MDF企業(yè)木廢料顆粒燃料和煤的生命周期評價

黃思維，周定國

(南京林業(yè)大學(xué)，材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 2l0037)

l 生命周期評價的概述

l.l 生命周期評價的發(fā)展背景

生命周期評價始于20世紀(jì)60年代末和70年代初期，美國針對包裝品進行一系列的分析、評價［l］。l969年美國可口可樂公司開始跟蹤和定量分析原料，從采掘到廢棄物的最終處理整個過程中的變化，還比較了一次性飲料瓶和可回收玻璃瓶的優(yōu)越性，對前者作出了肯定。從此以后，生命周期評價方法不斷發(fā)展，被多個領(lǐng)域廣泛的使用，成為了可靠的環(huán)境特征分析和決策的工具之一［2，3］，已被列入ISO l4000國際環(huán)境認證標(biāo)準(zhǔn)系列之中，并得到廣泛的應(yīng)用［4］。

l.2 生命周期評價的定義

生命周期評價(Life Cycle Assessment，LAC)的核心框架是獲取原料、生產(chǎn)、使用直到廢棄處理，給環(huán)境帶來影響及其潛在影響因素的研究。這種方法從能源消耗、環(huán)境污染、經(jīng)濟效益三方面對產(chǎn)品進行評價，并對其可持續(xù)發(fā)展做出判斷。

ISO l404標(biāo)準(zhǔn)體系中定義LAC為匯總和評價一個產(chǎn)品、過程體系在其整個生命周期的所有及產(chǎn)出對環(huán)境造成的和潛在的影響方法［5］。

生命周期評價還被稱為“環(huán)境負荷評價”或“環(huán)境協(xié)調(diào)性評價”，它是對能量以及物質(zhì)利用并由此導(dǎo)致環(huán)境污染物的排放來識別和量化，控制污染源頭、實現(xiàn)清潔生產(chǎn)的關(guān)鍵。同時，也能判斷產(chǎn)品和工藝是否屬于清潔生產(chǎn)范疇的基本方法。生命周期法能夠找出清潔生產(chǎn)過程中存在的問題［6］。

l.3 生命周期評價的技術(shù)路線

生命周期評價的實施步驟包括目標(biāo)和范圍的確定、清單分析、影響評價和結(jié)果解釋4個階段，如下圖所示 l［7］。

圖l 生命周期評價的4個階段Fig.l Life cycle assessment of four stages

(l)目標(biāo)和范圍的確定:為生命周期評價研究制定一個初步計劃，主要包括實施生命周期評價的目標(biāo)和意圖、研究范圍和研究結(jié)果可能應(yīng)用的領(lǐng)域［8］。

(2)清單分析:該分析主要從原料的提取、加工、制造、使用和后期處理整個生命周期進行評價，量化了研究對象的整個生命周期內(nèi)的原料需求量和能量以及對周圍環(huán)境的影響(包括廢氣、廢水、固體廢棄物等污染物)。詳細操作步驟如下:首先，在確定清單分析的目標(biāo)和范圍之后，定義研究對象的邊界。然后，建立清單調(diào)查表，確定收集信息的范圍，這些范圍包括能源、原材料、大氣污染物排放、土壤污染排放、水污染排放和廢棄物。最后，建立計算模式，根據(jù)數(shù)據(jù)進行表述、解釋，得出結(jié)論并說明數(shù)據(jù)的有效范圍［8］。

(3)影響評價:為了確定研究對象的物質(zhì)、能量交換對其外部環(huán)境的影響，對清單分析階段所確定的環(huán)境壓力進行定性或定量的評價。該評價需考慮研究的對象對生態(tài)系統(tǒng)、人體健康以及其他方面的影響［8］。

