煤焦油無害化處置研究及生命周期評價

買 帥,王興潤,馬麗娜,顏湘華,農澤喜,屠夢波(.中國環境科學研究院固體廢物污染控制技術研究所,北京 000；.中國礦業大學(北京)化學與環境工程學院,北京 00083)

煤焦油無害化處置研究及生命周期評價

買 帥1,2,王興潤1*,馬麗娜1,顏湘華1,農澤喜1,屠夢波2(1.中國環境科學研究院固體廢物污染控制技術研究所,北京 100012；2.中國礦業大學(北京)化學與環境工程學院,北京 100083)

根據煤焦油的物理化學性質,提出了將煤焦油送往燃煤電廠焚燒處置的優化處置方案. 運用環境影響指標標準化和 AHP權重定量法對,煤焦油處置系統進行了生命周期評價分析(LCA).結果表明,與原處置工藝相比,優化后環境負荷降低了 30.79%;燃煤電廠焚燒將煤焦油焚燒產生的熱能可以轉化為電能,實現資源的循環利用.

煤焦油；生命周期評價(LCA)；環境負荷

煤焦油是煤在干餾熱解生成粗煤氣過程中產生的,是一種黑褐色粘稠液體,其產量約占裝爐煤的 3%～4%.煤焦油中含有上萬種有機化合物,目前可以鑒定出的僅有 500余種.煤焦油主要由多環芳香族化合物組成,烷基芳烴含量較少,高沸點組分較多,熱穩定性好.其中最重要的成分是萘,平均含量10%.含量在1%以上的僅有10余種化合物:1-甲基萘、2-甲基萘、苊、芴、氧芴、蒽、菲、咔唑、熒蒽、喹啉、芘等[1].

煤焦油易燃、有腐蝕性,且經國際癌癥研究中心(IARC)確認為致癌物.作用于皮膚,可引起皮炎、痤瘡、毛囊炎、光毒性皮炎、中毒性黑皮病、疣贅及癌腫,吸入后還可引起鼻中隔損傷,上呼吸道刺激痙攣、肺水腫等[2].因此被國務院列入《化學危險品安全管理條例》,屬于危險化學品.如果得不到合理的處置,有可能會對土壤、水體造成污染,如果進行簡單焚燒會造成大氣污染[3].

目前,國內外對煤焦油的處置方法主要是作為危險廢物集中焚燒.通過焚燒能夠實現有機污染物的氧化分解和減量化,并進一步通過轉化為電能、熱能等形式,實現資源化利用[4-5].本研究分析了燃煤電廠共處置煤焦油的可行性,并通過生命周期評價方法對比,探討了燃煤共處置與集中焚燒處置的環境影響.

1 燃煤電廠對煤焦油共處置可行性分析

1.1 技術可行性分析

一般而言,危險廢物焚燒要求廢物應能滿足低位熱值至少為4000kJ/kg,最好高于5000kJ/ kg[6].煤焦油的平均低位熱值為8360kJ/kg滿足要求[7].

這里討論的是送入正常運營的燃煤電廠實現煤焦油共處置,那么焚燒溫度、氣體停留時間、攪拌混合程度及過剩空氣率等條件是不可控因素,在選擇煤焦油燃煤電廠共處置設施時要嚴格按照《危險廢物焚燒污染控制標準》,選擇滿足標準要求的技術成熟的燃煤電廠共處置煤焦油[8-9].

燃煤電廠對煤焦油共處置技術的可行性還體現在以下幾點:由于燃煤電廠燃料原煤因品質等原因使得該工藝焚燒過程中對燃料具有較強的包容性[10];添加煤焦油前后對燃煤電廠發電工藝基本無任何影響[11];添加煤焦油前后焚燒產生的污染物成分基本沒有變化,不會產生污染轉移或二次污染現象[12];處置設置分布很廣、處置能力強,煤焦油可以及時得到處置[13].

