造紙污泥干燥焚燒的生命周期評價

肖漢敏　黃喜鵬　黃偉豪　尹江洋

(東莞理工學院，廣東省分布式能源系統(tǒng)重點實驗室,廣東東莞，523808)

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造紙污泥干燥焚燒的生命周期評價

肖漢敏黃喜鵬黃偉豪尹江洋

(東莞理工學院，廣東省分布式能源系統(tǒng)重點實驗室,廣東東莞，523808)

摘要：以造紙污泥為研究對象,應用生命周期評價方法對造紙污泥干燥焚燒的生命周期進行清單分析,以獲得造紙污泥干燥焚燒處理方式的能耗及其對環(huán)境的影響,實現(xiàn)對全球變暖(GW)、大氣酸化(AC)、水體富營養(yǎng)化(NE)以及煙塵和灰塵(SA)等環(huán)境影響的定量化,以獲得污泥處理對環(huán)境影響的程度和趨勢。

關鍵詞：造紙污泥；干燥；焚燒；生命周期評價；環(huán)境影響

據“2014年中國紙業(yè)發(fā)展報告”[1],我國2014年全年紙漿的產量為1645.6萬t,全年機制紙和紙板產量為11800萬t,全年紙制品產量為6634.9萬t。這些數(shù)據背后,伴隨著龐大的污泥產量。根據統(tǒng)計,平均每生產1 t紙,在廢水處理二沉池中要產生65 kg的污泥(絕干),即相當于325 kg含水率80%的污泥[2],因此，2014年全國機制紙和紙板11800萬t的產量要產生大約3835萬t含水率80%的造紙污泥，這一產量要比相同規(guī)模的市政污水處理廠的污泥產量高很多。

污泥具有含水率高(一般可達到25%～98%)、體積大、難以處理,并且熱值低,氣味難聞,含大量有害物質等特點。若污泥的處理不恰當則會對自然環(huán)境造成危害,主要包括惡化水源水質,污染土壤，污染農作物等。目前,造紙污泥的處理方式主要有填埋、堆肥與土地利用、焚燒發(fā)電,另外還有污泥碳化處理、熱解制油、熱解制氫、熱解氣化以及水熱處理等尚處于研究階段的方法。其中污泥的干燥焚燒有著減量化、無害化、穩(wěn)定化以及資源化的優(yōu)點[3-5],如今已經受到越來越多的重視,在未來將會逐漸替代污泥填埋這種方式。

本研究利用生命周期分析的方法,分析造紙污泥生命周期內的能源消耗、物質利用、廢棄物排放及環(huán)境影響。

1造紙污泥干燥焚燒過程的生命周期清單分析

1.1研究目標和研究范圍

本研究以東莞市某造紙廠為實例展開分析,通過統(tǒng)計研究不同生命周期階段的能源消耗和各種廢物排放量,充分了解污泥干燥焚燒對環(huán)境的影響,從而對污泥干燥焚燒處理方式進行客觀的評價和提供更有效的改進途徑。

灰渣處置方式多種多樣、靈活多變,這里不把灰渣的處置放在生命周期的研究范圍內,本研究邊界是從造紙廠機械脫水后的污泥開始(含水率為75%左右),直到污泥(含水率為36%)的燃燒發(fā)電最終處置為止,以機械脫水后的100 kg含水率75%的污泥為單位。

1.2造紙污泥干燥焚燒的總過程

1.2.1污泥干燥過程

板框壓濾機濃縮脫水后的污泥含水率為75%,由于含水率過高導致低位發(fā)熱量太低,無法直接在焚燒爐內燃燒,故利用除濕干燥機使污泥干燥成為含水率36%,含水率36%的污泥其低位發(fā)熱量就能滿足在循環(huán)流化床焚燒爐內的燃燒[6]。

造紙污泥的元素分析和工業(yè)分析如表1和表2所示。

表1　造紙污泥元素分析結果　%

表2　造紙污泥工業(yè)分析結果　%

東莞市某造紙廠,將含水率75%的造紙污泥干燥成為含水率36%的處理量為4720 kg/h,日處理量約113.28 t,除濕干燥機需蒸發(fā)的水分為2876.368 kg/h,即日除水量約為69.03 t。

