-
我国污泥产量基数大、增速快,2019年已超过6×107 t (以80%含水率计) ,预计2025年将达到9×107 t[1]。据统计,污泥处理的碳排放量约占污水处理行业的65%~76%,是不可忽视的减排领域[2]。污泥与煤的掺烧是污泥协同焚烧的常见工艺,能实现最大程度的减量化和无害化,焚烧后的灰渣可回收利用。在“双碳”背景下,碳排放水平成为评估污泥干化焚烧-灰渣综合利用路径效果的一个重要指标。
污泥处理处置产生的直接碳排放主要有化石源CO2、CH4和N2O等温室气体。根据联合国气候变化政府间专家委员会 (IPCC) 清单计算方法,化石源CO2应纳入碳排放核算清单中,而生物源CO2则不纳入[3]。且IPCC认为污泥化石碳质量分数为0,因焚烧或生物降解产生的CO2被视为生物成因,因此核算直接碳排放时仅考虑CH4和N2O排放量[3]。但随着人们生活水平提高,多数以石油加工化学品为原材料的食品添加剂、洗涤剂、化妆品、药物等在生产使用过程中将化石碳引入到了污泥中。KANG等[4]采用放射性碳测年法得出污水污泥化石碳质量分数为14.00%~34.24%。因此,实际污泥化石碳质量分数不可忽略。纪莎莎等[5]将污泥化石碳质量分数视为0%,得到污泥焚烧的直接碳排放因子 (以CO2eq/DS计,下同) 为0.31 t·t−1;李哲坤等[6]代入的化石碳质量分数为12%,得到污泥焚烧的直接碳排放因子为0.46 t·t−1;李欢等[7]认为,污泥化石碳质量分数为100%,计算得到污泥焚烧的直接碳排放因子为1.56 t·t−1。由此可见,污泥焚烧的直接碳排放量与化石碳质量分数呈正相关。测定实际污泥化石碳质量分数对提高污泥处理处置路径碳排放强度评估的准确性具有重要意义。
目前,在碳排放核算时,测定污泥化石碳质量分数的研究较为缺乏,导致碳排放评估风险增加。本研究基于浙江省某污泥能源化利用热电联产项目,拟采用放射性碳测年法测定污泥总有机碳中化石碳的质量分数,构建碳排放和碳补偿计算方法,以更准确地核算污泥干化焚烧-灰渣综合利用路径的碳排放因子,并与深度脱水-应急填埋路径的理论碳排放水平比较。
基于化石碳的污泥干化焚烧处置碳排放分析
Analysis on carbon emissions of sludge drying and incineration treatment based on fossil carbon
-
摘要: 通常认为,污泥焚烧产生的CO2是生物成因,不计入碳排放核算清单。但石油加工化学品的广泛使用会导致污泥化石碳质量分数增加。为符合实际情况,采用放射性碳测年法测定污泥化石碳质量分数。基于浙江省某2 500 t·d−1污泥能源化利用热电联产项目运营数据,以1 t干基污泥 (DS) 为核算对象,构建碳排放及碳补偿核算方法,得出污泥干化焚烧-灰渣综合利用路径的碳排放因子,并与深度脱水-应急填埋路径的理论碳排放水平比较。结果表明,污泥有机碳中化石碳质量分数为64.94%,并非100%的生源碳。因此,污泥焚烧时计入碳排放核算清单的直接碳排放会增大,同时数据准确性和可靠度也有所增加。干化焚烧-灰渣综合利用路径中,1 t干基污泥的碳排放为0.32 tCO2eq,约为深度脱水-应急填埋路径的1/6,更具减排潜力。本研究结果可为污泥低碳化处理处置提供参考。Abstract: CO2 from sludge incineration is commonly considered biogenic and thus excluded from the carbon emission accounting list. However, the widespread use of petroleum processing chemicals would lead to an upward trend in sludge’s fossil carbon mass proportion. To adjust for the current circumstances, the radiocarbon dating technique was employed to quantify the mass fraction of fossil carbon in sludge. Based on the operation data of a 2500 t·d−1 sludge energy utilization cogeneration project in Zhejiang Province, carbon emissions and compensation accounting methods were built using 1 t dry base sludge (DS) as the accounting object. The carbon emission factor of the sludge drying incineration - comprehensive utilization of ash and slag path was calculated and compared with the theoretical carbon emission level of the deep dewatering - emergency landfill path. The results revealed that the mass proportion of fossil carbon in sludge organic carbon was 64.94%, indicating that the carbon was not entirely biogenic. As a result, the direct carbon emissions integrated into the carbon emission inventory when incinerating sludge would increase, simultaneously improving the data’s accuracy and dependability. The carbon emission (in terms of CO2-equivalent) of 1 t dry base sludge in the path of drying incineration - comprehensive utilization of ash and slag was 0.32 t, about 1/6 of that in the route of deep dehydration - emergency landfill, which had better emission reduction potential. This research could serve as a reference for sludge low-carbonization treatment and disposal.
