废弃物能源化——发展和变迁经济中机遇与挑战(1)

国际环境工程先进技术译丛 废弃物能源化 发展和变迁经济中机遇与挑战 希 Avraam Karagiannidis 主编 李晓东 严 密 杨 杰 译 机 械 工 业 出 版 社 本书共 15 章， 根据其内容可分为两大部分， 第 1 部分包括第 1 8 章， 着重介绍了城市废弃物从管理方案设计到优化模拟运行， 从热能系统 利用到具体的厌氧消化、 气化及共处置技术， 从能源化工厂的模拟运行到 热电联产的投资决策， 涉及废弃物能源化、 资源化利用过程中的方方面 面， 反映了废弃物处理与资源化领域的发展现状和趋势。 第 2 部分包括第 9 15 章， 详细介绍了发展中国家， 尤其是东欧、 波 罗的海区域国家的废弃物处置政策、 行业技术发展现状和具体的案例分 析； 此外对毛里求斯、 越南和巴西的废弃物能源化利用现状和前景进行了 阐述； 最后一章基于全球可持续发展视角探讨了废弃物的产生与处置。 本书可作为从事废弃物处置政策制定、 规划、 设计、 运营， 以及致力 于城市卫生、 能源工程和居住环境工作的管理人员和研究人员， 以及相关 专业本科生、 研究生的重要参考书。 译 者 序 改革开放 30 多年来， 随着经济和社会的快速发展， 我国废弃物的产生量迅 速增加， 废弃物的快速有效无害化处置成为和谐社会建设及可持续发展的核心内 容。 译者从事固体废弃物减量化、 无害化、 能源化利用研究多年， 见证了我国在 生活垃圾无害化处理和能源化利用技术的进步和应用推广方面的成绩， 同时也深 刻理解我国生活垃圾能源化利用， 尤其是焚烧发电推广工作依然面临的技术性和 社会性难题和瓶颈。 译者认为我国需要结合自身国情， 包括人口数量及地域分 布、 土地供需、 经济水平等因素， 走一条具有中国特色的生活垃圾能源化清洁利 用道路。 过去我们一直关注发达国家生活垃圾处置的历史、 现状及经验， 试图从 中找到适合我国生活垃圾处置的方案。 同时我们也应关注其他发展中国家在生活 垃圾能源化利用方面的现状和经验， 相信对我国也会有所启发和帮助。 译者非常 愉快受邀主持本书的翻译工作， 同时也感到非常荣幸。 本书不仅涉及了焚烧、 气化提质、 厌氧消化、 热电联产和水泥窑共处置等多 种垃圾能源化和资源化利用技术， 同时也覆盖了希腊、 巴西、 越南、 毛里求斯、 波罗的海地区及东欧诸多国家在废弃物处理上的现状和最新成果， 此外还介绍了 废弃物管理方案设计和优化， 能源化工厂的模拟运行和投资决策， 涉及废弃物无 害化、 资源化、 能源化利用的整个相关产业链。 相信对从事废弃物处置政策制 定、 规划、 设计、 运营， 以及致力于城市卫生、 能源工程和居住环境工作的学者 和管理人员具有重要参考价值， 从本书中得到帮助和启发。 本书由李晓东担任主译， 负责翻译工作的组织和统稿， 由严密和杨杰负责初 译及校对工作。 感谢本书各章原作者的研究和编写工作， 对本书出版给予大力支持的其他学 者和朋友在此一并向他们表示感谢。 本书译者长期工作在教学和科研第一线， 具有深厚的专业基础和较好的国际 视野， 但疏漏和不足仍在所难免， 恳请读者批评指正。 译 者 原 书 前 言 许多国家虽已被认为超越了发展中国家的范畴， 但其具有的废弃物处理系统 仍严重依赖填埋 (包括工程规范和非工程规范)、 分散式低水平回收和堆肥， 缺 少废弃物能源化利用的整体方案与示范案例， 因而从达到或满足世界上最先进的 工程、 健康和安全标准要求的角度来看， 这些国家尚有显著的提升空间。 本书主要介绍了废弃物能源化广泛采用的方法和技术， 包括焚烧、 热解、 气 化、 厌氧消化以及混合焚烧等， 共 15 章， 涉及发展中国家及废弃物处置系统能 源化利用相关的各个方面。 在此感谢所有本书作者专业的工作和付出， 特别要感谢 Stamatia Kontogianni 女士在此书编辑过程中的全力支持和帮助。 