造紙廠使用的除濕干燥機為晟啟能源設備有限公司的DBDMB36000型熱泵除濕干燥機,該除濕干燥機在最大除濕量36 t/d時的總功率為385 kW,所以該造紙廠廢水處理需要使用2臺該型號的除濕干燥機。經過計算可知，平均每除1 kg水分，需消耗924 kJ電量,即耗電量為0.2567 kWh/kg(H2O)。所以每干燥100 kg含水率75%的造紙污泥(即蒸發(fā)60.94 kg水分)需要消耗15.64 kWh的電量。

因除濕干燥機使用熱泵供熱,除濕方式為低溫密閉式除濕,無臭氣外溢(H2S、NH3析出量極少),熱風在除濕干燥機內密閉循環(huán),所以不會帶出污染物而影響環(huán)境,運行所需能耗由燃燒發(fā)電系統(tǒng)提供,故干燥過程除冷凝水外無其他排放物。

1.2.2污泥焚燒過程

該廠配套建設25 MW的直接燃燒發(fā)電系統(tǒng),運行過程所需能耗由燃燒發(fā)電系統(tǒng)自身提供。運行過程中,污泥在焚燒爐中燃燒產生煙氣,煙氣在汽輪機中做功輸出電能,而乏氣則排放在環(huán)境中。

發(fā)電系統(tǒng)的整體發(fā)電效率為25%,經測試含水率36%的污泥低位發(fā)熱量為6565.4 kJ/kg,100 kg含水率75%的造紙污泥干燥為含水率36%,需蒸發(fā)60.94 kg水分,剩余含水率36%的污泥為39.06 kg，所釋放熱量為256444.524 kJ,總發(fā)電量為17.809 kWh。其中總發(fā)電量的10%為系統(tǒng)自用電量1.7809 kWh,實際輸出電量為16.028 kWh。因除濕干燥機所耗電量15.64 kWh由燃燒發(fā)電系統(tǒng)提供,16.028 kWh扣除15.64 kWh,最終輸出電量為0.388 kWh。造紙污泥每日處理量為113.28 t,所以每日總發(fā)電量為20174.035 kWh,而每日的最終輸出電量為439.526 kWh。

該燃燒發(fā)電系統(tǒng)的C轉化率約為90%,因此大約有90%的C最終排放入大氣中,剩下10%的C殘留于灰渣中被帶出系統(tǒng)。假設污泥燃燒充分,沒有CO產生,這90%的C都成為CO2排放入大氣中,污泥燃燒過程中S完全轉化為SO2并排放入大氣中,焚燒污泥所產生的NOx量與燃燒同等質量標準煤所產生的NOx量近似相等。所以每燃燒39.06 kg污泥向大氣的排放物為：CO220.098 kg、SO20.627 kg、NOx0.491 kg、煙塵0.028 kg、灰渣14.539 kg。

1.2.3運輸過程

在整個研究范圍內,主要的運輸過程是除濕干燥后的污泥，即含水率36%的污泥運輸?shù)饺紵l(fā)電系統(tǒng)以及焚燒處理后灰渣的運輸。每100 kg含水率75%的造紙污泥，需要運輸39.06 kg污泥(含水率為36%)以及14.539 kg灰渣,現(xiàn)使用5 t裝載量的柴油貨車運輸,運輸過程的單位柴油消耗量為0.04 L/(t·km),運輸過程中貨車的排放物中,對環(huán)境影響最大的排放物主要是CO2、SO2、NOx。

目前,在國內,5 t裝載量的柴油貨車每消耗1 L柴油,排放物為：CO22.59 kg、SO20.002 kg、NOx0.01 kg[7]。該造紙廠廢水處理廠與焚燒點距離約15 km,每39.06 kg污泥(含水率36%)的運輸過程需要消耗柴油量為23.436 mL；假設灰渣從焚燒點被運輸?shù)教盥顸c或利用點的平均距離為20 km,則每14.539 kg灰渣的運輸過程需要消耗柴油量為11.631 mL,兩個運輸過程一共消耗柴油量為35.067 mL,所以每日運輸所消耗柴油量為39.723 L。

經計算,每處理100 kg含水率75%的造紙污泥,在運輸過程向大氣的排放物為：CO20.0908 kg、SO20.0000701 kg、NOx0.000351 kg。

