垃圾焚烧发电（Energy-from-Waste, EfW）耦合碳捕集与封存（Carbon Capture and Storage, CCS）技术的技术经济评价与生命周期评价（Life Cycle Assessment, LCA）比较研究

《Journal of Cleaner Production》：A comparative techno-economic and life cycle assessment of energy-from-waste technology integrated with carbon capture and storage

　　

摘要：研究人员对集成碳捕集与封存（Carbon Capture and Storage, CCS）的垃圾焚烧发电（Energy-from-Waste, EfW）系统与常规EfW系统进行对比技术经济评价（Techno-Economic Assessment, TEA）与生命周期评价（Life Cycle Assessment, LCA）。结果表明，80%的CO2捕集率使EfW+CCS系统产生35%的总能质（能源）惩罚（energy penalty）；添加CCS使EfW的资本支出（Capital Expenditure, CAPEX）与运营支出（Operating Expenditure, OPEX）均增加约30%；EfW+CCS仍具正净现值（Net Present Value, NPV）与经济潜力（Economic Potential, EcP）；CCS的加入使EfW系统的全球变暖潜势（Global Warming Potential, GWP）降低33%；EfW系统中用于NOx脱除的氨水用量对GWP与OPEX有显著影响。

本文解读对象为Janna Aljoubory、Eleni Iacovidou与Kok Siew Ng发表于《Journal of Cleaner Production》的研究论文"A comparative techno-economic and life cycle assessment of energy-from-waste technology integrated with carbon capture and storage"。

研究背景方面，全球城市化与人口增长导致市政固体废物（Municipal Solid Waste, MSW）产量持续攀升，预计2050年将达38亿吨。垃圾焚烧发电（Energy-from-Waste, EfW）作为主流能源回收技术可处理混合垃圾并产电产热，但每吨MSW焚烧将排放0.7至1.7吨CO₂，英国全部EfW设施贡献了全英3.5%的领土温室气体排放。碳捕集与封存（Carbon Capture and Storage, CCS）尤其是燃烧后捕集（Post-Combustion Carbon Capture, PCC）与MEA（Monoethanolamine，单乙醇胺）化学吸收法被视为EfW深度脱碳路径。已有文献多关注既有EfW设施 retrofit（改造加装CCS）的技术经济性，缺乏对新建（new-build）EfW+CCS一体化系统的工艺模拟、技术经济评价（Techno-Economic Assessment, TEA）与全生命周期环境影响评价（Life Cycle Assessment, LCA）的综合评估，且对除GWP外的其他环境影响类别及CCS上游负担关注不足。因此研究人员开展本研究，以英国典型规模新建EfW+CCS（250 ktpa MSW处理量，80% CO₂捕集率）为对象，通过Aspen Plus流程模拟获取质量与能量衡算，在此基础上进行TEA与LCA，对比独立EfW系统，评估其技术可行性、经济盈利性与综合环境损益，并为政策制定提供依据。

主要关键技术方法：研究人员以英国典型250 ktpa处理量MSW的EfW为基准案例，采用Aspen Plus V14建立稳态热力学模型——EfW单元选用Peng-Robinson状态方程（PENGROB），燃烧室、余热锅炉与热电联产（Combined Heat and Power, CHP）单元模拟发电与供热；CCS单元采用MEA化学吸收燃烧后捕集工艺，物性方法为非随机双液模型（Non-Random Two-Liquid, NRTL），吸收塔、解吸塔（再沸器再沸热负荷3.6 GJ/t CO₂captured）、压缩机三级压缩至100 bar，CO₂捕集率设定70%、80%、90%做灵敏度分析并最终取80%为基线。模型经英国Protos能源回收设施（Protos Energy Recovery Facility, ERF）运行数据验证（汽轮机功率偏差3.9%，CO₂排放偏差3.3%，捕集单元电耗偏差4%）。基于模拟所得质量与能量平衡，CAPEX按成本—容量指数缩放并折算至2025年（Chemical Engineering Plant Cost Index, CEPCI），含直接设备费、间接费、工程费、 contingency与业主费用，CO₂运输与封存成本引自Eunomia（2021）英国均值；OPEX含固定（人工与维护，3% CAPEX）与可变成本（氨水、碳酸氢钠、MEA补充、水处理、灰渣处置）；收益含垃圾处理费（gate fee，￡117/t MSW）与上网电价售电（18.5 p/kWh）。计算净现值（Net Present Value, NPV）、经济潜力（Economic Potential, EcP＝收益－年度化CAPEX－OPEX）、投资回报率（Return on Investment, ROI）、投资回收期（Payback Period）与平准化度电成本（Levelised Cost of Electricity, LCOE），折现率8%，厂寿命25年，年运行7700 h（可用率87.4%）。LCA遵循ISO 14040/14044标准，功能单位为焚烧1 t MSW，系统边界含MSW入厂至烟气处理或CO₂产品产出（CO₂运输与封存影响单独核算），考虑底灰（Incinerator Bottom Ash, IBA）回收与电力替代抵扣，清单来自模拟与Ecoinvent V3.11数据库，采用CML 2001 v2.5方法学评价十类影响（Abiotic Depletion Potential, ADP；Global Warming Potential, GWP；Ozone Layer Depletion Potential, ODP；Human Toxicity Potential, HTP；Freshwater Aquatic Ecotoxicity Potential, FAETP；Marine Aquatic Ecotoxicity Potential, MAETP；Terrestrial Ecotoxicity Potential, TETP；Photochemical Ozone Creation Potential, POCP；Acidification Potential, AP；Eutrophication Potential, EP），用SimaPro V9.5计算。

