生活垃圾填埋场开采再利用碳排放模型及其应用

2024-04-04 06:47俞金灵彭明清徐辉刘文莉
浙江理工大学学报 2024年3期
关键词:城市生活垃圾

俞金灵 彭明清 徐辉 刘文莉

摘 要: 采用碳排放因子法建立了生活垃圾填埋场开采再利用的全生命周期碳排放模型,核算了单位质量填埋垃圾在保持原状、开采-材料再回收和开采-能源回收三种场景的碳排放量,分析了开采再利用场景下碳减排主要驱动因素与碳减排量的影响规律,探究了填埋场开采再利用相对于保持原状的碳减排潜力。结果表明:开采-材料再回收场景的碳排放量少于开采-能源回收场景;开采-材料再回收场景的碳减排量随塑料回收率的提高而增大,开采-能源回收场景的碳减排量随垃圾衍生燃料热处理量的增加而增大;简易填埋场在开采-材料再回收场景的碳减排潜力最大,达-495 kgCO2eq/t。该研究可为我国垃圾填埋场开采再利用的碳减排潜力评估提供一定的参考依据。

关键词: 城市生活垃圾;单位质量填埋垃圾;填埋场开采再利用;材料和能源回收;碳排放模型;碳减排量

中图分类号: X705

文献标志码: A

文章编号: 1673-3851 (2024) 03-0245-10

A carbon emission model for domestic waste landfill mining and reuse and its applications

Abstract:   A carbon emission model for the full life cycle of domestic waste landfills was constructed by using the carbon emission factor method. The carbon emissions of unit mass waste were calculated under three scenarios: ′keep do-nothing′ scenario, ′waste to material′ scenario and ′waste to energy′ scenario. This model explored the primary factors driving carbon emission reduction and the influence of carbon emission reduction in mining and reuse scenarios, and investigated the potential for carbon emission reduction through landfill mining and reuse as compared to the preservation of the landfill in ′keep do-nothing′ scenario. The above results show that the carbon emission of the ′waste to material′ scenario is less than the ′waste to energy′ scenario; the carbon emission reduction in the ′waste to material′ scenario increases with the increase of the plastic recovery rate, and the carbon emission reduction in the ′waste to energy′ scenario increases with the increase of the heat treatment amount of refuse derived fuel; the carbon emission reduction potential in the ′waste to material′ scenario of the simple landfill is the best, up to -495 kgCO2eq/t. These conclusions can provide certain reference for the assessment of carbon emission reduction potential of landfill mining and reuse in China.

Key words: municipal solid waste; per unit mass of landfill waste; landfill mining and reuse; material and energy recovery; carbon emission model; carbon emission reduction

0 引 言

我国城市生活垃圾(Municipal solid waste,MSW)的处置方式以填埋为主[1]。截至2020年,在役生活垃圾填埋场数量约6900座,填埋垃圾存量超80亿t[2]。城市生活垃圾填埋产生的温室气体是垃圾处理领域碳排放的主要来源[3-4]。垃圾填埋场开采再利用是指从填埋场挖掘矿化垃圾并进行资源回收和生态修复[5],具有降碳减排的潜力。碳排放模型是用于评估填埋场开采再利用相对于持续填埋情况下的碳减排潜力的重要方式,可定量计算碳排放量并优选填埋场开采再利用路径[6]。因此,构建垃圾填埋场开采再利用碳排放模型并以此进行碳减排核算具有重要的科学意义和工程价值。

