武慧君,徐裕煥,汪倩倩,葉元元

(安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院,安徽 淮南 232001)

經(jīng)過幾十年的探索,循環(huán)流化床(Circulating Fluidized Bed,CFB)發(fā)電技術(shù)作為我國一種新興的潔凈煤發(fā)電技術(shù),已經(jīng)形成較堅實的理論基礎(chǔ)和研發(fā)能力,并在發(fā)電行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)粉煤爐難以有效利用煤炭的煤泥和煤矸石等低熱值副產(chǎn)物,而CFB鍋爐彌補了傳統(tǒng)粉煤爐的不足,對燃料的熱值和品質(zhì)要求較低,具有良好的適用性[1]。亞臨界CFB發(fā)電機組憑借其造價低廉、操作簡單、維護方便、運行可靠,成為了國內(nèi)CFB發(fā)電的技術(shù)主流[2]。與此同時,對該技術(shù)的環(huán)境影響評估亦成為社會關(guān)注的重點[3]。

生命周期評價(Life cycle assessment,LCA)是一種評價產(chǎn)品、工藝或服務(wù)從原材料采集,到產(chǎn)品生產(chǎn)、運輸、使用及最終處置等全生命周期的能源消耗及環(huán)境影響的工具[4]。LCA方法已列入ISO國際質(zhì)量標準[5],有研究者將LCA方法應(yīng)用于CFB發(fā)電技術(shù)中[6-7],但是主要集中在對環(huán)境影響的評估,而缺乏對技術(shù)切實有效的改進方案。

淮南市位于安徽省中北部,煤炭儲量豐富?；茨厦禾锾矫鲀α繛?.8×1011t,占中國東部能源產(chǎn)量的32%[8]?；茨弦彩侨A東地區(qū)的主要電力供應(yīng)地,據(jù)統(tǒng)計,燃煤電廠每年的發(fā)電量為8.2×1011kW·h[9]。近年來,淮南幾家主要發(fā)電廠開始采用循環(huán)流化床發(fā)電技術(shù)。其中,淮南某電廠的300MW亞臨界CFB技術(shù)在我國CFB機組中具有一定代表性[10]。本研究以該CFB電廠作為研究對象,使用LCA方法對環(huán)境影響進行評價,并根據(jù)評價結(jié)果提出改進方案。

1 研究方法

根據(jù)ISO 14040/14044標準,生命周期評價框架分為4個步驟:目標和范圍定義、生命周期清單分析、生命周期影響評價和結(jié)果解釋。

1.1 目標與邊界

本文以淮南某CFB電廠作為研究對象,CFB發(fā)電技術(shù)的生命周期如圖1所示。生命周期包括煤炭開采、煤炭洗選、燃煤發(fā)電3個階段?；趯嵉卣{(diào)查,淮南某CFB電廠選址毗鄰于礦區(qū),煤炭運輸距離短,可通過皮帶直接輸送,因此忽略CFB發(fā)電的煤炭運輸階段。LCA評價過程的功能單位選取電廠1 MW·h凈發(fā)電量,對應(yīng)消耗的煤炭折標為319.6kg。

1.2 數(shù)據(jù)清單和來源

CFB發(fā)電技術(shù)的生命周期數(shù)據(jù)清單(基于1MW·h凈發(fā)電量)如表1所示。煤炭開采和煤炭洗選階段的數(shù)據(jù)可參考我國該行業(yè)的平均數(shù)據(jù)[11]。燃煤發(fā)電階段的相關(guān)數(shù)據(jù)來自對淮南CFB發(fā)電廠的調(diào)研。