目 录 译者序 原书前言 第 1 章 废弃物材料化利用： 长期选择 1 1. 1 废弃物管理实践的发展和社会工业的升级 1 1. 1. 1 废弃物产生和管理的发展 1 1. 1. 2 可持续废弃物管理的未来远景 2 1. 2 碳回收和高效资源利用 3 1. 2. 1 碳回收的典型路径 3 1. 2. 2 化学物和聚合物生产途径： 什么是潜在可能的 5 1. 2. 3 城市生活垃圾原料质量问题 6 1. 2. 4 发展中国家和新兴国家的应用潜力 7 1. 3 知识水平： 垃圾作为热化学和生化转化技术的原料 8 1. 3. 1 发展中国家的资源潜力 8 1. 3. 2 环境绩效评估： 垃圾转化为化学品 8 1. 4 生活垃圾制成高价值产品 9 1. 4. 1 案例研究： 费- 托反应将废弃物制成烯烃 10 1. 5 结论 16 参考文献 17 第 2 章 合理的城市生活垃圾管理规划工具和规程 22 2. 1 城市生活垃圾管理介绍 22 2. 2 城市生活垃圾管理技术概述 23 2. 2. 1 转运站 23 2. 2. 2 垃圾处理方法 24 2. 2. 3 最终处置场所 27 2. 3 规划工具 28 2. 3. 1 IWMF 的最佳数量和位置 28 2. 3. 2 成本要素的归一化 30 2. 4 管理方案优化的对象和目的 33 2. 4. 1 可选择的管理计划 33 2. 4. 2 方案优化的对象 34 2. 4. 3 优化方案的目的 35 2. 4. 4 一个两步走的规划方案 35 2. 5 战略管理方案的制定步骤 36 2. 5. 1 数据和信息收集 37 2. 5. 2 法律法规和其他管理目标评述 37 2. 5. 3 处理技术的选择 37 2. 5. 4 IWMF 的选址 37 2. 5. 5 战略管理方案的制定 38 2. 5. 6 可选方案的比较评估 38 2. 6 最优规划的具体制定步骤 39 2. 6. 1 设施的选址 40 2. 6. 2 数据和信息收集 41 2. 6. 3 最佳管理方案的制定 42 2. 7 讨论 43 参考文献 43 第 3 章 废弃生物质热能利用集成生产系统的方法框架 45 3. 1 引言 45 3. 2 动机 46 3. 2. 1 用于热能生产的废弃生物质能 47 3. 2. 2 发展中国家的案例分析 49 3. 3 废弃生物质热能 50 3. 3. 1 热能生产 50 3. 3. 2 废弃生物质供应链的运作 52 3. 3. 3 可持续性 54 3. 4 一种策略优化模型 55 3. 4. 1 系统研究 55 3. 5 一个实际案例的研究 57 3. 6 结论 60 参考文献 60 第 4 章 垃圾特性和废弃物能源化工厂模拟实现最佳运行工况 64 4. 1 引言 64 4. 2 垃圾性质 65 4. 3 物质和能量流网络 66 4. 3. 1 建立网络模型 68 4. 3. 2 废弃物能源化处置厂模型 69 4. 3. 3 最佳运行策略 75 4. 4 结论与展望 81 废弃物能源化发展和变迁经济中机遇与挑战 参考文献 82 第 5 章 废弃物厌氧消化 83 5. 1 厌氧消化的一般性质 83 5. 2 厌氧工艺的基础 84 5. 2. 1 生物化学和微生物学 84 5. 2. 2 工艺参数和因素 84 5. 2. 3 沼气特性 86 5. 2. 4 沼气生产的基质 87 5. 3 沼气发电厂的规划和成功运行 88 5. 3. 1 沼气发电厂类型 88 5. 3. 2 厌氧消化厂的面积 91 5. 3. 3 设计阶段 92 5. 3. 4 沼气厂的运行 93 5. 3. 5 安全问题 94 5. 3. 6 分散式沼气池的生态和社会影响 94 5. 4 产品的利用 95 5. 4. 1 沼气利用 95 5. 4. 2 沼渣 95 5. 5 沼气技术的推广 96 5. 5. 1 一般情况 96 5. 5. 2 中国的沼气技术 96 5. 5. 