基于燃煤煙氣污染物深度處理的電廠系統(tǒng)生命周期評價

張 莉, 王俏麗, 潘淑萍, 李素靜, 李 偉,

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基于燃煤煙氣污染物深度處理的電廠系統(tǒng)生命周期評價

張 莉1, 王俏麗2, 潘淑萍3, 李素靜2, 李 偉1,2

(1. 浙江大學 環(huán)境工程研究所, 浙江 杭州 310058; 2. 浙江大學 工業(yè)生態(tài)與環(huán)境研究所,浙江 杭州 310027; 3. 浙江省環(huán)境監(jiān)測中心, 浙江 杭州 310015)

利用生命周期評價(life cycle assessment, LCA)方法分析燃煤煙氣污染物深度處理下的超超臨界(ultra-super critical，USC)典型發(fā)電廠系統(tǒng)不同生產(chǎn)子過程的環(huán)境影響。建立清單時，將污染物排放追溯到直接排放的子過程中，而輸入負數(shù)表示各煙氣處理單元污染物的去除。分別應用Eco-indicator 99和IPCC GWP 100a方法評價系統(tǒng)的環(huán)境綜合影響和氣候變化影響。結果表明，電廠對環(huán)境影響最大的為氣候變化，溫室氣體(greenhouse gas, GHG)排放因子為0.786 kg CO2-eq×(kWh)-1，其中99.9% 來自燃煤的直接排放。煙氣處理單元的脫硝裝置、除塵裝置和脫硫裝置分別減少電廠對環(huán)境3.5%、83.0% 和6.5% 的綜合損害作用，但對氣候變化僅有少量的損害影響。敏感性分析表明廠用電和煤耗與評價結果基本呈正比關系，且兩者敏感性相當。煙氣處理單元對LCA結果呈現(xiàn)負相關的影響，一般處理下的3個煙氣處理單元分別高出深度處理效率下的煙氣處理單元19.5%、3.7% 和7.1% 的環(huán)境影響。案例電廠不僅在環(huán)境方面具有競爭性，而且在經(jīng)濟成本方面也具有一定優(yōu)勢。

燃煤電廠；生命周期評價；煙氣；深度處理；溫室氣體

1 前 言

煤炭作為我國主要的一次能源，是我國社會經(jīng)濟發(fā)展的主要動力，尤其在電力行業(yè)中占主導地位[1]。但煤炭的使用也帶來了一系列的環(huán)境問題，CO2[2]、NO[3]、SO2、煙氣等[4]的排放嚴重影響著大氣環(huán)境質量。目前燃煤發(fā)電技術的研究主要集中于超超臨界(Ultra-Super Critical, USC)發(fā)電技術、循環(huán)流化床發(fā)電技術、煤氣化發(fā)電技術、氧燃料燃燒技術[5]等。其中，USC發(fā)電技術是目前投入運行最為先進的技術，全廠熱效率可達45% 以上[6]。但其生產(chǎn)過程仍會產(chǎn)生大量污染物，因此污染物的處理成為了大氣污染減排的關鍵。

為有效減少電廠大氣污染物的排放，我國于2011年進一步更新了2003年提出的《火電廠大氣污染物排放標準》[7]。深度處理技術在一般的處理效率下進一步深化處理[8]，然而，由于當前的電廠并沒有對排放的CO2進行捕集，深度處理技術雖然降低了其他污染物的直接排放，同時卻增加了一定的能耗，因此深度處理技術會在一定程度上增加系統(tǒng)全生命的溫室氣體排放。生命周期評價(Life Cycle Assessment，LCA)技術[9]通過對系統(tǒng)進行物質、能量的輸入和輸出匯編整理后作出綜合的評價，能夠更真實、更準確地反映系統(tǒng)對環(huán)境的影響，是目前應用最廣泛的環(huán)境評價手段，也是電力行業(yè)環(huán)境評價應用最廣泛的方法[10]。