表1 LCA發(fā)電技術(shù)生命周期數(shù)據(jù)清單

1.3 環(huán)境影響核算方法

生命周期影響評價分為4個步驟:分類、特征化、標準化和加權(quán)過程[12]。分類是指根據(jù)影響類別對資源消耗和對外排放進行分類。數(shù)據(jù)清單建立后,所收集的環(huán)境排放數(shù)據(jù)應(yīng)根據(jù)所選擇的環(huán)境影響類型進行分類。環(huán)境影響類型包括全球變暖潛值(Global Warming Potential,GWP)、酸化潛值(Acidification Potential,AP)、富營養(yǎng)化潛值(Eutrophication Potential,EP)、人類潛在毒性潛值(Human Toxicity Potential,HTP)、固體廢棄物潛值(Solid Waste Potential,SWP)和煙塵潛值(Soot and Dust Potential,SAP)。特征化表示采用等效因子法進行表征,即根據(jù)分類,將某一類別的環(huán)境影響的排放換算成統(tǒng)一的因子來表示。標準化是該影響因子以人均貢獻作為標準化基準,計算燃煤發(fā)電過程中各中點影響類別的環(huán)境影響潛力。加權(quán)過程首先確定燃煤發(fā)電生命周期中各環(huán)境影響類別的權(quán)重因子,再根據(jù)權(quán)重計算量化總的環(huán)境影響。

1)分類和特征化 LCA核算方法是將生命周期模型各階段的各類環(huán)境排放分別計算并匯總。各物質(zhì)的分類和特征化折算因子如表2所示,數(shù)據(jù)來源于文獻[13]。

表2 環(huán)境影響分類和特征化折算因子

該生命周期主要的溫室氣體為二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和氧化亞氮(N2O),包括直接排放和間接排放。數(shù)據(jù)清單表所示的各階段CO2、 CH4和N2O環(huán)境排放為直接排放,將其求和后特征化,統(tǒng)一折算成CO2排放量;生命周期內(nèi)消耗的資源和能源,其上游的生產(chǎn)和運輸過程帶來的溫室氣體排放構(gòu)成了間接排放,也以CO2排放量表示。以該生命周期內(nèi)消耗的電力為例,電力的間接溫室氣體排放指的是生產(chǎn)這些被消耗的電力過程中所排放的溫室氣體。本文主要計算了石灰石[14]、尿素[15]和電力[16]的間接溫室氣體排放,其他資源和能源由于消耗量少而被忽略。

EI1=QCO2+QCH4·GWPCH4+QN2O·GWPN2O+Q間接排放

(1)

式中,EI1為生命周期溫室氣體排放量,kg·(MW·h)-1;QCO2、QCH4和QN2O分別為生命周期匯總的CO2、CH4和N2O排放量,kg·(MW·h)-1;GWPCH4和GWPN2O為CH4的溫室氣體效應(yīng)特征化因子,28和265;Q間接排放為生命周期匯總的間接溫室氣體排放量,kg·(MW·h)-1。

該LCA模型中AP的主要排放物為二氧化硫(SO2)和氮氧化物(NOx),且都來自于發(fā)電階段,以SO2作為特征化指標,核算方法如下

EI2=QSO2+QNOx·APNOx

(2)

式中,EI2為生命周期酸化氣體排放量,kg·(MW·h)-1;QSO2和QNOx分別為燃煤發(fā)電階段的SO2和NOx排放量,kg·(MW·h)-1;APNOx為NOx的酸化潛力特征化因子,0.7。

EI3=QNOx·EPNOx+QCOD·EPCOD+

QBOD·EPBOD

(3)

式中,EI3為生命周期富營養(yǎng)化物質(zhì)排放量,kg·(MW·h)-1;QNOx、QCOD和QBOD分別為生命周期總的NOx、COD和BOD排放量,kg·(MW·h)-1;EPNOx、EPCOD、EPBOD分別為NOx、COD、BOD的富營養(yǎng)化效應(yīng)特征化因子,1.35、0.23和1.79。

HTP與SO2和NOx的排放有關(guān),以一氧化碳(CO)作為特征化指標,核算方法如下

EI4=QSO2·HTPSO2+QNOx·HTPNOx

(4)

式中,EI4為生命周期人類潛在毒性物質(zhì)排放量,kg·(MW·h)-1;QSO2和QNOx分別為生命周期總的SO2和NOx排放量,kg·(MW·h)-1;HTPSO2和HTPNOx分別為SO2和NOx的溫室氣體效應(yīng)特征化因子,100、65。