3 拉丁美洲的沼气技术 98 5. 5. 4 非洲的沼气技术 100 5. 5. 5 拉丁美洲和非洲沼气技术的推广评估 101 5. 6 展望 101 参考文献 102 第 6 章 在发展中国家使用水泥窑处置危险废弃物 105 6. 1 水泥生产过程 105 6. 1. 1 生产步骤 105 6. 1. 2 热区域 106 6. 2 水泥窑处置危险废弃物的特性 107 6. 2. 1 高温和长停留时间 107 6. 2. 2 高热容 107 6. 2. 3 碱性环境 107 6. 2. 4 废弃物产生量少 107 6. 3 水泥窑处置危险废弃物的优势 108 目 录 6. 3. 1 能源回收 108 6. 3. 2 节约不可再生资源 108 6. 3. 3 降低水泥生产成本 108 6. 3. 4 设备现成 108 6. 3. 5 降低废弃物运输成本和风险 108 6. 4 水泥窑处置最合适的 不推荐的危险废弃物及其归趋 109 6. 4. 1 发展中国家的危险废弃物 109 6. 4. 2 适用于水泥窑的废弃物 110 6. 4. 3 不推荐用水泥窑处置的废弃物 112 6. 4. 4 排放和归趋 112 6. 4. 5 水泥窑的试运行 114 6. 5 结论 115 参考文献 116 第 7 章 用于设计和优化生物质气化炉利用农业废弃物的热力学方法 119 7. 1 引言 119 7. 2 印度背景下的能源安全 121 7. 2. 1 当地或国内替代品 122 7. 2. 2 可替代能源的开发 122 7. 3 印度电力部门： 事实与数字 122 7. 4 印度可再生能源事业 128 7. 4. 1 印度可再生能源的选择及其可行性 130 7. 5 以混合生物质为原料的气化炉性能热力学评估 135 7. 5. 1 碳的不完全转化 135 7. 6 数学模型 138 7. 6. 1 吉布斯能最小化算法 138 7. 7 模拟结果 139 7. 7. 1 仿真结果的趋势 (平衡模式) 139 7. 7. 2 半均衡模型的模拟结果与趋势 145 7. 8 讨论 145 7. 9 结论 147 参考文献 148 第 8 章 不确定情况下城市生活垃圾热电联产的投资决策 150 8. 1 引言 150 8. 2 研究现状 152 8. 2. 1 发展中国家和新兴经济体国家的垃圾处置现状 152 8. 2. 2 废弃物能源化技术 153 废弃物能源化发展和变迁经济中机遇与挑战 8. 2. 3 能源投资的最佳时间 154 8. 3 研究方法 154 8. 3. 1 案例研究 154 8. 3. 2 问题公式化 155 8. 4 数值算法的设置 157 8. 4. 1 模型的数据输入 157 8. 4. 2 随机分析 157 8. 5 模型结果 160 8. 6 敏感性分析 162 8. 7 结论 162 参考文献 163 第 9 章 希腊的垃圾管理现状及废弃物能源化利用潜力 166 9. 1 引言 166 9. 2 希腊垃圾管理现状 167 9. 3 废弃物能源化技术 170 9. 3. 1 立法介绍 170 9. 3. 2 废弃物能源化技术简介 171 9. 3. 3 热处理技术排放水平 172 9. 3. 4 城市生活垃圾热处理对缓解全球变暖的贡献 173 9. 4 希腊废弃物能源化的潜力 174 9. 4. 1 简介 174 9. 4. 2 阿提卡案例分析 175 9. 4. 3 罗德岛案例分析 175 9. 5 结论 176 参考文献 177 第 10 章 波罗的海国家的城市生活垃圾焚烧： 影响因素和前景 179 10. 1 引言 179 10. 2 城市生活垃圾焚烧计划 180 10. 3 城市生活垃圾焚烧的影响因素 181 10. 3. 1 法律框架和经济措施 182 10. 3. 2 城市生活垃圾的产生和组成 183 10. 3. 3 垃圾管理行业的发展 184 10. 