表3　造紙污泥干燥焚燒的生命周期各階段能耗和排放情況

1.2.4整個生命周期

根據上面的分析,在整個造紙污泥干燥焚燒發(fā)電過程中,除濕干燥和發(fā)電所需能耗由燃燒發(fā)電系統(tǒng)自身的發(fā)電量提供,無需額外耗能,在整個造紙污泥干燥焚燒的生命周期研究范圍內只有運輸過程需要額外的能源。

造紙污泥的干燥、焚燒和運輸各過程整個生命周期內，每處理100 kg含水率75%的造紙污泥對外輸出的電量為0.388 kWh,產生的待處置灰渣為14.539 kg,對大氣環(huán)境的總排放為：CO220.189 kg、SO20.627 kg、NOx0.491 kg、煙塵0.028 kg。造紙污泥干燥焚燒的生命周期各階段的能耗和排放情況如表3所示。

2生命周期影響評價(LCIA)

2.1影響評價方法

影響評價實際上是使用定量法或定性法對清單分析過程所得到的環(huán)境影響負荷(這里主要為CO2、SO2、NOx)進行表征評價,即獲得造紙污泥干燥焚燒生命周期內的能量交換和物質交換對外部環(huán)境的影響。生命周期的影響評價必須考慮造紙污泥干燥焚燒對生態(tài)環(huán)境以及人體健康的影響。

2.1.1分類

根據研究目標和研究范圍所確定的研究系統(tǒng)邊界以及清單分析過程所獲得的處理過程數(shù)據清單,對造紙污泥干燥焚燒的生命周期內所導致的環(huán)境影響進行分類。造紙污泥干燥焚燒的綜合影響有能源消耗、物質利用、污染物排放影響和其他影響4類,其中污染物排放影響包括了全球變暖(GW)、大氣酸化(AC)、水體富營養(yǎng)化(NE)以及煙塵和灰塵(SA)；其他影響有環(huán)境噪聲等。

2.1.2特征化

在2.1.1對環(huán)境影響分類后,利用環(huán)境負荷指標法把同一影響類型的不同影響因子進行計算和總結,設法獲得各個不同影響類型的綜合環(huán)境負荷。環(huán)境負荷(Environmental Burden,簡稱EB)是一個量化數(shù)值,指一種排放物對特定環(huán)境類型潛在影響的程度。EB不但可以反映排放物的質量,還能反映每種排放物對環(huán)境帶來的潛在影響程度。EB可以用公式(1)計算獲得。

(1)

式中，i指排放物中第i種化學物質；n指所含的化學物質總數(shù);Wi是第i種化學物質的質量；PFi是第i種物質對某個環(huán)境類型影響的潛能因子(Potential Factor,簡稱PF),指一種化學物質影響某個環(huán)境類型的潛在能力。PF如表4所示。

表4　環(huán)境影響的PF

2.1.3量化

結合造紙污泥干燥焚燒處理過程的特點,使用層次分析法(AHP)對造紙污泥干燥焚燒生命周期的環(huán)境影響進行量化。

以國際標準化組織ISO14040的框架為標準,在完成影響評價的分類、特征化、量化3個步驟之后,再加上環(huán)境影響潛值的標準化、加權評估及環(huán)境影響負荷的計算,以更好地對造紙污泥干燥焚燒的環(huán)境影響進行分析和評價。

2.2污染物排放影響特征化

假設造紙污泥干燥焚燒的生命周期所經歷的時間為3個月,計算使用的PF如表4所示,則污染物排放的環(huán)境影響負荷EB(GW、AC、NE、SA)經計算結果如下。

(1)GW：EB(GW)為159.316 kg/a,其中主要的影響來源于CO2和NOx,CO2為80.756 kg/a,NOx為78.56 kg/a。

(2)AC：EB(AC)為3.8828 kg/a,其中主要的影響來源于SO2和NOx,SO2為2.508 kg/a,NOx為1.3748 kg/a。

(3)NE：計算EB(NE)需要用到排放物中N的質量,所以要計算出0.491 kg的NOx中N的質量,因NO2=0.9NOx(日平均濃度),NO2=0.75NOx(年平均濃度),由于造紙污泥干燥焚燒周期時間較長,故按照NO2=0.75NOx(年平均濃度)來計算,可得到NO2質量為0.3683 kg,繼而得到排放物中N的質量為0.1121 kg,所以EB(NE)為0.4484 kg/a,全部的影響都來源于NOx。

