《Journal of Hazardous Materials Advances》：Air Toxic Emissions and Carbon Reduction Potential by Applying Derived Fuel in Cogeneration
编辑推荐：
本研究旨在评估台湾工业锅炉和热电联产系统中使用固体回收燃料（Solid Recovered Fuel, SRF）相关的危险空气污染物（Hazardous Air Pollutant, HAP）排放、健康风险和温室气体减排潜力。热电联产锅炉目前是台湾固体回收燃料
本研究旨在评估台湾工业锅炉和热电联产系统中使用固体回收燃料（Solid Recovered Fuel, SRF）相关的危险空气污染物（Hazardous Air Pollutant, HAP）排放、健康风险和温室气体减排潜力。热电联产锅炉目前是台湾固体回收燃料的主要用户。根据环境部申报数据库，2022年有16台热电联产锅炉使用了约119,600公吨SRF，替代了约134,300公吨煤炭。估算的基于能量的危险空气污染物排放因子范围为：砷0.24–31.73 g Tcal?1，铅0.54–283.32 g Tcal?1，镉0.05–5.68 g Tcal?1，二噁英1.50–590.46 μg I-TEQ Tcal?1。各设施间观察到显著变异性，反映燃料组成、SRF混烧比例、燃烧条件和空气污染控制设备（Air Pollution Control Device, APCD）性能的差异。尽管重金属排放因子的中位数总体上与常规燃煤相当或更低，但在特定运行条件下观察到砷、铅、镉和二噁英排放升高，表明燃料质量管理与APCD有效运行的重要性。此外，大型工业锅炉的HAP排放因子高于热电联产锅炉，表明控制效率在决定整体环境性能方面发挥关键作用。对四个代表性设施的AERMOD模拟显示，最大年增量浓度分别为砷0.13 ng m?3、铅1.13 ng m?3、镉0.03 ng m?3、二噁英低于0.01 ng m?3。健康风险评估结果表明，所评估设施经吸入暴露的超额终生癌症风险低于10??，满足国际公认的风险标准。SRF的温室气体减排潜力强烈依赖于生物质含量。基于24组国内SRF数据集，平均燃烧排放因子为51.59 kg CO? TJ?1，相对于常规燃煤（94.6 kg CO? TJ?1）估算碳减排约45.5%。这些发现表明，在燃料质量和排放控制性能得到适当管理的前提下，SRF可同时促进化石燃料替代和温室气体减排。
本研究以台湾地区固体回收燃料（SRF）在热电联产系统中的应用为核心，系统评估了其燃料质量特征、危险空气污染物（HAPs）排放特性、健康风险及温室气体减排效益，发表在《Journal of Hazardous Materials Advances》。全球能源转型背景下，国际能源署（IEA）《Net Zero by 2050》路线图强调了减少化石燃料依赖的紧迫性。台湾2022年产生废弃物3234万公吨，同时高度依赖进口煤炭，将可燃废弃物转化为SRF被视为兼顾废弃物处理与能源回收的重要策略。尽管SRF具有废弃物减量和能源替代的双重效益，其异质性和污染物排放特性可能引发新的环境风险。过往研究多集中于SRF质量指标或碳减排潜力单一维度，缺乏将燃料品质、HAP排放、健康风险与碳减排整合评估的系统性研究，且基于能量的排放因子数据库尚属空白，难以支持不同燃料组成设施间的可靠比较。因此，研究人员开展本研究以填补上述知识缺口。
研究人员采用多维度评估框架开展研究。首先，从环境部申报数据库、操作许可文件及公开环境监测记录收集2022年台湾12个热电联产混烧制程的燃料使用数据，确认SRF使用量约119,600公吨，可替代约134,300公吨煤炭。同时汇整2022–2023年间57个SRF样本的燃料品质数据，涵盖塑胶类、废纸类、木片类、纤维类及混合废弃物类，分析其含水率、灰分、净热值、氯含量、生物质含量及重金属浓度。随后基于燃料热值输入与污染物排放申报数据，建立基于能量的HAP排放因子，涵盖砷、铅、镉及二噁英。大气扩散模拟采用AERMOD高斯扩散模式，以2022年全年气象与地形数据，设置5 km×5 km模拟域及200 m×200 m接受点网格，选取两座大型SRF热电联产设施（A厂与B厂，皆采用循环流化床锅炉）进行案例研究。健康风险评估依据台湾环保署固定污染源HAP健康风险评估作业准则，计算成人男性经吸入途径的终生平均日剂量（LADD）与致癌风险。温室气体核算遵循台湾温室气体减排方法学TMS-III.007及IPCC指南，基于生物质与化石碳区分原则，计算SRF的CO?排放系数并评估煤炭替代的减排效益。