垃圾填埋场开采再利用作为一种将填埋资源重新引入材料循环并减少环境负担的技术措施,以往研究主要集中于填埋垃圾的资源化利用技术[7-8]。随着人们对温室效应和气候变化的日益关注,研究者们逐渐关注垃圾填埋场开采再利用产生的碳减排潜力。Cappucci等[9]构建了填埋场矿化塑料回收再利用的碳排放模型,对塑料再利用全生命周期的碳排放进行了核算,发现原材料生产塑料的碳排放量是矿化塑料回收再利用的4.5倍。Huang等[10]基于生命周期评价(Life cycle assessment,LCA),构建了填埋垃圾可燃材料制备垃圾衍生燃料(Refuse derived fuel,RDF)的碳排放模型,发现填埋垃圾仅采用能源回收是增加碳排放的过程。以上研究均局限于单一材料回收利用的碳排放量核算,如塑料再生利用、可燃材料热处理等,未对填埋场内全部矿化垃圾的回收处置展开碳排放研究。Jones等[11]首次提出了强化填埋垃圾开采路径的理念,强调通过优化材料和能源的回收路径来实现填埋场开采再利用项目的最大碳减排。Sankar等[12]采用LCA构建了填埋场材料和能源回收再利用的碳排放模型,核算发现,在生活填埋垃圾场中的1 t垃圾,通过金属回收和可燃材料焚烧发电,可实现0.6 tCO2eq的碳减排。Danthurebandara等[13]構建了适用于比利时丹顿垃圾填埋场开采再利用项目的碳排放模型,核算了建筑材料二次利用和可燃材料热处理的碳减排量,研究表明填埋场开采再利用存在碳减排潜力。以上研究者通过建立垃圾填埋场开采再利用的碳排放模型,核算了垃圾填埋场可回收材料和可燃材料综合利用的碳减排潜力。但目前在相关研究中,选择的材料和能源综合利用的方式仍较为单一,塑料和纸张一般归为可燃材料用于能源回收,缺乏对材料与能源多路径利用技术下的碳排放研究。

本文采用碳排放因子法构建了生活垃圾填埋场开采再利用的全生命周期碳排放模型,通过该模型核算填埋场单位填埋垃圾在保持原状场景('Keep do-nothing' scenario,KDNS)、开采-材料再回收(Waste to material,WtM)场景和开采-能源回收(Waste to energy,WtE)场景的碳排放量,以分析生活垃圾填埋场开采再利用场景(Landfill mining and reuse scenario,LMRS)主要碳减排影响因素与其碳减排量的影响关系,得到填埋场相对于KDNS场景,采用WtM场景和WtE场景的碳减排量。本文建立的碳排放模型可用于核算生活垃圾填埋场低碳化利用技术路径的碳排放量,研究结论可为我国生活垃圾填埋场开采再利用的碳减排路径优选和碳减排潜力评估提供初步参考依据。

1 全生命周期碳排放模型

1.1 垃圾填埋场场景设立与技术流程概述

垃圾填埋场场景设立与技术流程如图1所示。根据本文的研究目标和技术实用性,设立了垃圾填埋场KDNS场景和LMRS场景,KDNS场景和LMRS场景皆以填埋垃圾稳定化完成为开始节点。

1.1.1 KDNS场景

生活垃圾填埋场KDNS场景中,填埋垃圾中的有机质通过厌氧食物链的协同作用持续产生CH4、CO2等填埋气和渗滤液,填埋气回收发电或排放至大自然,渗滤液采用无害化处理后排放。KDNS场景用于评估生活垃圾填埋场LMRS场景的碳减排潜力。

1.1.2 LMRS场景

生活垃圾填埋场LMRS场景主要包括渗滤液处理、垃圾挖掘粗筛和细筛回收、材料加工处理、RDF生产与热处理、危废物質处置、土地回填等过程。填埋场垃圾组分主要取决于填埋场类型、储存时间、降解程度和地理来源[14],按利用途径分为3大类:建筑组分、可燃组分和细粒组分[15]。卫生填  埋场(Sanitary landfill,SaL)和简易填埋场(Simple landfill,SiL)矿化垃圾组分占比见表1。根据纸张和塑料的最终处置方式,LMRS场景细分为WtM场景和WtE场景。WtM场景以材料再回收为主,塑料和纸张加工处理为再生塑料和再生纸张,联合国政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)的第四次评估报告[16](AR4)指出塑料和纸张的回收利用率缺省值为80%~90%。WtE场景以能源回收为主,塑料和纸张用于生产RDF。

