固废处理

减碳背景下生活垃圾的综合利用

2021-11-27 10:04:13 无知一熊 作者:熊孟清

“30碳达峰60碳中和”是基于推动构建人类命运共同体和实现可持续发展作出的重大战略决策,是中国对世界庄严承诺的阶段性控碳目标,必将影响到整个经济社会的发展。控碳的终极目标是减碳,一切经济社会活动都要锚定这个减碳目标;在此背景下,生活垃圾资源化利用将迎来新机遇和新挑战。

1、减碳背景下生活垃圾资源化利用的新机遇

减碳之要在于以整个大气作为一个控制体,使输入大气的二氧化碳总量少于输出大气的二氧化碳总量,从而减小大气中二氧化碳的含量。

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二氧化碳的输入大气的根本途径是大气控制体之外的煤炭、石油、天然气等石化燃料及其衍生品的燃烧;二氧化碳的输出大气的最可靠的途径是通过光合作用将大气中的二氧化碳转化成生物质,再就是碳捕集、利用和封存。减碳就要减少石化燃料及其衍生品(包括衍生品废弃所产生的生活垃圾——下统称为石化类生活垃圾)的燃烧利用以减少二氧化碳输入大气的总量和加强光合作用及碳捕集、利用、封存以增大二氧化碳输出大气的总量。

减碳为生活垃圾资源化利用带来新机遇。减碳将提升生物质类生活垃圾作为煤、油、气的替代能源和生活垃圾作为生产生活的替代原料的地位,带给生物质能量利用和物质利用2大新机遇。

生物质类生活垃圾直接燃烧利用且燃烧生成的二氧化碳排进大气,虽然没有直接减碳效果,但因其向外输出净能量(回收的能量与自耗能量之差),起到石化燃料的替代作用,具有间接减碳效果;所以,减碳将激发生物类生活垃圾的能量利用。当然,生物质类生活垃圾的物质利用具有固碳效果,将净减小大气中二氧化碳的含量,即生物质类生活垃圾的物质利用具有直接减碳效果。

石化类生活垃圾直接燃烧利用且燃烧生成的二氧化碳排进大气,与石化燃料燃烧利用一样,将增加大气中二氧化碳的含量,即具有增碳作用。石化类生活垃圾的物质利用既不减碳也不增碳。减碳将鼓励石化类生活垃圾物质利用而抑制石化类生活垃圾直接燃烧利用。

根据《3060零碳生物质能发展潜力蓝皮书(2021年9月)》,我国生活垃圾年产量2020年达到3.1亿吨,能量利用(焚烧发电)1.43亿吨(能量利用率46.1%)。能量利用能力已经具备,但可回收物的物质利用和厨余垃圾资源化利用能力严重不足(可回收物、厨余垃圾和其他垃圾的比例大致是30%:30%:40%);减碳背景下生活垃圾资源化利用的重点应放在可回收物的物质利用和厨余垃圾资源化利用2大领域。

2、减碳背景下生活垃圾资源化利用路线

各地可结合自身情况,采用层次分析法,具体分析适合自身发展的生活垃圾治理路线。下图是生活垃圾治理路线的层次分析模型,判断准则采用资源保护、环境保护、减碳效果、经济集约和社会治理5个准则,垃圾处理方法分为垃圾源头减量与排放控制、生物质类垃圾物质利用、石化类垃圾物质利用、生物质类垃圾能量利用、石化类垃圾能量利用和垃圾卫生填埋6种方法。

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层次分析时需要分析每种垃圾处理方法对每个准则的重要性(用1至9标度,1表示一般,9表示极度重要),即层次分析模型中每种处理方法与每个准则都存在或强或弱的关系,但图中并未画出处理方法与准则之间一一对应的连线,而只画出一些重要的连线,目的是为了清晰表示某种处理方法对某个准则更重要。图中的垃圾能量利用系指直接焚烧利用且烟气中二氧化碳直接排进大气,不包括转化去碳后燃烧利用。图中经济集约准则指节约土地、节约资金、先进技术管理和生产收入,不包括财政补贴;社会治理则是社会化、良性互动和人民满意的衡量准则。

根据上述模型中每种处理方法的连线数量,不用数学分析,便可看出每种处理方法的重要性:“垃圾源头减量与排放控制”和“生物质类生活垃圾物质利用”最重要,同时具有资源保护、环境保护、减碳、经济集约和社会治理作用;其次是石化类生活垃圾物质利用,具有资源保护、环境保护、经济集约和社会治理作用,但既不减碳也不增碳;再其次是生物质类生活垃圾能量利用,具有资源保护、间接减碳和社会治理作用,接下来是石化类生活垃圾能量利用,具有资源保护和社会治理作用,但具有增碳作用;最后是填埋,仅作为维持社会秩序的兜底和应急之用。

