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吕锡民:循环经济的基石——废弃物能源

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【大纪元2019年09月09日讯】由于人口增长和快速城市化,全球各地区产生的城市固体废弃物(MSW)数量迅速增加。世界银行估计,全球MSW将从目前350万公吨/日,增加到2025年610万公吨/日。MSW焚化(MSWI)在废弃物量管理方面,不仅不断扩大,发挥关键作用,而且就回收可利用面向,对补充传统能源供应,亦扮演重要角色。

全球初级能源有80%以上,来自化石燃料,MSWI在抵消化石燃料消耗,增加再生能源份额同时,对协助废弃物处理政策推广,也占有重要地位,迄今为止,全世界有约1,179座MSWI厂,总产能超过700,000公吨/日。

目前,大多数工厂位于欧盟、美国及东亚。许多非洲和拉丁美洲国家也设立焚化厂,以烧毁医疗及危险废弃物,尽管没有能量回收。发展MSWI并不是没有本身缺点挑战。从过去失败中汲取经验,有助于当今WtE全球视野格局塑造。基本上,WtE产业在经济上是有利可图的,每年收入超过200亿美元。

焚化炉发电效率约14~28%。为避免剩余能量损失,废热可用于区域供热,如汽电共生。以废弃物低热值为基准,汽电共生焚化炉整体效率通常高于80%。焚化转化MSW是一种相对古老的WtE(Waste to Energy)生成方法。焚化通常透过废弃物燃烧,产生蒸汽或热水,为发电机和热能产生器提供动力,生成能量用于家庭、企业、机构及工厂。

在2001~2007年期间,废弃物能源容量每年增加约400万公吨,日本和中国各自建立的几个工厂,系以直接熔炼或固体废弃物流化床燃烧为基础。在中国,2016年初约有434座垃圾焚化发电厂,而日本则拥有世界上最大MSW热处理国家,总容量约有4,000万公吨。若干最新MSWI厂采用加煤机(stoker)技术,而其他厂则使用先进富氧技术。世界上有几家先进垃圾处理厂使用相对创新技术,如直接熔炼、Ebara流体化技艺、Thermoselect JFE气化及熔化技术等。印度开发第一个能源生物科学中心,目的就在减少温室气体排放及化石燃料依赖。截至2014年6月,印尼垃圾发电总装机容量约93.5MW,不同准备阶段总量则有373MW。

近几十年来,随着工业及农业生产发展,人们生活水平提升,固体废弃物越来越多,全球每年生产垃圾约450亿公吨,每年平均以8~9%的速率增长,西方发达国家大致以每年2~5%速率增加,日本人均垃圾产量近10年增加1倍,中国历年积存垃圾已超过60亿公吨,每年并以8~10%速率增加,侵占土地50万公顷,有200多个城市陷入垃圾包围当中。

都市废弃物处理方式,包括资源回收、厨余回收、焚化及卫生掩埋等;其中,垃圾焚化产生废热可用来发电,而厨余则可掩埋产生沼气,燃烧之后,每公吨厨余约可产生3GJ热值。

一般而言,只有焚烧废弃物流平均净热值至少在7MJ/kg以上,即燃烧过程能够自我维持时,才会进行WtE可行性评估;此外,为了工厂最佳运作与供应目的,可燃垃圾产生率应该至少维持100,000公吨/年以上,但在孤立地区工厂可能会低于10万公吨/年。另外,废弃物产量的季节性变化,如国定假日或当地传统节日,还可能并入废弃物性质可能影响的诸多需要考虑因素之一。

自WtE工厂问世以来,MSW处理目标迅速演化,更多注意力转移到热回收上。此外,焚化炉灰烬处理以及烟气排放法规变得更加严格。因此,采用MSWI废弃物管理选项,三大强力技术需要开发实现:MSW燃烧体积缩小、热量和材料最佳化回收及烟气彻底净化,借此满足现行法规排放限制。

WtE设备总热效率取决于最终回收能量多寡。当今世界上许多能量回收系统,都以传统朗肯循环建造,具有汽电共生(CHP)或组合蒸汽和电力(CSP)配置,总能效高达60%。

今天,WtE(包括其他热能和生化技术)是一个充满活力的行业,2013年产值约240亿美元,预计到2020年可达376亿美元。截至2014年,至少有80座WtE焚化炉在美国运转。每天处理超过96,000公吨MSW,产生并网电力2,769 MWh,回收再利用73万公吨黑色金属和有色金属。

丹麦、瑞典、爱沙尼亚及芬兰等是全球WtE领先者,焚化MSW比例至少有50%,因此垃圾掩埋量减少到MSW总量10%以下(芬兰除外,其掩埋率仍有17%)。在东亚,日本也同样具有WtE竞争力,该国每年产生6,500万公吨MSW,其中有67%是采用热处理形式。在2013年,日本装有1,172座MSW热处理厂,每天处理182,683公吨MSW,其中,778家工厂回收余热,而328家工厂设有CHP系统,发电量约1.8 GW。在2010年,欧洲有超过452座MSWI厂营运,每年处理城市生活垃圾和危险废弃物,估计达7,340万公吨。仅在2014年,英国MSWI占比就有35%(672万公吨),发电量3.94 TWh,供应英国整体能源1.1%。中国WtE焚化起步时间比欧洲和美国约晚一世纪。迄今为止,中国拥有最大MSWI产能。

