廢棄物能量回收技術用于城市固廢高效管理的綜述（上）

A tulKumar,S.R .Sam adder（翻譯：張本民）

（1.Departmentof Environmental Science&Engineering,Indian Institute of Technology(Indian School of Mines),Dhanbad 826004,India;2.惠州市質量計量監督檢測所，廣東惠州516003）

1 引言

圖1

目前礦物燃料是最受依賴的能量來源，滿足了近84%的全球能量需求（Shafiee and Topal,2009）。是時候意識到變廢為能（W TE）作為可持續固廢管理選擇和未來最重要的再生能源的潛力了，因為WTE經濟可行，環境友好 (Bajic’et al.,2015;Kalyani and Pandey,2014;Steh lik,2009)。Aliet al.(2012)認為W TE不僅是一種可持續處理廢物的方法，而且經濟上也行得通，尤其對于發達國家。據Baran et al.(2016)報道廢物焚燒（一種WTE技術）能量回收是環境可持續廢物處理策略所不可分割的一部分。然而，Yay(2015)發現焚燒并不總是經濟上可行，由于操作和維護成本太高。WTE是一種以可利用熱、電（氣體或蒸汽通過渦輪的方式）或燃料的形式從廢棄材料回收能量的方式 (Zhao et al.,2016)。WTE技術被認為是當前解決廢棄物相關問題的最合適選擇。

本文旨在探討一種潛在的可再生能源，城市固體廢棄物（Municipal Solid W aste,MSW）。本文綜述了關于目前全球WTE技術應用案例，能量高效回收的必備要求，以及不同處理技術的環境影響。被發達國家采用的WTE技術經評估確定了在發展中國家實施WTE技術所具有的挑戰和阻礙。在本綜述中，引用了與WTE技術相關的155篇知名雜志發表過的文獻、技術報告和書籍（從1995年至2017年）。超過70%的文獻為近7年發表。為了呈現本綜述，以一種系統的方法分析了WTE的不同方面。這些方面是：(1)全球范圍WTE技術的當前狀況，(2)WTE的需求，(3)高效能量回收對廢棄物產生、特點和組成的要求，(4)與發達和發展中國家相關的WTE技術選擇和挑戰，(5)WTE設備的環境和健康影響。前人發表的文獻和報道基于這些方面進行了選擇和分類。本研究將為WTE領域的科研人員和廢棄物管理計劃人員提供一種科學信息來源和分析差距。全球城市人口增長速度（增速1.5%）正在超過總人口的增長速度(Ouda et al.,2016)。目前，超過一半的世界人口居住在城市區域，因此全球MSW的產生主要由于人口的增長、城市化以及經濟的發展引起 (Kum ar and Sam adder(in press))。目前，發達國家人均MSW產率超過了發展中國家，因為產率主要跟一個國家的經濟和社會繁榮程度有關。據估計，亞洲和世界其他部分的發展中國家在未來數10年內MSW產率將會和發達國家匹配(Fazeliet al.,2016)。慢慢地，受全球化的影響，發展中國家的人們將會適應發達國家的生活方式，從而導致大量廢棄物產生。因此，MSW產率的規模主要由城市人口飲食習慣、消費模式和生活水平改變引起(Khan et al.,2016)。

許多研究者報道，相比能量回收循環利用是一種更令人滿意的選擇 (Tan et al.,2014;Ouda et al.,2016)。從前人的研究中可以觀察到廢物能量回收利用率高的國家也有可觀的循環利用率，然而，在發展中國家垃圾填埋是最流行的廢棄物管理選擇，循環利用率很低 (Achillas et al.,2011)。Arafatet al.(2015)報道了采用不同WTE技術處理不同組分的MSW平均回收到的能量成分（從電能效率的角度）如圖1。從圖1看出，很明顯厭氧消化對食物和家庭垃圾是最合適的WTE選擇，然而，煤氣化是處理塑料廢棄物的優良WTE選擇。焚燒仍是所有廢物種類處理具有吸引力的選擇(據Arafatet al.,2015闡述)，因為它可以用于所有報道過的廢物種類的能量回收。然而，在他的研究中沒有考慮到其它類型的廢物如惰性物、金屬、玻璃等。