該模型中的固體廢棄物主要來自煤炭開采和煤炭洗選階段的煤矸石和其他固廢,以及燃煤發(fā)電階段的爐渣爐灰等固廢,以煤泥作為特征化指標,其核算方法如下

EI5=Qmess

(5)

式中,EI5為生命周期固體廢棄物質(zhì)排放量,kg·(MW·h)-1;Qmess為生命周期固廢、煤矸石、爐渣和爐灰總排放量,kg·(MW·h)-1。

LCA中SAP以可吸入顆粒(Total Suspended Particulate,TSP)作為特征化指標,折算因子為1,煙塵潛值核算方法如下

EI6=QTSP

(6)

式中,EI6為生命周期煙塵排放量,kg·(MW·h)-1;QTSP為生命周期總懸浮顆粒排放量,kg·(MW·h)-1。

2)標準化與加權(quán) 標準化計算中人均環(huán)境影響的標準化計算過程如下

(7)

式中,SEIn為第n種環(huán)境影響潛值的標準化結(jié)果;EIn為第n種環(huán)境影響潛值,kg·(MW·h)-1;SBn為第n種環(huán)境影響的標準化基準值,kg·a-1;T為時間,年。

加權(quán)計算的權(quán)重因子來自參考文獻[17],其計算過程如下

WPn=SEIn·WFn

(8)

式中,WPn為第n種環(huán)境影響潛值標準化后加權(quán)結(jié)果;SEIn為第n種環(huán)境影響潛值的標準化結(jié)果;WFn為第n種環(huán)境影響的權(quán)重因子。標準化和加權(quán)結(jié)果如表3所示。

表3 環(huán)境影響標準化和加權(quán)結(jié)果

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)境影響評估

CFB發(fā)電技術(shù)各環(huán)境影響結(jié)果如表3所示,總潛值為0.42。根據(jù)加權(quán)結(jié)果,環(huán)境影響占比從大到小依次為SWP、GWP、SAP、EP、AP和HTP。環(huán)境影響潛值在各階段的占比如圖2所示。

圖2 環(huán)境影響潛值各階段占比

本研究中的CFB發(fā)電技術(shù)生命周期GWP加權(quán)占比較高,達到了21.4%,僅次于SWP的環(huán)境影響貢獻。從溫室氣體的排放來源分析,93.9%的溫室氣體來自燃煤發(fā)電階段。該階段的燃燒發(fā)電過程主要將煤炭中的固碳轉(zhuǎn)化為CO2,CO2作為主要溫室氣體,排放量為877.00kg·(MW·h)-1。由于CFB鍋爐的特性使燃燒過程中N2O的生成率較低[18],并且CFB電廠采用先進的脫硝設(shè)備,脫硝效率為91.43%,因此溫室氣體N2O在該階段的排放量較少,為0.03kg·(MW·h)-1。另一個溫室氣體CH4主要來自煤炭開采階段,排放量為1.69kg·(MW·h)-1。

CFB發(fā)電技術(shù)生命周期AP的影響較為輕微,加權(quán)占比僅0.7%。CFB電廠同時實現(xiàn)了超低的SO2和NOx排放。通常情況下,CFB電廠通過鍋爐內(nèi)鈣法脫硫和煙氣脫硫相結(jié)合的方式控制SO2的排放[19]。本案例中的CFB電廠經(jīng)過長期實踐和技術(shù)改進,省去了爐內(nèi)脫硫,采用了高效的煙氣脫硫設(shè)備,脫硫效率達到了98.5%,保持了SO2的低排放量。

該生命周期模型中EP的加權(quán)占比較低,僅為0.8%。富營養(yǎng)化主要來自是煤炭開采階段,該階段排放大量的廢水,包括煤矸石等固廢浸出水和未處理的礦井污染水。調(diào)研的電廠采用循環(huán)水系統(tǒng),不排放廢水,同時保持了較低的N元素排放,因此燃煤階段排放的富營養(yǎng)化物質(zhì)較煤炭開采階段低。

