石灰石－石膏濕法煙氣脫硫的生命周期和可持續(xù)性分析

鄧雙，楊麗，劉宇，龍紅艷，張凡，王凡*

1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012

2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 100083

目前我國(guó)90%以上的燃煤電廠采用石灰石-石膏濕法煙氣脫硫技術(shù)，對(duì)二氧化硫的減排起到了積極的作用。但是這種單一的煙氣脫硫方式?jīng)Q定了我國(guó)煙氣脫硫所采用的石灰石原料用量巨大，常年如此大規(guī)模地開(kāi)采石灰石礦必然會(huì)給地方生態(tài)帶來(lái)較嚴(yán)重的負(fù)面影響［1］。生命周期評(píng)價(jià)是一種用于評(píng)價(jià)產(chǎn)品、工藝過(guò)程或活動(dòng)在其整個(gè)生命周期內(nèi)所有投入及產(chǎn)出對(duì)環(huán)境造成潛在影響的方法［2］。馮超等［3-4］應(yīng)用生命周期評(píng)價(jià)的方法，對(duì)某電廠的石灰石-石膏濕法煙氣脫硫項(xiàng)目進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)該電廠石灰石-石膏濕法煙氣脫硫項(xiàng)目一年內(nèi)的環(huán)境影響負(fù)荷低于未經(jīng)脫硫直接排放的環(huán)境影響負(fù)荷。但針對(duì)燃煤電力行業(yè)如此大規(guī)模地采用石灰石-石膏濕法煙氣脫硫技術(shù)的現(xiàn)狀，非常有必要進(jìn)行石灰石-石膏濕法煙氣脫硫技術(shù)的可持續(xù)性和生命周期分析。從工藝源頭即石灰石的開(kāi)采、運(yùn)輸，進(jìn)而到使用和廢棄，也即所謂從“搖籃”到“墳?zāi)埂钡娜^(guò)程來(lái)分析其對(duì)自然環(huán)境造成的影響，為我國(guó)制定新的大氣污染控制政策尤其是煙氣脫硫?qū)Σ咛峁┛茖W(xué)依據(jù)。

通常生命周期分析包括確定分析對(duì)象和范圍、清單分析及影響分析3 個(gè)步驟［5-9］:1)確定分析對(duì)象和范圍，是對(duì)工藝過(guò)程生命周期的輸入、輸出及其潛在環(huán)境影響的匯編和評(píng)價(jià)，用于表征系統(tǒng)和過(guò)程對(duì)環(huán)境的影響及其程度;2)清單分析，是對(duì)工藝過(guò)程生命周期物質(zhì)和能量流的抽象和一般化過(guò)程，是對(duì)其整個(gè)生命周期的資源、能源輸入和環(huán)境排放(包括廢氣、廢水、固體廢物等)進(jìn)行的數(shù)據(jù)量化分析，其實(shí)質(zhì)是數(shù)據(jù)的收集、整理與分析;3)環(huán)境影響分析，說(shuō)明工藝過(guò)程對(duì)環(huán)境潛在影響的大小。筆者以燃煤電力行業(yè)為例，采用以上3 個(gè)步驟，進(jìn)行了石灰石-石膏濕法煙氣脫硫的生命周期和可持續(xù)性分析。

1 確定分析的對(duì)象和范圍

石灰石-石膏濕法煙氣脫硫技術(shù)采用石灰石粉制漿液作為脫硫吸收劑，與經(jīng)降溫后進(jìn)入吸收塔的煙氣接觸混合，煙氣中的SO2與漿液中的碳酸鈣，以及加入的空氣進(jìn)行氧化反應(yīng)，最后生成二水石膏，脫硫后的凈煙氣通過(guò)煙囪排入大氣。伴隨著煙氣脫硫，煙氣中的汞(Hg)、氟(F)和氯(Cl)等有毒有害元素轉(zhuǎn)移到脫硫石膏和脫硫廢水中。因此石灰石-石膏濕法煙氣脫硫的生命周期評(píng)價(jià)系統(tǒng)邊界內(nèi)部是由形成煙氣脫硫?qū)嶓w和功能的一系列中間過(guò)程及單元過(guò)程流組成的集合，包括石灰石開(kāi)采、運(yùn)輸和研磨以及煙氣脫硫3 個(gè)主要單元(圖1)。

圖1 石灰石－石膏濕法煙氣脫硫全生命周期分析系統(tǒng)邊界Fig.1 Whole life cycle analysis system boundary of limestone-gypsum wet flue gas desulphurization