然而，主要的挑戰仍然在于識別較好的WTE技術。由于存在有毒物釋放的風險，有一些WTE設備發展的社會反對者(Zhao et al.,2016)。另一方面，WTE設備的一些特點也不太受歡迎，比如成本高，資金安排困難 (Zhang et al.,2010)。然而，W TE設備的一個主要問題是來當地社區的反對者，尤其在發展中國家人口密度較高(Ren et al.,2016;Kalyaniand Pandey,2014)。因此，為了成功實施一些WTE設備，當地社團的接受十分重要(Kikuchiand Gerardo,2009)。發達國家已經意識到了W TE選擇的潛力，并且實施后成功的達到了廢棄物的高效管理。

1.1 目前全球范圍內的廢棄物回能案例

1960年世界人口30億，截止2011年已增長至70億，預計在2025年將達到81億(FAO,2013)。世界人口的飛速增長，伴隨經濟發展已經導致快速城市化和工業化，從而將會導致人口消費模式改變，最終引起MSW以驚人速度增長。許多國家開始采用WTE技術高效管理大量垃圾進行產能。據國際可再生能源機構估計，全世界僅WTE部門就具有產生130億w能量的潛力(IRENA,2016)。W TE技術已經大大變的現代化和優先化，尤其在發達國家。2012年，僅美國就從84部WTE設備產能1450萬兆瓦(ERC,2014)。焚燒在人口數量較多的國家如中國是最廣泛使用的WTE選擇，截止2010年已有約160家垃圾焚燒廠運營(Lianghu et al.,2014)。在日本約有1900家垃圾焚燒廠，其中僅有190家配有能量回收設備(M ontejo et al.,2011)，但據Bajic’et al.(2015)報道在日本僅有102家垃圾焚燒廠操作運營進行發電。從廢棄物焚燒量的角度看，日本緊跟歐盟（主要是法國），然后是美國 (Monte joet al.,2011)。在MSW產量的總數中，在日本有74%，在丹麥54%，在瑞士和瑞典50%被焚燒(The W orld Bank,2012;Psom opoulos et al.,2009)。意大利安裝了許多厭氧聯合消化廠，產能在50kW到1兆瓦。據國際固體廢棄物協會（ISWA）報道，全球每年超過13億tMSW（占全球總廢棄物的10%）用于發電(ISWA,2012)。2013年哥倫比亞大學地球工程中心實施了一項關于不同國家廢物回收/堆肥、填埋、向W TE設備轉移比例的研究，發現大部分發達國家傾向使用環境友好可持續技術，如荷蘭、比利時、丹麥、德國、奧地利、瑞典和瑞士將他們大部分廢棄物從填埋廠轉移至循環利用和堆肥設備(Defra,2013)。亞洲國家，新加坡將所產廢棄物的44%進行循環利用，而其它國家（大都是發展中國家），一般有8～11%的廢棄物循環利用 (Ngoc and Schnitzer,2009)。據報道，一些城市如河內循環利用率達到20%～30% (Velis et al.,2012)。許多發展中國家如印度、越南、馬來西亞已經開始從有機廢棄物回收能量，但只是很小規模。Nguyen et al.(2014)估計若能使用厭氧消化處理技術僅將食物廢棄物轉化為生物氣就能滿足4.1%的越南電力需求。許多發展中國家仍然還沒有意識到WTE技術的潛力。

1.2 廢棄物回能的需求

本世紀末，全球能量需求預計將會超過當前需求的6倍 (Kothariet al.,2010)。當前在許多發展中國國家的能量供應量遠低于能量實際消耗需求。目前，全世界能量的一個主要來源是礦物燃料，可以滿足總電力需求的約84%(Oudaet al.,2016)。由于礦物燃料儲量的快速消耗，世界急需可替代的能量來源，例如WTE用于緩解未來能源危機 (Charters,2001)。大量產生的MSW處理問題，以及可依賴再生能源要求在許多發展中國家是相同的。MSW引起嚴重的環境污染，因此作為潛在的可再生能源WTE的使用將有助于解決增長的能源需求和廢棄處理問題。

