生活垃圾焚燒過程的碳排放核算研究

一、引言

我國在1994年公布了國家溫室氣體清單，范圍包括能源活動、工業生產過程、農業、土地利用變化和林業，以及城市廢棄物處理的溫室氣體排放，主要溫室氣體種類有CO2、CH4、N2O。

聯合國政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）是《聯合國氣候變化框架公約》（UNFCCC）和全球應對氣候變化的核心技術支撐機構，在全球應對氣候變化過程中發揮了決定性作用。IPCC先后發布《IPCC國家溫室氣體清單指南》（1995年）、《IPCC國家溫室氣體清單指南》（1996修訂版）、《IPCC國家溫室氣體清單優良作法指南和不確定性管理》（以下簡稱《優良作法指南》）和《土地利用、土地利用變化和林業方面的優良做法指南》、《IPCC國家溫室氣體清單指南》（2006年）和《IPCC國家溫室氣體清單指南》（2019修訂版）。其中，估算溫室氣體的《優良作法指南》，既不過高也不過低估算排放，同時盡可能減少核算過程的不確定性。IPCC的清單方法學指南，成為世界各國編制國家清單的技術規范（不同國家會在IPCC清單指南的基礎上根據國情略有調整）。

自2009年起，中國城市環境衛生協會依據《中華人民共和國清潔生產促進法》等溫室氣體控制國策，以及清潔生產指標體系編制、審核等規定，開始生活垃圾清潔焚燒工程基礎的研究工作，并于2016年發布《生活垃圾清潔焚燒指南》（RISN-TG022—2016），在此基礎上于2021年發布團體標準《生活垃圾高效清潔焚燒評價指標體系標準》（T/HW 00026—2021）。根據以上研究成果，并參考我國臺灣省和日本等國關于垃圾焚燒溫室氣體排放計算方法的應用研究，采用IPCC清單指南中的“廢棄物處理溫室氣體排放計算方法”核算我國生活垃圾焚燒項目的碳排放量。

二、生活垃圾焚燒廠碳排放核算程序、邊界條件及排放源分析

（一）碳排放核算程序

生活垃圾焚燒廠溫室氣體排放量核算程序包括：確定報告主體的核算邊界，識別企業所涵蓋的溫室氣體排放源類別及氣體種類，選擇溫室氣體排放量計算公式，選擇或測算排放因子，計算與匯總各個排放源的溫室氣體排放量。

（二）邊界條件

按《工業其他行業企業溫室氣體排放核算方法與報告指南（試行）》的指導意見，以生活垃圾焚燒廠（獨立法人企業或視同法人的獨立核算單位）為邊界，核算所有生產場所和生產設施產生的溫室氣體排放，設施范圍包括直接生產系統工藝裝置、輔助生產系統和附屬生產系統。其中直接生產系統工藝裝置指生產主設備，包括焚燒鍋爐、汽輪機系統、煙氣凈化系統、熱控系統、主變系統等；輔助生產系統包括廠區內的動力、供電、供水、采暖、制冷、機修、化驗、原料庫等；附屬生產系統包括廠內生產指揮管理系統以及職工食堂、車間浴室、保健站等為生產服務的部門。

基于不同管理層面對碳排放評價目的的差異，核算的邊界條件會有所不同。例如，垃圾衛生填埋是以CH4、CO2排放為評價目的，垃圾焚燒項目則是以CO2排放為評價目的；而對垃圾焚燒排放以核算CO2排放為目的時，則無需對如上的輔助、附屬生產系統進行核算。

（三）排放源和氣體種類識別

排放源和氣體種類識別原則是根據企業實際從事的產業活動和設施類別，識別其應予核算和報告的排放源和氣體種類。對于監測成本較高、不確定性較大、且貢獻細微（排放量占企業總排放量的比例lt;1%）的排放源，企業可暫不報告，但需在報告中闡述未報告這些排放源的理由并附必要的佐證材料。

從生活垃圾焚燒工藝基本過程來看，進廠垃圾車經稱重、運輸、卸料，垃圾在垃圾池內堆酵、瀝出部分滲濾液后，投送到垃圾焚燒爐中進行焚燒。焚燒熱能通過發電或供熱加以利用，可替代礦物質燃料燃燒而減排CO2。以標準狀態焚燒煙氣體積為基準（%vol），排放煙氣中約含有小于12%的O2、60%～80%的N2、15%～25%的H2O、5%～14%的CO2，以及小于1%的煙氣污染物，凈化達標后的煙氣通過煙囪排入大氣。據此，CO2是垃圾焚燒煙氣主要排放源，關鍵排放因子是焚燒垃圾的碳含量（碳總量中的礦物質占比）、燃燒效率和發生氧化過程的氧化因子。

