煤焦油無害化處置研究及生命周期評(píng)價(jià)

買 帥,王興潤,馬麗娜,顏湘華,農(nóng)澤喜,屠夢(mèng)波(.中國環(huán)境科學(xué)研究院固體廢物污染控制技術(shù)研究所,北京 000；.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,北京 00083)

煤焦油無害化處置研究及生命周期評(píng)價(jià)

買 帥1,2,王興潤1*,馬麗娜1,顏湘華1,農(nóng)澤喜1,屠夢(mèng)波2(1.中國環(huán)境科學(xué)研究院固體廢物污染控制技術(shù)研究所,北京 100012；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,北京 100083)

根據(jù)煤焦油的物理化學(xué)性質(zhì),提出了將煤焦油送往燃煤電廠焚燒處置的優(yōu)化處置方案. 運(yùn)用環(huán)境影響指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化和 AHP權(quán)重定量法對(duì),煤焦油處置系統(tǒng)進(jìn)行了生命周期評(píng)價(jià)分析(LCA).結(jié)果表明,與原處置工藝相比,優(yōu)化后環(huán)境負(fù)荷降低了 30.79%;燃煤電廠焚燒將煤焦油焚燒產(chǎn)生的熱能可以轉(zhuǎn)化為電能,實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用.

煤焦油；生命周期評(píng)價(jià)(LCA)；環(huán)境負(fù)荷

煤焦油是煤在干餾熱解生成粗煤氣過程中產(chǎn)生的,是一種黑褐色粘稠液體,其產(chǎn)量約占裝爐煤的 3%～4%.煤焦油中含有上萬種有機(jī)化合物,目前可以鑒定出的僅有 500余種.煤焦油主要由多環(huán)芳香族化合物組成,烷基芳烴含量較少,高沸點(diǎn)組分較多,熱穩(wěn)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(jīng)國際癌癥研究中心(IARC)確認(rèn)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(wù)院列入《化學(xué)危險(xiǎn)品安全管理?xiàng)l例》,屬于危險(xiǎn)化學(xué)品.如果得不到合理的處置,有可能會(huì)對(duì)土壤、水體造成污染,如果進(jìn)行簡單焚燒會(huì)造成大氣污染[3].

目前,國內(nèi)外對(duì)煤焦油的處置方法主要是作為危險(xiǎn)廢物集中焚燒.通過焚燒能夠?qū)崿F(xiàn)有機(jī)污染物的氧化分解和減量化,并進(jìn)一步通過轉(zhuǎn)化為電能、熱能等形式,實(shí)現(xiàn)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(píng)價(jià)方法對(duì)比,探討了燃煤共處置與集中焚燒處置的環(huán)境影響.

1 燃煤電廠對(duì)煤焦油共處置可行性分析

1.1 技術(shù)可行性分析

一般而言,危險(xiǎn)廢物焚燒要求廢物應(yīng)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(yùn)營的燃煤電廠實(shí)現(xiàn)煤焦油共處置,那么焚燒溫度、氣體停留時(shí)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(shè)施時(shí)要嚴(yán)格按照《危險(xiǎn)廢物焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》,選擇滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的技術(shù)成熟的燃煤電廠共處置煤焦油[8-9].

燃煤電廠對(duì)煤焦油共處置技術(shù)的可行性還體現(xiàn)在以下幾點(diǎn):由于燃煤電廠燃料原煤因品質(zhì)等原因使得該工藝焚燒過程中對(duì)燃料具有較強(qiáng)的包容性[10];添加煤焦油前后對(duì)燃煤電廠發(fā)電工藝基本無任何影響[11];添加煤焦油前后焚燒產(chǎn)生的污染物成分基本沒有變化,不會(huì)產(chǎn)生污染轉(zhuǎn)移或二次污染現(xiàn)象[12];處置設(shè)置分布很廣、處置能力強(qiáng),煤焦油可以及時(shí)得到處置[13].

1.2 環(huán)境保護(hù)可行性分析

在環(huán)境保護(hù)方面,由于煤焦油在燃煤電廠處置過程中摻雜比較低,對(duì)煙氣的影響可以忽略不計(jì). 這里不妨做一個(gè)極端假設(shè),一臺(tái)裝機(jī)容量為600MW的機(jī)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(jìn)行焚燒處置,此時(shí)煤焦油在燃料中的比例約為0.03%[14].基本上無需對(duì)原工況做出調(diào)整.國內(nèi)很多大中型發(fā)電廠企業(yè)的固體廢渣和廢水已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了零排放,和危險(xiǎn)廢物焚燒爐的廢渣固化填埋相比較更合理[15].