据估计,全球每天产生城市生活垃圾已增到350万公吨,到2025年将上达610万公吨。全球固体废弃物管理联盟最关心的问题是,这种MSW增加趋势是否可逆转。由分析结果显示,固体废弃物管理当初并不那么引人关心此问题,因为当时废弃物产生量太低,不能证明对健康有实质影响。但这种观念正在迅速改变。如今,固体废弃物管理已成政府施政要项之一。到2025年,城市废弃物可能增加1倍,政府单位必须为日益严重废弃物管理挑战,寻求有效解决策略,扩大所需资源能力,尤其是一些发展中国家,能够安全处置MSW基本卫生掩埋土地严重稀缺。因应垃圾激增,政府制定更严格废弃物处理法规,以强化公共卫生系统有其必要性。很显然,除非对废弃物管理积极投入,否则主管单位的废弃物处理速度,可能赶不上废弃物增加速度。迹象显示,决策单位要有共同体认,MSWI绝对不能像垃圾掩埋场一般,因为未能因应不断增加废弃物量,最后以饱和状态收场。因此,面对根本问题,长期解决方案应是各国政府真正努力目标。目前措施旨在实现人均废弃物产生零增长。也就是说,要实现这一目标,最终目标是无限期降低人均废弃物产生。

MSWI中的戴奥辛,即使经过高温燃烧破坏,也能在后烟气中重整。戴奥辛半衰期长达数年至数十年,在环境中具高度持久性,因此称为持久性有机污染物。防治之道首在燃烧室中维持最佳破坏条件,让这些化合物无法在烟气中生存,而在烟道管中,防止污染物在燃烧后气体中重新形成条件也是必要措施。然而,烟气处理非常昂贵,整套设备初始成本往往超过预算。尤其是,严格排放标准只会让焚化比掩埋更贵,这就是为什么自20世纪末以来,美国停止垃圾焚化厂扩张主因。

废弃物产量及成分,与国家总产值密不可分,但此两变量也非一成不变。根据分析结果,较不发达国家有关生物降解有机废弃物比例,往往高于经济发达国家。通常,MSW成分极其多样化,这影响其在MSWI炉中的可燃性。由于消费模式快速前进,要确切预测MSWI原料特征仍是一项挑战。焚化废弃物成分和能量巨大变化,导致加热特性波动、锅炉燃烧不均、烟气管理复杂及频繁停机等操作困难。其中,水分是MSWI系统中最不需要成分,因为水分增加废弃物重量,但不增加废弃物热处理可获净能量。有效焚化要求水分低于30%。水分未保持适当水平,将对焚化过程产生负面影响,降低总体热量生产,并使整个系统经济效率下降。

最新废弃物预处理可显着改善MSWI缺点。废弃物预处理主要发展障碍在于,当系统设计中添加这些功能时,总体处理成本往往增加,使得初始投资成本超出许多城市地方政府预算。世界银行MSWI指引建议,WtE焚化要具有成本效益,MSW平均低热值应在7 MJ/kg之上,任何情况下都不应低于6 MJ/kg。MSW低热值迫使许多运营商不得不采取与煤炭共焚,以使WtE业务保持平稳。由此产生的问题是,系统可能会遭遇技术问题,由此产生排放可能更难控制,尤其是当初垃圾处理系统是为单目标设计。组件腐蚀—特别是酸性气体引发的烟气道及洗涤器表面腐蚀,仍然是许多MSWI业者所面临的营运挑战。

塑料具有非常高热值,可能超过40 MJ/kg,远超过MSW全年平均所需门槛7 MJ/kg。MSW特征资料显示,塑料占全球垃圾比例10%,中高收入国家可能更高。有效收集塑料废弃物,确保形成焚化设备原料重要部分,可改善MSW可燃性。不幸的是,有很大比例塑料垃圾并没有用在MSWI。ISWA(2015)报告宣称,在2015年,约有700万公吨塑料废弃物流入海中,如果Zhou等(2015)观察到平均值正确,则损失能量将有280 TJ。

尽管许多争论存在,但值得注意的是,全球有超过75%的MSW仍以掩埋方式处理,在全球温室气体减量趋势下,目前仍不能放弃MSWI。如前所述,历史证明,在不断扩大MSW数量管理上,仅靠回收策略是不够的。在远离“废弃物社会”之前,MSWI仍具正面相关性,并应当作综合固体废弃物管理系统一部分。另外一个重点是,我们必须意识这种相关性不会无限期延伸,就像垃圾掩埋一样,未来WtE对废弃物最小化的吸引力可能较小,因为“循环经济”的政策转型已经悄然降临。

(作者为工研院能环所前研究员)

责任编辑:高义

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2019-09-09 10:27 AM
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