現(xiàn)有研究中，學者大多著眼于電廠整體[11,12]，這可以很好地把握系統(tǒng)整體對環(huán)境的影響。僅有少部分學者研究電廠不同階段對環(huán)境的影響[13]，雖然需要花費更多的精力，卻能夠全面掌握不同階段具體的排放狀況。本文選取了目前國內典型USC電廠的煙氣深度處理技術為研究對象，應用LCA方法評價案例中各個操作單元的環(huán)境影響，并且在執(zhí)行LCA過程中，把廢棄物排放回歸到真正的生產(chǎn)單元，來保證生產(chǎn)單元和環(huán)保單元對環(huán)境影響的真實性。重點分析系統(tǒng)在深度處理技術下對環(huán)境整體和溫室氣體排放的影響，辨別深度處理技術到底能否真正帶來更好的環(huán)境效益。最后通過對影響因素的敏感性分析評價影響環(huán)境的關鍵因素，判定深度處理技術在全生命周期的角度下如何能更有效地改善電廠系統(tǒng)的環(huán)境影響。

2 研究目標和范圍

2.1 研究目標

利用國內現(xiàn)有典型大型燃煤USC機組電廠實際運行的調查，結合燃煤煙氣深度處理平均處理水平，確定深度處理選用低氮燃燒聯(lián)合SCR脫硝技術、三室五電場除塵技術和強化石灰石-石膏法脫硫技術[14]，NO、煙塵和SO2處理后排放的最大濃度分別為37、17和60 mg×m-3，均低于《火電廠大氣污染物排放標準》的限值，甚至已接近燃氣鍋爐的排放限值[7](NO：100 mg×m-3；煙塵：5 mg×m-3；SO2：35 mg×m-3)。綜合評價該系統(tǒng)對資源消耗、氣候變化等環(huán)境類型的影響，重點評價對溫室效應潛勢的影響。并評價不同因素對LCA結果的敏感度，以此分析系統(tǒng)關鍵影響因素。

2.2 研究范圍

選取某2×1000 MW超超臨界燃煤發(fā)電機組，鍋爐的額定功率為2×2912.8 t×h-1。電廠生產(chǎn)及三廢處理流程如圖1所示，功能單位設定為1 kWh電力。紅色虛線邊框范圍為研究系統(tǒng)邊界，包括原材料的獲取、運輸、生產(chǎn)過程、廢棄物處理或排放過程。本次LCA以工藝系統(tǒng)為評價重點，因此不包括產(chǎn)品——電力的使用以及電廠退役后的處置過程。將系統(tǒng)劃分為電廠的建造階段和運行階段，其中運行階段又可分為燃燒發(fā)電單元和煙氣處理單元，而煙氣處理單元又包括脫硝裝置、除塵裝置和脫硫裝置，為方便LCA執(zhí)行過程，將建造階段、燃燒發(fā)電單元、脫硝裝置、除塵裝置和脫硫裝置同樣以子過程的形式同時研究，分別以藍色虛線邊框界定。

全廠產(chǎn)生的固廢包括灰渣、石膏、失活催化劑等，灰渣去除應用灰渣分除系統(tǒng)收集，主要用于生產(chǎn)水泥、混凝土和制磚；吸收塔排出的石膏漿液經(jīng)濃縮脫水后被綜合利用生產(chǎn)石膏制品或做水泥緩凝劑[15]；來自脫硝過程的催化劑送至擁有資質的公司進行再生。廢水主要包括酸堿廢水、脫硫廢水、含煤污水和含油污水，分別處理后全部回收，用于煤場噴淋、廠區(qū)綠化、輸煤系統(tǒng)用水、循環(huán)泵冷卻等。一方面，電廠固廢和廢水均被再利用；另一方面，電廠固廢和廢水再利用數(shù)據(jù)收集有所缺失，且電廠深度處理尤指對廢氣的深度處理，因此確定系統(tǒng)邊界不包括固廢和廢水的再利用過程。