垃圾在垃圾池內堆酵過程中瀝出、收集的滲濾液，在厭氧狀態下會產生CH4排放；廢水處理過程可能產生CH4和N2O排放。對焚燒廠內廢水處理產生的CH4通過回收自用或火炬焚毀等措施處理的，回收與銷毀量按免于排放到大氣中的CH4量處理。就碳排放評價而言，焚燒企業在焚燒系統停運期間凈購入的電力占總發電量不足0.05‰的予以忽略（凈購入電力由報告主體消費活動引起，計入報告主體名下）。不采用石灰石等碳酸鹽作為生產原料、助熔劑、脫酸劑或其他用途時，其使用過程中不發生分解產生的CO2排放。

根據現代垃圾焚燒過程溫室氣體直接排放分析顯示，基本排放源是燃燒過程中產生CO2的排放。在焚燒爐啟停過程中消耗柴油或天然氣能源，應計入碳排放核算。層燃型垃圾焚燒鍋爐排放的煙氣CO2統計范圍約在5%～14%，具有較大離散性，主要原因是垃圾特性、運行管理、焚燒技術等方面存在差異。

三、生活垃圾焚燒過程碳排放核算方法

（一）碳排放核算方法

本文以《IPCC國家溫室氣體清單優良作法指南和不確定性管理》中廢棄物焚燒中的排放計算方法進行生活垃圾焚燒過程的碳排量評價（非全廠性評價）。

嚴格意義上的生活垃圾焚燒碳排放是指單純的生活垃圾焚燒，對摻燒的廚余、餐廚垃圾殘渣量，暫納入廚余、餐廚垃圾中，并按廚余、餐廚垃圾特性納入生物碳評價。對摻燒的污泥，不適用于本計算方法?？紤]我國生活垃圾焚燒廠摻燒污泥情況，污泥可降解有機碳缺省值（即DOC值）按4%～5%考慮。

垃圾中塑料、橡膠、織物以及液體溶液、廢油在焚燒過程中產生的CO2排放，稱為礦物碳排放，被視為凈排放，應納入國家CO2排放總量估算。垃圾中所含的紙類、廚余和竹木等生物質在焚燒過程中產生的CO2排放，稱為生物碳排放，不納入國家CO2排放總量估算。如果垃圾焚燒作為能源使用，礦物碳與生物碳成因的CO2均應估算且礦物碳納入國家排放，而生物碳CO2應做信息項，二者均要在能源部門報告。

生活垃圾焚燒過程CO2排放量，是由焚燒垃圾量和單位焚燒垃圾的CO2排放因子相乘的結果，清潔焚燒評價指標體系中對焚燒廠的碳排放核算按式（1）計算。

式中，CO2排放為焚燒系統的碳排放量，t/a；MSW為城市固體廢棄物/生活垃圾，t/a；CCW為生活垃圾中總碳含量比例，按式（2）計算，%；FCF為生活垃圾中礦物碳占碳總量的比例，按式（3）計算，%；44/12為碳轉換成CO2的轉換比例；EF為生活垃圾焚燒爐的燃燒效率缺省值按95%考慮，也可按式（4）進行估算。

式中，i為生活垃圾成分類型；n為生活垃圾總成分；WFi為垃圾成分i比例，%；CFi為垃圾成分i的碳含量，%。

式中，il為礦物碳質垃圾成分類型；nl為礦物碳質垃圾總成分；WFil為礦物碳質垃圾成分i比例，%；FCFil為礦物碳質垃圾成分i的碳含量，%。

EF=[1-機械不完全熱損失-化學不完全熱損失]×0.98×100%" " " " （4）

（1）實際應用中，計算生活垃圾總碳排量時，取FCF=100%；計算礦物碳質垃圾碳排量時，按式（5）計算生活垃圾礦物碳含量的比例，（也可按優良作法指南推薦的排放因子特征值估算）。

礦物碳含量的比例=（5）

（2）鑒于我國生活垃圾的各物理成分均是混有其他雜質的混合體，根據研究，本文提出各成分含碳量估算因子（表1）。其中其他成分中混有塑料、橡膠、織物且在正常物理成分分析中不能分離出來，故而其礦物碳按30%記取。