2 清單分析

生命周期評(píng)價(jià)的清單分析內(nèi)容如圖1 所示。由于石灰石開(kāi)采和運(yùn)輸過(guò)程造成的粉塵和噪音產(chǎn)生量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)較少，因此主要分析脫硫副產(chǎn)物的產(chǎn)生量及其中Hg、F 和Cl 等有毒有害元素量。據(jù)中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)報(bào)道［10］，我國(guó)2005—2013年火電廠脫硫石膏產(chǎn)生量如圖2 所示。由圖2 可見(jiàn)，全國(guó)燃煤電廠采用石灰石-石膏濕法煙氣脫硫工藝的副產(chǎn)品石膏產(chǎn)生量幾乎呈逐年上升趨勢(shì)，2010年僅為5 230 ×104t，2013年已經(jīng)達(dá)到7 750 ×104t，比2012年增長(zhǎng)11%;綜合利用率約72%，與2012年持平。截至2013年底，我國(guó)火電裝機(jī)容量為8.70 ×108kW，如果按300 MW 機(jī)組產(chǎn)生4.0 t/h 脫硫廢水計(jì)算，全國(guó)火電行業(yè)每年的脫硫廢水產(chǎn)生量約為8 300 ×104t。

圖2 2005—2013年全國(guó)火電廠脫硫石膏的產(chǎn)生量Fig.2 Production of desulfurized gypsum from Chinese coal-fired power plants in 2005-2013

脫硫石膏和脫硫廢水中存在Hg、F 和Cl 等有毒有害元素，表1 為實(shí)測(cè)的10 家燃煤電廠的脫硫石膏和脫硫廢水中Hg、F 和Cl 濃度［11-12］。由表1 可見(jiàn)，大部分脫硫石膏中Hg 濃度已超過(guò)我國(guó)原煤中Hg 濃度的平均值(0.22 μg/g)［13-14］，并且脫硫石膏中Hg 濃度的最高值達(dá)到了4.02 μg/g，平均值為0.51 μg/g。我國(guó)土壤中Hg 的背景值為0.009 ～0.080 μg/g［14］，由此可見(jiàn)，脫硫石膏的平均Hg 濃度遠(yuǎn)高于土壤中Hg 的背景值。

表1 脫硫廢水和脫硫石膏中Hg、F 和Cl 濃度Table 1 The concentration of Hg，F(xiàn) and Cl in desulfurized gypsum and desulfurized waste water

脫硫石膏中F 濃度為590 ～6 180 μg/g，Cl 濃度為103 ～410 μg/g;脫硫廢水中F 濃度為45.29 ～141.81 mg/L，Cl 濃度為1 978 ～8 300 mg/L。脫硫廢水中F 和Cl 濃度都已明顯超過(guò)GB 8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》［15］，必須經(jīng)過(guò)處理才能排放。

通過(guò)2013年脫硫石膏和脫硫廢水產(chǎn)生量以及其中的Hg、F 和Cl 元素平均濃度，可計(jì)算出2013年我國(guó)燃煤電力行業(yè)產(chǎn)生的脫硫副產(chǎn)物中Hg、F 和Cl總量(表2)。2013年生成的脫硫石膏中Hg、F 和Cl總量分別為38.76、23.50 ×104和1.98 ×104t;脫硫廢水中Hg、F 和Cl 總量分別為1.34、0.87 ×104和28.53 ×104t。由此可見(jiàn)，如果這些脫硫副產(chǎn)物沒(méi)有得到妥善處理，大量Hg、F 和Cl 等有毒有害元素將重新排入環(huán)境，會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重影響。

表2 2013年全國(guó)燃煤電力行業(yè)產(chǎn)生的脫硫副產(chǎn)物中Hg、F 和Cl 總量Table 2 Production of Hg，F(xiàn) and Cl in desulfurized gypsum and desulfurized waste water from Chinese power plants in 2013

3 環(huán)境影響

石灰石開(kāi)采和運(yùn)輸過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生粉塵、噪音和生態(tài)破壞，且脫硫過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量的石膏和脫硫廢水等副產(chǎn)物。由于粉塵和噪音環(huán)境影響的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)匱乏，因此僅對(duì)石灰石-石膏濕法煙氣脫硫技術(shù)產(chǎn)生的生態(tài)、廢水和固體廢物等的環(huán)境影響及消除這些影響的成本進(jìn)行分析。