技術的進步，污染控制系統的改善，政府的激勵和嚴厲的法規已經使W TE技術成為一種潛在的替代選擇，尤其對于發達國家。WTE不僅提供了一種能量來源，而且還減少了廢棄物對環境產生潛在危害的影響。如果一噸MSW焚燒發電替代垃圾填埋（無氣回收），將會減少相當于1.3噸CO2排放，如果相當量的CO2排放來自礦物燃料發電站將被認為產生了相當量的電力(ASME,2008)。預處理后的MSW作為一種主要燃料，用于具有能量回收設備的廢棄物焚燒廠與礦物燃料用于發電廠相比，碳的凈排放系數略低（0.04～0.14kg/M J）(Patum saw ad和 Cliffe,2002)。由于MSW廢棄物填埋點的限制和其對環境影響的公眾意識增強迫使政府機構去發現更多有效的MSW處理方法(Zhao et al.,2016)。處理相同數量的廢棄物，WTE設備對土地要求比填埋設備對土地的要求低很多 (Jam asb and Nepal,2010)。年處理100萬t廢棄物的W TE廠平均工作時間超過30年，占用土地不足100000m2，然而，一家填埋廠處理3000萬tMSW需要占地300000m2。

2 廢棄物的產生、特點及組分

在選擇和實施WTE技術之前，有必要了解廢棄物的特點及組分。據世界銀行報道2012，全球MSW產率為每年13億噸，平均產率為1.2kg/c/d。至2025年MSW產率預計達到每年22億噸，至2050年將達到每年42億噸 (Hoornw eg and Bhada-Tata,2012)。發展中國家固體廢棄物的產率與其國內生產總值（GDP）具有直接比例關系。圖2描述了一些國家的GDP與其人均MSW產率的關系。按照國際貨幣基金組織基于人均GDP將國家分類為發達國愛和發展中國家 (Troschinetz and M ihelcic,2009)。人均每年GDP超過10000美元的國家稱為發達國家。相應地，在本研究中，以圖2中數值[即log10{人均GDP(US$/年)}]超過4的被認為是發達國家，剩余的國家被認為是發展中國家。大多數國家（圖2所示）的人均GDP與人均MSW產率表現出線性關系。這種結果與前人研究報道一致（Hoornw eg and Bhada-Tata,2012;Shekdar,2009）。 然 而 ，Medina(1997)報道過一個國家的財富跟MSW產率關系微弱。從圖2中得到的另一重要線索是少數發達國家如冰島、日本新加坡、瑞典、澳大利亞和挪威與其它發達國家相比MSW產率較低；這可能是由于不同國家對MSW的定義不同 (Aleluia和Ferr?o,2016)，同時采用的廢棄物限制政策也不同如日本(Tanaka,2014)。發達國家典型廢棄物產率在1.00～2.5kg/c/d，發展中國家在0.50～1.00kg/c/d(Thitam e et al.,2010)。

表1 不同收入層次國家廢棄物各組分比例

表2 MSW物理分類

圖2

使用合適的WTE設備用于高效管理城市MSW，了解廢棄物的特點和組成十分重要(Yadav and Sam adder,2017)。實際的MSW能量產值主要依賴這兩種參數。廢棄物的特點如顆粒尺寸、濕度、熱值和密度(Aleluia和Ferro,2016)對于建設合適的WTE設備是重要的因素。發達和發展中國家之間廢棄物的特點和組成也大不相同，因為MSW的多樣性，甚至相同國家不同城市間也會不同。不同收入層次國家的廢棄物組成如表1 (Hoornw eg and Bhada-Tata,2012)。MSW的物理組成及特性跟很多因素有關，如社會經濟概況、地區氣候條件、循環利用程度，收集頻率、人口情況等。利用前人關于MSW物理分類的研究報道，廢棄物被分為六種不同組分，即廚房/家庭廢棄物、紙張/紙板、塑料、金屬和玻璃、惰性物和其它雜物（表2）。發達國家的MSW濕度較小，如美國和歐洲國家MSW濕度在20%～30%，與此相比，發展中國家如中國和印度則為50%～70%(Chenget al.,2007;Mohee and M udhoo,2012)。然而，由于紙張和其它干燥有機廢棄物含量比例較高，發達國家（2000～4000kca/kg）的廢棄物熱值比發展中國家（700～1600kca/kg）較高(Patumsaw ad and Cliffe,2002)。一些國家的MSW熱值如表3。在高收入層次的國家，其MSW的可降解有機組分較少，塑料、紙張、紡織品和其它可循環利用廢棄物組分較多。發達國家如日本、美國、新加坡和韓國MSW的有機組分比例低于30%（重量比），而發展中國家如中國、斯里蘭卡、巴基斯坦和印度超過了50%(Aleluia and Ferr o,2016)。