1.2 環境保護可行性分析

在環境保護方面,由于煤焦油在燃煤電廠處置過程中摻雜比較低,對煙氣的影響可以忽略不計. 這里不妨做一個極端假設,一臺裝機容量為600MW的機組耗煤大約5500t/d,將2008年青島市所有的煤焦油 500t/a集中到該鍋爐進行焚燒處置,此時煤焦油在燃料中的比例約為0.03%[14].基本上無需對原工況做出調整.國內很多大中型發電廠企業的固體廢渣和廢水已經實現了零排放,和危險廢物焚燒爐的廢渣固化填埋相比較更合理[15].

2 環境影響負荷對比分析

運用生命周期評價方法分別對功能單位為1t的煤焦油危險廢物焚燒爐處置和燃煤電廠共處置過程的環境影響進行系統的分析、評價,有助于量化廢物處置過程中能源物質消耗、廢棄物排放,及其對環境的影響.以此為依據為決策者在處理危險廢物處置設施的新建、擴建或優化問題時提供一種理論評價體系.

2.1 研究目標與范圍

研究目標是 2種優化處置方案的生命周期比較,以青島市某企業煤焦油處置過程數據為依據分析.第一種方案是指保持原有處置工藝不變即:采用危險廢物旋轉窯式焚燒爐進行焚燒處置;第二種方案指將煤焦油就近送往燃煤電廠(裝機總容量在200萬kW?h以上)部分替代燃煤進行焚燒發電.電廠處置煤焦油前后生產工藝產生的變化情況與第一方案進行比較.

系統邊界如圖1所示.

圖1 煤焦油處置生命周期評價邊界Fig.1 Life cycle assessment borders of disposal Coal tar

在分析過程中,重點考察生命周期能源消耗與環境排放,因此對于一些過于邊緣化的其他影響因素未予以考慮,比如廠房建設和設備制造過程中的物質與能源消耗等指標[16-17].基于此,構造了一個相對封閉的生命周期系統,便于進行煤焦油處置生命周期的能源消耗與環境排放.

2.2 清單分析

清單分析主要在系統邊界內列舉出與系統所消耗的資源能源數據以及該系統向外的排放數據[18].其中原料輸入、能源與電力消耗來源為青島市某燃煤電廠以及危險廢物焚燒爐處置設施的生產記錄,在保證原工況熱值不變的基礎上,計算得到輔助燃料的添加量,最后根據質量守恒計算估算污染物的排放量和環保處置設施輸入物的用量.

2.3 環境影響評價

這里將環境影響評價分為環境影響分類、特征化、量化以及生命周期解釋4個部分[19].

2.3.1 分類 分類是一個將清單分析的結果劃分到影響類型的過程[20].

表1 每噸煤焦油焚燒處置的環境負荷清單分析Table1 The environment load list of a ton of Coal tar

表2 環境影響識別分類Table 2 Identification and Classification of environmental impact

2.3.2 特征化根據表2所列的環境影響分類,特征化是根據環境影響指標分類,依據一定的模型將各編目分析的數據轉化為相應的環境影響指標[21].特征化通常采用相對定量的方法,即對每種環境影響指標選定一種參照物,將其他污染物的環境影響作用以這種參照物的當量表示[22].

根據公式(1)計算

對 2種生產情況下的環境負荷數據作標準化處理,環境負荷相對指數相比較的結果如圖 2所示.