3.1 生態(tài)

石灰石開(kāi)采對(duì)生態(tài)產(chǎn)生的影響主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:破壞地形地貌;占用大量土地;對(duì)地表植物破壞;對(duì)動(dòng)物生活的影響以及水土流失侵蝕。

據(jù)統(tǒng)計(jì)與估算，我國(guó)2007年在脫硫方面使用的石灰石原材料為1 300 ×104～1 500 ×104t，按照利用率為50%來(lái)計(jì)算，則需開(kāi)采約3 000 ×104t 的礦，約相當(dāng)于湖南省某縣探明儲(chǔ)量的一半［1］。2013年燃煤電力行業(yè)用于煙氣脫硫的石灰石原材料約5 600 ×104t，比2007年有明顯增加，按利用率為50%計(jì)，則需開(kāi)采約7 200 ×104t 的石灰石礦。這就意味著會(huì)有大面積的地形地貌和植被遭到破壞，嚴(yán)重影響自然生態(tài)。

礦區(qū)植被保護(hù)與生態(tài)恢復(fù)的治理成本主要包括土地整理費(fèi)、植被恢復(fù)費(fèi)和輔助費(fèi)用三部分。而土地整理費(fèi)由工程設(shè)施費(fèi)和造林地整理費(fèi)組成;植被恢復(fù)費(fèi)包括植被恢復(fù)調(diào)查設(shè)計(jì)費(fèi)、種苗費(fèi)、輔助材料費(fèi)、栽植費(fèi)、幼林撫育費(fèi)、年管護(hù)成本和其他費(fèi)用;輔助費(fèi)用主要是灌溉費(fèi)用中的人工費(fèi)。參照矸石山礦區(qū)生態(tài)修復(fù)費(fèi)成本［16］，2013年按開(kāi)采7 200 ×104t的石灰石礦粗略計(jì)算，2013年全國(guó)石灰石礦區(qū)的生態(tài)修復(fù)成本為1.404 × 1013元。由此可見(jiàn)，修復(fù)開(kāi)采的石灰石礦區(qū)需要巨額資金。

3.2 廢水

清單分析表明，全國(guó)火電行業(yè)2013年的脫硫廢水產(chǎn)生量約為8 300 ×104t。脫硫廢水具有以下特點(diǎn):1)pH 較低(一般為4 ～6);2)懸浮物濃度很高(石膏顆粒、SiO2、Al 和Fe 的氫氧化物)，濃度可達(dá)幾萬(wàn)mg/L;3)氟化物、COD 和重金屬超標(biāo)，其中包括我國(guó)嚴(yán)格限制排放的第1 類污染物，如Hg、As、Pb等;4)鹽分極高，含有大量的Cl-、SO42-和SO32-等離子。脫硫廢水的水質(zhì)與燃煤的種類、電除塵器的極數(shù)、脫硫氧化風(fēng)量、吸收塔內(nèi)Cl-的控制濃度、脫硫工藝用水的水質(zhì)情況等因素有關(guān)，因此需要單獨(dú)設(shè)置一套完整的化學(xué)水處理系統(tǒng)，即通過(guò)氧化、中和、沉淀、凝聚等方法去除脫硫廢水中的污染物。主要包括COD 處理、重金屬處理、氟離子處理、懸浮物處理和污泥處理等過(guò)程。國(guó)內(nèi)的杭州半山電廠、北京熱電廠等均采用該系統(tǒng)，例如廢水處理系統(tǒng)處理量為10 t/h，投資300 萬(wàn)～500 萬(wàn)元［17］。按該標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，2013年燃煤電力行業(yè)需要投資約340 億～570 億元進(jìn)行脫硫廢水的處理，目前一臺(tái)百萬(wàn)kW燃煤發(fā)電機(jī)組的年產(chǎn)值約50 億元。在煙氣脫硫的同時(shí)，會(huì)產(chǎn)生高額的廢水處理設(shè)備、運(yùn)行和人工等附加費(fèi)用。

3.3 固體廢物

截至2013年底，燃煤電廠脫硫石膏仍有庫(kù)存8 000 ×104t。目前28%脫硫石膏沒(méi)有得到綜合利用，如果對(duì)脫硫石膏進(jìn)行填埋和堆積處理，需考慮其對(duì)土壤和地下水的污染;且中國(guó)的土地資源有限，填埋不是理想的選擇。即使進(jìn)行脫硫石膏的綜合再利用，仍需謹(jǐn)防Hg、F 和Cl 等元素的二次污染。