2 環(huán)境影響負(fù)荷對(duì)比分析

運(yùn)用生命周期評(píng)價(jià)方法分別對(duì)功能單位為1t的煤焦油危險(xiǎn)廢物焚燒爐處置和燃煤電廠共處置過程的環(huán)境影響進(jìn)行系統(tǒng)的分析、評(píng)價(jià),有助于量化廢物處置過程中能源物質(zhì)消耗、廢棄物排放,及其對(duì)環(huán)境的影響.以此為依據(jù)為決策者在處理危險(xiǎn)廢物處置設(shè)施的新建、擴(kuò)建或優(yōu)化問題時(shí)提供一種理論評(píng)價(jià)體系.

2.1 研究目標(biāo)與范圍

研究目標(biāo)是 2種優(yōu)化處置方案的生命周期比較,以青島市某企業(yè)煤焦油處置過程數(shù)據(jù)為依據(jù)分析.第一種方案是指保持原有處置工藝不變即:采用危險(xiǎn)廢物旋轉(zhuǎn)窯式焚燒爐進(jìn)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(jī)總?cè)萘吭?00萬kW?h以上)部分替代燃煤進(jìn)行焚燒發(fā)電.電廠處置煤焦油前后生產(chǎn)工藝產(chǎn)生的變化情況與第一方案進(jìn)行比較.

系統(tǒng)邊界如圖1所示.

圖1 煤焦油處置生命周期評(píng)價(jià)邊界Fig.1 Life cycle assessment borders of disposal Coal tar

在分析過程中,重點(diǎn)考察生命周期能源消耗與環(huán)境排放,因此對(duì)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(shè)和設(shè)備制造過程中的物質(zhì)與能源消耗等指標(biāo)[16-17].基于此,構(gòu)造了一個(gè)相對(duì)封閉的生命周期系統(tǒng),便于進(jìn)行煤焦油處置生命周期的能源消耗與環(huán)境排放.

2.2 清單分析

清單分析主要在系統(tǒng)邊界內(nèi)列舉出與系統(tǒng)所消耗的資源能源數(shù)據(jù)以及該系統(tǒng)向外的排放數(shù)據(jù)[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(xiǎn)廢物焚燒爐處置設(shè)施的生產(chǎn)記錄,在保證原工況熱值不變的基礎(chǔ)上,計(jì)算得到輔助燃料的添加量,最后根據(jù)質(zhì)量守恒計(jì)算估算污染物的排放量和環(huán)保處置設(shè)施輸入物的用量.

2.3 環(huán)境影響評(píng)價(jià)

這里將環(huán)境影響評(píng)價(jià)分為環(huán)境影響分類、特征化、量化以及生命周期解釋4個(gè)部分[19].

2.3.1 分類 分類是一個(gè)將清單分析的結(jié)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(huán)境負(fù)荷清單分析Table1 The environment load list of a ton of Coal tar

表2 環(huán)境影響識(shí)別分類Table 2 Identification and Classification of environmental impact

2.3.2 特征化根據(jù)表2所列的環(huán)境影響分類,特征化是根據(jù)環(huán)境影響指標(biāo)分類,依據(jù)一定的模型將各編目分析的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的環(huán)境影響指標(biāo)[21].特征化通常采用相對(duì)定量的方法,即對(duì)每種環(huán)境影響指標(biāo)選定一種參照物,將其他污染物的環(huán)境影響作用以這種參照物的當(dāng)量表示[22].

根據(jù)公式(1)計(jì)算

對(duì) 2種生產(chǎn)情況下的環(huán)境負(fù)荷數(shù)據(jù)作標(biāo)準(zhǔn)化處理,環(huán)境負(fù)荷相對(duì)指數(shù)相比較的結(jié)果如圖 2所示.