圖1 電廠系統(tǒng)邊界

3 建立清單

3.1 清單來源

建設階段的資源和能源的消耗數(shù)據(jù)較難獲得，且建設所用為一次性投入，因此，一般在執(zhí)行LCA時，認為系統(tǒng)建設以及所需設備的制造過程相對產(chǎn)品的生產(chǎn)階段，其環(huán)境影響極小[16]。本研究系統(tǒng)僅包括用量較大的幾種原材料消耗及其運輸過程的數(shù)據(jù)。原材料的運輸參考中國統(tǒng)計年鑒的統(tǒng)計數(shù)據(jù)[17]，數(shù)據(jù)清單見表1。所用原材料基本通過鐵路和公路運輸。據(jù)年鑒，我國貨運中鐵路和公路運距比例約為4:1[17]，計算材料運距均以80% 鐵路和20% 公路分配。

燃燒發(fā)電單元包括煤的運輸與進料、鍋爐燃燒、省煤器、廢水處理與回用、煤渣的運輸?shù)取?jù)統(tǒng)計，我國煤的平均運距為647 km[17]，同樣以80% 鐵路和20% 公路的分配計算。案例電廠平均每年消耗煤的量為393.2萬噸。以實際收到的燃料煤為基準，電廠實際用煤的特性如表2所示。根據(jù)生產(chǎn)實際，電廠每年消耗淡水量315萬m3。產(chǎn)生煤渣量為5119萬t×a-1，外運為公路運輸5.5 km。

根據(jù)電廠實際排放量及各個處理單元的處理效率，結合電廠環(huán)境影響報告和環(huán)境監(jiān)測報告，確定燃燒階段的實際排放，其中，煙塵為47萬噸，SO2為7.23萬噸，NO為2.82萬噸。CO2的排放量利用式(1)[19]計算可得為798.8萬噸。

= 3.67(1)

式中：表示CO2排放量；表示燃料消耗量；表示燃料熱值；表示燃料的碳排放因子，這里= 0.0247 kg-C×MJ-1；表示碳氧化系數(shù)，這里= 0.9。

脫硝裝置選用氨作為還原劑，脫硝效率80%。除塵裝置效率為99.6%，脫硫裝置除塵效率為50%，合計除塵效率為99.8%。脫硫裝置效率為97.4%。電廠三個燃煤煙氣處理階段的物質消耗數(shù)據(jù)清單如表3所示。其中，由于石灰石實際來源較為復雜，不確定性大，此處石灰石的運距綜合實際調查數(shù)據(jù)和統(tǒng)計數(shù)據(jù)最終確定運距。

3.2 清單計算

根據(jù)電廠統(tǒng)計，發(fā)電廠的廠用電率為5%，該電耗以抵消發(fā)電量的形式計算，即電廠的凈發(fā)電容量為1900 MW。以每年運行5500小時計算，每年凈發(fā)電量為1.045×1010kWh。電廠的使用年限為30年[20]，則服役年限內的凈發(fā)電量為3.135×1011kWh。各個輸入輸出項的背景數(shù)據(jù)均來自于Ecoinvent數(shù)據(jù)庫。清單如表4所示。

4 生命周期影響評價

4.1 影響評價

Eco-indicator計算方法[21]是目前被廣泛應用的數(shù)據(jù)庫之一，它可以評價致癌物(Ca)、有機物對呼吸系統(tǒng)的損害(RO)、無機物對呼吸系統(tǒng)的損害(RI)等11種環(huán)境影響類型，以及以下3種損害類型：人體健康(Human Health)包括氣候變化(CC)、電離輻射(Ra)、臭氧層消耗(OL)、Ca、RO以及RI；生態(tài)質量(Ecosystem Quality)包括土地利用(LU)、酸化/富營養(yǎng)化(Ac/Eu)以及生態(tài)毒性(ET)；而資源損耗(Resources)則包括礦物質(Mi)和化石燃料(FF)的消耗。以上環(huán)境影響方面通過Eco-indicator計算方法進行特征化和標準化處理后，以生態(tài)指數(shù)因子(Point)表示系統(tǒng)對環(huán)境的綜合影響，單位為Pt，正數(shù)表示對該環(huán)境類型有負面影響，負數(shù)則表示對該環(huán)境類型有利[22]。