(4)結(jié)果解釋:系統(tǒng)地對評估對象的整個生命周期內(nèi)消耗能源、原材料及對環(huán)境影響的需求與機會，從而對結(jié)論進行建議，提出改進措施，例如改變廢物管理、原料重新選擇和制造工藝等［8］。

l.4 生命周期評價的應(yīng)用

l.4.l 生命周期評價在清潔生產(chǎn)中的應(yīng)用

生命周期法作為一個注重研究生態(tài)系統(tǒng)、資源消耗和人類健康領(lǐng)域內(nèi)對環(huán)境影響的評價手段和分析工具，能夠幫助企業(yè)制定戰(zhàn)略計劃、環(huán)境行為評價以及產(chǎn)品設(shè)計等收集信息，有利于企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營活動的可持續(xù)發(fā)展［9］。

張浩等選取重油、石油、天然氣作為中國浮法玻璃的燃料，用生命周期評價了采用3種燃料的環(huán)境影響，得出了不同燃料的環(huán)境影響類型［l0］。

劉文金通過對中密度纖維板生態(tài)循環(huán)境周期評價研究，將資源、能源、廢棄物及使用過程中揮發(fā)物污染等4項內(nèi)容作為參數(shù)，探討了中密度纖維板生態(tài)循環(huán)周期評價的數(shù)學(xué)模型，明確了中密度纖維板生態(tài)循環(huán)周期評價綜合分析的內(nèi)容和要求［ll］。

薛擁軍等在國內(nèi)現(xiàn)有的纖維板生產(chǎn)系統(tǒng)基礎(chǔ)上根據(jù)生命周期評價的原則，從環(huán)境效益、經(jīng)濟效益和技術(shù)性能方面出發(fā)，為我國纖維板廠的新廠建設(shè)和老廠改造以及相關(guān)政策的制定提供參考依據(jù)［l2］。

l.4.2 生命周期評價在產(chǎn)品中的應(yīng)用

諸多專家為了使研究的新技術(shù)、新產(chǎn)品以及設(shè)計方案能夠朝可持續(xù)發(fā)展道路發(fā)展，提高產(chǎn)品、技術(shù)競爭性，優(yōu)化設(shè)計方案。他們常常采用生命周期評價方法對產(chǎn)品、技術(shù)進行評價分析，為獲得最優(yōu)的實驗路線和設(shè)計方案提供數(shù)據(jù)參考和理論支持。

朱金陵等從能源、資源和環(huán)境角度出發(fā)，分析玉米秸稈成型燃料從原料、制造、使用和最后處理等單元過程，結(jié)果顯示:從秸稈運輸、壓縮成型、成型燃料運輸?shù)入A段需消耗能源。其中，壓縮成型能耗最大，并建立了玉米秸稈生命周期評價模型，得出了玉米秸稈減排性能優(yōu)于化石燃料的結(jié)論，為生物質(zhì)成型燃料的利用提供了理論依據(jù)［l3］。

閆宇飛以對環(huán)境和人體健康的影響為指標(biāo)，對紙杯和一次性塑料水杯的生命周期進行評價，評價結(jié)果表明:由于紙杯在材料采用、制造耗能的缺陷使得它對環(huán)境的影響較大，而一次性塑料水杯的劣勢在于其可降解性上和資源消耗上不及紙杯［l4］。

馬明珠等利用生命周期法評價某一辦公建筑保溫進行節(jié)能減排效益和生命周期成本評估，結(jié)果表明，保溫后節(jié)能減排效果良好，生命周期成本減少了294.48 元·m-2，具有較好的經(jīng)濟效益［l5］。

紀(jì)丹鳳等運用生命周期法對不同余熱利用和尾氣處理方式下的生活垃焚燒處理方案對環(huán)境造成的影響進行評價，結(jié)果顯示:干法、半干法和濕法3種酸性氣體處理方式中，濕法處理對環(huán)境的影響最小，但資源消耗系數(shù)最大。單純供熱、供電和熱電聯(lián)供3種余熱利用方式中，熱利用效率最低的是單純供電，熱利用效率最高的是直接供熱［l6］。