研究结果如下：

1. 3.
   Process simulation modelling（工艺模拟建模）：Aspen Plus模拟显示独立EfW净发电20.2 MW（621.6 kWh/t MSW），与英国均值吻合；集成CCS后因再沸器热负荷、CO₂压缩（三级至100 bar）、溶剂循环与辅机用电产生寄生电负荷4.8 MW，净输出降至15.4 MW（473 kWh/t MSW），电功惩罚约24%，总（电热）能质惩罚35%。80%捕集率下年捕集CO₂约234 kt，烟囱排放降至0.23 t CO₂/t MSW（独立EfW为1.16 t CO₂/t MSW）。灵敏度分析表明捕集率升至90%将显著提高再沸器热负荷与MEA溶剂流量，故选定80%为兼顾商业可行与能耗/成本的基线。

4.1. Economic analysis（经济分析）：独立EfW总CAPEX为￡174.7 M（年化为￡16.4 M/y），OPEX ￡18.2 M/y（固定￡5.2 M/y＋可变￡12.9 M/y）；EfW+CCS总CAPEX ￡227.7 M（CCS部分￡53.1 M），年化为￡21.3 M/y，OPEX ￡23.6 M/y（CCS部分￡5.4 M/y），即加CCS使CAPEX与OPEX各增约30%。垃圾处理费收入均为￡29.3 M/y，但因净发电减少，售电收入从￡28.7 M/y降至￡21.9 M/y，年总收入由￡58 M降至￡51.1 M。独立EfW的NPV为￡254 M、EcP ￡23.5 M/y、ROI 13.4%、回收期4.4年；EfW+CCS的NPV为￡68.4 M、EcP ￡6.2 M/y、ROI降至2.7%、回收期延至8.3年。LCOE由独立EfW的￡95.2/MWh升至EfW+CCS的￡162.6/MWh，高于英国批发电价￡127/MWh。计入英国排放交易体系（UK Emissions Trading Scheme, UK ETS）碳价￡49.4/t CO₂后，对于200–300 ktpa典型规模，需政府补贴￡162–￡200/t CO₂captured方能使EfW+CCS具竞争力；若给250 ktpa、80%捕集率设施补￡178/t CO₂，则回收期缩至约3.3年、ROI升至21%。NO_x去除效率灵敏度分析显示降低氨水SNCR/SCR用量可降OPEX但抬升AP与EP，折中取60% NO_x去除可在GWP降41%（vs独立EfW）同时配合补贴获EcP ￡49.9 M/y与ROI 22%。

4.2. Life cycle assessment（生命周期评价）：以1 t MSW为功能单位，独立EfW净GWP为735 kg CO₂-eq（直接烟囱排放占64%，氨水生产23%），经电力替代抵扣后为净值；EfW+CCS因捕集80% CO₂使GWP降至496 kg CO₂-eq，降幅33%。但其余九项影响均升高——Abiotic Depletion Potential（ADP）从1839 MJ升至4475 MJ（主因MEA与额外氨生产及捕集设施耗材）；Human Toxicity Potential（HTP）从299 kg 1,4-DB-eq升至2265 kg 1,4-DB-eq（↑658%），Freshwater Aquatic Ecotoxicity Potential（FAETP）从155升至468 kg 1,4-DB-eq（↑202%），Marine Aquatic Ecotoxicity Potential（MAETP）从306218升至736238 kg 1,4-DB-eq（↑140%），Terrestrial Ecotoxicity Potential（TETP）从1.8升至8.1 kg 1,4-DB-eq，Photochemical Ozone Creation Potential（POCP）从0.03升至0.07 kg C₂H₄-eq，Acidification Potential（AP）从17.7升至20.7 kg SO₂-eq（↑19%），Eutrophication Potential（EP）从4.6升至5.0 kg PO₄^3--eq（↑9%）。臭氧层损耗潜势（Ozone Layer Depletion Potential, ODP）均为零可忽略。LCA解析表明独立EfW中氨水与碳酸氢钠上游生产及飞灰填埋是多数毒性指标主因，而CCS引入的MEA生产、更高氨耗与捕集基建显著加重非气候类环境负担，且因发电削减削弱了电力替代带来的环境抵扣效益。

讨论与结论翻译总结：研究人员指出EfW+CCS在80%捕集率下GWP降低33%，证实燃烧后MEA捕集对EfW深度脱碳有效性，但伴随35%总能质惩罚致净电量下降，CAPEX与OPEX各增30%，LCOE升至高于市场电价水平，经济可行性依赖碳价提升或政府按￡178/t CO₂captured量补贴（对250 ktpa、80%捕集率）。环境上存在气候效益与其他影响类别恶化间的权衡——MEA与额外氨生产、捕集基础设施抬升ADP、各类生态毒性、酸化与富营养化潜势。NO_x去除效率优化（如60%）可在控GWP、OPEX与合规排放间取得平衡。建议借大型EfW集群规模效应降单位捕集成本，提高垃圾处理费匹配高LCOE，并配套工业碳捕集商业模式（Industrial Carbon Capture Business Model）资助。未来应评估气化等替代EfW路线及新型捕集溶剂以减轻能质惩罚，明确UK ETS演进情景并纳入不确定性分析。本研究局限含CO₂运输/封存成本与捕集设施LCA背景数据取自文献，且工艺模型误差未正向传递至TEA/LCA，结论应在该前提下解读。