圖2所示為影響類型評價結果，圖中數(shù)字表示在電廠生命周期中對11種影響類型的綜合影響大小。電廠對11種影響類型都有一定的負面影響，其中對氣候變化影響最大，化石燃料消耗影響次之，再次為無機物對呼吸系統(tǒng)的損害，而對其他類型的影響較小。燃燒發(fā)電單元是氣候變化和化石燃料消耗的主要來源。值得關注的是，由于清單數(shù)據(jù)處理時，將排放回歸到真正的排放子過程，并根據(jù)實際情況以負數(shù)的形式表示污染物的去除，從而在無機物對呼吸系統(tǒng)的損害方面，不同子過程內部表現(xiàn)出大增大減的情況。由此可知，本次執(zhí)行LCA的清單處理手段能夠更準確地體現(xiàn)生產(chǎn)實際。3個處理裝置后共減少了燃燒發(fā)電單元產(chǎn)生RI的98.6%。通過不同處理單元減少RI的程度可知，燃燒發(fā)電單元對環(huán)境影響最大的是煙塵排放。

圖2 電廠環(huán)境影響類型

電廠不同階段對環(huán)境損害類型的影響如圖3所示，電廠對3種損害類型都有負面影響，對人體健康損害最大，其次為資源消耗。在電廠生命周期的不同階段，建造階段對環(huán)境的綜合影響為1.7×10-7Pt，僅占整個系統(tǒng)的0.004。與設定LCA目標和邊界時的判斷一致，因此本次對建造階段的處理是合理的。運行階段對環(huán)境的綜合影響為4.8×10-5Pt。其中，燃燒發(fā)電單元幾乎占據(jù)了整個系統(tǒng)所有的不利影響，綜合影響為6.8×10-4Pt，占比為14.7。而煙氣處理單元的3個裝置均減少了系統(tǒng)對環(huán)境整體的損害作用，綜合影響為-6.4×10-4Pt，占比為-13.7。脫硝裝置、除塵裝置和脫硫裝置分別減少了3.5%、83.0% 和6.5%。

圖3 電廠不同階段損害類型影響

綜合電力系統(tǒng)的影響，電廠的動力來源即是煤的燃燒，但目前鮮有電廠配備CO2捕集設備，煤燃燒排放的CO2將完全釋放進入大氣，導致電廠對環(huán)境最大的損害是對氣候變化的影響。煤是能源利用中對氣候變化影響最大的能源[23]，即使目前工業(yè)應用中最先進的USC機組，排放的CO2依舊十分可觀。在未來的節(jié)能減排工作中，能源結構的調整必將成為重中之重。案例電廠系統(tǒng)燃煤的直接排放對環(huán)境損害最大的是煙塵的排放，其次是SO2的排放，NO和CO2的排放緊隨其后。

4.2 溫室效應潛值評價

IPCC GWP 100a計算方法是研究溫室效應潛值最常用的方法，不同的溫室氣體以相應的轉化因子歸一為CO2，以二氧化碳當量(kg CO2-eq·(kWh)-1)的形式表示。表5匯總了各個子過程對氣候變化的影響。整個電廠生命周期二氧化碳排放因子為0.786 kg CO2-eq×(kWh)-1，我國燃煤電廠的平均二氧化碳排放因子為1.084 kg CO2-eq×(kWh)-1[2]。USC技術提高了燃煤利用效率而有效控制了溫室氣體的排放。將近99.9% 的溫室氣體排放來自于燃燒發(fā)電單元，即煤燃燒的直接二氧化碳排放。煙氣處理單元雖然去除了大量有害氣體，但并不能在氣候變化方面起到改善的作用，反而有所損害。但由于設備用電以廠用電的形式減少電廠電力輸出總額，而沒有在各階段分配相應的電力消耗，因此3個處理單元表現(xiàn)出對氣候變化的影響極小，煙氣處理單元對氣候變化的總排放因子為7.49×10-4kg CO2-eq×(kWh)-1，僅占電廠總排放的0.1%。

表5 電廠不同子過程對氣候變化的影響