2 顆粒燃料和煤的復(fù)合生命周期對比評價

植物種植、生長、收獲，廢棄物的收集、運輸、預(yù)處理、回收利用、生物質(zhì)的各種轉(zhuǎn)換手段和最終處理是生物質(zhì)的生命周期主要組成部分。因為生物質(zhì)能量密度低，所以，在收集、運輸、處理過程中的能耗比石化燃料大，不可忽視。

砂光粉成型燃料的原料來自于生物質(zhì)原料，這種原料是以有機物為載體的一種可儲存和可再生的生物質(zhì)能源。砂光粉由碳氫化合物組成，與常規(guī)的石化能源石油、煤等相似，但生物質(zhì)的揮發(fā)分高，含硫量和灰分較低。因此，生物質(zhì)利用過程中SO2、NO2的排放較少，用生物質(zhì)替代石化能源供能，將明顯減少對空氣的污染和酸雨形成的現(xiàn)象。

目前，砂光粉燃燒方式主要為燃燒機燃燒、氣化燃燒和噴燃等3類。據(jù)資料顯示:在同等條件下，直接燃燒生物質(zhì)的熱效率為l0% ～30%，而制成生物質(zhì)顆粒以后經(jīng)燃燒器燃燒，其熱效率可達到87% ～89%［l7］。因此，將散狀的砂光粉、廢棄纖維壓制成顆粒燃料提高燃料品味具有重要意義，還可以代替更多的煤。

本文從能源、環(huán)境和經(jīng)濟3個方面，對能源煤和其替代能源中密度纖維板廠木廢料成型燃料(以砂光粉為主)進行生命周期對比評價，旨在揭示兩者的優(yōu)異性，并用對二者進行綜合評價，為中密度纖維板廠使用砂光粉成型燃料替代傳統(tǒng)燃料煤提供決策支持和理論依據(jù)。

圖2 砂光粉顆粒成型燃料生命周期評價流程圖Fig.2 Sanding powder particle forming fuel life cycle assessment flow chart

2.l 目標(biāo)和范圍的確定

2.l.l 研究目標(biāo)的確定

研究目標(biāo)確定為二類煙煤的發(fā)熱量取中間值為l7 285 KJ·kg-l和砂光粉成型燃料(連云港欣森木業(yè)中密度纖維板廠)，熱值為l7 025 KJ·kg-l。

2.l.2 系統(tǒng)邊界的確定

砂光粉成型燃料和煤炭在利用過程中都融入了人的行為，使得兩種燃料的環(huán)境污染物排放量和吸收量有所差異。砂光粉是中密度纖維板生產(chǎn)中，生成量較大且粒度較小的可燃木廢料，是一種可再生能源，燃燒時產(chǎn)生的二氧化碳可以等量地被利用于樹木生長過程中。而煤為不可再生資源，燃燒過程中產(chǎn)生的SO2、CO、NOx等氣體破壞大氣環(huán)境。砂光粉成型燃料和煤炭的生命周期評價流程，如圖2和圖3所示。

圖3 煤炭生命周期評價流程圖Fig.3 Coal life cycle assessment flow chart

砂光粉是人造板在鋸切或砂光工序中產(chǎn)生的，在鋸切、砂光等工序需要耗能，施加膠黏劑過程中也需消耗能源和排放環(huán)境污染物。由于砂光粉是人造板的附屬物和廢棄物，因此，圖2中能耗l及施加膠黏劑過程中產(chǎn)生的污染物不計入砂光粉產(chǎn)生過程。砂光粉的收集(圖2，能耗2)和砂光粉壓縮成型階段(圖2，能耗3)均需要消耗能源，存在環(huán)境污染物。砂光粉成型燃料可以直接代替煤等石化燃料的燃燒，所以使用成型燃料的燃燒爐等設(shè)備在制造中的能耗4可忽略不計。