3. 4 能源行业的发展 185 10. 3. 5 公众的看法 187 10. 4 爱沙尼亚 Iru 废弃物能源化处理厂的案例 187 10. 4. 1 焚烧技术 187 目 录 10. 4. 2 经济方面 190 10. 4. 3 环境影响 191 10. 5 结论 194 参考文献 195 第 11 章 东欧和东南欧废弃物能源化利用 198 11. 1 引言 198 11. 2 欧洲废弃物能源化国家 200 11. 3 垃圾的产生和预估 203 11. 4 WtE 在可再生能源产业和 CO2 减排中的作用 208 11. 5 WtE 在欧洲东南部和东部各个国家的地位 210 11. 5. 1 波罗的海国家 210 11. 5. 2 欧洲东部和中部国家 212 11. 5. 3 欧洲东南部国家 217 11. 6 结论 220 参考文献 221 第 12 章 毛里求斯生物质能源化利用： 研究及应用概述 229 12. 1 生物质和可再生能源的需求 229 12. 2 MSW 生物质和废弃物能源化 230 12. 2. 1 MSW 和 WtE 焚烧 230 12. 2. 2 厌氧生物技术要领 230 12. 3 毛里求斯的 MSW 产生和 WtE 潜能 231 12. 3. 1 毛里求斯的可持续概念 232 12. 3. 2 毛里求斯 MSW 的总量和特性 232 12. 4 源于生物质的能源： 毛里求斯的研究 235 12. 4. 1 原材料研究 235 12. 4. 2 MRC 的研究 239 12. 5 毛里求斯的 WtE： 大规模应用 240 12. 5. 1 糖厂甘蔗渣的热电联产 240 12. 5. 2 污泥衍生沼气发电 242 12. 5. 3 生物乙醇生产 244 12. 6 Mare Chicose 填埋场垃圾填埋气的管理 244 12. 7 结论 245 参考文献 247 第 13 章 河内城市生活垃圾能源化利用前景 249 13. 1 引言 250 废弃物能源化发展和变迁经济中机遇与挑战 13. 2 河内城市生活垃圾 251 13. 2. 1 数量和特征 251 13. 2. 2 能源化利用潜力 256 13. 2. 3 越南垃圾衍生燃料产物及能源利用 258 13. 3 结论 261 参考文献 261 第 14 章 巴西废弃物能源化利用现状 263 14. 1 引言 263 14. 2 监管框架 264 14. 3 能源转化 265 14. 4 能源供应 266 14. 5 激励和处罚 267 参考文献 268 第 15 章 废弃物焚烧和废弃物减量之间的非确定关系 270 15. 1 引言 270 15. 2 全球可持续资源管理的必要性 271 15. 2. 1 转移到发展中国家的问题 272 15. 2. 2 PGM 案例研究 272 15. 2. 3 废弃物出口 272 15. 2. 4 小结 273 15. 3 废弃物管理的功能变换 273 15. 3. 1 废弃物管理的创新领域 274 15. 3. 2 废弃物减量方案 274 15. 3. 3 小结 275 15. 4 理论框架： 社会技术系统的创新 275 15. 4. 1 生态创新 275 15. 4. 2 基础结构理论 276 15. 4. 3 小结 276 15. 5 德国废弃物管理 277 15. 5. 1 垃圾焚烧能力的发展 277 15. 5. 2 柏林案例研究 279 15. 5. 3 法兰克福案例研究 281 15. 6 结论 282 15. 6. 1 对回收再分配系统的影响 283 参考文献 284 目 录 第 1 章 废弃物材料化利用： 长期选择 Philip Nuss， Stefan Bringezu， Kevin H Gardner 摘要： 废弃物管理是全球城市化面临的最大挑战之一。 技术先进的经济体产生大量有 机废弃物， 大部分都被填埋处理掉。 