1.2 碳排放模型构建

生命周期碳排放核算(Life cycle carbon accounting, LCCA)是量化碳排放变化趋势、研究碳排放影响因素和设计减排路径的基础。全生命周期碳排放模型包括碳排放核算范围和核算方法。通过相关文献调研确定KDNS场景和LMRS场景各阶段碳排放源范围,并绘制碳排放系统边界图。本文构建的碳排放模型采用《2006年IPCC国家温室气体清单指南》[17]推荐的碳排放因子法来计算KDNS场景和LMRS场景全生命周期各阶段的碳排放量。

1.2.1 KDNS场景碳排放模型构建

垃圾填埋场KDNS场景的碳排放系统边界如图2所示。SaL配备较完善的顶部覆盖系统和填埋气收集利用系统[18],一部分填埋气收集发电,减少传统燃料的使用,另一部分泄漏至大气中。SiL一般情况下不配备填埋气收集系统,导致填埋气直接向大气排放。此外,SaL相较SiL具备更完善的渗滤液处理设备,能最大限度地减少渗滤液的排放。由于生活垃圾填埋场达到稳定化后方可开挖,因此KDNS场景计算填埋垃圾达到稳定化后保持填埋产生的碳排放量。即KDNS场景的总碳排放量等于填埋气排空、渗滤液处理和填埋气发电3个阶段的碳排放之和。

a)填埋气排空碳排放。填埋气中的CH4是生活垃圾填埋场最主要的碳排放来源。IPCC在2019 Refinement to the 2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories[19]推荐使用一级衰减动力学模型(First-order kinetic, FOD)估  算垃圾填埋场CH4排放量。因此本文结合FOD模型和甲烷全球变暖潜势建立生活垃圾填埋场填埋气排空的碳排放量计算公式,参数取值来源于中国环境规划研究院、Cai等[20]。填埋气排空碳排放量可用式(1)计算:

其中:CCH4为填埋垃圾填埋气排空碳排放量,tCO2eq;t为垃圾填埋时间,年;H为CH4的修正因子;fi为不同垃圾成分比例,%;i为不同种类垃圾,i=1表示厨余垃圾,i=2表示纸张,i=3表示织物,i=4表示竹木;Di为i类垃圾可降解有机碳比例,%;Df为分解的Di比例,%;ki为CH4产生速率常数;F为填埋气体中CH4比例,50%;R为CH4收集率,%;O为CH4氧化系数;EFg为甲烷全球变暖潜势值,28 tCO2eq/t。

b)渗滤液处理碳排放。渗滤液的排放和处理过程会产生温室气体。渗滤液处理碳排放计算公式为Cl=Tl×EFf,其中:Cl为渗滤液处理排放的碳排放量,tCO2eq;Tl为垃圾渗滤液产量,t;EFf为渗滤液处理的碳排放因子,tCO2eq/t。

c)填埋气发电碳排放。填埋气发电可替代传统燃料的使用,从而间接产生碳减排。通过能源热值转换公式得到单位质量填埋气的发电量,再使用碳排放因子法计算得到填埋气发电基于传统能源发电的碳减排量。填埋气发电的碳排放量可用式(2)计算:

其中:Cr为填埋垃圾收集的甲烷发电的碳减排量,tCO2eq;TCH4为填埋垃圾甲烷产量,t;JCH4为甲烷热值,MJ/m3;K为甲烷发电效率,%;ρ为甲烷密度,0.72 kg/m3;a为能源转换系数,3.6 MJ/MWh;EFe1为甲烷发电的碳排放因子,tCO2eq/MWh;EFe2为燃煤发电的碳排放因子,tCO2eq/MWh。

