生活垃圾焚燒處理方式的生命周期評價(jià)

紀(jì)丹鳳，夏訓(xùn)峰，席北斗，海熱提·涂爾遜，蘇 婧

（1.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京100012；2.北京化工大學(xué)，北京100029）

生活垃圾焚燒處理方式的生命周期評價(jià)

紀(jì)丹鳳1，2，夏訓(xùn)峰1，席北斗1，海熱提·涂爾遜2，蘇 婧1

（1.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京100012；2.北京化工大學(xué)，北京100029）

與填埋、堆肥處理相比，生活垃圾焚燒處理在減量化和資源化方面有著巨大的優(yōu)勢，在未來將成為大城市生活垃圾的主要處理方式。采用生命周期評價(jià)方法，對不同余熱利用和尾氣處理方式下的生活垃圾焚燒處理方案對環(huán)境的影響進(jìn)行評價(jià)。結(jié)果表明，在尾氣處理系統(tǒng)中，干法、濕法、半干法3種酸性氣體處理方式中，濕法處理的環(huán)境影響潛值最小，但是其資源耗竭系數(shù)最大。添加SNCR脫氮系統(tǒng)可以在酸性氣體凈化基礎(chǔ)上將環(huán)境影響潛值降低70%左右，而資源耗竭系數(shù)變化不大。在單純供熱、供電和熱電聯(lián)供3種余熱利用方式中，單純供電的熱利用效率最低，直接供熱的熱利用效率最高。

城市生活垃圾；焚燒處理；生命周期評價(jià)

隨著人口不斷增長，垃圾產(chǎn)生量不斷增大，以填埋為主的處理方式正在與人們搶占著寶貴的土地。目前北京運(yùn)行的填埋場大部分建成于2000年左右，設(shè)計(jì)使用壽命為10～20年，少數(shù)不到10年，城區(qū)部分填埋場存在超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)現(xiàn)象。隨著全球資源和環(huán)境危機(jī)以及可持續(xù)發(fā)展思想的出現(xiàn)，使人們不僅僅將城市生活垃圾視為一種污染物而進(jìn)行處理，而是漸漸地將其作為一種可再生利用的寶貴資源[2]。北京市生活垃圾處理的減量化和資源化是必然要求。

生活垃圾的焚燒處理是一種行之有效的減量化和資源化處理方式，對解決“垃圾圍城”這一難題具有積極作用，且符合我國循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求，逐漸成為大中型城市的垃圾處理方式[3]。

在同一種生活垃圾處理方式中，采用不同的處理技術(shù)和二次污染治理方式，對其資源消耗和環(huán)境保護(hù)有著重大的影響。

影響焚燒處理過程的最主要因素的是二次污染物排放和資源消耗。其能源回收方式常見的有直接噴水冷卻和余熱鍋爐。噴水冷卻的方式對于煙氣降溫簡單有效，但是不能回收能源，同時，因其尾氣溫度低、易形成白霧等原因，目前不被廣泛采用。余熱鍋爐利用有發(fā)電、供熱、熱電聯(lián)產(chǎn)3種方式，其能源利用效率各不相同。目前我國自主設(shè)計(jì)的供熱鍋爐熱效率可以達(dá)到65%，熱電聯(lián)產(chǎn)可以達(dá)到50%，而單純發(fā)電的熱效率只能達(dá)到23%。煙氣治理方式目前主要應(yīng)用的有濕法、干法、半干法，針對NOx的凈化工藝有SCR和SNCR以及氧化吸收等多種形式，針對重金屬和二惡英，通常采用活性炭噴射吸附工藝[4]。

分別選取以下6種垃圾焚燒處理方案：（A）余熱發(fā)電+干法吸收；（B）余熱發(fā)電+半干法；（C）余熱發(fā)電+濕法；（D）余熱發(fā)電+半干法凈化+SNCR+活性炭噴射；（E）供熱鍋爐+半干法凈化+SNCR+活性炭噴射；（F）熱電聯(lián)供+半干法凈化+SNCR+活性炭噴射，采用生命周期評價(jià)（Life Cycle Assessment，LCA）的方法對其進(jìn)行評價(jià)。