-
Key words:
- sludge treatment /
- drying /
- incineration /
- landfill /
- fossil carbon /
- carbon emissions
-
表 1 污泥、煤炭及混合样收到基工业、元素及低位热值分析
Table 1. Analysis of proximate, element and low calorific value of sludge, coal and mixed samples as received basis
样品种类 工业分析/% 元素分析/% 低位发热量/(kJ·kg−1) 水分 灰分 挥发分 固定碳 C H N S O 干污泥 35.27 32.89 30.71 1.19 15.22 2.46 1.83 2.83 9.50 6 137.93 煤炭 10.76 10.72 28.80 49.74 65.46 3.78 0.92 0.29 8.09 25 669 干污泥与煤混合物 26.03 24.53 29.99 19.50 34.16 2.96 1.49 1.87 8.97 13 501.14 表 2 2021年1-4月项目运营情况
Table 2. Project operation from January to April 2021 t
月份 进厂
污泥量干化机湿污泥
进料量干化机干污泥
出料量干污泥
焚烧量主蒸汽量 1 74 800 51 642 28 403 51 561 140 290 2 37 800 27 055 14 880 25 625 83 523.25 3 72 700 53 220 29 271 48 751 382 427.75 4 81 000 56 626 31 144 55 518 379 050.75 表 3 7台污泥干化机运行参数
Table 3. Operating parameters of 7 sludge dryers
序号 饱和蒸汽
温度/℃饱和蒸汽
压力/MPa饱和蒸汽流
量/(t·h−1)湿污泥
温度/℃湿污泥流
量/(t·h−1)疏水
温度/℃疏水流
量/(t·h−1)干污泥
温度/℃干污泥流
量/(t·h−1)尾气
温度/℃不凝性气体
流量/(t·h−1)水蒸汽流
量/(t·h−1)1 155.50 0.55 4.11 16.00 5.06 108.21 4.11 68.01 1.67 102.01 0.010 3.38 2 154.10 0.53 3.92 16.00 4.93 107.23 3.92 64.50 1.64 101.39 0.018 3.27 3 154.10 0.53 3.83 16.00 4.83 107.12 3.83 64.10 1.65 101.10 0.009 3.17 4 154.10 0.53 3.80 16.00 4.86 107.05 3.80 64.90 1.68 100.10 0.014 3.17 5 154.10 0.53 3.84 16.00 4.89 107.10 3.84 63.11 1.68 100.61 0.004 3.21 6 153.40 0.52 3.42 16.00 4.41 106.99 3.42 62.24 1.61 100.24 0.013 2.79 7 153.40 0.52 3.41 16.00 4.40 107.01 3.41 63.12 1.59 100.12 0.005 2.80 表 4 不凝性气体组分及体积分数
Table 4. Composition and volume fraction of non-condensable gases
组分 体积分数/% NH3 75.38 C3H8 9.72 HCN 6.63 CH4 4.58 CH3COOH 2.75 HCOOH 0.51 HF 0.32 HCl 0.11 表 5 锅炉效率计算中部分物理量取值
Table 5. Values of some physical quantities in boiler efficiency calculation
符号 单位 数值 adz — 0.3 afh — 0.7 apz — 2.0% hpz kJ·kg-1 767.0 afz — 1.0% hfz kJ·kg-1 125.0 abz — 1.0% hbz kJ·kg-1 40.5 表 6 污泥填埋气无组织排放参数表[19]
Table 6. Unorganized discharge parameter table of sludge landfill gas[19]
t·t−1 气体种类 中值 最小值 最大值 化石源CO2 0.020 5 0.013 5 0.037 生物源CO2 0.341 9 0.086 8 0.597 CH4 0.035 2 0.013 4 0.090 2 N2O 0.006 8 0 0.025 1 表 7 近年大气现代碳比值监测值[24]
Table 7. Monitoring values of atmospheric modern carbon ratio in recent years[24]
监测年份 Fmatm 2017 1.010 2018 1.005 2019 1 2020 1 2021 1 2022 1 表 8 2种燃料种类下的锅炉热平衡表
Table 8. Boiler heat balance table under 2 fuel types %
燃料种类 q4,i q3,i q2,i q5,i q6,i ηb,i 干污泥∶煤炭=0.623∶0.377 1.01 0.50 7.75 0.60 0.68 89.46 煤炭 0.23 0.50 6.98 0.60 0.16 91.52 表 9 燃料理论消耗量对比表
Table 9. Comparison of theoretical fuel consumption
参数名称 单位 燃料种类 煤炭 干污泥∶煤炭=0.623∶0.377 锅炉效率 % 91.52 89.46 燃料理论消耗量 ×104 t 14.94 29.06 煤炭理论消耗量 ×104 t 14.94 10.96 干污泥理论消耗量 ×104 t 0 18.10 -