由此可知,生活垃圾治理应走“强化源头减量与排放控制、物质利用,重视能量利用并配备足够库容的垃圾填埋”的综合治理路线。减碳背景下,生活垃圾资源化利用应走综合利用路线,强化源头减量与排放控制、生物质类生活垃圾物质利用的减碳效果,重视生物质类生活垃圾能量利用的间接减碳效果,开发石化类生活垃圾物质利用、能量利用的减碳方法、技术、工艺和设备。

3、减碳背景下生活垃圾资源化利用的新挑战

如何提高生物质资源化利用的减碳效果,又如何拓宽生物质资源化利用途径和提高生物质资源化利用的效率,是生物质资源化利用在减碳背景下遇到的新挑战。

3.1提高生活垃圾综合利用水平

生活垃圾综合利用是由物质利用与能量利用串、并联所形成的网络。物质利用与能量利用的基本联结方式有串联和并联2种(串联方式存在先物质利用后能量利用与先能量利用后物质利用之分),生活垃圾综合利用包括1个或多个物质利用与能量利用的基本联结。根据生活垃圾及其处理过程中产生的二次垃圾的流向可画出生活垃圾综合利用的流程(或回路),下图是生活垃圾综合利用的示意流程(生活垃圾分为生物质类、石化类和其他类)。实际的综合利用流程可能比这个示意流程复杂得多。

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减碳背景下生活垃圾综合利用流程的优化是垃圾治理的一项新任务。生活垃圾综合利用优化包括分类优化、利用设施及其布局优化、逆向物流网络优化等,如何分类更利于减碳和垃圾妥善治理、如何安排物质利用、能量利用设施及其布局更便于组织逆向物流和垃圾妥善处理,如何组织逆向物流更便于物质、能量、信息等流通和垃圾妥善处理。从减碳角度分析,生物质类生活垃圾应物质利用与能量利用并举,石化类生活垃圾应先物质利用和不能物质利用的部分才能量利用。

3.2拓宽生物质资源化利用途径

是否可以开发出更多的生活垃圾物质利用和能量利用途径,甚至具有直接减碳效果的生活垃圾能量利用途径呢?相信答案是肯定的,但具有挑战性。

生活垃圾的物质利用和能量利用都有2种方式:生活垃圾直接利用和将生活垃圾转化后间接利用。这里的生活垃圾直接利用希指所利用对象是生活垃圾本身,没有物化性质的改变,如重复利用和再造利用;生活垃圾间接利用是先将生活垃圾(经动物、微生物、物理化学)转化为所用对象(物质或能量)再对所用对象直接或改性利用,所利用的对象是从生活垃圾衍生出来的物质或能量,不具有生活垃圾的物化性质,不再是生活垃圾本身,如将生物质类生活垃圾先转化为沼气在利用沼气、沼渣等。平常所讲直接利用生活垃圾的内能供热是指直接利用内能而不是直接利用生活垃圾本身,指不将热能转化为机械能或电能,实际上是一种生活垃圾的间接利用。

据此,拓宽生活垃圾资源化利用途径的方向大致有三:一是拓宽生活垃圾直接利用途径,如将生物质制成种养殖原料、建筑材料、土地回用等;二是拓宽生活垃圾间接利用途径,包括拓宽生活垃圾转化方法、所用对象(物质或能量)种类及其利用途径,如将厨余垃圾、农林种养殖垃圾先转化成沼气,再沼气直接燃烧发电,或沼气去碳(甲烷裂解制氢)后燃烧发电,或沼气用作化工原料等;转化方法、中间物及其利用途径都是值得研究的项目;值得强调的是喂养动物不仅是生物质直接利用的一条重要途径,也是生物质经动物转化后再间接利用的一条重要途径;三是拓宽生活垃圾资源化利用的二次废弃物的利用途径,如利用沼渣堆肥、种养殖,又如近期较受关注的烟气资源化利用等。

将生活垃圾直接燃烧的烟气中的二氧化碳转化成甲烷是有吸引力的(碳捕集、利用和封存值得期待)。目前有2种思路,一是二氧化碳与水常温常压下催化反应生成甲烷,二是二氧化碳加氢催化反应(Sabatier反应)生成甲烷。

已有企业试图将二氧化碳和水转化成甲烷等资源。日本昭和壳牌石油公司的一种技术利用太阳光在常温常压下将二氧化碳和水转化成甲烷等资源。据介绍,该公司利用燃料电池中使用的气体扩散电极和新研发的催化剂,在常温常压条件下仅利用太阳光就可直接将水和二氧化碳转化为甲烷和乙烯。该公司认为,这一技术是减少二氧化碳排放和新能源合成领域的重要进展。