HTP的環(huán)境影響占比是最低的,為0.3%。重金屬及其化合物主要存在于燃煤后的灰渣中,由于電廠產(chǎn)生的灰渣已進行妥善處理,因此重金屬污染在本研究中不予考慮。與AP環(huán)境影響相同,HTP也主要取決于SO2和NOx排放,CFB發(fā)電獨特的技術(shù)優(yōu)勢限制了這兩種污染氣體的排放,它們對人體健康的影響也大大降低。

在所有環(huán)境影響類型中,SWP擁有最顯著的影響,加權(quán)占比為75.6%。CFB電廠將燃煤發(fā)電階段產(chǎn)生的爐灰和爐渣等固廢通過公路運輸方式外運至其他單位,由第三方進行綜合處理或用于制作建筑材料,因此本研究認為燃煤發(fā)電階段產(chǎn)生的固廢可忽略不計。煤炭開采和洗選過程中會產(chǎn)生煤矸石,煤泥和其他固廢[20]。近年來,煤矸石主要被用于建材、發(fā)電、填料等,綜合利用率不斷提高已達到70%[21]。但考慮到我國每年煤矸石產(chǎn)量巨大,仍有大量煤矸石不能及時有效利用并作為固廢殘留,同時造成了嚴重的環(huán)境問題[22]。

該生命周期中SAP影響力較低,煤炭開采和煤炭洗選幾乎不產(chǎn)生粉塵,CFB電廠采用高效靜電除塵設(shè)備,除塵效率為99.9%,使燃煤發(fā)電階段的粉塵排放量較低。

2.2 改進方案

上述環(huán)境影響研究結(jié)果顯示,CFB發(fā)電技術(shù)的整體環(huán)境影響中SWP最為顯著,而對煤矸石等固廢的有效處置有助于降低SWP的影響。CFB鍋爐對燃料的熱值和品質(zhì)要求較低,具有良好的燃料適用性,可以實現(xiàn)對煤矸石的利用。通過在CFB鍋爐中共同燃燒煤矸石是利用煤矸石的最有效益技術(shù)之一[23]。因此,根據(jù)相關(guān)研究人員的經(jīng)濟性分析[24],結(jié)合電廠調(diào)研情況,本研究提出改進方案為:入爐燃料中摻雜80%質(zhì)量的煤矸石;煤炭洗選階段的固廢利用率提高至80%。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和專家咨詢,該方案中90%的煤矸石來自現(xiàn)有的煤矸石堆。

根據(jù)《煤矸石綜合利用管理辦法》第十三條[25],發(fā)電用煤矸石熱值須高于5 020kJ/kg,本研究中煤矸石平均熱值為5 150kJ/kg。煤矸石投入引起電廠效率變化可由文獻[26-27]得到。燃料的投入量可由電廠效率和燃料熱值得出,假定生命周期其余參數(shù)和排放系數(shù)不變,改進方案的生命周期數(shù)據(jù)清單如表4所示。

表4 改進方案數(shù)據(jù)清單

改進方案與原方案的環(huán)境影響對比如圖3所示,改進方案環(huán)境總潛值為0.25,綜合環(huán)境影響比原方案降低了40%?？梢?在技術(shù)工藝條件允許的情況下,改進方案是對環(huán)境更加友好的方案。改進方案環(huán)境影響程度從大到小依次是GWP、SWP、EP、AP、SAP和HTP。相比原方案,改進方案后SWP變化最明顯,減少了69%,實現(xiàn)了固廢排放的大幅降低。核算過程中,考慮到煤矸石摻雜使煤炭開采和洗選階段的一部分煤矸石固廢得到充分利用,固廢生成會減少,同時煤炭洗選產(chǎn)生的礦渣也得到了充分利用。其余類型的環(huán)境影響略有提高,因為總?cè)剂贤度肓康脑黾訉?dǎo)致前兩個階段污染氣體排放和電力輸入會增大;同時燃料品質(zhì)的降低會影響電廠效率,增加電廠負荷,燃料消耗的增加也使電廠污染物排放增加。圖3的結(jié)果也顯示,無論哪一種方案,GWP和SWP都是最重大的兩類環(huán)境影響類型。