1.2.2 LMRS场景碳排放模型构建

垃圾填埋场LMRS场景的碳排放系统边界如图3所示。垃圾填埋场通过挖掘筛分将填埋垃圾回收处理成再生产品与RDF,再生产品生产可减少原材料的开采。RDF热处理可替代传统燃料的使用,本文根据我国热处理厂建设现状和实际需求,将RDF产品以3∶2∶5的质量比投放至气化发电厂、垃圾焚烧厂和水泥厂。LMRS场景的总碳排放量等于设备运行、物料运输、材料再利用、能源回收和土壤堆肥5个阶段的碳排放之和。

a)设备运行碳排放。设备运行过程中消耗柴油和电力,产生碳排放。设备运行主要包括填埋场渗滤液处理、挖掘粗筛、细筛回收、危废物质处置、土地回填、RDF生产过程。设备运行的碳排放量可用式(3)计算:

Cm=Tm×(y×EFe3+h×EFd)(3)

其中:Cm为设备处理物料产生的碳排放量,tCO2eq;Tm为物料处理量,t;y为设备处理物料的耗电量,MWh;EFe3为中国国家电网电能碳排放因子,tCO2eq/MWh;h为设备处理单位质量物料的柴油耗量,t;EFd为柴油使用的碳排放因子,tCO2eq/t。

b)物料运输碳排放。物料运送过程中柴油消耗产生CO2排放。由于物料运输为单程运输,故在运输过程中,需考虑运输车辆空载对碳排放的影响,空载时的环境负荷是满载时的0.67倍[21]。本文忽略由材料状态(如土体松散状态)变化引起的物料质量改变。物料运输的碳排放量可用式(4)计算:

其中:Ch为物料运输导致的碳排放量,tCO2eq;Th为物料运输质量,t;Lh为物料运输距离,km;EFh为柴油货运每千米每吨物料的碳排放因子,kgCO2eq/(t·km);k為空载返回系数,1.67。

c)材料再利用碳排放。矿化垃圾经筛分处理后可生产再生产品,减少原材料的开采,从而减少碳排放。材料再利用的碳排放量可用式(5)计算:

Cr=Tr×(EFm-EFn)(5)

其中:Cr为二次材料利用产生的碳排放量,tCO2eq;Tr为二次材料质量,t;EFm为二次材料再利用的碳排放因子,tCO2eq/t;EFn为原材料初次开采的碳排放因子,tCO2eq/t。

d)能源回收碳排放。填埋垃圾中的高热值可燃物为RDF原料,RDF热处理产生的能源可减少传统燃料的使用,从而减少碳排放。RDF气化和焚烧发电路径的碳排放量计算公式为Cs1=-Ts×EFe2+Tr×EFr,其中:Cs1为RDF发电产生的碳排放量,tCO2eq;Ts为RDF投入质量,t;Tr为底物处理量,t;EFr为底物处理的碳排放因子,tCO2eq/t。RDF在水泥窑路径的碳排放量计算公式为Cs2=-Ts×EFe2×JRDF/Jc,其中Cs2为RDF产热产生的碳排放量,tCO2eq;JRDF为RDF热值,20 MJ/m3;Jc为煤炭热值,25 MJ/m3。

e)土壤堆肥碳排放。研究表明土壤类材料堆肥时通过微生物作用,可将有机废弃物转化为稳定的腐殖质,同时固定有机碳[13]。土壤堆肥的碳排放量计算公式为Cn=-Tn×EFp,其中:Cn为土壤堆肥产生的碳排放量,tCO2eq;Tn为土壤堆肥的质量,t;EFp为单位质量土壤堆肥的固碳因子,tCO2eq/t。