3 城市固廢的熱值

決定MSW含能量的一個重要參數是熱值或卡路里值。因此，獲得可靠準確的MSW組分熱值數據對有效設計和成功操作、維護WTE設備十分必要 (Shiet al.,2016)。一個主要問題就是MSW的含能量與報道數據的差異。通常研究報道對含能量的描述都是高熱值（HHV），低熱值（LHV），卡路里值、凈熱值、總熱值（Kathiravaleet al.,2003; González et al.,2001）。盡管這些數值都是互相關聯的，但這種不一致性會使讀者對比結果時產生困惑。卡路里值通常分為HHV和LHV，LHV是完全燃燒產生的能量，不考慮廢棄物中水分蒸發潛在熱。然而，HHV是理論上的最大含能量，其中考慮了廢棄物水分蒸發的潛在熱；HHV通常由彈式熱量計測量，有時也通過一種底物元素分析函數方程式計算(Kom ilis et al.,2012)。然而，使用彈式量熱計測量熱值比較麻煩，需要具有專業技術的操作人員，同時MSW管理設備并不總是配備彈式量熱計 (Kathiravale et al.,2003)。理論估算熱值最常用的方程式是Dulong 方程(Kathiravale et al.,2003)，最初是為了估算煤炭熱值而開發，或許對估算MSW 熱值并不適用 (Shi et al.,2016)。LHV的計算基于原料的HHV和水分含量(Abu-Qudais and Abu-Qdais, 2000;Kom ilis et al.,2012)。LHV比HHV有更實際的應用，大量用于能量估算，因為它是MSW焚燒后實際用于發電的能量(Kom ilis et al.,2014)。

表3 發達和發展中國家MSW熱值

圖3

4 廢棄物回能選擇

任何廢棄物管理系統的目的都是材料和能量回收，然后處理殘留物。但是，廢棄物處理技術的最優選擇不僅受限于經濟要求、能量回收或廢棄物處理能力，還要符合相關地區的環境法規要求。因此，選擇最佳廢棄物處理技術是必要的，該技術要能滿足成功運作所需的所有標準 (Aliet al.,2010)。各種廢棄物都可以實現轉化過程，其中包括三種最常用的技術 (Kalyani和Pandey,2014)，分別是（1）熱轉換（焚燒、熱解、煤氣化、垃圾衍生燃料（RDF）產能），（2）生物轉換（厭氧消化、生物產甲烷、堆肥），和（3）填埋收氣。MSW處理技術與典型的反應產物如圖3。

4.1 熱轉換技術

熱轉換主要對MSW中有機物經熱處理產生熱能、燃油或天然氣。熱轉換技術通常用于干燥的廢棄物（含水量低），含有不可生物降解的有機物比例高。有時熱轉換技術也用于RDF，是一種高卡路里值的可燃物。為了生產RDF，需要從WSM中去除可循環和不可燃材料，然后將殘留廢棄物粉碎或造粒。焚燒即高溫下廢棄物受控燃燒，是一種使用最廣泛的熱轉換技術(Shi et al.,2016)。其它熱轉換技術（熱解和煤氣化）仍然處于研究階段，可能由于缺乏適用MSW的特性數據、原料不足和設備設計不恰當，目前還不能用于大規模商業目的(Appels et al.,2011;Shiet al.,2016)。全世界處理MSW的商業運行的熱解/煤氣化廠也很少。這些廠運行處理MSW和其它類如企業廢棄物、生物醫療廢棄物、生物質等(Ionescu et al.,2013)。熱處理過程典型的反應條件和產物如表4。三種熱處理過程主要的區別是大氣條件（如氧氣）和操作溫度。最終產物的質量和中間產物的使用性主要跟這兩種參數有關。熱處理過程的的操作溫度主要依賴程序設計和原料材料。對于焚燒處理，發展中國家通常不進行MSW預處理，MSW原料直接用于焚燒原料。

