王 云, 趙永椿, 張軍營, 鄭楚光

(華中科技大學(xué) 煤燃燒國家重點實驗室,武漢 430074)

生命周期評價(Life Cycle Assessment,LCA)作為一種分析工具現(xiàn)已廣泛應(yīng)用到各種領(lǐng)域及系統(tǒng)評價中,其作為衡量碳減排的評價方法近年來逐步為國內(nèi)外學(xué)者所關(guān)注.Tahara等[4]首先運用生命周期評價方法,從CO2減排角度對可再生能源電廠與常規(guī)礦物燃料電廠進行了比較分析;M uram atsu等[5]對燃煤電廠CO2捕集技術(shù)進行了生命周期評價,提出發(fā)電過程CO2的排放量對環(huán)境影響最大;Weisser[6]對可再生能源、核能等發(fā)電廠進行生命周期分析,認為上游、下游造成的累計CO2排放量約占總排放量的25%;Koornneef等[7]對亞臨界、超超臨界和CCS改造的超超臨界燃煤電廠進行生命周期評價,結(jié)果表明CCS技術(shù)可使燃煤電廠的CO2排放量減少71%～78%;聶會建等[8]運用LCA對400 MW級整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(Integrated Gasification Combined Cycle,IGCC)電站的CO2排放量進行了計算,分析結(jié)果表明IGCC運行過程是CO2排放的主體.筆者采用生命周期評價方法對安裝醇胺(M onoethanol Am ine,M EA)吸收CO2裝置的燃煤發(fā)電廠及其CCS系統(tǒng)的CO2排放過程進行系統(tǒng)量化評價分析.

1 生命周期評價及系統(tǒng)邊界選取

生命周期評價(LCA)是一種對產(chǎn)品生產(chǎn)工藝及活動造成的環(huán)境負荷進行評價的客觀過程.LCA不僅考慮系統(tǒng)形成后從開始服役到生命終結(jié)的污染物排放,而且要追溯系統(tǒng)形成時及形成前其設(shè)備的制造、安裝以及輔助系統(tǒng)所需的各種產(chǎn)品要素從資源獲取到產(chǎn)品成型的歷史過程污染物排放[9-10],即包括上游和下游的排放.根據(jù)ISO的定義,LCA的技術(shù)框架包括4個部分[11-12],分別是目標(biāo)與范圍定義、清單分析、影響評價和結(jié)果解釋.

本文以國內(nèi)某電廠國產(chǎn)亞臨界2×300 MW燃煤發(fā)電系統(tǒng)為研究對象,工程機組選型按2×300 MW直接空冷供熱凝汽式汽輪發(fā)電機組配置2×1 065 t/h煤粉爐,采用雙進雙出鋼球磨煤機正壓直吹式制粉系統(tǒng),加裝煙氣濕法脫硫裝置.對該系統(tǒng)進行CCS技術(shù)改造后其系統(tǒng)邊界包括:①電廠生命周期,即電廠建設(shè)、運行和退役三個階段,包括建材開采、建材運輸、廠房建設(shè)和廠房解體,燃料開采、燃料運輸、發(fā)電過程和電力使用等.②CCS系統(tǒng)生命周期,即CCS系統(tǒng)建設(shè)、運行和退役三個階段,包括建材開采運輸、設(shè)備制造安裝、設(shè)備運行使用以及設(shè)備退役等.圖1和表1分別為該燃煤電廠的系統(tǒng)邊界設(shè)定和主要參數(shù).電廠用煤為常規(guī)動力煤,設(shè)計煤種的煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)見表2.LCA評價中主要材料單位生產(chǎn)量的CO2排放數(shù)據(jù)[8,13]見表3,運輸燃料燃燒的CO2排放量為0.016 2 g/(km?kg),電力生產(chǎn)的CO2排放量為406.8 g/(kW?h),以此為主要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來計算獲得系統(tǒng)生命周期各階段的排放清單.