1 生命周期評價(jià)方法

環(huán)境管理手段從開始至今，經(jīng)歷了末端管理、過程管理和產(chǎn)品系統(tǒng)管理3個階段。學(xué)者們已經(jīng)發(fā)明了許多方法用來描述環(huán)境影響[5]，生命周期評價(jià)方法是一種在產(chǎn)業(yè)界、政府和消費(fèi)者3種驅(qū)動力作用下，逐漸形成的面向產(chǎn)品系統(tǒng)的環(huán)境管理工具[6]。國際環(huán)境毒理學(xué)和化學(xué)學(xué)會（SETAC）對LCA的定義是：通過對能源、原材料消耗及“三廢”排放的鑒定及量化來評估一個產(chǎn)品、過程或活動對環(huán)境帶來負(fù)擔(dān)的客觀方法。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）對LCA的定義是：匯總和評估一個產(chǎn)品（或服務(wù)）體系在其整個生命周期間的所有投入及產(chǎn)出對環(huán)境造成潛在影響的方法[7]。

LCA的思想最早萌生于20世紀(jì)60年代末至70年代初美國開展的一系列針對包裝品所進(jìn)行的資源、環(huán)境分析[8]，當(dāng)科學(xué)家們關(guān)注化石燃料的迅速耗竭時，LCA就作為理解能源消費(fèi)的影響的方法[9]。到20世紀(jì)80年代，由于環(huán)境問題日益嚴(yán)重，人們對LCA的興趣才逐漸從對產(chǎn)品系統(tǒng)能源消耗的分析轉(zhuǎn)向?qū)Νh(huán)境排放問題的研究。20世紀(jì)80年代后期到90年代早期，歐洲不少制造領(lǐng)域（包括塑料、洗滌劑、個人用品、汽車）的公司已建立了內(nèi)部LCA研究機(jī)構(gòu)，并發(fā)起生命周期清單分析方面合作。目前LCA已滲透到農(nóng)業(yè)、礦業(yè)、石油、天然氣采掘、建筑、制造工業(yè)和零售業(yè)。生命周期評價(jià)是一種可持續(xù)的環(huán)境管理工具，同時也是一種定量化決策工具，其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，目前在固體廢物處理方面也廣泛應(yīng)用。徐成、楊建新等[10]提出了將生命周期評價(jià)應(yīng)用到生活垃圾管理中；徐成、楊建新等將生命周期評價(jià)應(yīng)用到廣漢市生活垃圾處理中[6]；蔡寶森、杜玲枝等對平頂山市生活垃圾進(jìn)行了生命周期評價(jià)[11]；李娜、王根緒等[12]和韋保仁、王俊等[13]分別對成都市和蘇州市的生活垃圾處理方式進(jìn)行了生命周期評價(jià)。

2 目標(biāo)和范圍的確定

生命周期評價(jià)的實(shí)施步驟分為目標(biāo)和范圍定義、清單分析、影響評價(jià)和結(jié)果解析4個部分[14]。評價(jià)的目標(biāo)是通過生命周期評價(jià)的方法，對比不同余熱利用和尾氣凈化方式下生活垃圾焚燒處理的環(huán)境負(fù)荷，分析采用不同處理方案對電力、燃油等能源消耗，以及向大氣、水體和土壤中排放的污染物對環(huán)境造成的影響。

因?yàn)槭菍Σ煌幚矸绞降谋容^，所以研究系統(tǒng)邊界定為從進(jìn)入垃圾處理站開始，包括預(yù)處理、垃圾處理、二次污染控制等過程，收集轉(zhuǎn)運(yùn)過程不包含在內(nèi)；處理過程中經(jīng)分選的可回收物會進(jìn)入新的循環(huán)使用，也不包含在本研究范圍內(nèi)。本研究的功能單位為處理1 t垃圾的量。

3 清單分析

數(shù)據(jù)清單分析（LCI）是指對前一階段所確定的系統(tǒng)邊界內(nèi)的所有過程（如原材料的開采、加工、產(chǎn)品制造、包裝和運(yùn)輸、消費(fèi)、回收處理等）對資源和能源消耗及環(huán)境排放進(jìn)行量化和合理性分析，并制定出一個清單表，即輸入、輸出表。

設(shè)計(jì)生活垃圾焚燒處理量1 200 t/d，余熱利用方式按供熱、供電、熱電聯(lián)產(chǎn)的熱利用率分別為65%、18%和50%[4]計(jì)算，不同凈化工藝對酸性氣體的凈化效率見表1。

