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）

0 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0［2］；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。

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。

表3 该项目生活垃圾总成分分析Table 3 Analysis on total composition of waste in the project

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：

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。

表4 填埋场甲烷基准线排放计算参数Table 4 Calculation parameters of methane baseline emission of landfill

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。

图1 10 年期填埋场甲烷基准线排放Figure 1 10-year methane baseline emission from landfill

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。

表5 火力发电基准线排放计算参数Table 5 Emission calculation parameters of thermal power baseline

经计算，项目不供热情况下BEEC，y为42 858 tCO2e；对外供热10 t/h 情况下BEEC，y为33 374 tCO2e；对外供热20 t/h 情况下BEEC，y为23 971 tCO2e。

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。

表6 其他方式供热产生的排放计算参数Table 6 Calculation parameters of emissions fromother heating methods

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（PECOM_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。

表7 垃圾焚烧产生的CO2排放计算参数Table 7 Calculation parameters of CO2 emission from waste incineration

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。经计算，PECOM_CH4，N2O，c，y为3 160 tCO2e。

表8 垃圾焚烧产生的CH4和N2O 排放计算参数Table 8 Calculation parameters of CH4&N2O emission from waste incineration

1.4.2 渗滤液处理过程中排放的碳排放量

生活垃圾进入焚烧厂垃圾坑储存5～7 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：

具体计算参数见表9。经计算，每年送到燃烧室的甲烷量FCH4，flare，y为13 140 tCO2e。

表9 渗滤液处理产生的项目排放计算参数Table 9 Calculation parameters of the project emission from leachate treatment

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：

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目排放（PEFC，INC，y）使用“化石燃料燃烧导致的项目或泄漏二氧化碳排放计算工具”计算，计算公式如下：

式中：FCdiesel，y为第y年项目柴油的消耗量（t），根据项目初步设计取108 t；COEFdiesel，y为柴油的CO2排放因子，取IPCC 默认值3.186 3。

经计算，该项目每年添加辅助燃料燃烧产生的项目排放（PEFC，INC，y）为344 tCO2e。

因此，项目排放总量为50 286+3 160+1 314+344=55 104 tCO2e。

1.5 泄漏排放（LEy）

泄漏排放为生活垃圾汇总未燃尽的含碳物质。该项目炉渣热灼减率小于3%，因此不考虑泄漏排放。

2 结果与讨论

2.1 总体情况

综合上述计算，3 种工况碳减排计算结果见表10。

表10 碳减排分析总体情况Table 10 Overview of carbon emission reduction analysis

不供热工况下项目减排量为32 250 tCO2e，折吨垃圾的项目碳减排量为0.15 tCO2e；供热10 t/h工况下项目减排量为34 463 tCO2e，折吨垃圾的项目碳减排量为0.16 tCO2e；供热20 t/h 工况下项目减排量为36 758 tCO2e，折吨垃圾的项目碳减排量为0.17 tCO2e。

由此得出，对外供热具有更好的碳减排效益。如能利用汽机乏汽对外供热，还将减少更多碳排放量。与黄静颖等［12］、王文波等［13］采用CCER 方法计算的吨垃圾碳减排数据进行对比验证，虽与本研究计算结果略有差距，但其分析样本所在地不同，与本研究计算样本在垃圾降解率、不确定修正系数、电网排放系数等方面有所差异，笔者通过修正以上参数后计算对比，吨垃圾碳减排量与其基本一致，说明该计算方法可行、准确。

2.2 基准线排放组成分析

根据计算，各工况填埋场基准线一致，随着对外供热量的增加，火力发电基准线排放随之降低，但总量有所上升，如图2 所示。不供热工况下，填埋场甲烷基准线排放约占48%，火力发电基准线排放约占52%；供热10 t/h 工况下，填埋场甲烷基准线排放约占47%，火力发电基准线排放约占39%，其他方式供热约占14%；供热20 t/h 工况下，填埋场甲烷基准线排放约占46%，火力发电约占27%，其他供热方式约占27%。

图2 各工况基准线排放对比Figure 2 Comparison of baseline emission under various working conditions

2.3 项目排放组成分析

项目排放主要是垃圾焚烧产生CO2（约占91%）和少量CH4、N2O（约占6%），约占项目排放总量的97%（53 446 tCO2e），渗滤液处理产生的排放约占2%（1 314 tCO2e），还有少量添加辅助燃料产生的排放约占1%（344 tCO2e）。

项目排放的主要来源为燃烧产生的CO2，而这部分CO2来源为生活垃圾中纸张、纺织品、塑料和其他惰性物中的化石碳，其对项目CO2排放的贡献率分别为1%、1%、96% 和2%。减少垃圾中塑料的比例，将更有效地减少碳排放。

2.4 碳减排分析

1）生活垃圾焚烧发电厂碳减排贡献主要来源是替代传统火电的碳排放，约占全部减排量的52%；另一半减排贡献则来源于替代了原本填埋场甲烷的排放，约占全部减排量的48%。

2）若对外供热后，生活垃圾焚烧发电厂碳减排贡献主要来源是替代传统火电的碳排放及替代其他方式供热产生的碳排放，分别各占27%；而替代了原本填埋场甲烷的排放占到减排量的46%，且整体碳减排量略有所提高，每多供热10 t/h，碳减排效益约提升6.9%。

2.5 我国生活垃圾焚烧发电厂碳减排量估算

根据中国统计年鉴（2020 年）［14］，2019 年全国生活垃圾焚烧处理量达到1.217 42×108t。按照每吨垃圾碳减排量0.15 tCO2e 估算，则全年的碳减排可达1.826 13×107tCO2e。如垃圾焚烧项目周边有热用户需求，利用生活垃圾焚烧发电厂对外供热可进一步提升碳减排效果。但是，由于我国地域辽阔，各地气象条件、垃圾组分不尽相同，碳减排量有所不同，依据该项目碳减排的数据估算全国生活垃圾焚烧发电的碳减排量数据仅供参考。

3 结论

通过对垃圾焚烧发电厂碳减排分析结合热电联产计算，垃圾焚烧发电厂作为替代传统垃圾填埋方式具有较好的碳减排效果，吨垃圾减排量为0.15 tCO2e，若能对外供热，碳减排效益将进一步提升。根据项目排放组成分析，CO2为项目排放的主要成分，占到总排放量的91%，而CO2排放的主要来源为塑料，占CO2排放的96%，故如能减少生活垃圾中的塑料等化石碳成分比例，垃圾焚烧厂的碳排放量将大幅降低，进一步提升碳减排效益。本研究基于垃圾焚烧发电厂热电联产计算碳减排量，为我国垃圾焚烧厂积极融入碳交易市场、助力实现双碳目标提供了数据支持和方法依据。