圖1 生命周期評價的系統(tǒng)邊界Fig.1 Boundary of the life cycle assessment sy stem

表1 2×300MW燃煤電廠主要參數(shù)表Tab.1 M ain parameters o f the coa l-fired power p lant

表2 設(shè)計煤種的工業(yè)分析和元素分析Tab.2 Proximateand u ltimateanalysis of coal

表3 主要建材的CO2排放量Tab.3 CO2 em ission from production of constructionmaterials and energy resources

2 全生命周期排放量計算

2.1 燃煤電廠全生命周期排放量計算

電廠建設(shè)過程的CO2排放主要包括基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)排放、電廠設(shè)備制造安裝排放以及相關(guān)建材運輸排放.①電廠建設(shè)階段的排放清單主要來自于建設(shè)材料的生產(chǎn)過程,數(shù)據(jù)收集過程中建材需求量較大的數(shù)據(jù)(如鋼材、鋁材、鐵、混凝土和水泥)分別按照電廠工程設(shè)計報告估算[8,14-16].②電廠設(shè)備的制造和安裝排放,考慮計算的可行性只計算燃煤鍋爐、電廠磨煤機和蒸汽輪機發(fā)電機組等大型設(shè)備安裝制造過程的排放,并將其歸結(jié)為設(shè)備制造所需原材料的生產(chǎn)過程排放,生產(chǎn)所需主要材料鋼的量按設(shè)備重量估算.③建材運輸階段的CO2排放主要來自于燃料燃燒的排放、運輸工具的制造以及退役排放.運輸消耗燃料產(chǎn)生的CO2量取決于運輸距離、貨物運輸量、運輸工具的重量和單位質(zhì)量單位距離燃料燃燒的排放量.為了便于計算,筆者假定建材、煤炭及廢物等的運輸工具均使用同一種火車運輸,每列火車有85節(jié)車皮,每節(jié)可以承載77 t煤,服役年限為30年.火車制造過程的CO2排放可以估算為制造所需主要材料鋼和鋁生產(chǎn)過程的排放量,根據(jù)參考文獻[16]計算獲得火車生產(chǎn)過程中每節(jié)車廂需要的鋼材量為6 713 kg、鋁材量為45 kg,火車退役排放量假定為建造的10%,為不重復(fù)計算僅在煤炭運輸階段計算一次.對于建造中排放量較小的建設(shè)原料、安裝制造過程等在本文計算排放時忽略不計.電廠建設(shè)的主要建材需求量和運輸量見表4.

表4 2×300 MW電廠建設(shè)的主要建材需求和運輸量[8,14-16]Tab.4 Material demand and transport for construction of a 2×300 MW power p lant t

煤炭開采加工階段的排放包括自身開采加工過程的排放和能源輸入間接帶來的排放.①煤炭采掘過程CO2排放主要來源于開采工具的制造過程和開采過程所需石灰石及電的生產(chǎn)過程,因而排放可估算為生產(chǎn)鋼材、電和石灰石導(dǎo)致CO2排放的和,同樣排放量較少的忽略不計.②煤炭加工過程CO2排放主要產(chǎn)生于洗煤過程中所耗電生產(chǎn)過程和產(chǎn)生固體垃圾運輸過程的排放.可按參考文獻[16]進行相關(guān)折算,制造采掘工具所需的鋼材量為5 265 t,服役期限為30年,采用長壁法每年開采萬噸煤炭所需的石灰石為180 t,電量為141 000 kW?h.由干燥無灰基DAF(d ry ash free)煤量和參考文獻[16]中的數(shù)據(jù)計算,DAF煤制備和洗煤過程需要的電量為790 k J/t,固體垃圾產(chǎn)量為0.35 t/t,DAF煤量為開采量的60%.