表3 兩種生產(chǎn)情況下環(huán)境負(fù)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(huán)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(chǎn)情況下總的環(huán)境影響量化值,必須對(duì)各種環(huán)境影響類型間的權(quán)重進(jìn)行確定.加權(quán)是使用基于價(jià)值選擇的數(shù)值系數(shù),將不同的影響類型指標(biāo)結(jié)果進(jìn)行換算的過程,還可包括加權(quán)后參數(shù)結(jié)果的合并[23-25].研究使用層次分析法(AHP法)[26-30]與相對(duì)重要性標(biāo)度法[31-34]結(jié)合根據(jù)現(xiàn)有的我國相關(guān)能源、資源、污染物排放數(shù)據(jù)以及專家意見,將各種環(huán)境影響重要性標(biāo)度確定如表4所示:

表4 環(huán)境影響類型相對(duì)重要性標(biāo)度Table 4 Relative importance of different environmental impact styles

經(jīng)過計(jì)算,判斷指標(biāo)(C.R=0.027)＜0.1,因此判斷矩陣A能夠通過一致性檢驗(yàn).即各種環(huán)境影響間的權(quán)重系數(shù)合理.最終得到的各種環(huán)境影響間的權(quán)重系數(shù)合理,如下表所示:

表5 各種環(huán)境影響的相對(duì)權(quán)重系數(shù)Table 5 Weight coefficient of different environmental impacts

根據(jù)環(huán)境負(fù)荷值以及表 5所列的環(huán)境影響相對(duì)權(quán)重系數(shù),計(jì)算得出兩種處置情況下加權(quán)后危險(xiǎn)廢物焚燒爐處置的環(huán)境負(fù)荷為 6.82×103a-1,燃煤電廠焚燒處置的環(huán)境負(fù)荷為 4.72×103a-1,危險(xiǎn)廢物焚燒爐處置環(huán)境負(fù)荷值以及燃煤電廠焚燒處置環(huán)境負(fù)荷如表6所示.

表6 種生產(chǎn)情況下加權(quán)后的環(huán)境負(fù)荷比較Table 6 Comparison of weighted environmental load of tow production

2.4 生命周期解釋

5種環(huán)境負(fù)荷,就比例而言,兩種焚燒處置工藝基本相同;就負(fù)荷量而言,燃煤電廠焚燒處置的各項(xiàng)環(huán)境負(fù)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(yīng)(GWP)29.88%,環(huán)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(fā)電,較危險(xiǎn)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(huán)境酸化、人體健康危害和溫室效應(yīng)減少主要也源于燃煤使用量的減少導(dǎo)致SO2、NOx的排放的減少.資源消耗減少是因?yàn)閮?yōu)化后前期運(yùn)輸距離變小,焚燒過程不需助燃劑等因素導(dǎo)致柴油的使用量大幅較少造成的.

3 結(jié)語

通過將煤焦油送往燃煤電廠進(jìn)行焚燒發(fā)電處置與原來的危險(xiǎn)廢物焚燒爐處置相比較環(huán)境負(fù)荷量由 6.82×103a-1降到了 4.72×103a-1,降低幅度達(dá)到了 30.79%.也就是說,優(yōu)化研究的結(jié)果不僅可以將廢物實(shí)現(xiàn)資源化再利用,而且還可以降低對(duì)環(huán)境的危害.

[1] 王永軍.煤干餾生產(chǎn)半焦、煤焦油及干餾爐煤氣的發(fā)展前景 [J]燃料與化工, 2010,41(1):9-11.

[2] 姜玉山.國內(nèi)外煤焦油加工工業(yè)的發(fā)展探討 [J]. 煤炭加工與綜合利用, 2005,(3):40-43.

[3] 劉炳池.典型危險(xiǎn)廢物的熱處理特性研究 [D]. 浙江:浙江大學(xué)工程熱物理系, 2006.

[4] 李 旭,馮曉明,王 倩,等.探索石化固體廢物焚燒處置的最佳方案 [J]. 石油化工安全環(huán)保技術(shù), 2007,23(4):61-64.

[5] 劉志全,李金惠,聶永豐.中國危險(xiǎn)廢物污染防治技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)與政策分析 [J]. 中國環(huán)保產(chǎn)業(yè), 2000,(12):15-17.

[6] 王玉慶.危險(xiǎn)廢物污染防治技術(shù)指南 [M]. 北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社, 2004:8-10.

[7] 李香蘭,王仲英.低溫焦油餾分的組成和統(tǒng)計(jì)結(jié)構(gòu)表征 [J]. 分析測(cè)試技術(shù)與儀器, 1999,12(5):219-226.

[8] 朱自強(qiáng),徐 汛.化工熱動(dòng)力學(xué) [M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1993:251-259.

[9] 孫 海.熱電廠工藝過程的能量分析和研究 [J]. 新疆石油學(xué)院學(xué)報(bào), 2004,16(6):54-56.

[10] 韓子能,孫鳳江,韓 勇,等.燃煤鍋爐的氣/煤混燒技術(shù)改造 [J].工業(yè)爐, 2004,26(3):48-52.

[11] 韓昭滄.燃料及燃燒 [M]. 北京:冶金工業(yè)出版社, 1994:94-96.