(4)SA：EB(SA)為0.028 kg/a,全部的影響都來自污泥焚燒過程中所產生的煙塵。

2.3污染物排放影響量化

通過賦予GW、AC、NE、SA一定的標度值,可以構建以下判斷矩陣對環(huán)境影響進行量化,環(huán)境影響判斷矩陣如表5所示。

表5　環(huán)境影響判斷矩陣

運用層次分析法(AHP),可計算獲得這個矩陣的特征向量為W=[0.466,0.277,0.161,0.096]T,這里0.466、0.277、0.161、0.096分別是GW、AC、NE、SA的權重。

用CI=(λmax-n)/(n-1)=0.01檢驗判斷矩陣的一致性,矩陣最大特征值λmax=4.031。當n=4時,RI=0.90,則CR=CI/RI=0.01/0.90=0.011小于0.10,說明上述評判矩陣有著很好的一致性,上述GW、AC、NE、SA各個權重可以使用。

環(huán)境影響綜合指數(shù)Ia的值為GW的(0.466·159.316)加上AC的(0.277·3.8828)加上NE的(0.161·0.4484)加上SA的(0.096·0.028),經計算可得到造紙污泥干燥焚燒的生命周期對環(huán)境的影響綜合指數(shù)為75.392 kg/a。

2.4加權評估及污染物排放環(huán)境影響負荷

在生命周期評價理論中，對于全球性環(huán)境影響采用全球尺度的基準；地區(qū)性環(huán)境影響采用地區(qū)或是國家的相應標準；對于局地性環(huán)境影響通常采用國家或是某一地區(qū)的相應基準。基準的計算既關系到數(shù)據標準化過程，也影響后面的評估過程。

為了方便比較生命周期內中不同類型的環(huán)境影響,對使用中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心利用標距離法計算出的“中國環(huán)境影響潛值標準人當量基準值和權重”數(shù)據進行標準化處理和加權評估,以便分析和比較不同影響類型的環(huán)境影響負荷[10]。

對2.2中計算所得的環(huán)境負荷(數(shù)值上與影響潛值相等)進行標準化,可得GW為18.31、AC為107.86、NE為7.35、SA為1.56。然后對這些數(shù)據進行加權分析,最后利用加權后的影響潛值計算不同影響類型的環(huán)境影響負荷和總環(huán)境影響負荷。詳細數(shù)據以及計算所得的結果如表6所示。

表6　影響潛值標準化和加權分析結果

從表6中可得總環(huán)境影響負荷為100.25,其中GW、AC、NE、SA占總環(huán)境影響負荷的百分比分別為15.16%、78.53%、5.36%、0.95%。

3結論

根據計算結果可知,在造紙污泥干燥焚燒的生命周期內對自然環(huán)境的最大影響為大氣酸化(AC),全球變暖(GW)和水體富營養(yǎng)化(NE)次之,對自然環(huán)境影響最小的為煙塵和灰塵(SA),即大氣酸化>全球變暖>水體富營養(yǎng)化>煙塵和灰塵。結果表明,在造紙污泥干燥焚燒的生命周期中對環(huán)境的影響,地區(qū)性影響占據著主要地位,其次是全球性影響,而局地性影響最小。

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(責任編輯：常青)

Life Cycle Assessment of Paper Sludge Drying and Combustion

XIAO Han-min*HUANG Xi-pengHUANG Wei-haoYIN Jiang-yang

(KeyLabofDistributedEnergySystemsofGuangdongProvince,DongguanUniversityofTechnology,Dongguan,GuangdongProvince, 523808) (*E-mail: xiaohm@dgut.edu.cn)

Abstract：Taking the paper sludge as the research object, using life cycle assessment to analyze the inventory of paper sludge drying and combustion, in order to obtain the energy consumption and its impact on the environment, to quantify its environmental impact such as global warming, atmospheric acidification, eutrophication of water body, dust and ash, finally to understand the extent and trend of sludge treatment plant’s impact on the environment.

Key words：paper sludge; drying； combustion; life cycle assessment; environmental impact

中圖分類號：X820.3

文獻標識碼：A

DOI：10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.03.008

收稿日期：2015-12-17(修改稿)

作者簡介：肖漢敏先生，博士；主要從事高效低污染燃燒的研究。

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