碳中和约束下中国其他垃圾能源化：挑战与展望

研究概览

在中国普遍推行的垃圾分类“四分法”中， 其他垃圾（rMSW） 是指除厨余垃圾、可回收物与有害垃圾之外的剩余部分。从碳排放角度，焚烧处理的rMSW可分为三大类：（1）生物基垃圾，如混入的厨余垃圾、纸板等，有利于碳减排；（2）化石源垃圾，如塑料、轮胎等，属于高碳排组分；（3）除前两类之外的垃圾，主要包括玻璃、金属、灰土等，热值极低。

随着垃圾分类政策实行，rMSW中化石源组分的占比显著上升，焚烧发电过程的整体能源利用效率仍然偏低。针对上述问题，建立健全rMSW的管理体系至关重要。

图1 当前城市生活垃圾管理路径图

本文的研究目标在于：

• 明确影响rMSW管理中碳减排的三个关键因素

• 综合比较中国、德国、日本和美国rMSW特性与管理发展

• 阐述阻碍中国rMSW降碳管理的四大挑战

• 提出“低碳、零碳和负碳”三阶段管理模式演化路线图

政策驱动： 据研究预测，实行垃圾分类制度可减少73.13~287.28%的碳排放量；至2060年全国范围内推行垃圾分类制度可减少高达1.25亿吨的温室气体排放；

能源化技术结构： 研究表明，传统卫生填埋技术的碳排量较大，大型现代化焚烧和成熟稳定的热解技术的碳减排效果较好；

能源转换效率：机械生物预处理（MBT） 能有效降低rMSW的含水率，制备高热值 垃圾衍生燃料（RDF） 。据研究预测，在2050年的绿色能源系统中，机械生物预处理（MBT）-热解技术的碳足迹优于焚烧。RDF的水泥窑协同处置的碳减排效益可达到2550万t CO ₂  eq.。

（1）焚烧-热电联产技术（ I-CHP）

碳减排潜力取决于燃烧参数、发电效率和垃圾特性。研究表明，I-CHP可以减少rMSW处理过程中4.5~36%的温室气体排放，90~1850%的酸化效应与14~40%富营养化效应；将rMSW制备成RDF可降低各类环境影响。

（2）基于机械生物预处理的RDF/SRF转化技术

该技术可归纳为两种模式：① 传统模式：减少填埋量，分离出高热值材料、金属和玻璃等；②  稳定化模式： 通过筛分、破碎和干燥等预处理手段改善垃圾的物化性质，制备SRF/RDF。 STADLER和Eni技术公司证明每使用1 t rMSW衍生替代塑料，相较于新生塑料可减少1.5~3.2 t的温室气体排放。 该公司将RDF、SRF产品分别送至燃料热处理工厂和水泥窑。

（3）rMSW衍生燃料/化工产品

热解、气化和碳化等热处理产品品质多元，可作为原料供应于下游产业，但存在城市生活垃圾特性复杂、缺乏政策支持、法律法规保障与补贴激励等现实制约因素。

（4）碳捕获、利用和封存（CCUS）

CCUS技术示范项目较多，得到多个国家支持。一项丹麦研究表明，配备CCUS技术的焚烧厂可实现700 kg CO ₂  eq/t 湿垃圾的碳减排量。此外，rMSW组分变异、焚烧技术变化对CCUS产生的环境效益影响不大。在新能源系统中，在碳捕集后端链接氢化化学品生产（如生产甲醇或二甲醚替代化石源燃料）具备较大的气候效益。

图2 MSWI（+ CCU）在不同能源系统下

的气候变化净影响

（1）国际经验

目前，我国主流的垃圾分类模式是四分法。德国、日本和美国均具备成熟的垃圾分类体系。德国要求居民对无机材料(金属和玻璃)进行分选，rMSW的平均热值较高、含水量较低，加上完善的处理设施，德国rMSW管理过程中的温室气体排放相对较低。日本rMSW中生物基垃圾的含量占比与中国相当，但由于严格的分类制度，加上破碎、分选等预处理手段，入炉可燃垃圾的含水量约为32-42%（明显低于中国），且热值更高跟稳定（8360-10203 kJ/kg）。美国则重点发展智能管理技术，如射频识别标签、全球定位系统、光学分类设施和远程监控系统，以提高rMSW品质。2021年，全美64家垃圾焚烧厂累计处理了2800万t 生活垃圾，发电量约为136亿kWh，其中生物质垃圾约占61%，贡献了45%的发电量。

图3 中国与德国、日本、美国

的rMSW成分特征和废物分类模式的比较

（2）中国rMSW特性变化

在严格实行垃圾分类之前，中国rMSW中混入的厨余组分比例较高，导致rMSW含水率较高。但是中国垃圾焚烧厂均配备较大的贮坑，起到了MBT的作用，垃圾在其中停留5-10天，用抓斗间歇翻堆混合，渗滤液得以滤除，入炉垃圾热值提高。在垃圾分类制度实行后，深圳市rMSW中仍混有50%的厨余垃圾和18%的可回收物；上海市rMSW中生物基垃圾则减少26%，化石源垃圾占比高达50%，厨余垃圾降低至36%，橡胶和纸张的比例分别提高23%和17%，整体rMSW容重降低40%，渗滤液产量降低7%，垃圾热值提高17%。

图4 中国46个重点城市的垃圾分类示范，

不同省份的城市固体废弃物组成

（3）中国rMSW处理技术演变

随着垃圾分类制度实行，2019年中国垃圾焚烧处理量超过卫生填埋量，2020年投资生物质/垃圾焚烧发电项目1353个，装机容量29520 MW，上网电量13260 GWh，超过了日本同年报告的焚烧总发电量（10153 GWh）。2021年垃圾焚烧占比达到72.5%，垃圾焚烧厂数量首次超过卫生填埋场数量。若考虑rMSW能量转化，中国MSW的回收率超过60%。

