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新兴垃圾变能源技术:固体垃圾解决方案抑或此路不通?

July 7, 2017 聚焦 Comments Off on 新兴垃圾变能源技术:固体垃圾解决方案抑或此路不通?

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垃圾处理站

三种新兴的垃圾变能源热工艺技术试图将城市固体垃圾从负担变为资源。这些技术的 支持者表示其有害排放较少,几乎可以杜绝垃圾填埋。但是尚无法证明任意一项技术可 以在美国商业化运营。© Bloomberg via Getty Images

在美国人们对“焚烧”一词印象不佳,至少是涉及垃圾时。自1880年代以来,我们一直以焚烧的方式处理城市固体垃圾。但是80年后开始了轰轰烈烈的环保运动,人们对全国600个大规模垃圾焚烧炉排放的一氧化二氮、二恶英及其它化学物质有了新的认识。节约资源与循环利用的生态理念越来越受欢迎。

目前有3种将垃圾转化为能源——所谓“垃圾变能源”技术——的新技术,希望转变人们对城市固体垃圾的看法,杜绝大规模垃圾焚烧。这些新兴技术——气化、等离子体气化以及热解——的支持者承诺更清洁的排放、更灵活的能源产出,以及某些情况下通过复杂的二阶段处理过程实际消除垃圾填埋。

然而“焚化炉替代品全球联盟”(Global Alliance for Incinerator Alternatives)倡议组织的项目主管Monica Wilson指出,美国还没有一项使用典型混合城市固体垃圾的技术可以商业化运作。经过多年的延迟以及众目睽睽之下的失败,这些技术仍然面临着诸多挑战,如缺乏运营经验、成本高昂、资金短缺以及对有毒排放物的担忧。此外,城市固体垃圾的异质性对发电厂来说是一个问题,一些批评人士认为更重要的是评估城市固体垃圾中的材料构成及其最佳应对措施, 例如回收、堆肥、减量、进入垃圾处理系统之前重新设计材料。

对垃圾焚烧的负面印象可能会令美国公众对新的废物变能源技术心存疑虑。最初的垃圾焚烧厂由于污染而引起了公愤,然而现代化大规模燃烧设施已经有了极大改进。自1970年《清洁空气法案》(Clean Air Act)颁布以来,法规的完善以及先进的空气污染控制措施大大降低了焚烧炉的有害化学物质排放量。

现在,21个州的70座大规模垃圾焚烧厂处理全国垃圾的13%,低于1990年的峰值14.5%。累计生产电力约2.5兆瓦,产量不到美国太阳能产业的十分之一。美国环保署最新的库存清单显示,城市固体垃圾焚烧厂排放的致癌物质及剧毒二恶英类化合物仅为13年前(2000年)排放量的1%。

然而在许多环保团体以及广大公众看来,垃圾焚烧于1980年代就已名誉扫地,多年来形成的立场分明的看法一直到今天仍保持不变。因此,声称这些新技术不仅可以解决垃圾管理问题还可以提供清洁可再生能源,近年来在全国数10个社区遭遇的只有怀疑和反对。

如果新技术最终需要在美国推广,那么开发商必须找到一种方法,不仅能够支持所承诺的技术性能,还要展现出与已有的回收及堆肥措施的兼容性,而且在垃圾填埋场地不短缺的地区具有财政可行性。即便是新技术的支持者中也有不少人怀疑是否行得通。

新技术如何发挥作用?
曾是垃圾处理行业顾问的气化技术专家Steve Jenkins认为,新技术倡导者应该摆事实讲道理。他指出由于这些技术比较新颖,公众与监管机构很容易对开发商的项目产生误解,通常会认为和大规模垃圾焚烧没什么区别。

Jenkins最近向业界代表解释了这个问题,重申了垃圾气化与焚烧之间的根本区别。“我的目的是警醒那些项目开发商,由于他们的工作不到位,这些技术与项目没有得到应有的重视,”Jenkins说道,“很多好项目因为对公众及政府的意识培训做得不到位而被否决。”

气化、等离子体气化及热解技术密切相关,在本文中统称为“转化技术”(该术语通常也包括其它非燃烧技术)。这些技术是在低氧环境中(以避免燃烧)高温加热原料,如城市固体垃圾、煤、农业残留物等。其主要区别在于热源、氧气含量及温度,热解所需温度为300°C左右,而等离子体气化所需温度高达1.1万°C。