4.1.1 焚燒

首先，焚燒爐用于體積壓縮，保護人員和環境免受有害廢棄物的危害，但不用于能量回收 (Brunner and Rechberger,2015)。隨著空氣污染控制技術進步，焚燒被認為是當今一種有吸引力的廢棄物處理選擇，尤其在發達國家(Psom opoulos et al.,2009;Ouda et al.,2016).Scarlat et al.(2015)報道，在發達國家進行垃圾填埋由于與廢棄物相關法律嚴格，所以焚燒成為了最常用的廢棄物處理技術之一（歐盟、美國和日本）。焚燒爐中的排放物已被降低至一定程度，在2003年，美國環境保護局（USEPA）宣稱將MSW焚燒轉化為更清潔的能源(Lem e et al.,2014)。焚燒是最常用的廢棄物處理技術，可以將廢棄物重量和體積分別將低70%和90% (Cheng and Hu,2010;Nixon et al.,2013a,b;Gohlke and M artin,2007;Lom bardi et al.,2015)；同時還可以產生熱量和/或電力 (Singh et al.,2011)。如果有地區供暖需求焚燒爐可以作為熱源（在氣候寒冷的國家），有時可以給造紙廠這樣的企業供熱，在所有其他情況下可以發電 (Brunner和Rechberger,2015)。但是在最近的研究中 (M eylan和Spoerri,2014;Allegriniet al.,2014)科學家們強調了焚燒的一些除體積壓縮和發電之外的優勢如焚燒廠的底灰和飛塵用用道路建設和水泥生產，以及含鐵物質和非鐵物質回收。以此，從焚燒廠干底灰中金屬回收技術的深入發展將會增強對WTE設備的接受程度(M orfet al.,2013)。但是在發展中國家，MSW未經預處理大量燃燒發電時，焚燒被認為最可靠最經濟方式。焚燒通常根據操作條件和廢棄物種類發生在不同階段（表5）。MSW焚燒的主要優點之一是完全破壞任何有機體，將有機物礦化轉變為無害終產物 (Brunnerand Rechberger,2015)。

表4 熱處理過程典型的反應條件及產物

表5 焚燒處理的不同階段

MSW組成和特點高度多樣化，因此在設計任何WTE設備前必須評估(Turconi et al.,2011)。Tan et al.(2014)認為，焚燒適用于含水量低、可燃難降解的MSW。有時MSW在焚燒時會使用助燃劑，但值得提出的是當廢棄的LHV在1000～1700kcal/kg或更高時不需要使用助燃劑(Chen and Christensen,2010;Kom ilis et al.,2014)。根據世界銀行報道，為了高效焚燒操作回收能量，MSW的平均卡路里值應在 1700 kcal/kg(World Bank,1999)，然而，根據國際能源署，LHV必須高1900 kcal/kg焚燒操作才可行(M elikoglu,2013)。很明顯惰性廢棄物和水含量降低了MSW的卡路里值，影響其燃燒性能，從而直接影響了焚燒爐的性能表現。廢棄隨水分含量增加，受水分蒸發的潛熱影響，其卡路里值出現下降。因此，有時廢棄物進行預處理（熱、機械、化學和生物處理）除去過多的水分、惰性物和有毒元素如氯和汞(Lom bardi et al.,2015)。典型的焚燒爐處理每噸MSW產生544kW h能量和180kg固體殘余物(Zam an,2010)。

4.1.1.1 發達和發展中國家的焚燒處理。在一些工業化城市，現代MSW焚燒廠運行良好，以蒸汽形式回收能量用于發電(Psom opoulos et al.,2009)。年度資本、運行資本少，操作者技術成熟，日處理能力大(Psom opoulos et al.,2009)，以及 MSW 卡路里值高，對于發達國家城市來說，所有優點結合使得焚燒成為比其它WTE技術更有吸引力處理方式。在亞洲國家中，日本由于對廢棄物丟棄嚴格的法規和土地限制，焚燒技術尤其出名。在不同西歐國家MSW焚燒已被廣泛應用，廢棄物處量達總量的35%～80%(Reddy,2011)。其他歐盟國家也十分依賴焚燒法處理城市廢棄物。美國東北部僅通過焚燒就能處理40%的總固廢回收能量。由于焚燒廠投資、運行和維護成本高，廢棄物特性和組分令人不悅，專業技能缺乏，處理廢棄物的所需土地價格昂貴，最終使得焚燒在很多發展中國家不可行，除了哪些經濟發展迅速的國家，如中國、馬來西亞等。但是，中國在過去的幾十年MSW的焚燒已經大大擴展，預計2020年將達到500,000t/d (Lu et al.,in press)。據 Liet al.(2015)報道，至 2013 年中國將有166家運行焚燒廠以166,000t/d的速率處理MSW發電。Cheng and Hu(2010)認為廢棄物焚燒對中國整體可再生能源產生做出了很大的貢獻。但據Lombardiet al.(2015)報道由于廢棄物原質量料差、不完全燃燒以及空氣污染增加等，中國正面臨關于MSW焚燒的一些問題。濕度高、組分多變、含能低也是發展中國家廢棄物焚燒所面對的一些其它主要困難(Reddy,2011)。