2 垃圾填埋场场景的碳排放核算及其碳减排分析

2.1 垃圾填埋场碳排放核算过程

根据相关文献和统计资料绘制碳排放因子表,如表2所示。将碳排放因子和其他参数值代入生活垃圾填埋场KDNS场景和LMRS场景生命周期碳排放模型,对单位质量填埋垃圾在KDNS场景、WtM场景和WtE场景各个阶段以及整个生命周期的碳排放进行计算,并根据计算结果分析WtM场景和WtE场景的主要碳排放和碳减排路径,探究其主要碳减排驱动因素与碳减排量的影响规律,最终确定单位质量填埋垃圾基于KDNS场景时,其在WtM场景和WtE场景的碳减排量。

2.2 垃圾填埋场碳排放量分析

本节讨论了我国单位质量填埋垃圾在KDNS场景、WtM场景和WtE场景的总碳排放量、主要碳排放和碳减排路径。总碳排放量是正值表示该场景为碳排放过程,总碳排放量是负值表示该场景为碳减排过程。单位质量MSW在KDNS场景的碳排放量如图4(a)所示。SiL和SaL单位质量填埋垃圾在KDNS场景的总碳排放量分别为185 kgCO2eq/t和105 kgCO2eq/t,表明生活垃圾填埋场在KDNS场景会增加碳排放。单位质量MSW在WtM场景  和WtE场景的碳排放量如图4(b)所示。SiL和SaL单位质量填埋垃圾在WtM场景的总碳排放量分别为-310 kgCO2eq/t和-354 kgCO2eq/t,其在WtE场景的总碳排放量分别为-194 kgCO2eq/t和-220 kgCO2eq/t,表明垃圾填埋场在WtM场景和WtE场景均可实现碳减排,其中WtM场景的碳减排潜力是WtE场景的1.6倍。单位质量MSW在填埋场LMRS场景的碳排放路径的碳排放量如表3所示。从表3可以发现:LMRS场景的碳排放路径的碳排放量与WtM场景或WtE场景的选择影响关系较小,其碳排放量主要取决于填埋场类型。SiL单位质量垃圾在LMRS场景的碳排放总量高于SaL,前者是后者的1.2倍;SiL的主要碳排放为大宗设备的运输,SaL的主要碳排放为垃圾细筛回收过程。单位质量MSW在填埋场LMRS场景的碳减排路径的碳减排量如表4所示。从表4可以发现:LMRS场景的碳减排路径的碳减排量与填埋场类型影响关系较小,其碳减排量主要取决于WtM场景或WtE场景的选择。WtM场景主要的碳减排方式为塑料再生利用,其碳减排量在碳减排总量中的占比为50%;WtE场景主要的碳减排方式为RDF在水泥窑与煤混燃,其碳减排量在碳减排总量中的占比为46%。

2.3 LMRS场景碳减排影响因素分析

从垃圾填埋场碳排放量的分析可知,WtM场景和WtE场景的最大碳减排影响因素分别为塑料再生和RDF热处理,因此本文对塑料利用率、RDF热值、RDF利用率等影响因素进行分析。SiL和SaL中再生塑料、RDF热处理的碳减排量占总碳排放量的比例相近,故本文以SaL作为研究对象,其碳排放量随碳减排影响因素的变化规律同样适用于SiL。

单位质量MSW采用WtM场景时碳排放量随塑料回收率的变化关系如图5所示,其中R1表示再生塑料碳减排量占WtM场景总碳排放量的比例。在SaL中,当塑料利用率从80%提高至90%,WtM场景的再生塑料碳减排量在总碳排放量中的占比将从55%变化至71%;当塑料利用率从80%降低至70%,再生塑料碳減排量在总碳排放量中的占比将从55%变化至34%。这表明生活垃圾填埋场在WtM场景时,其碳减排量随塑料利用率增大而增大。