加工后的煤炭用火車運輸?shù)诫姀S,煤炭運輸量按電廠負荷率進行計算,假設(shè)煤礦與電廠間距離為500 km,根據(jù)火車額定裝載量、煤炭年運輸量及電廠負荷率等因素,估算30年內(nèi)火車在煤礦與電廠之間往返次數(shù)約11 290次.電廠運行過程產(chǎn)生大量的CO2等廢氣和固體灰渣,固體灰渣需運輸至特定地點進行埋存,假定埋存地點到電廠的距離為50 km,運輸過程消耗燃料產(chǎn)生的CO2量同樣取決于運輸距離、貨物運輸量及單位質(zhì)量單位距離燃料燃燒的排放量.依據(jù)年耗煤量和煤的干燥基成分計算獲得灰渣年產(chǎn)量約251 187 t.第1年和第30年的煤炭運輸量分別按年負荷率為80%來折算.電廠在運行中燃燒制粉、循環(huán)水、熱力系統(tǒng)及脫硫脫硝裝置等將消耗大量電能,造成的間接CO2排放可按廠用電率6%計算.電廠運行過程排放的CO2是煤炭燃燒后直接排放CO2,取決于煤炭種類(主要是煤的含碳量)、煤消耗量、鍋爐效率及脫硫脫硝過程中對CO2的吸收等因素,同時有一部分來源于空氣分離裝置提供氧氣中攜帶的CO2[17].假設(shè)電廠退役發(fā)生在第30年,依據(jù)文獻[18]退役過程的CO2排放為建設(shè)時的10%.

2.2 CCS全生命周期排放計算

CCS技術(shù)由碳捕集和碳封存兩個部分組成,其中碳捕集技術(shù)大致分為3種:燃燒前捕集、燃燒后捕集和富氧燃燒捕集.我國的熱電廠絕大部分屬于煤粉電廠,煙氣具有壓力低和CO2濃度低(12%～15%)等特點,要在燃煤電廠進行CO2捕集,比較適合采用醇胺(M EA)化學(xué)吸收法進行燃燒后CO2捕集.MEA化學(xué)吸收法具有吸收速度快、吸收能力強、處理量大及回收CO2純度高等優(yōu)點,對捕集煙氣中低濃度CO2具有一定優(yōu)勢,也是目前CO2捕集研究和運用最主要的技術(shù)[19-20].

筆者擬對2×300 MW 電廠進行改造,通過CCS技術(shù)利用MEA化學(xué)吸收法來捕集電廠煙氣中的CO2.CO2捕集(包括壓縮)系統(tǒng)由煙氣預(yù)處理系統(tǒng)、填料吸收塔、填料再生塔、排氣洗滌系統(tǒng)、溶液煮沸器、胺回收加熱器、產(chǎn)品氣處理系統(tǒng)(包括凝汽器、氣液分離器、壓縮機)以及系統(tǒng)水平衡維持系統(tǒng)組成.CO2封存系統(tǒng)由運輸系統(tǒng)和注入系統(tǒng)組成,捕集壓縮后的CO2經(jīng)由管道運輸送到封存地,然后通過注入系統(tǒng)高壓封存到地下深部適宜地層,如煤層或鹽水層等.

為保證壓實度，混凝土碾壓采用平推碾壓，施工中自卸汽車倒退直接入倉，下料應(yīng)從遠端開始，在完成三層薄層均勻攤鋪作業(yè)后，將81cm的厚度碾壓為75cm。以條塊攤鋪方向為基準(zhǔn)，使用型號為BW200的設(shè)備進行碾壓，此過程應(yīng)遵循先2遍無振、后8遍有振，最后再次2遍無振的順序，碾壓速度不大于1.1km/h，最后再用BW75型手扶震動碾找平，使表面平整。在高溫天氣下作業(yè)時，碾壓過程中要根據(jù)氣溫與蒸發(fā)量適當(dāng)進行補水處理。

CCS系統(tǒng)建造過程的CO2排放計算與電廠建設(shè)一樣,主要包括基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)排放、設(shè)備制造安裝排放以及相關(guān)建材運輸排放.建設(shè)階段的排放主要來自于建材的生產(chǎn)過程以及能量消耗,相關(guān)數(shù)據(jù)估算參照文獻[7]和文獻[21].同樣,CCS系統(tǒng)退役階段CO2排放量按建造階段的10%計算.MEA技術(shù)改造中CO2吸收塔和再生塔建造、CO2壓縮設(shè)備建造、CO2運輸管道以及地質(zhì)封存井的建設(shè)所需主要建材和能耗見表5.