[1] 戴晓虎. 我国污泥处理处置现状及发展趋势[J]. 科学, 2020, 72(6): 30-34. [2] 赵刚, 唐建国, 徐竟成, 等. 中美典型污泥处理处置工程能耗和碳排放比较分析[J]. 环境工程, 2022, 40(12): 9-16. [3] IPCC. 2019 refinement to the 2006 IPCC guidelines for national greenhouse gas inventory[EB/OL]. [2022-08-18]. https://www.ipcc.ch/report/2019-refinement-to-the-2006-ipcc-guidelines-for-national-greenhouse-gas-inventories/, 2019. [4] KANG S, CHO C, KIM K H, et al. Fossil carbon fraction and measuring cycle for sewage sludge waste incineration[J]. Sustainability, 2018, 10(8): 2790. doi: 10.3390/su10082790 [5] 纪莎莎. 污泥干化焚烧工艺碳排放研究及优化策略[J]. 环境科技, 2019, 32(1): 49-53. [6] 李哲坤, 张立秋, 杜子文, 等. 城市污泥不同处理处置工艺路线碳排放比较[J]. 环境科学, 2023, 44(2): 1181-1190. [7] 李欢, 金宜英, 李洋洋. 污水污泥处理的碳排放及其低碳化策略[J]. 土木建筑与环境工程, 2011, 33(2): 117-121. [8] 杨旭冉, 庞义俊, 何明, 等. 用于AMS测量的~(14)C样品制备方法[J]. 同位素, 2015, 28(2): 65-68. [9] 刘圣华, 杨育振, 徐胜, 等. 加速器质谱~(14)C制样真空系统及石墨制备方法研究[J]. 岩矿测试, 2019, 38(3): 270-279. [10] 王丽花, 吕国钧, 王飞, 等. 污泥干化焚烧系统的节能降耗研究[J]. 中国给水排水, 2021, 37(4): 29-36. [11] 孙奇, 余辉, 朱方兵, 等. 圆盘干燥深度脱水污泥的中试研究[J]. 环境工程, 2016, 34(10): 118-123. [12] 周强泰, 周克毅, 冷伟, 等. 锅炉原理[J]. 3版. 北京:中国电力出版社, 2013: 150-156. [13] 宋宝木, 秦华鹏, 马共强. 污水处理厂运行阶段碳排放动态变化分析: 以深圳某污水处理厂为例[J]. 环境科学与技术, 2015, 38(10): 204-209. [14] 次瀚林, 王先恺, 董滨. 不同污泥干化焚烧技术路线全链条碳足迹分析[J]. 净水技术, 2021, 40(6): 77-82. [15] 全国能源基础与管理标准化技术委员会. 综合能耗计算通则: GB/T 2589-2020[S]. 北京: 中国标准出版社, 2020. [16] 陈莉佳, 许太明, 卢宇飞. 市政污泥脱水-干化-焚烧不同工艺路线碳排放分析[J]. 净水技术, 2019, 38(S1): 155-159. [17] 中华人民共和国生态环境部. 《2019年度减排项目中国区域电网基准线排放因子》[EB/OL]. [2022-08-18]. https://www.mee.gov.cn/ywgz/ydqhbh/wsqtkz/202012/t20201229_815386.shtml. [18] 刘立涛, 张艳, 沈镭, 等. 水泥生产的碳排放因子研究进展[J]. 资源科学, 2014, 36(1): 110-119. [19] PAN Y R, WANG X, REN Z J, et al. Characterization of implementation limits and identification of optimization strategies for sustainable water resource recovery through life cycle impact analysis[J]. Environment International, 2019, 133(Part B): 105266. [20] 刘鹏, 朱乃若, 熊唯, 等. 污泥深度脱水处理与处置工艺的COD及碳减排分析[J]. 环境卫生工程, 2012, 20(1): 9-12. [21] 王琳, 李德彬, 刘子为, 等. 污泥处理处置路径碳排放分析[J]. 中国环境科学, 2022, 42(5): 2404-2412. [22] 蒋玲燕. 上海某污水处理厂污泥深度脱水运行优化探索[J]. 给水排水, 2019, 55(9): 25-28. [23] 林文聪, 赵刚, 刘伟, 等. 污水厂污泥典型处理处置工艺碳排放核算研究[J]. 环境工程, 2017, 35(7): 175-179. [24] ASTM International. Standard test methods for determining the biobased content of solid, liquid, and gaseous samples using radiocarbon analysis: ASTM D6866[S]. United States, 2021. [25] 颜永全, 王玉君, 曾祥梅. 纺织工业与化学工业——分析潍坊纺织业[J]. 山东纺织经济, 2021(10): 22-25. [26] 李博, 王飞, 朱小玲, 等. 污泥干化焚烧联用系统最佳运行工况研究[J]. 环境污染与防治, 2014, 36(8): 29-33. doi: 10.3969/j.issn.1001-3865.2014.08.005 [27] 程晓波, 李博, 王飞, 等. 上海市竹园污泥干化焚烧系统的能量平衡分析[J]. 节能, 2011, 30(10): 15-18. doi: 10.3969/j.issn.1004-7948.2011.10.004 [28] 陈少卿. 污泥在桨叶干燥机内干燥的模拟和试验研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2018. [29] LAW Y, JACOBSEN G E, SMITH A M, et al. Fossil organic carbon in wastewater and its fate in treatment plants[J]. Water Research, 2013, 47(14): 5270-5281. doi: 10.1016/j.watres.2013.06.002