[12] 買 帥,王興潤,馬麗娜,等.印染污泥無害化處置優(yōu)化研究及生命周期評(píng)價(jià) [J]. 環(huán)境工程, 2011,29(4):119-122.

[13] 楚憲峰,丁甫軍,田建茹等.黃島發(fā)電廠白泥海水脫硫的應(yīng)用研究 [J]. 環(huán)境科學(xué)研究, 2008,21(6):76-79.

[14] 洪 光.淺談火電廠配煤摻燒方法 [J]. 武漢電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào), 2007,9(5):35-34.

[15] 楊小華.火力發(fā)電技術(shù) [J]. 科技期刊文摘, 2007,119(2):62.

[16] 楊建新,王壽兵,徐 成.生命周期清單分析中的分配方法 [J] .中國環(huán)境科學(xué),1999,19(3):285-288.

[17] 謝明輝,李 麗,黃澤春,等.典型復(fù)合包裝的全生命周期環(huán)境影響評(píng)價(jià)研究 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2009,29(7):773-779.

[18] 王 靜,賓鴻贊.產(chǎn)品生命周期評(píng)價(jià)及其指標(biāo)體系的建立 [J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程, 2001,(3):1-2.

[19] 徐亦冬,吳 萍,周士瓊.粉煤灰再生混凝土生命周期評(píng)價(jià)初探[J]. 混凝土, 2004,(6):29-32.

[20] 李貴奇,聶祚仁,左鐵鏞.環(huán)境協(xié)調(diào)性評(píng)價(jià)(LCA)方法研究進(jìn)展[J]. 材料導(dǎo)報(bào), 2002,6(1):7-10.

[21] Bruder-Hubscher V, Lagarde F, Leroy M J F, et al. Utilization of bottom ash in road construction: evaluation of the environmental impact [J]. Waste Management and Research, 2001,19:545-556.

[22] 崔素萍,吳 紅,聶祚仁,等.水泥窯共處置固體廢棄物環(huán)境影響評(píng)價(jià) [J]. 中國水泥,2006,(7):50-52.

[23] 徐 成 楊建新.城市生活垃圾生命周期管理 [J]. 城市環(huán)境與城市生態(tài),1998,11(3):52-55.

[24] 張劍波,馮金敏.從生命周期評(píng)價(jià)看白色污染治理 [J]. 云南環(huán)境科學(xué), 2000,(8):96-101.

[25] 席德立,彭小燕.LCA 環(huán)境影響分析新探 [J]. 環(huán)境科學(xué), 1997,18(1):76-80.

[26] 張樹春. LCA與環(huán)境決策 [J]. 云南環(huán)境科學(xué), 1999,(12):23-24.

[27] 李海濤.新型干法水泥生產(chǎn)技術(shù)與設(shè)備 [M]. 化學(xué)工業(yè)出版社,2006.

[28] 孫文嫻,楊海真,王少平.全過程固體廢物管理研究進(jìn)展及其對(duì)我國相關(guān)管理的啟示 [J]. 四川環(huán)境, 2007,8(4):88-92.

[29] Mark Goedkoop, Renilde Sprinensma. The Eco-indicator 99: A damage oriented method for life cycle impact assessment, 2001.6,120-126.

[30] Birgisdottir H, Bhander Pihl K, et al. Environmental assessment of roads constructed with and without bottom ash from municipal solid waste incineration [J]. Transport Research Part D, 2006,11,358-368.

[31] 韓仲琦.水泥的生命周期評(píng)價(jià) [J]. 水泥技術(shù), 2006,2:23-25.

[32] 王宣同,唐孝炎,胡建信.中國殺蟲劑類POPs生命周期評(píng)價(jià)方法框架研究 [J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù), 2005,(5):78-80.

[33] ISO14040 Environment management life-cycle assessment principles and framework, 1997.

[34] 狄向華,聶祚仁,左鐵鏞.中國火力發(fā)電燃料消耗的生命周期排放清單 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2005,25(5):632-635.

致謝：本實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研以及實(shí)驗(yàn)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(huán)科院以及青島市各相關(guān)企業(yè)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(jì)劃項(xiàng)目(2006BAC02A19,2007BAC16B03)

* 責(zé)任作者, 副研究員, wangxr@craes.org.cn.

買 帥(1985-),男,河南焦作人,中國礦業(yè)大學(xué)(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(huán)經(jīng)濟(jì)等方面的相關(guān)研究工作.發(fā)表論文3篇.