表1 各種凈化工藝的酸性氣態(tài)污染物凈化效率[4]%

根據(jù)IPCC推薦的公式，結(jié)合北京市擬建的六里屯垃圾焚燒中心、高安屯垃圾焚燒廠及順義生活垃圾綜合處理廠的設(shè)計(jì)參數(shù)，得到6種工藝組合下生活垃圾焚燒處理的生命周期清單，見表2。

4 影響評價(jià)

生命周期影響評價(jià)（LCIA）是LCA評價(jià)的第三部分，是對清單分析中所提供的資源消耗以及污染物排放對環(huán)境所造成的壓力進(jìn)行定性和定量評價(jià)的過程。通過使用與清單分析結(jié)果相關(guān)的影響類型和類型參數(shù)，從環(huán)境角度審查不同的垃圾處理方案。

4.1 影響潛值的計(jì)算

一般而言，環(huán)境影響類型可歸納為資源耗竭和環(huán)境污染兩類，根據(jù)生活垃圾成分及處理方式的特點(diǎn)，選取的影響類型包括以下4種：全球變暖、酸化、富營養(yǎng)化和光化學(xué)臭氧合成。

產(chǎn)品環(huán)境影響潛值指的是整個產(chǎn)品體系中所有環(huán)境排放影響總和或資源消耗的總和，即：

式中：EP（j）為產(chǎn)品系統(tǒng)對第j種潛在環(huán)境影響的貢獻(xiàn)，kg/t垃圾；EP（j）i為第 i種物質(zhì)對第 j種潛在環(huán)境影響的貢獻(xiàn)，kg/t垃圾；Qi為第i種物質(zhì)的排放量，kg/t垃圾；EF（j）i為第i種物質(zhì)對第j種影響的當(dāng)量因子。

6種處理方式的環(huán)境影響潛值見表3。

表2 6種組合工藝下的生命周期清單

表3 6種不同工藝組合下的環(huán)境影響潛值

4.2 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的目的是各環(huán)境影響類型的相對大小提供一個可比較的標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)化過程主要是建立標(biāo)準(zhǔn)化基準(zhǔn)。采用1990年人均環(huán)境影響潛值作為環(huán)境影響基準(zhǔn)，即：

式中：ER（j）1990為1990年全球或地區(qū)人均環(huán)境影響潛值，kg/（人·a）；EP（j）1990為1990年全球或地區(qū)總環(huán)境影響潛值，kg；Pop1990為1990年全球或地區(qū)人口，人。

根據(jù)北京的地理環(huán)境特點(diǎn)，采用楊建新等[12]建立中國特定條件的基準(zhǔn)值中中國東部基準(zhǔn)值，見表4。

表4 中國環(huán)境影響潛值基準(zhǔn)值和權(quán)重[12]

資源耗竭采用人均資源消耗量[15]。標(biāo)準(zhǔn)化后的資源消耗潛值為：

式中：RC（j）為產(chǎn)品的資源消耗；RR（j）1990為 1990 年全球或地區(qū)人均資源消耗量（資源基準(zhǔn)值）。

楊建新等[12]的研究提供的1990年人均資源消耗量（資源基準(zhǔn)值）見表5。

表5 1990年主要資源消耗量和人均儲藏量

4.3加權(quán)評估

對標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)賦予不同的權(quán)重，才能將不同影響類型的環(huán)境影響潛值進(jìn)行比較。目前對權(quán)重的確定方法有很多，包括目標(biāo)距離法、模糊邏輯法、專家打分法、層次分析和相對重要性標(biāo)度法[16，17]等。本研究采取比較客觀的目標(biāo)距離法，即某種環(huán)境效應(yīng)的嚴(yán)重性表現(xiàn)為當(dāng)前水平與目標(biāo)水平之間的距離。

式中：ER（j）1990為1990年全球或地區(qū)人均環(huán)境影響潛值，kg/（人·a）；ER（j）T2000為2000年標(biāo)準(zhǔn)化基準(zhǔn)，kg/（人·a）。

中國環(huán)境影響潛值權(quán)重見表4。

針對資源消耗，采取資源稀缺性作為確定權(quán)重的原則。采用各種資源消耗量其蘊(yùn)藏量的相對比例關(guān)系（資源可供應(yīng)期）來表述其稀缺性。因此，資源消耗的加權(quán)表示為：

式中：WR（j）為加權(quán)后的資源消耗，PRW1990；WF（j）為資源可供應(yīng)期的倒數(shù)，1/a；RES（PE）1990為 1990 年人均蘊(yùn)藏量。主要資源的可供應(yīng)期見表5。