放眼国际，在垃圾分类背景下，日本小型垃圾焚烧设施逐步转变为大型集中热处理厂，单个焚烧厂焚烧负荷量和整体焚烧率均增加，垃圾处理过度依赖焚烧技术，导致出现焚烧“锁定效应”。在德国，多数焚烧-热电联产技术配备了湿式洗气设施，底灰与炉渣的回收技术发展完善；在2020年，垃圾热处理、分拣和MBT技术占比分别为52.8%、27.6%和10.6%，无热能回收焚烧和填埋分别仅占2.2%和0.1% 。

图5 中国上海（a）、德国（b）、日本（c）和美国（d）的MSW组成和处理

（4）rMSW生态工业园区发展

生态工业园区是实现固体废物可持续处置、促进绿色发展的重要载体。过去数十年，中国多数生态园区规划和建设未统筹考虑材料与资源回收，造成局部污染问题。

在垃圾分类制度推行后，深圳市建成了5个大型MSW能源生态园区，总焚烧量达到2万t/日，成为全国首个实现rMSW全量焚烧的超大城市，并严格控制污染排放；以垃圾焚烧热电联产厂为中心，通过共建共享的模式，建立了集科教、娱乐、工业、旅游为一体的生态园区，rMSW运营商向周边社区支付生态补偿费用。

珠海某工业园区内实施餐厨垃圾协同处理模式，进一步实现约1500万t的 CO ₂ 减排量；基于2020年的焚烧处理条件进行模式升级，采用大规模、高发电量和热转换效率的I-CHP技术，每年可分别增加90万t、50万t和300万t CO ₂ 的碳减排。

中国rMSW管理发展的挑战与建议

挑战一：

随着我国垃圾分类制度实行，rMSW的热值和焚烧效率都有所提高，焚烧厂处理量大大上升，未来可能出现过度依赖焚烧技术的锁定效应，阻碍绿色回收工艺的发展。考虑到30年的运行周期，多数焚烧厂将在2030年至2040年之间达到寿命，中国有必要翻新、更换或建造新的工厂，以适应高热值进料垃圾的处理需求。

挑战二：

由于邻避效应，中国大多数焚烧厂都是位于城市边缘的大型集中式设施，供热管道建设具有挑战性，影响热电联产应用，大多数垃圾焚烧厂的能源效率约为40-75%，比国际先进水平低15% 。

挑战三：

基于MBT技术的RDF/SRF、水泥窑协同处置、热解制生物燃料等能源技术在现阶段得到了研究与应用，具有生态效益和资源效率，但由于工艺成本高、政策支持未健全和产业规划不充分，这些技术的市场份额很小，存在发展瓶颈。

挑战四：

CCUS是化石源垃圾焚烧碳减排的关键（例如安装CCUS设施转化 CO ₂ 为 NaHCO ₃ ，从而净化烟气并固定重金属，或将 CO ₂ 液化并将其运输至商业温室农场，使其作为植物生长原材料）。然而，CCUS投资成本较高，目前仍缺乏大规模示范应用。

基于上述挑战，中国未来的rMSW管理应遵循以产业链为导向的综合管理方式，加强技术协同、区域协调、系统优化。综合各类垃圾的代谢特性与各类处理技术的优缺点，构建围绕材料回收、发电、并网、热能供应、燃气化工生产等技术的垃圾回收耦合网络。 在 碳中和约束下，中国的rMSW管理在未来可沿“低碳、零碳和负碳”三阶段逐步发展：

2025年：焚烧热电联产得到推广应用。 垃圾焚烧厂将通过调节参数和工艺优化进一步提高发电吨位，实施热电联产，提高全厂能源回收效率。开展循环经济产业园试点，形成物料-能源-水循环链条。城市将发展两种模式：（1）城市郊区的现有焚烧厂将接受改造升级，各类垃圾处理过程将被整合至大型生态工业园区，这些园区将在特大城市中扩散；（2）随着老旧焚烧厂退役，新的焚烧热电联产厂将靠近城市发展中心，与市政热力系统相连，垃圾能源化效率全面提升。

2030年：中国碳排放达峰，垃圾处理技术结构将趋于多元化。 推进废物衍生燃料产品作为工业窑炉替代燃料产业化，形成基于废物特性的热转化和储能新技术。垃圾回收的多元技术耦合网络将进一步建立，材料回收、热能供应和燃料/化学品生产技术将优先发展；垃圾产氢和CCUS等负碳技术将从试验研发进展到示范项目。

2060年：建设以垃圾焚烧厂为中心的生态工业园区将成为多类垃圾协同处理的标准体系。 垃圾管理进一步通过智能化系统运作，垃圾回收和处理体系将达到稳定和平衡。垃圾产氢、生物燃料、CCUS等技术将得到普及，促进碳交易市场健康运行。

图6 中国其他垃圾未来综合管理路线图

研究总结

本研究结合我国相关法律和科学数据，确认了影响rMSW管理过程中碳排放的三个关键因素：垃圾分类制度驱动、废物处理技术结构及其能量转换效率，分析了垃圾组成、处理技术和环境影响之间的耦合关系，以寻求潜在的替代技术。借鉴德国、日本和美国的经验，中国面临着几个挑战：(1)提高垃圾焚烧厂的热电联产率；(2)发展替代能源化技术，以取代即将服务期满的焚烧炉；(3)解决化石源垃圾的高碳排问题。针对这些挑战，提出了2025、2030和2060年中国rMSW“低碳、零碳和负碳”三阶段发展路径。