表3 兩種生產情況下環境負荷比較Table 3 Identification and Classification of environmental impact

圖2 印染污泥2種處置條件下環境影響比較Fig.2 The environmental impact of sludge disposal under the conditions of dyeing

2.3.3 量化 在特征化后,為了得出2種生產情況下總的環境影響量化值,必須對各種環境影響類型間的權重進行確定.加權是使用基于價值選擇的數值系數,將不同的影響類型指標結果進行換算的過程,還可包括加權后參數結果的合并[23-25].研究使用層次分析法(AHP法)[26-30]與相對重要性標度法[31-34]結合根據現有的我國相關能源、資源、污染物排放數據以及專家意見,將各種環境影響重要性標度確定如表4所示:

表4 環境影響類型相對重要性標度Table 4 Relative importance of different environmental impact styles

經過計算,判斷指標(C.R=0.027)＜0.1,因此判斷矩陣A能夠通過一致性檢驗.即各種環境影響間的權重系數合理.最終得到的各種環境影響間的權重系數合理,如下表所示:

表5 各種環境影響的相對權重系數Table 5 Weight coefficient of different environmental impacts

根據環境負荷值以及表 5所列的環境影響相對權重系數,計算得出兩種處置情況下加權后危險廢物焚燒爐處置的環境負荷為 6.82×103a-1,燃煤電廠焚燒處置的環境負荷為 4.72×103a-1,危險廢物焚燒爐處置環境負荷值以及燃煤電廠焚燒處置環境負荷如表6所示.

表6 種生產情況下加權后的環境負荷比較Table 6 Comparison of weighted environmental load of tow production

2.4 生命周期解釋

5種環境負荷,就比例而言,兩種焚燒處置工藝基本相同;就負荷量而言,燃煤電廠焚燒處置的各項環境負荷均有明顯降低.降低比例由高到低依次為能源消耗(EDP)34.23%,人體健康損害(HT)31.07%,溫室效應(GWP)29.88%,環境酸化(AP)29.78%,資源消耗(ADP)29.74%.

能源消耗降幅最為明顯,主要原因是燃煤鍋爐引入煤焦油后將明顯減少燃煤的使用量;其次由于煤焦油焚燒后熱能被再次利用發電,較危險廢物焚燒爐電能消耗大幅較少,且電廠焚燒還可以輸出電能.環境酸化、人體健康危害和溫室效應減少主要也源于燃煤使用量的減少導致SO2、NOx的排放的減少.資源消耗減少是因為優化后前期運輸距離變小,焚燒過程不需助燃劑等因素導致柴油的使用量大幅較少造成的.

3 結語

通過將煤焦油送往燃煤電廠進行焚燒發電處置與原來的危險廢物焚燒爐處置相比較環境負荷量由 6.82×103a-1降到了 4.72×103a-1,降低幅度達到了 30.79%.也就是說,優化研究的結果不僅可以將廢物實現資源化再利用,而且還可以降低對環境的危害.

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致謝：本實驗的現場調研以及實驗樣品采集工作得到了山東省青島市固廢管理中心、青島市環科院以及青島市各相關企業的大力支持和幫助,在此表示感謝.

Optimization of printing and coal tar disposal and life cycle assessment.

MAI Shuai1,2, WANG Xing-run1*, MA Li-na1YAN Xiang-hua1, NONG Ze-xi1, TU Meng-bo2(1.Institute of Solid Waste Management, Chinese Research Academy of Environment Sciences, Beijing 100012, China；2.School of Chemical and Environmental Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing 100083, China). China Environmental Science, 2011,31(4)：700～704

According to the chemical and physical properties of coal tar, the optimization of Coal tar disposal program was advanced in this article. By normalizing environmental themes and utilizing AHP to quality weighting factors, Life Cycle Assessment (LCA) of the optimization program is processed systematically. The results showed that compared with the original disposition of the optimized process the environmental load reduces of 30.79%. In addition, coal-fired power can be used to produce electrical energy to realize resource recycling.

coal tar；life cycle assessment (LCA)；environmental load

X785

A

1000-6923(2011)04-0700-05

2010-08-23

國家“十一五”科技支撐計劃項目(2006BAC02A19,2007BAC16B03)

* 責任作者, 副研究員, wangxr@craes.org.cn.

買 帥(1985-),男,河南焦作人,中國礦業大學(北京)碩士研究生,主要從事固體廢物污染控制、固體廢物循環經濟等方面的相關研究工作.發表論文3篇.