世界上也有很多國(guó)家使用石灰石-石膏濕法脫硫工藝，但因?yàn)槠浠痣娍傃b機(jī)容量不大，所以消耗的資源與產(chǎn)生的脫硫石膏總量均不大，因此對(duì)環(huán)境造成的負(fù)面影響不大。而我國(guó)燃煤消耗量巨大，到2013年底，燃煤消耗量已經(jīng)達(dá)到約35 ×108t。煙氣脫硫是一個(gè)長(zhǎng)期的工作，通過(guò)對(duì)我國(guó)石灰石-石膏濕法煙氣脫硫的生命周期分析可知，長(zhǎng)期如此大規(guī)模地采用該煙氣脫硫技術(shù)，將對(duì)我國(guó)的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的影響;并且生態(tài)恢復(fù)以及固體廢物和廢水無(wú)害化處理需要花費(fèi)大量經(jīng)費(fèi)，而目前煙氣脫硫成本［18-19］的計(jì)算并沒(méi)有將這些計(jì)算在內(nèi)。

目前計(jì)算煙氣脫硫成本主要包括工程投資和運(yùn)行費(fèi)用，其中工程投資主要是工程建設(shè)費(fèi)用(包括設(shè)備費(fèi)、土建費(fèi)、安裝費(fèi)和建設(shè)周期利息)、工程設(shè)計(jì)費(fèi)、不可預(yù)見(jiàn)費(fèi)和其他費(fèi)用(按一定比例估算);運(yùn)行費(fèi)用則主要包括脫硫劑的費(fèi)用、能耗費(fèi)用(水、電和汽等)、維修費(fèi)(即每年檢修和大修費(fèi)用)、工人工資和其他管理費(fèi)用等。通過(guò)計(jì)算，得到2013年火電行業(yè)的脫硫成本為177 億元;明顯低于2013年用于火電廠煙氣脫硫的石灰石開(kāi)采所破壞的石灰石礦區(qū)的生態(tài)修復(fù)成本1.404 ×105億元。由此可見(jiàn)，常此以往，石灰石-石膏濕法煙氣脫硫技術(shù)不具有可持續(xù)性。

我國(guó)是硫資源缺乏的國(guó)家，2012年我國(guó)進(jìn)口硫磺總量為1 120 ×104t。如果按我國(guó)煤中硫的平均濃度(算術(shù)平均)為1.40%計(jì)算［20］，燃煤電廠煙氣排出的硫量為4 900 ×104t。如果能將煙氣中的硫回收，即可消除由于石灰石-石膏濕法煙氣脫硫工藝帶來(lái)的環(huán)境負(fù)面影響，又可緩解我國(guó)硫資源的匱乏，可謂一舉兩得。煙氣循環(huán)與梯度利用技術(shù)是一種減少污染物排放量的技術(shù)，可提高煙氣中硫的濃度，以有利于進(jìn)一步回收利用。因此，建議積極開(kāi)展煙氣循環(huán)與梯度利用技術(shù)的研究與示范。

4 結(jié)論

以燃煤電力行業(yè)為例，通過(guò)確定分析對(duì)象和范圍、清單分析和環(huán)境影響分析3 個(gè)步驟對(duì)石灰石-石膏濕法煙氣脫硫技術(shù)進(jìn)行了生命周期和可持續(xù)性分析。結(jié)果表明，石灰石-石膏濕法煙氣脫硫技術(shù)存在粉塵、噪音和生態(tài)破壞等環(huán)境問(wèn)題。2013年燃煤電力行業(yè)用于煙氣脫硫的石灰石原材料約5 600 ×104t，生成的脫硫石膏中Hg、F 和Cl 總量分別為38.76、23.50 ×104和1.98 ×104t，而脫硫廢水中Hg、F 和Cl 總量分別為1.34、0.87 × 104和28.53 ×104t;形成的這些脫硫副產(chǎn)物需大量資金進(jìn)行無(wú)害化處理。生態(tài)恢復(fù)以及固體廢物和廢水無(wú)害化處理成本使得石灰石-石膏濕法煙氣脫硫成本明顯提高，常此以往，石灰石-石膏濕法煙氣脫硫技術(shù)不具有可持續(xù)性。根據(jù)我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)，煙氣循環(huán)與梯度利用技術(shù)是目前值得示范和推廣的煙氣凈化技術(shù)。

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