4.4 環(huán)境影響負(fù)荷

經(jīng)過加權(quán)的各種環(huán)境影響潛值具有了可比性，可以相加綜合成一個簡單的指標(biāo)，稱為環(huán)境影響負(fù)荷（EIL）。

對于資源消耗，將所有加權(quán)后的資源消耗潛值累計(jì)，得到資源耗竭系數(shù)RDI。

6種處理方式的環(huán)境影響負(fù)荷分別見表5～表11。

表6 方案A的環(huán)境影響負(fù)荷（方案A：余熱發(fā)電+濕法凈化+活性炭噴射）

表7 方案B的環(huán)境影響負(fù)荷（方案B：余熱發(fā)電+干法凈化+活性炭噴射）

表8 方案C的環(huán)境影響負(fù)荷（方案C：余熱發(fā)電+半干法凈化+活性炭噴射）

表9 方案D的環(huán)境影響負(fù)荷（方案D：余熱發(fā)電+半干法凈化+SNCR+活性炭噴射）

表10 方案E的環(huán)境影響負(fù)荷（方案E：供熱鍋爐+半干法凈化+SNCR+活性炭噴射）

表11 方案F的環(huán)境影響負(fù)荷（方案F：熱電聯(lián)供+半干法凈化+SNCR+活性炭噴射）

5 結(jié)果與分析

通過余熱利用和煙氣處理不同工藝的6種組合的環(huán)境影響潛值（表12）可以看出，在余熱利用方式相同的條件下，從濕法、干法、半干法三種煙氣凈化方式（方案A，B，C）的對比中可以看出，半干法處理的環(huán)境影響最大，濕法處理的環(huán)境影響潛值最小。但是濕法煙氣凈化系統(tǒng)與干法、半干法煙氣凈化系統(tǒng)相比，其資源耗竭潛值明顯過高。

而焚燒產(chǎn)生的大量NOx是酸化、富營養(yǎng)化和全球變暖的主要因素，采用SNCR技術(shù)脫氮后（方案D、E、F），其環(huán)境影響潛值比未采用SNCR的方案降低了60%左右。使得干法、濕法和半干法處理的環(huán)境影響潛值的差別不再顯著。

表12 6種工藝組合的環(huán)境影響潛值

表13 6種工藝組合的資源耗竭系數(shù)

圖1 6種處理方案的環(huán)境影響負(fù)荷

余熱利用方式對資源耗竭系數(shù)的影響很大，通過表13可以看出，余熱發(fā)電的余熱利用率較低，直接供熱的熱利用率最高。采用直接供熱和熱電聯(lián)供方式的利用效率遠(yuǎn)高于單純供電，其資源化利用的大量能量足以抵消處理過程的能源消耗，使得其資源耗竭系數(shù)為負(fù)。所以在余熱利用方式上應(yīng)優(yōu)先考慮直接供熱。但是供熱存在傳輸距離的問題，所以熱電聯(lián)供是一種好的利用形式，增加供熱比例有助于提高余熱利用率。

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Life cycle assessment on municipal solid waste incineration

JI Danfeng1，2，XIA Xunfeng1，XI Beidou1，HAIRETI Tursun2，SU Jing1
（1.Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China 2.Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China）

Municipal solid waste (MSW)management system is facing the requirement of reducing and recycling.Compared to landfill,compost and other disposal methods,incineration is superior in reducing and recycling.So it will become the main disposal approach in big cities.The Life Cycle Assessment(LCA)is proposed in this study to evaluate the environment infection of 6 disposal approaches,which are different in tail gas treatment and heat reuse.The conclusion turns out that the environment impact potential value of wet gas treatment is the lowest,but its resource consumption is high.The SNCR treatment could reduce the environment impact potential by about 70%,with little change in resource consumption.Among the 3 heat reuse methods,direct heating has the highest efficiency,while the mere power supply has the lowest efficiency.

municipal solid waste;incineration;life cycle assessment

X799.3

A

1674-0912（2010）05-0028-05

2010－04－21）

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973）項(xiàng)目（2005CB724203）；國家環(huán)境管理決策支撐關(guān)鍵技術(shù)研究課題（2007BAC16B03）

紀(jì)丹鳳（1981-），女，北京人，碩士研究生，主要從事固體廢物管理研究。