表5 CCS各系統(tǒng)建造基本數(shù)據(jù)[7,21]Tab.5 Material demand,energy consump tion and service time of various components in CCSsystem

CCS系統(tǒng)運行過程中CO2排放主要由運行能耗以及所耗原料的制造排放所產(chǎn)生,主要取決于化學(xué)吸收劑的消耗量,加熱再生吸收液用蒸汽所消耗的熱能,壓縮、運輸以及地下壓注消耗的機械能或電能等.CCS各主要設(shè)施基本運行參數(shù)根據(jù)相關(guān)參考文獻[7,21]估算,具體見表 6.

表6 CO2壓縮、運輸和儲存相關(guān)基本參數(shù)[7,21]Tab.6 Basic parameters for CO2 compression,transportand storage

采用MEA吸收分離法捕捉煙氣中CO2所消耗的原料和能量主要有:MEA消耗量和吸收液再生所需蒸汽消耗的熱能以及風(fēng)扇等相關(guān)設(shè)備的用電.根據(jù)文獻[7],吸收1 t CO2消耗的MEA約為2.34 kg,加熱再生吸收液用蒸汽所消耗的熱能大約為4 GJ,加熱蒸汽轉(zhuǎn)換成電能的等價因子為0.20,CO2捕捉過程中風(fēng)機和泵的電耗約為23.6 kW?h/t,CO2的捕捉效率可達到90%.

CO2的壓縮、運輸以及儲存過程消耗的能量主要包括壓縮機械消耗能量、克服管道阻力損失以及儲層壓力所需的能量,其中壓縮和注入所需電能根據(jù)Damen[22]推導(dǎo)出的公式進行計算:

式中:W為實際做的功,k J/kg;E為所需要的電能,kW?h/kg;Z為壓縮因子,0.994 2;R為通用氣體常數(shù),8.314 5 J/(mol?K);T為入口氣體溫度,313.15 K;γ為熱力系數(shù)(cp/cv),1.293 759;M 為CO2的摩爾質(zhì)量,44.01 g/mol;ηis為等熵效率,80%;ηm為機械效率,99%;Nγ為壓氣機級數(shù)(運輸時為4,儲存時為2);p2為出口壓力,運輸時為11 MPa,儲存時為15 MPa;p1為入口壓力,運輸時為0.101 325MPa,儲存時為10.7MPa.

3 結(jié)果與分析

通過綜合產(chǎn)品和過程(電力和CCS)各階段所計算的排放數(shù)據(jù),匯總各子系統(tǒng)的生命周期CO2排放清單見表7和圖2.

表7 2×300MW CCS技術(shù)改造的燃煤電廠各階段CO2排放計算結(jié)果Tab.7 Calculated resu lts of CO2 em ission in various stages of a 2×300 MW power p lant with CCS t/d

圖2 全生命周期各階段排放量所占比重Fig.2 Share of CO2 em ission in various stages of a life cycle

筆者在對 2×300 MW 燃煤電廠系統(tǒng)進行MEA吸收CO2技術(shù)改造基礎(chǔ)上,以LCA方法為工具,對整個系統(tǒng)進行了全生命周期CO2排放計算.全生命周期分別體現(xiàn)在電廠和CCS系統(tǒng)的建設(shè)、運行和退役三大過程,過程涉及到各種生產(chǎn)要素(如設(shè)備、原料和活動等)所排放的CO2,從而獲得了整個系統(tǒng)全生命過程CO2排放的詳細情況.計算表明:全生命周期燃煤電廠CO2排放量為7 374.82 t/d,其中電廠運行排放所占比重約為98.82%(其中電廠運行因燃料燃燒造成的直接排放約為7 066.49 t/d,比重約為95.82%;其他設(shè)備電耗、廢物運輸造成的間接排放約為220.68 t/d,比重約為2.99%);燃料開采排放的CO2約為47.29 t/d,所占比重約為0.64%;燃料運輸排放的 CO2約為 32.31 t/d,所占比重約為0.44%;電廠建造和退役排放的CO2約為7.5 t/d,所占比重僅為0.1%.