日本政府试图利用Sabatier反应7.png将二氧化碳催化加氢甲烷化。日本经济产业省将与日本制铁、三菱商事等19家企业磋商,研究如何加强二氧化碳甲烷化的技术研发。日本产业经济省提出的分阶段是,到2030年以合成甲烷置换1%以上的民用燃气,到2050年一举扩大至90%。日本燃气协会的测算显示,1%的置换量可以减排80万吨二氧化碳,而90%的置换量则能够减排8000万吨二氧化碳,分别相当于日本总排放量的0.07%和7%。日本计划能否成功取决于太阳能发电制氢成本能否控制住。

拓宽生物质物质利用与能量利用途径事关生物质资源化利用的发展前景,需要加大研究开发生物质综合利用途径、技术、工艺、设备和产品的力度。

3.3提高生活垃圾资源化利用效率

如何提高生活垃圾物质利用的直接减碳效果(固碳效果)和减小其间接增碳效果,又如何提高提高生物质类生活垃圾能量利用的间接减碳效果呢?这需要提高资源回收利用率和降低资源化利用系统的自耗能量,换言之,需要提高生活垃圾资源化利用系统的效率。

不同的生活垃圾资源化利用途径、技术、工艺和设备具有不同的效率。建设和改扩建生活垃圾资源化利用项目时要选用效率较高的途径、技术、工艺和设备(选型)以提高资源回收利用率,并优化节能方案和完善信息化、智能化、智慧化管理方案以降低资源化利用系统的自耗能量,保障生活垃圾资源化利用系统达到较高的效率。生活垃圾资源化利用的选型、节能和管理的增效减碳空间较大。

以生物质能量利用为例。生物质直接燃烧/蒸汽轮机发电系统只有22%左右的发电效率,但生物质转化成沼气/内燃式沼气发电系统,因沼气含水率较低和内燃式沼气发电机组较蒸汽轮机发电机组具有更高的能量转化效率,将具有28%以上的发电效率(假定生物质的固料转化成沼气的转换率为60%);发电效率越高,单位二氧化碳产量的发电量便越大,因此,生物质能量回收发电系统的间接减碳效果就越大;扩大而言,生物质能量利用系统的能量回收利用效率越高,其间接减碳效果越大,可以引进“单位回收利用能量的二氧化碳产量”指标代替能量回收利用效率指标来衡量生物质能量利用系统的间接减碳效果的高低。除发电效率或能量回收利用率外,系统节能方案和管理水平将影响系统的自耗能量的高低,这也会影响系统的间接减碳效果;目前生物质直接焚烧发电系统的自耗电占比大多在10%至15%范围内变化,这种高能耗与差异除选型因素外,就是节能与管理水平因素。

4、总结与案例分析

4.1总结

1)减碳背景下,生活垃圾资源化利用,无论是能量利用还是物质利用,大有作为;

2)生活垃圾治理应走“强化源头减量与排放控制、物质利用,重视能量利用并配备足够库容的垃圾填埋”的综合治理路线。减碳背景下,生活垃圾资源化利用应走综合利用路线,强化源头减量与排放控制、生物质类生活垃圾物质利用的减碳效果,重视生物质类生活垃圾能量利用的间接减碳效果,开发石化类生活垃圾物质利用、能量利用的减碳方法、技术、工艺和设备。

3)宜区别对待生物质类生活垃圾与石化类生活垃圾的资源化利用及其减碳效果,提高生活垃圾综合利用水平及其综合减碳效果;

4)要加大研究开发生活垃圾综合利用途径、技术、工艺、设备和产品的力度,拓宽生活垃圾物质利用与能量利用途径;

5)通过选型、节能和管理提高生活垃圾资源化利用系统的效率,重点提高资源回收利用率和降低资源化利用系统的自耗能量。

4.2厨余垃圾资源化利用案例分析

减碳背景下,厨余垃圾资源化利用要回答一下问题:

1)是物质利用还是能量利用,又或是物质利用与能量利用并举的综合利用?

2)物质利用是直接利用还是转化后利用,直接利用是动物饲喂还是土地回用或其他,转化后利用的转化方法和有待利用的中间物是什么?能量利用是干化后直接焚烧还是转成清洁燃料后再燃烧利用?综合利用方式是什么?

3)转化工艺怎样、转化率多高及如何提高转化率?转化前预处理工艺怎样?4)残渣、废水、臭气三废如何治理?

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