煤的整個生命周期主要包括煤炭的形成、開采、運輸加工和使用4個階段。煤炭是在植物遺體堆積后，經(jīng)過生物化學(xué)、物理化學(xué)作用轉(zhuǎn)變形成的有機礦產(chǎn)，是由礦物質(zhì)和多種高分子化合物組成的混合物。煤形成過程逐漸與空氣隔絕，氧化環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)檫€原環(huán)境，因此，圖3中的能耗l不計入煤炭生成過程。煤開采過程(圖3，能耗2、環(huán)境排放2)，會伴隨著固體廢物、礦井水的排放，其中，固體廢物(以矸石為主)是中國工業(yè)固體廢物產(chǎn)生量和堆積量最大的固體廢棄物，占煤炭產(chǎn)量的l0%左右，而固體廢棄物的可利用率僅為50%，未被利用部分隨意丟棄，破壞環(huán)境。此外，煤炭開采過程中破壞了地殼內(nèi)部原有的力學(xué)平衡，容易引起地表塌陷，打破了原有的生態(tài)系統(tǒng)。由于砂光粉成型燃料和煤炭的生成方式不同，所以研究的系統(tǒng)邊界針對砂光粉從它收集、預(yù)處理、燃料壓縮成型到燃燒;研究煤的系統(tǒng)邊界從開采、運輸?shù)饺紵龔U棄物處理。

2.l.3 基本假設(shè)和功能單位

年產(chǎn)l5萬m3中密度纖維板廠生產(chǎn)線的能耗為87.3l GJ·h-l，折合煤炭約5.05 t·h-l。生產(chǎn)線實際產(chǎn)生木廢料砂光粉、廢纖維、鋸屑與邊條生成量，折合成煤炭約4.60 t·h-l。不足部分可用稻殼、花生殼作為補充燃料，這里選用稻殼作為補充燃料，折合成煤炭為0.60 t·h-l。為了統(tǒng)一評價的基準(zhǔn)，該研究做了如下假設(shè):纖維板廠原料需求地A與稻殼供給地B和煤炭供給地C之間的距離均為400 km，均采用公路運輸。以燃燒釋放87.3l GJ·h-l為基準(zhǔn)，對煤炭、木廢料進行對比評價。

2.2 清單分析

清單分析是從所確定的研究系統(tǒng)邊界內(nèi)的所有過程(原料的開采、加工、運輸、使用和回收等)，并選取了能源、環(huán)境、經(jīng)濟等3個指標(biāo)進行合理性分析。表l為煤與木廢料從開采、加工和運輸過程中的能源消耗和經(jīng)濟核算。煤炭在開采和運輸中主要消耗不可再生資源石油和煤炭。對成型燃料而言，資源的消耗主要在壓縮成型階段。

表l 煤與木廢料能源消耗Table l Coal and waste energy consumption

砂光粉成型燃料和煤炭的各個階段對環(huán)境的影響，分別從原料收集加工、運輸、燃燒排放物及焚燒廢棄物處理進行分析，如表2所示。

表2 顆粒燃料和煤炭生命周期的定性分析Table 2 Qualitative analysis of life cycle of the pellet fuel and coal

2.2.l 原料的收集及加工

砂光粉為中密度纖維板廠的附屬物和廢棄物之一，隨意丟棄對廠內(nèi)環(huán)境造成污染，不利于工作人員身體健康，而利用不合理會造成資源浪費。傳統(tǒng)人造板廠常用煤炭為生產(chǎn)線供能，煤炭為不可再生資源，其開采過程中會給土地資源、水資源和空氣造成破壞，如表l和表2所示。人造板在砂光粉和鋸切工序產(chǎn)生的砂光粉通過人工進行收集，煤炭的開采需要工人在井下進行操作，操作工人安全感較低。據(jù)報道，中國是世界上礦難最多的國家，煤炭生產(chǎn)百萬噸死亡率為 2.04，是美國的50 倍［l8］。

2.2.2 原料運輸

煤炭從開采到運往加工地最后運到工廠使用，運輸成本較高，不僅消耗人力、動力和物力，而且汽車運輸過程中的尾氣排放，會造成空氣污染，影響人體健康。由于砂光粉本身是工廠加工的廢棄物，無需高成本運輸和較大人力、物力和動力的投入，結(jié)合廢棄纖維等木廢料工廠可自給自足，冬季不足時可用稻殼等農(nóng)作物作為補充燃料。

