生的甲烷燃烧引起的排放,即PEflare,ww,y=PEww,y,计算公式如下:PEww,y=FCH4,flare,y 0.1(8)经计算,该项目渗滤液处理产生的甲烷燃烧引起的排放(PEww,y)为 1 314 tCO2e。1.4.3添加辅助燃料产生的排放焚烧炉启炉、停炉及焚烧期间垃圾热值不足时,需要额外消耗柴油等化石燃料。燃烧化石燃料将会产生额外的温室气体排放。该项目添加辅助燃料燃烧产生的项
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