在燃料活动强度分析方面，2022年台湾热电联产混烧制程以蒸汽煤（77%）为最主要热值输入来源，其次为废橡胶（7%）、SRF（6%）和污泥（3%）；大型工业锅炉则以蒸汽煤（70%）为主，SRF占10%。SRF组成与品质分析显示，57个样本的热值中位数为5,077 kcal kg?1，氯含量中位数0.48%，多数样本符合台湾与国际品质标准，但4%样本铅含量超标，约20%样本氯含量超过锅炉典型限值（0.6–1%）。塑胶类SRF热值最高（平均7,449 kcal kg?1），木片类灰分最高（16.27%），混合废弃物类污染浓度变异性最大。HAP排放因子分析表明，混烧制程的砷、铅、镉排放因子分别为纯燃煤机组的1.5、6.2和1.3倍，二噁英排放因子的中位数和最大值均为燃煤机组的2–18倍。案例厂H的二噁英排放因子最高（141.12 μg I-TEQ TJ?1），与高混烧比例（41.2 wt%）及含氯废弃物使用有关；E厂因混烧比例低（14.3%）且配备95%去除效率的二噁英控制设备，排放因子最低。Spearman秩相关分析显示混烧比例与HAP排放因子无统计显著相关性，燃料品质和APCD性能对排放的影响更为关键。AERMOD模拟与健康风险评估表明，两座案例厂的最大年增量地面浓度分别为砷0.008和0.015 ng m?3、铅0.017和0.57 ng m?3、镉0.0015和0.034 ng m?3、二噁英430和15,100 fg m?3，累积吸入致癌风险为1.64×10??和4.14×10??，均低于10??的监管基准，风险可视为可忽略。温室气体减排效果分析表明，SRF碳排系数范围为172–381 tCO?e Tcal?1，平均278 tCO?e Tcal?1，显著低于煤炭的403 tCO?e Tcal?1。基于24组数据集，SRF平均燃烧排放因子为51.59 kg CO? TJ?1，相较于IPCC煤炭默认排放因子94.6 kg CO? TJ?1，平均碳减排强度约45.5%；但采用中位数排放因子时减排量降至29.7%，反映生物质含量是碳减排评估的主要不确定性来源。
讨论部分指出，SRF的环境性能高度依赖燃料品质与污染控制表现，而非单纯依赖SRF使用量。能源型排放因子虽便于设施间比较，但应结合燃料组成特性进行解读。研究仅评估直接燃烧的Scope 1排放，未包含上游SRF生产、运输及下游灰渣管理，全生命周期评估显示上游与下游过程对总体碳足迹有不可忽视的贡献。结论部分总结指出：57个SRF样本分析显示燃料性质因原料组成差异存在显著变异性，但多数样本符合氯与重金属的国内品质要求，中位热值与氯含量分别为5,077 kcal kg?1和0.48%，表明大多数SRF产品适合工业燃料应用。HAP排放受燃料组成、SRF混烧比例、燃烧条件和APCD性能的强烈影响，基于能量的排放因子在设施间差异显著，部分污染物排放因子与常规燃煤相当或更低，但在特定运行条件下砷、铅、镉和二噁英排放因子升高，表明SRF混烧的环境性能在很大程度上取决于原料品质控制与空气污染控制系统的有效性。碳减排效益与SRF生物质含量密切相关，生物质含量范围为0.59%–98.76%，木质SRF碳减排潜力最高，塑胶类SRF温室气体减排效益有限；平均燃烧排放因子为51.59 kg CO? TJ?1，相较于煤炭94.6 kg CO? TJ?1平均碳减排强度约45.5%，实际减排量随SRF组成和生物质含量变化。AERMOD健康风险评估显示评估设施周边居民经吸入暴露的致癌风险低于10??监管基准，但该结论仅适用于直接吸入途径，大气沉降引发的重金属和二噁英在环境介质或食物链中的累积效应未纳入评估，重金属和二噁英仍是需优先监测和管制的关键污染物。
