《Waste Management》：Process-based cost assessment of electrochemical metals recovery from municipal solid waste incineration ash
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市政固废焚烧灰烬中金属回收工艺经济性评估显示，采用电解精炼联合化学沉淀及试剂再生技术，年处理4万吨灰烬的工厂可实现28美元/吨净收益，投资回收期13年，但需政策激励降低初期投入负担。
Jacqueline E. Baidoo | Richard Roth | Duhan Zhang | Michael J. Wang | Yet-Ming Chiang | Elsa A. Olivetti
麻省理工学院材料科学与工程系，美国马萨诸塞州剑桥市
摘要
城市固体废物焚烧（MSWI）产生的灰烬是焚烧过程中回收能量的副产品，尽管含有有价值的金属，但通常仍被填埋处理。以往从MSWI中回收金属的努力面临诸多挑战，难以达到保持市场价值的品质标准。本研究评估了一种金属回收工艺的经济可行性，该工艺结合了电解精炼、化学沉淀和现场试剂再生技术，能够提取高纯度的金属和金属氢氧化物。我们估算了一个年处理40,000公吨MSWI灰烬的典型设施的现金流和资本投资。在电力价格合理且当地MSWI中含有铜、锌和镁的情况下，运营现金流可带来每吨灰烬28美元的净收入。尽管相对于当前从MSWI灰烬中回收资源的项目而言初始投资较高，但折现现金流分析显示，投资可在13年内收回。研究结果表明，从废物中回收资源在长期运营中是盈利的，但仍需要信贷或补贴等财务激励措施来减轻初始投资负担。
引言
城市固体废物（MSW）在其使用寿命结束时是一种异质且普遍存在的物质流，其成分复杂且混合程度高，因此分离这些成分的技术和经济挑战历来超过了回收其价值的收益。2018年，美国近12%的MSW通过城市固体废物焚烧（MSWI）进行处理（美国环保署，2022年）。虽然MSWI可以减少废物量并产生电力，但处理过程中也会产生底灰（BA）和飞灰（FA）残留物，这些残留物需要进一步处置。底灰占大部分，其产生量是飞灰的十倍（Hyks，2008年；Tian等人，2022年），据估计2018年美国废物流中底灰和飞灰的量分别为790万吨和160万吨（美国环保署，2022年）。两者在大小和成分上的差异使得处置工作变得复杂。底灰颗粒大小在0.5至20毫米之间（?yc等人，2020年；Zhu等人，2020年），而飞灰残留物的颗粒大小在20至200微米之间（Tian等人，2023b）。这两种残留物都富含铁（Fe）、铝（Al）、钙（Ca）、镁（Mg）和铜（Cu）等金属，使得灰烬成为有价值的胶凝材料来源。然而，飞灰残留物中也含有较高浓度的有毒重金属，如铅（Pb）和锌（Zn），这些重金属会增加渗入地下水和土壤的风险（Shi和Kan，2009年；Tian等人，2023a）。底灰可以直接送往卫生填埋场，而飞灰则需要先进行稳定处理或送往危险废物处理场所（Assi等人，2020年）。由于维持这些特殊处理场所所需的资源有限，因此有必要采取灰烬修复策略。
为MSWI灰烬修复开发的金属回收技术通常优先去除对环境和健康有害的毒素。例如，Okada等人通过实验性的酸性浸出和硫化工艺从MSWI飞灰中回收了高达76%的锌（Zn）和铅（Pb）（Okada等人，2007年）。Schlumberger等人报告的一个试点工厂工艺结合了酸浸出、溶剂萃取和电解技术，成功生产出纯度超过99%的锌阴极（Schlumberger等人，2007a）。这项技术已在瑞士商业化，称为FLUWA和FLUREC工艺，不仅能回收锌，还能回收铅（Pb）、铜（Cu）和镉（Cd）的浓缩物（Boesch等人，2014年）。Tang等人开发的试点工艺结合了酸浸出、溶剂萃取、顺序电积和吸附技术，成功回收了MSWI飞灰中的锌（Zn）和铜（Cu）阴极，并收集了超过85%的铅（Pb）和镉（Cd）（Tang等人，2020年）。尽管这些技术降低了污染风险，但其运营也会产生净成本（Fellner等人，2015年；Okada等人，2007年；Tang等人，2020年）。由于美国MSWI利用率低且主要采用填埋处理方式，这些成本可能难以得到合理补偿。在这种情况下，回收工作的动力更多来自于产品本身的价值。