Jenkins指出,在这种低氧环境中,二恶英和呋喃的产量显著低于垃圾焚烧,排放量甚至可以低于检测下限。(不过有一个广为人知的例外,位于苏格兰邓弗里斯市(Dumfries, Scotland)的一个垃圾气化厂多次检查不达标。该工厂二恶英及其它污染物排放超标,而且产能大大低于预期,最终于2013年关闭。苏格兰环保署以“持续不符合许可证要求”为由吊销了其营业执照。)

转化技术与传统固体垃圾焚烧的另一个区别是:转化技术可以产生“合成气体”(主要由氢和一氧化碳组成),是热反应过程的一种产物。合成气可以在锅炉设备中燃烧发电,也可以进一步加工成燃料,为高效、低排放的天然气发电机供能,或精炼成其它有价值的产品。

理论上来讲,这些差别使得转化技术更清洁、更高效、比大规模垃圾焚烧更有价值。但这并不意味着该技术总能达到声称的性能。“业界的工程师是从最高温度的稳态来进行评估,”从公共健康角度研究垃圾变能源技术的伊利诺伊大学(University of Illinois)教授Peter Orris说道,“我并不怀疑这些评估的正确性,但它不一定符合实际情况。”因为设备运转最快时其性能最佳、排放量也最低,他解释道。启动、冷却以及给设备反应堆填料时最容易出问题。

来自意大利的研究员、《垃圾管理》杂志(Waste Management)副编辑Umberto Arena指出,美国境外的工厂的潜在性能与实际运行之间的差距显而易见。他认为这主要是因为缺乏经济实惠的措施去除合成气中的杂质。

如今,去除转化技术产生的合成气中的污染物与杂质通常成本高昂。Arena认为未来5年可能会出现经济实惠的解决方案,而在此之前大多数二级工厂只是在锅炉中燃烧合成气,然后清洗排放物。这就导致垃圾气化及相关技术比现代大规模焚烧装置的清洁优势几乎可以忽略,而效率可能更低。

Arena指出,此外新系统必须进行精心调试,有时比大规模焚烧炉需要更均匀且预先筛选的原料。这当然会增加运营费用。

尽管存在这些缺点,转化技术仍然具有明显优势。与焚烧固体垃圾相比,新技术产生的固体残留物更少更安全。垃圾焚烧炉产生大量的残留物称为底灰,其中约40%必须填埋,剩余的60%可以进一步处理,惰性材料通常用作路基,其中的金属成分可以分离后出售。相比之下,新技术可以即时分离金属与惰性残渣,产生的填埋物较少,因此转化技术在填埋场地极其紧张或价格较高的地区比较受欢迎。

“如果你的主要兴趣是发电,那么目前为止焚烧系统显然更好,”Arena说道,“如果你更关心减少垃圾填埋,希望像日本、丹麦或其他一些欧洲国家一样,那么垃圾气化可能是更佳选择。”

垃圾填埋与转化技术比较
虽然新的转化技术还需要实例证明确实优于大规模垃圾焚烧技术,但是有人认为另外一种比较可能更具相关性且更具说服力。

目前垃圾填埋在美国具有经济方面的优势。一项分析表明,将垃圾运到填埋场几乎总比焚烧便宜,垃圾填埋场收取的倾倒费比垃圾焚烧厂收取的费用平均便宜33%,与昂贵的新型转化技术相比可能会便宜更多。

转化技术工作原理图

气化、等离子体气化和热解都涉及在低氧环境中(以避免燃烧)高温加热原料,如城市固体垃圾、煤、农业残留物等。它们之间的主要区别在于 热源(该图显示等离子体气化技术使用的焰炬)、氧气含量及温度。合成气转换为高价值产品,如天然气替代品时需要杂质清洗工艺,如果只是 用于锅炉燃烧则无需清洗。Illustration: Jane Whitney for EHP

但是在垃圾填埋场地有限的地区如洛杉矶,情况则不一定如此。“我们的重点是开发垃圾填埋替代措施,”洛杉矶公共服务部门(Department of Public Works)高级土木工程师Coby Skye说道,洛杉矶县垃圾填埋场地不足但又不愿意将垃圾运到别处,“我们希望找到可持续的措施。”

除了6个运营中的垃圾填埋场,洛杉矶还有2个大型垃圾焚烧厂,并计划推出多个商业规模的厌氧消化器,利用有机垃圾生产能源与堆肥。“10多年来,该县一直在鼓励这些替代措施,试图断绝对垃圾填埋措施的依赖,”Skye说道。