未来， 高效利用含碳废弃物及其他废弃物 将减少对包括生物质在内的原始材料需求， 同时也可减少大气的碳排放以减缓 气候变化。 在生命周期终端， 含碳废弃物不应只是能源化利用， 更应该通过技 术实现碳回收使之成为原料。 热转化和生化转化技术可实现有机废弃物转化为 化学原料和多种聚合物。 合成材料可实现更闭合的物料循环， 减少对化石和生 物基材料的依赖。 本章总结了可行的碳回收方法， 研究如何长期使用这些技术 方法来在工业化国家及发展的新兴经济体中加强废弃物管理。 本章利用案例分 析， 总结了利用有机废弃原料进行费- 托合成气化反应 (FTS) 生成高密度聚 乙烯 (HDPE) 的全系统全球变暖潜力 (GWP) 和累计能量需求 (CED)。 研 究结果显示考虑到废弃物填埋产生的温室气体 (GHG) 排放， 有机废弃物原 料化利用是有利的。 1. 1 废弃物管理实践的发展和社会工业的升级 1. 1. 1 废弃物产生和管理的发展 从史前时代开始， 人类活动就会产生那些低价值或无用的废弃材料。 在早期， 由 于人口少， 有足够的土地去消纳这些废弃物， 废弃物的处理未造成显著问题。 然而随 着人口的增加， 村庄和社区逐渐建立， 大量废弃物的积累造成了严重的后果 62。 此 后， 材料的需求和消耗快速增加， 这不仅归因于全球人口的大量增加， 同时也因个人 消费品和资产的巨大增加， 尤其是在富足的国家。 同时受益于技术的发展， 废弃物处 置产生的问题逐步纳入考虑。 现今美国人均每年产生城市生活垃圾 (MSW) 量约为 745kg 20， 欧盟 27 国的平 均产生量为 522kg (人年) 23。 现代人类在他们的工作和生活里， 大概消耗 30 75t (人年) 的材料 7。 在这些消耗的材料中， 平均 90 的生物质和超过 90 的不 可再生材料在制造消费者需要的产品过程中被废弃 40。 虽然材料利用率会越来越高， 但是没有证据显示材料总消费量会降低 8， 因此将会有更多的废弃物产生 10。 虽然 发展中国家产生的废弃物相对工业化国家还比较少， 但废弃物管理同样缺乏 27。 经 济快速增长和随着收入较低或中等地区生活水平的提高， 必将加速废弃物的产生， 同 时废弃物组分将更加复杂和多样化。 科学合理的废弃物管理是 21 世纪各国面临的一大重要挑战 66。 传统上， 城市生 活垃圾管理包括收集、 运输、 资源回收、 再生和处置。 垃圾管理的初级目标是保护居 民人口健康， 提高环境质量， 可持续发展和为经济生产提供支持 27。 另外， 气候变 化让人更加重视生物降解废弃物， 如餐厨垃圾和花园废弃物， 这些废弃物在填埋后会 在厌氧环境下产生具有强烈温室效应的甲烷气体。 根据美国环境保护署， 废弃物综合 管理主要有四种手段： 源头减量， 包括再利用， 回收和堆肥， 燃烧 (发电或 产热) 和填埋 38。 一个可持续的废弃物管理体系案例由丹麦和日本提出， 该体系 由多种技术和机制在一个明确的政策下灵活作用 66， 这样的可持续废弃物管理系统 设计模拟了生态系统的运作。 从系统角度分析帮助确定在某个行业被认为是无用的而 在另外行业可作为原料的废弃物。 1. 1. 2 可持续废弃物管理的未来远景 生态系统给出了可持续发展系统的最好例子 19。 工业生态中的一个核心原则是 工业系统使用的物料， 能够以循环方式提炼和代谢， 由可再生能源的梯级利用来驱 动 2。 废弃物的重新利用是减少原料需求和减少环境压力的一项重要措施 22。 然而， 城市废弃物流中如金属、 塑料和纸张等废弃物成分的回收率非常不同， 甚至在工业化 国家之间也存在较大的差异。 如 2007 年德国 25 的生活垃圾被填埋和焚烧 17， 而 2008 年美国有 67 的生活垃圾被堆放处置 20。 此外， 欧盟填埋指令要求减少可生物 降解废弃物填埋处置的比例 (包括德国)， 但是在美国却有大量的有机废弃物被运到 填埋场填埋。 虽然这些有机废弃物富含碳元素， 能