4.1.2 熱解

熱解是一種先進的熱處理方法。在含氧條件下400～800℃時進行。此方法可產生熱解氣、油和炭，產量和質量主要跟加熱速率、處理溫度、保留時間(Lom bardiet al.,2015)、廢棄物組分和廢棄物顆粒尺寸有關(Kalyaniand Pandey,2014)。低溫條件下（500～550℃），熱解油、蠟和炭是主要產物，而高溫時（＞700℃）熱解氣是主要產物。為了獲得質量優異的熱解產物，原料需是幾種特定廢棄物（塑料、輪胎、電子設備、電子垃圾、木材廢料等）。在許多前人研究中報道過特定廢棄物的熱解，研究主要針對處理過程而不是熱解產物的可行的商業使用。而且，熱解處理最近已在廢輪胎循環利用回收油、氣、電線和炭黑方面受到特殊關注(Lom bardiet al.,2015)。很明顯熱解在處理特定廢棄物時也表現良好，但是，關于商業規模熱解處理MSW進行能量回收的研究報道非常少。在德國布爾高一家日處理能力110t的熱解廠從1987年開始成功通過處理MSW進行發電 (Lom bardiet al.,2015)。Panepinto et al.(2014)報道了一些其它成功運行的MSW熱解廠，如德國哈姆（275t/d）、日本豐橋（295t/d）、英國（22t/d）、 法 國 （191t/d）。 Baggio et al.(2008)報道了通過使用凈轉換效率28%～30%的燃氣輪機可將MSW熱解產氣進行能量回收。

4.1.3煤氣化

煤氣化是另一種熱轉換技術，可以在高溫下通過控制氧氣供應將有機化合物轉化為合成氣。合成氣是煤氣化處理的主要產物，可以通過燃燒用于產能。也可以用作生產化學和液態燃料的源料 (Yap and Nixon,2015)。大多數煤氣化研究報道關注在固體燃料均質流動性（煤礦、木材等）和特定的MSW類型。煤氣化廣泛應用于煤礦企業，但最近已考慮作為MSW回能的潛在選擇 (Arafat and Jijakli,2013)。Panepinto et al.(2014)探究了世界100家MSW煤氣化技術處理廠。MSW煤氣化技術在日廣泛使用，截止2007年就已經有85家處理廠在運行了。在其它國家（如美國、英國、意大利、德國、挪威和冰島），煤氣化已經用于小規模處理MSW(Panepinto et al.,2014)。據報道煤氣化處理比相同處理能力的焚燒廠產生更少的CO2(Murphy and M cKeogh,2004)。據 Defra (2013)報道，現代煤氣化單元配備附屬設施，能有效降低水和土壤污染風險。亞洲在過去的幾年煤氣化技術進步飛快，是煤氣化技術最活躍的市場之一，然后是歐洲、非洲和美洲(Ouda et al.,2016)。

據Zam an(2010)報道，從環境影響和能量回收的角度分析，使用熱解和煤氣化技術相比焚燒技術更受歡迎。與焚燒相比，熱解和煤氣化技術可以降低95%廢棄物體積，更易清潔(Yap and Nixon,2015)。從環境排放和能量回收效率的角度，熱解和煤氣化技術比其它WTE選擇更合適。然而，由于氣化爐和氣化清潔系統效率低，MSW組成和顆粒尺寸多樣化，以及濕度大的原因，目前還未在世界各地大規建設（主要在發展中國家）用于MSW能量回收(Luz et al.,2015)。