Skye协助负责县公共服务部门的一项研究。2016年2月发布的研究结果表明,与现有的部分城市固体垃圾回收、其余的全部填满相比,垃圾气化技术结合回收及厌氧消化技术在温室气体排放方面具有明显优势。该研究比较了两种情况下的温室气体累积排放。第一种情况是每天将1000吨再循环后剩余垃圾(即当前回收措施后剩下的垃圾)运送到配备“填埋场气体变能源系统”的现代垃圾填埋场,持续25年。这种情况假设填埋残余物持续存在100年且不断分解。

第二种情况是每天将同样的1000吨再循环后剩余垃圾运到所谓的综合材料回收设施。在这里进一步回收,然后通过气化和厌氧消化处理残留物,每天会剩下136吨残余垃圾送到填埋场。

环境律师及工程师Eugene Tseng称后者为“我们的梦想设施”,他所在的咨询公司协助撰写了报告。“这需要一整套技术,我们称为综合措施。根据垃圾类型挑选最合适的技术,”他说道。

研究结果表明,垃圾填埋场在125年内的净排放当量为164万吨二氧化碳,而综合措施可以实现负排放67万吨。这231万吨的差值,相当于48万辆乘用车一年的排放量。减排是通过两种关键方式实现:1)通过发电而减少化石燃料燃烧产生的排放;2)两个焚烧厂填料之前的材料预处理过程中强化回收利用措施。

该研究的一个关键假设是,由生物材料的消化、分解或加工而产生的生物源二氧化碳排放被归类为天然碳循环的一部分,根据目前的州、国家及国际标准,被认为是“碳中和”——温室气体净排放量为零。

城市固体垃圾构成分布图

城市固体垃圾包括各种各样的材料,最终会被送到垃圾填埋场,全国平均34%的垃圾被回收利用。垃圾填埋场的许多材料可以在垃圾变能源 发电厂焚烧发电,然而一些利益相关方认为首先应该最大限度地回收与堆肥。 © Stephen Wilkes/Getty Images; graph: U.S. Environmental Protection Agency

然而越来越多的科学家及其他人士认为,这些排放全部算作碳中和并不合适。环保组织呼吁美国环保署应该将生物质垃圾排放也算作碳排放,因为即使理论上讲这些排放最终会被树木和植物重新吸收,但仍会对气候变化产生直接影响。这样的政策改变意味着洛杉矶垃圾填埋场的温室气体排放情况将优于最先进的综合设施。

理念差异
转化技术的批评人士与支持者之间最大的分歧、且最能引起双方激烈争论的分歧其实与二恶英、能源生产或碳核算无关,而是关于垃圾处理的理念以及如何定义垃圾。

城市固体垃圾是各种材料的混合物:不仅有可燃碳基材料,也有玻璃、金属等等。已经存在几十年的“零垃圾”理念的支持者认为,至少80%的常见城市固体垃圾可以回收或堆肥(例如通过厌氧消化),回收利用可以减少残余垃圾,虽然达不到完全不产生垃圾的程度,但也相当接近。

“回收利用的主要生态效益是在生产周期中使用回收材料来替代原始材料,”自然资源保护委员会(Natural Resources Defense Council)的固体垃圾专家Darby Hoover说道,“由此节约的能源、水及碳构成了主要环境效益,……这是‘闭环’理念的基础。一旦某种材料进入商业循环中,就应该尽量将其保留在循环中。”

与此同时,转化技术的支持者认为回收利用及堆肥不足以充分提高填埋分流率,还需要对剩余垃圾进行热处理。他们使用新术语“垃圾零填埋”,以使转换技术和其它垃圾变能源战略作为额外的、或在某些情况下的优选回收形式。

“我深信如果没有一些额外技术,‘垃圾零填埋’的目标无法实现,”位于加州的行业组织“生物能源生产商协会”(BioEnergy Producers Association)主席James Stewart说道。加州提出了一个计划,打算将过去6年一直保持在50%左右的回收率于2020年提高到75%(相比之下,全国城市固体垃圾的平均回收率为34%)。这需要多回收大约2200万吨垃圾,Stewart认为除非改写该计划,使“回收”包括通过垃圾变能源技术回收能源、碳、金属及矿渣,否则不可能实现目标。

虽然这些观点几乎是针锋相对,但实际上有可能达成妥协。例如,有人认为垃圾变能源技术可以作为权宜之计,以回收高价值的材料,而传统的回收工作则继续进行。

“我很理解大家所说的,‘把这些东西扔到填埋场真是太可惜了,在我们有更好的回收技术之前为什么不起码充分利用其中的能源呢?’”Hoover说道,“问题是临时解决方案可能会干扰更佳的生态途径。我们希望在使用垃圾变能源设施之前,确保最大限度地进行回收利用及堆肥。”话虽如此,Hoover认为某些垃圾变能源技术可能会作为最后一道工序,在垃圾进入填埋场之前尽量提取其中的能源。