（3）式（4）中0.98是考慮含飛灰攜帶碳、未燃燼CO及其他未知因素的系數；EF估算值小于95%時按95%計算，公式僅適用于層燃技術。

（4）碳氧化因子取為1，上述相關式中不再反映出。

（5）按此計算模型，95%置信區間上下限尚不確定。

（6）對單個焚燒廠估算時，需要取得該項目實際統計分析數據，不應簡單使用《優良作法指南》推薦的排放因子。

（二）生活垃圾焚燒過程碳排放核算實例

對我國某生活垃圾焚燒廠進行焚燒過程碳排放核算分析（以燃煤為參照物），分別計算礦物碳與生物碳的減排量（表2）。計算礦物碳時，對垃圾物理成分中的其他類按30%計入礦物碳的CCW，該焚燒廠年發電量219 082.00 MWh，取單位燃煤碳排放量0.987 kg/kWh。

四、不確定因素分析

（一）生活垃圾焚燒煙氣CO2排放估算因子

生活垃圾具有絕對不穩定的理化特征，又具有在一定范圍、一定時間段內相對穩定變化的特征，因而使垃圾焚燒成為可能。以設計的垃圾物理成分為基數，對我國生活垃圾特性進行統計分析，誤差范圍在20%～30%，導致碳排放估算因子具有不確定性。

《IPCC國家溫室氣體排放清單》（2019修訂版）發布的亞洲不同區域（含我國）生活垃圾成分數據，可作為初步分析參考，但不能作為實際應用的依據。

（二）不確定因子評估

1．脫酸過程CO2排放

生活垃圾焚燒煙氣采用碳酸鹽脫酸過程時，可參照燃煤機組CO2排放量由碳酸鹽消耗量乘以排放因子取得。按式（6）計算。

式中，E脫酸為脫酸過程的二氧化碳排放量，t；CALk為第k種脫酸劑類型中碳酸鹽消耗量，按式（7）計算，t，按式（7）計算；EFk為第k種脫酸劑中碳酸鹽的排放因子，按式（8）計算，tCO2/t。

式中，CALk，y為脫酸劑中碳酸鹽年消耗量，t；Bk，m為脫酸劑某月消耗量，t；Ik為脫酸劑中碳酸鹽含量，%；y為核算和報告年；k為脫酸劑類型；m為核算和報告年中的某月。

式中，EFk，t為完全轉化時脫酸過程的排放因子，tCO2/t；TR為轉化率，%。

2．凈購入使用電力產生的排放

對于凈購入使用電力產生的CO2排放量E電（t），用凈購入電量乘以該區域電網平均供電排放因子得出，按式（9）計算。

式中，AD電為企業的凈購入電量，MWh；EF電為區域電網年平均供電排放因子，tCO2/MWh。

凈購入電力的活動水平數據以焚燒發電單位電表記錄的讀數為準，如果沒有，可采用供應商提供的電費發票或者結算單等結算憑證上的數據。

電力排放因子應根據企業生產地址及目前國內區域電網劃分，選用國家主管部門最近年份公布的中國區域電網平均排放因子進行計算。

（三）應對不確定性的措施

由于核算方法本身及其各排放因子、活動數據存在不確定性，在核算過程中需進行不確定性評估。應對排放因子不確定性的措施主要包括兩個方面。一是依據誤差分析理論，加大垃圾理化特性分析的頻次，如每月進行至少一次物理成分分析；二是持續積累影響垃圾元素成分與物理成分量化關系的分析，包括實際運行數據反推熱值與檢測結果的分析，以取得可供采用的缺省值。

煙氣CO2濃度與燃料種類、組成、狀態等性質和工藝過程有關，為獲得可接受的準確結果，還需要詳細說明垃圾燃燒狀態、過量空氣系數、爐渣熱灼減率、煙氣及其污染物組分等。

五、結語

生活垃圾焚燒過程中應通過精細化管理實現節能、減污、降碳，通過節水、節電、節油（氣）等，減少能源消耗，實現碳減排。同時，還應以保證人體健康不受影響、達到最佳環境質量為目的，減少煙氣污染物，以及污水、惡臭、飛灰、噪聲等污染物，并與節能目標達到最佳協調。

參考文獻

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（責任編輯：趙立杰）