2.2.3 燃燒排放物

隨著國家環(huán)境保護“十二五”規(guī)劃的出臺，以及社會各界對空氣質(zhì)量的密切關(guān)注。砂光粉成型燃料與煤炭相比，有如下優(yōu)點:(l)燃燒飛灰少，從而簡化了煤炭燃燒爐的除灰設(shè)備;(2)砂光粉成型燃料主要燃燒成分為揮發(fā)分，燃燒時不冒黑煙，煙塵較少;(3)CO2排放少，并且煙氣中沒有SO2和粒狀C等產(chǎn)生，有利于降低對鍋爐腐蝕延長使用壽命和對生態(tài)環(huán)境的破壞;(4)二氧化硫、氮氧化合物等污染性氣體的排放少，不需使用脫硫裝置，減少了治污成本，避免酸雨的形成;(5)煤一般含有微量元素，如:As、Hg、Pb、Se等，部分金屬是有毒的重金屬元素。雖然他們在煤炭中的含量很少，但由于煤炭的大規(guī)模的燃燒和使用，重金屬總量仍不可忽視，而砂光粉中基本不含重金屬。

散狀燃料成型后熱效率可由l0% ～30% 提高到 87% ～89%［l7］，以 l t煤的熱量 l7.285 GJ為單位，熱效率取中間值，則需散狀砂光粉5.l45 t，成型砂光粉l.l69 t。因此，砂光粉成型燃料比砂光粉散狀燃料能多替代3.864 t煤。一噸煤排放SO2的量按照l6 kg計算［l9］，則砂光粉成型燃料替代煤的使用可避免6l.824 kg SO2量的排放。

2.2.4 燃燒廢棄物處理

砂光粉的發(fā)熱量為l7 045 KJ·kg-l，二類煙煤的發(fā)熱量取中間值為l7 285 KJ·kg-l，兩者發(fā)熱量相近。在理想狀態(tài)下，l t砂光粉可替代0.986 t煤完全燃燒釋放的熱量。l t煤炭燃燒后，產(chǎn)生灰分為0.27 t。l t砂光粉燃燒后，產(chǎn)生灰分約 0.03 t。在獲得相同熱量的條件下，砂光粉成型燃料燃燒產(chǎn)生的灰分是煤燃燒產(chǎn)生的9倍。當(dāng)處理燃燒剩余物的運輸距離相同時，煤燃燒剩余物的處理費用是砂光粉燃燒剩余物處理費用的9倍。由于中密度纖維板廠一般建在林業(yè)資源較豐富地區(qū)附近，砂光粉等木廢料燃燒后的灰渣可用作附近林地或農(nóng)田的肥料。煤的燃燒剩余物還需運往其它地區(qū)進行二次加工利用或廢物處理。

3 結(jié)果與探討

(l)綜合考慮煤與木廢料成型燃料的生命周期能源、環(huán)境和經(jīng)濟成本，木廢料成型燃料是一種較為理想的煤炭替代能源。從經(jīng)濟角度出發(fā)，煤的成本960元·t-l，木廢料成型燃料成本273元·t-l。從能源消耗出發(fā)，砂光粉的收集、壓縮成型等需要消耗人力、物力和動力資源，其中，壓縮成型階段能耗占的比例最大。煤炭從開采、加工再到使用，需消耗不可再生資源石油和煤炭。從環(huán)境角度出發(fā)，煤炭燃燒排放的一氧化碳、二氧化硫等污染氣體較多，生物質(zhì)成型燃料實現(xiàn)二氧化碳“零排放”。(2)中密度纖維板廠使用成型燃料燃替代煤炭的燃燒，一方面，降低了對環(huán)境負荷量，減少了能源資源的消耗;另一方面，與直接燃燒木廢料相比，成型燃料燃燒效率更高，壓縮成型的顆粒密度增大，燃燒起來更加安全，更便于儲存和車間工人投料量的控制。

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