单位质量MSW采用WtE场景时碳排放量随RDF热值的变化关系如图6(a)所示。R2表示RDF水泥窑热处理产生的碳减排量占WtE场景总排放量的比例。当RDF热值从20 MJ提高至25 MJ,RDF水泥窑热处理的碳减排量在WtE场景总碳排放量中的占比从50%变化至78%;当RDF热值从20 MJ降低至15 MJ,RDF水泥窑热处理的碳减排量在总碳排放量中的占比从50%变化至18%。结果表明提高RDF的热值增大了RDF在水泥窑产热的碳减排量。单位质量MSW采用WtE场景时碳排放量随RDF利用率的变化关系如图6(b)所示。R3表示再生能源回收的碳减排量占WtE场景总碳排放量的比例。当RDF利用率从80%提高至90%,RDF热处理产生的碳减排量在WtE场景总碳排放量中的占比从55%变化至71%;当RDF利用率从80%降低至70%,RDF热处理产生的碳减排量在总碳排放量中的占比从55%变化至38%。这表明RDF热处理技术产生的碳减排量随RDF利用率的增加而增大。

2.4 LMRS场景的碳减排量分析

本文采用WtM场景和WtE场景的碳减排量,核算了我国生活垃圾填埋场相对于KDNS场景。单位质量MSW采用WtM场景或WtE场景的碳减排量如图7所示,图中计算公式用于核算WtM场景和WtE场景的碳减排量,其中:C为垃圾填埋场在WtM场景或WtE场景的碳减排量,P为填埋垃圾采用KDNS场景的量在填埋垃圾总量的比例,1-P为填埋垃圾采用WtM场景或WtE场景的量在填埋垃圾总量的比例,CE为填埋垃圾在WtM场景或WtE场景的总碳排放量,CK为填埋垃圾KDNS场景的总碳排放量。由图7可知,当填埋场单位质量垃圾全部采用WtM场景时,其碳减排量达到最大,为-459~-495 kgCO2eq/t。垃圾填埋场碳中和表现为其在WtM场景或WtE场景的碳减排恰好抵消其在KDNS场景的碳排放,即填埋垃圾采用WtM场景的量占填埋垃圾总量中的比例为19%~27%,或其采用WtE场景的量占填埋垃圾总量中的比例为24%~33%,此时垃圾填埋场处于碳中和状态。

3 结 论

本文采用碳排放因子法构建了生活垃圾填埋场开采再利用的全生命周期碳排放模型,通过该模型核算和对比了单位质量生活填埋垃圾在KDNS场景、WtM场景和WtE场景的碳排放量,分析了WtM场景和WtE场景碳排放的主要驱动因素与碳排放量的变化规律,评估了单位质量生活填埋垃圾在WtM场景和WtE场景的碳减排潜力。所得主要结论如下:

a)生活垃圾填埋场单位质量垃圾采用WtM场景的碳排放量低于WtE场景,前者的碳减排潜力是后者的1.6倍。

b)提高塑料回收率将显著提升WtM场景的碳减排总量,提高RDF热处理量(RDF热值和利用率)有助于增加WtE场景的碳减排总量,其中RDF热值变化对WtE场景的碳减排影响大于RDF利用率变化对其碳减排影响。

c)在填埋场KDNS场景基准下,WtM场景或WtE场景将直接影响生活垃圾填埋场LMRS场景的总碳减排量,另外垃圾填埋场类型也会影响总碳减排量。仅从碳减排潜力考虑,SiL单位质量垃圾在WtM场景的碳减排潜力最佳。

d)减少垃圾填埋场生命周期碳排放的有效措施包括:加快垃圾稳定化,提前开展垃圾填埋场的开采;提高垃圾填埋场甲烷收集利用率,减少填埋气泄漏;提高垃圾再生利用技术和RDF热处理技术,降低处理过程中二氧化碳等温室气体排放。

本文构建了生活垃圾填埋场开采再利用的全生命周期碳排放模型,可用于定量核算填埋场材料与能源多路径利用技术下的碳排放量。本文可为填埋场开采再利用路径的优选提供思路,也可为我国生活垃圾填埋场开采再利用的碳减排潜力评估提供参考。

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