英国“无焚烧网络”(Without Incineration Network)倡议组织的协调员Shlomo Dowen认为,传统零垃圾观念仍然存在,而且完全排斥转化技术。“所谓‘不可回收’材料的问题基本上都可以通过重新设计、更佳源头分离以及更好的分选技术解决,”他说道,“剩下的东西可能基本没有能源价值,不适合能源回收。”

不言放弃
Rod Bryden坚信转化技术应该在固体垃圾管理行业占有一席之地。这位著名的渥太华商人管理着普拉斯科能源集团(Plasco Energy Group),该公司希望通过一项等离子体专利技术利用垃圾发电。

这些计划遭受了一些挫折,最知名的一次于去年初发生在该集团所在城市加拿大渥太华。普拉斯科集团自2005年成立以来已经吸引了4亿美元投资,是垃圾变能源领域的领军者。然而2015年2月,就在投资者要求Bryden辞去总裁职务大概一年之后,渥太华政府终止了与普拉斯科集团的合作,因为其未能筹集足够资金建造一座期待已久、可以全面商业运营的新工厂。按合约该工厂每天需要处理大约330吨的回收后垃圾,大约是全市生活垃圾的三分之一。当天公司即申请破产并裁员80人。

事情并没有结束。普拉斯科集团破产7个月后,Bryden从债权人那里以一美元的价格把公司买了回来,计划这个重组公司的下一步行动。Bryden说渥太华工厂的破产是因为领导层的失败而非技术有问题,现在普拉斯科集团准备重新进入转化技术行业。“我认为普拉斯科集团绝对值4亿美元,而且拥有可以商业化的技术,”他说道。

该公司现在并不打算利用合成气发电然后卖给电力公司,而是计划生产更清洁的燃料级合成气,销售给第三方发电厂与天然气混合发电。“我们从来不是电力方面的专家,现在不再做电力业务了,”Bryden解释道。

据了解,普拉斯科集团的目标市场已不再是美国或加拿大,而是像中国首都北京这样的城市。Bryden表示这些地方的天然气价格大约是纽约的3.5倍。如果能找到合适的地段,他希望明年年中之前开始建设一个新工厂。

行业顾问Jenkins仍然对转化技术在美国的发展持怀疑态度。“[在很多地区]我们有大片土地,没有什么因素推动垃圾填埋场涨价,”他说道,“在美国除了少数几个城市,我们并没有经济驱动因素。”

日本和部分欧洲国家具有政府补贴、有利法规以及较高的社会接受度,因此即使这些昂贵的资本密集型设施不断面临困境,但仍能够持续发展。项目开发经理Kenny Miyagi指出,在过去40年中,日本JFE工程公司在日本建造了160多个垃圾焚烧厂和10座垃圾气化厂。该公司希望将业务扩展到美国,于2012年在加利福尼亚州长滩市开设了分公司。“从那时起我们一直在寻找机会,”Miyagi说道,“这个市场很难拓展。”他认为在没有补贴、奖励或其它公共资金支持的情况下,转化技术不大可能在这里有所作为。

另一位比较熟悉这项新技术的垃圾行业顾问Harvey Gershman表示,他很惊讶该技术在美国不断遭到冷遇。“过去10年中我一直说‘在未来4年内’,我一直希望我们能够早日启用这些技术。”

“焚化炉替代品全球联盟”的Wilson认为转化技术可能已经错过了机会。“过去曾有大量提案,现在只有寥寥几个,而且基本上是自生自灭。我觉得过去一年中大家逐渐失去了兴趣,人们对这些翻来覆去的承诺已经厌倦了,”但她同时承认,“仍有一些非常忠实的支持者。”

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Nate Seltenrich,来自加利福尼亚州佩塔卢马市,撰写科学及环境方面的文章。其作品发表在《高乡新闻》(High Country News)、《塞拉》(Sierra)、《耶鲁环境360》(Yale Environment 360)、《地球岛杂志》(Earth Island Journal)以及其他地区及国家级出版物。

译自EHP 124(6): A106–A111 (2016)

翻译:周 江

*本文参考文献请浏览英文原文

原文链接

http://dx.doi.org/10.1289/ehp.124-A106