在此基礎(chǔ)上采用MEA技術(shù)對電廠進行改造.按CO2捕集效率90%計算,CCS可直接捕集和封存的CO2約為6 359.84 t/d,由CCS技術(shù)改造(包括CCS系統(tǒng)建造、運行以及退役三個階段)而增加的CO2排放量為960.93 t/d,最終經(jīng)CCS技術(shù)改造后燃煤電廠排放的CO2為1 975.91 t/d.從全生命周期來看,采用CCS技術(shù)改造后電廠CO2的直接減排率可達86.24%左右;考慮CCS建造、運行以及退役而造成的間接CO2排放增加的情況下,改造后電廠CO2的實際減排率約為73.21%,有效地控制了溫室氣體的排放.

結(jié)果分析還表明,改造后燃煤電廠與CCS運行過程造成的CO2排放所占比重較大,分別占全生命周期總排放量的46.96%和47.62%.其中,運行中燃料燃燒并經(jīng)捕集后的直接排放約占全生命周期總排放量的35.76%,電廠設(shè)備運行、捕集中吸收劑再生、CO2壓縮以及儲存等耗能過程造成的間接排放約占全生命周期總排放量的58.78%.并且,CCS運行中捕集和壓縮環(huán)節(jié)的能耗排放量分別高達29.07%和14.53%;其次為燃料的開采階段和運輸階段,分別占全生命周期排放量的 2.39%和1.64%;電廠建造和退役階段分別占全生命周期排放量的0.35%和0.03%;CCS建造和退役階段分別占全生命周期排放量的0.92%和0.09%.

依據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(剔除煤氣化發(fā)電站和天然氣聯(lián)合循環(huán)電站等其他CO2減排成本影響因素,見表8)分析,采用現(xiàn)有技術(shù)改造和新建的煤粉電站,利用MEA技術(shù)來捕集CO2,捕集環(huán)節(jié)的成本約為23～35美元/t,運輸環(huán)節(jié)成本約為0.004～0.032美元/(t?km),地質(zhì)封存環(huán)節(jié)成本約為0.6～1.1美元/t.按CO2捕集封存率90%來計算,該 2×300 MW燃煤電廠CCS系統(tǒng)的成本范圍約為151 364.19～285 556.80美元/d,全生命周期CCS改造燃煤電廠共直接減排CO2為6 359.84 t/d,則CO2全生命周期減排成本(包括捕集、運輸以及封存的減排成本)約為23.80～44.90美元/t.

表8 CCS各部分成本估算[23]Tab.8 Cost estimation of various components in CCSsystem

4 結(jié) 論

(1)采用全生命周期評價方法,以單位材料CO2排放數(shù)據(jù)庫和M EA吸收CO2改造燃煤電廠系統(tǒng)為基礎(chǔ),通過計算全面詳盡地展現(xiàn)了燃煤電廠CO2產(chǎn)生、捕捉、運輸以及封存過程中各個階段的排放量.

(2)改造前燃煤電廠全生命周期CO2排放量為7 374.82 t/d,其中電廠運行排放所占比重約為98.82%,其他階段排放所占比重僅占1.18%,燃煤電廠運行階段是全生命周期控制CO2排放量的重要環(huán)節(jié).

(3)在全生命周期內(nèi),采用MEA吸收法的CCS技術(shù)改造后燃煤電廠CO2排放量約為1 975.91 t/d,CO2直接減排率可達86.24%左右,實際減排率約為73.21%,有效地控制了溫室氣體的排放.

(4)CCS系統(tǒng)在CO2捕捉和壓縮環(huán)節(jié),因吸收液再生、風(fēng)機和泵以及CO2壓縮等耗能造成了較高的排放,約占總排放量的43.60%.按照IPCC統(tǒng)計數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)計算得出燃煤電廠CO2全生命周期減排成本約為23.80～44.90美元/t.

(5)改造后整個系統(tǒng)運行過程的CO2排放量約為1 868.75 t/d,比例高達94.58%,占全生命周期排放量的主導(dǎo)地位;輔助過程的排放量為107.16 t/d,僅占5.42%,這也說明了對排放量較小的材料和過程進行忽略以及做出的一些假設(shè)不會對計算結(jié)果造成顯著的影響.

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