圖3 煤矸石摻燒方案與原方案的環(huán)境影響對比

3 討論

本研究通過對CFB發(fā)電技術(shù)的LCA分析,發(fā)現(xiàn)GWP和SWP的環(huán)境影響最顯著,其他環(huán)境影響類型占比較低。原因在于CFB發(fā)電是一種潔凈煤發(fā)電技術(shù),在燃煤發(fā)電階段對強效的溫室氣體(如N2O)、嚴重危害性的氣體(如SO2)、NOx和TSP都實現(xiàn)了嚴格高效的控制?，F(xiàn)今煤炭開采和煤炭洗選的管理制度和管理體系也逐漸成熟和完善,實現(xiàn)了礦井廢水和煤層氣的低排放。上述排放因素的有效控制使AP、EP、HTP和SAP等環(huán)境影響較低。燃煤發(fā)電伴隨著高CO2排放,而處理大量CO2的成本較高,并且CFB發(fā)電廠也重視不夠,因此大量的CO2排放成為GWP環(huán)境影響主導(dǎo)因素。CFB發(fā)電生命周期過程中燃煤發(fā)電階段的固廢得到了再利用,但煤炭開采和煤炭洗選產(chǎn)生的固廢量較大,存在難以實現(xiàn)全部再利用或者短時期內(nèi)無法處置的問題,造成了固廢在環(huán)境中堆積,SWP也成為該LCA模型中最主要的影響類型之一。

對溫室氣體和固廢排放的控制是降低生命周期環(huán)境影響的關(guān)鍵。在“碳達峰、碳中和”的目標下[28],煤炭發(fā)電行業(yè)的溫室氣體排放引起了廣泛關(guān)注。CFB電廠在運行過程中要更加重視對碳排放的監(jiān)控,未來的技術(shù)可以向進一步降低碳排放或者回收利用CO2的方向發(fā)展。根據(jù)本研究結(jié)果,通過CFB電廠摻燒煤矸石以及提高其他固廢回收利用率是有效降低固廢排放進而降低總體環(huán)境影響的有效手段。要大力提倡CFB電廠更多地利用低成本的低品質(zhì)煤,這樣有利于經(jīng)濟和環(huán)境的雙收益。為減少其他固廢排放,應(yīng)對煤礦固廢進行合理堆填處理或者資源化利用。

本研究以淮南某CFB電廠作為研究對象,對常規(guī)燃煤方案和改進方案進行了案例分析,未來可將研究對象擴展到安徽省CFB電廠,以提高獲取數(shù)據(jù)的準確性和代表性。同時,可對不同煤矸石摻燒比進行研究,以探尋環(huán)境影響最低的方案。

4 結(jié)論

(1)本研究對CFB發(fā)電技術(shù)環(huán)境影響進行了LCA分析,全球變暖潛值、酸化潛值富營養(yǎng)化潛值、人類潛在毒性潛值、固體廢棄物潛值和煙塵潛值加權(quán)影響分別為9.09×10-2、2.76×10-3、4.00×10-3、1.06×10-3、3.19×10-1和6.78×10-3,其中富營養(yǎng)化潛值主要來源于煤炭開采和燃煤發(fā)電階段,固體廢棄物潛值來源于煤炭開采和煤炭洗選階段,其余環(huán)境影響主要來源于燃煤發(fā)電階段。

(2)80%煤矸石摻燒方案相比未摻燒煤矸石原方案,固體廢棄物潛值降低了69%,總環(huán)境影響潛值降低了40%。

(3)兩種方案中,全球變暖潛值和固體廢棄物潛值都是最顯著的環(huán)境影響類型。