对于二次生产而言，回收贵金属和稀土元素（REEs）的金属回收项目更有可能带来正向回报。不幸的是，由于MSW的异质性，MSWI灰烬往往不是理想的原料。尽管采用类似的回收机制，但实际应用更多针对成分更稳定的其他废物。例如，Deng等人通过溶剂萃取、电积和沉淀技术从焚烧后的电子废物中成功回收了铜（Cu）、金（Au）和银（Ag）（Deng等人，2023年）。处理煤灰残留物的试点项目也实现了成本回收（Argumedo等人，2020年；Preda，2022年）。然而，盈利能力取决于较低的运营成本以及特别有价值金属（如钪（Sc）的市场价格波动。Das等人报告称，只有在试剂消耗量较低的情况下，从煤灰残留物中回收REEs的试点项目才能实现正向现金流（Das等人，2018年）。因此，成功的修复项目必须同时满足多种目标：以平衡工艺材料成本和预期原料成分的方式回收多种产品。
在这项工作中，我们提出了一种基于流程的经济评估方法，该方法结合了酸浸出、顺序电积和顺序沉淀技术，用于从MSWI灰烬中回收多种金属产品。我们通过在现场建立电解厂、利用廉价原料生产并再生工艺所需试剂来降低溶剂成本，并通过汇总三个地理区域MSWI底灰和飞灰的成分数据来减少成分不确定性。我们估算了一个典型设施的运营现金流和资本投资需求，并进行了敏感性分析，以确定成本节约措施对经济可行性的影响。由于资源回收带来的环境效益需要大量投资，我们还提出了通过政策和补贴形式提供实质性投资支持，以促进废物的资源化利用。
财务分析中的关键工艺参数、假设和指标
本次经济评估的目的是评估一种新型电化学金属回收工艺作为独立技术的可行性，并将其与其他方法进行比较。我们通过基于流程的成本建模来确定运营现金流和总现金流。在每个工艺步骤中，我们根据处理40,000公吨MSWI灰烬的典型设施的成本估算来计算相关费用，这些费用涉及资本、劳动力、材料、能源和公用事业资源。
运营现金流分析
运营现金流的年度费用是根据每个工艺环节的劳动力、材料、能源和公用事业成本计算得出的。收入来自运营过程中提取并出售的材料，净收入则是运营费用与销售收益的总和。
在基准情景下，我们估计每吨底灰的运营费用为98美元，每吨飞灰的运营费用为131美元。图2a和2b详细展示了各项成本成分的相对贡献。
结论
我们发现，从MSWI灰烬残留物中回收资源的水冶金和电积方法在现金流基础上是经济可行的。我们预计从底灰中回收资源可以实现自我维持，每吨灰烬可带来28美元的净收入，并在13年内收回初始投资。虽然从飞灰中回收资源的盈利能力可能较低，但结合使用底灰和飞灰可能会带来正向回报。初步估计表明，资本支出可能较大，需要额外的支持。
作者贡献声明
Jacqueline E. Baidoo：撰写 – 审稿与编辑、撰写初稿、可视化、验证、方法论设计、数据分析、概念构思。Richard Roth：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、方法论设计。Duhan Zhang：撰写 – 审稿与编辑、资源协调、数据采集、概念构思。Michael J. Wang：资源协调、数据采集、概念构思。Yet-Ming Chiang：资源协调、项目管理、资金筹措。
利益冲突声明
作者声明以下可能构成潜在利益冲突的财务利益和个人关系：Jacqueline E. Baidoo获得了先进研究项目署-能源部门（Advanced Research Projects Agency-Energy）的财务支持；Jacqueline E. Baidoo还获得了国家GEM联盟（National GEM Consortium）和埃森哲（Accenture）的财务支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的利益冲突。
致谢
本项工作得到了ARPA-E矿业焚烧灰烬处理（MIDAS）计划的支持。J.E.B.还获得了GEM奖学金和埃森哲奖学金的支持，这些奖学金是MIT与埃森哲产业技术融合计划（MIT and Accenture Convergence Initiative for Industry and Technology）的一部分。我们感谢Angela Noori Son（哈佛商学院）、Maximiliano Ramirez（MIT）和Yixi Tian（MIT）在主题专业知识及数据收集方面的贡献。
