生活垃圾焚烧处理方式的生命周期评价

纪丹凤，夏训峰，席北斗，海热提·涂尔逊，苏 婧

（1.中国环境科学研究院，北京100012；2.北京化工大学，北京100029）

生活垃圾焚烧处理方式的生命周期评价

纪丹凤1，2，夏训峰1，席北斗1，海热提·涂尔逊2，苏 婧1

（1.中国环境科学研究院，北京100012；2.北京化工大学，北京100029）

与填埋、堆肥处理相比，生活垃圾焚烧处理在减量化和资源化方面有着巨大的优势，在未来将成为大城市生活垃圾的主要处理方式。采用生命周期评价方法，对不同余热利用和尾气处理方式下的生活垃圾焚烧处理方案对环境的影响进行评价。结果表明，在尾气处理系统中，干法、湿法、半干法3种酸性气体处理方式中，湿法处理的环境影响潜值最小，但是其资源耗竭系数最大。添加SNCR脱氮系统可以在酸性气体净化基础上将环境影响潜值降低70%左右，而资源耗竭系数变化不大。在单纯供热、供电和热电联供3种余热利用方式中，单纯供电的热利用效率最低，直接供热的热利用效率最高。

城市生活垃圾；焚烧处理；生命周期评价

随着人口不断增长，垃圾产生量不断增大，以填埋为主的处理方式正在与人们抢占着宝贵的土地。目前北京运行的填埋场大部分建成于2000年左右，设计使用寿命为10～20年，少数不到10年，城区部分填埋场存在超负荷运转现象。随着全球资源和环境危机以及可持续发展思想的出现，使人们不仅仅将城市生活垃圾视为一种污染物而进行处理，而是渐渐地将其作为一种可再生利用的宝贵资源[2]。北京市生活垃圾处理的减量化和资源化是必然要求。

生活垃圾的焚烧处理是一种行之有效的减量化和资源化处理方式，对解决“垃圾围城”这一难题具有积极作用，且符合我国循环经济发展要求，逐渐成为大中型城市的垃圾处理方式[3]。

在同一种生活垃圾处理方式中，采用不同的处理技术和二次污染治理方式，对其资源消耗和环境保护有着重大的影响。

影响焚烧处理过程的最主要因素的是二次污染物排放和资源消耗。其能源回收方式常见的有直接喷水冷却和余热锅炉。喷水冷却的方式对于烟气降温简单有效，但是不能回收能源，同时，因其尾气温度低、易形成白雾等原因，目前不被广泛采用。余热锅炉利用有发电、供热、热电联产3种方式，其能源利用效率各不相同。目前我国自主设计的供热锅炉热效率可以达到65%，热电联产可以达到50%，而单纯发电的热效率只能达到23%。烟气治理方式目前主要应用的有湿法、干法、半干法，针对NOx的净化工艺有SCR和SNCR以及氧化吸收等多种形式，针对重金属和二恶英，通常采用活性炭喷射吸附工艺[4]。

分别选取以下6种垃圾焚烧处理方案：（A）余热发电+干法吸收；（B）余热发电+半干法；（C）余热发电+湿法；（D）余热发电+半干法净化+SNCR+活性炭喷射；（E）供热锅炉+半干法净化+SNCR+活性炭喷射；（F）热电联供+半干法净化+SNCR+活性炭喷射，采用生命周期评价（Life Cycle Assessment，LCA）的方法对其进行评价。

1 生命周期评价方法

环境管理手段从开始至今，经历了末端管理、过程管理和产品系统管理3个阶段。学者们已经发明了许多方法用来描述环境影响[5]，生命周期评价方法是一种在产业界、政府和消费者3种驱动力作用下，逐渐形成的面向产品系统的环境管理工具[6]。国际环境毒理学和化学学会（SETAC）对LCA的定义是：通过对能源、原材料消耗及“三废”排放的鉴定及量化来评估一个产品、过程或活动对环境带来负担的客观方法。国际标准化组织（ISO）对LCA的定义是：汇总和评估一个产品（或服务）体系在其整个生命周期间的所有投入及产出对环境造成潜在影响的方法[7]。

LCA的思想最早萌生于20世纪60年代末至70年代初美国开展的一系列针对包装品所进行的资源、环境分析[8]，当科学家们关注化石燃料的迅速耗竭时，LCA就作为理解能源消费的影响的方法[9]。到20世纪80年代，由于环境问题日益严重，人们对LCA的兴趣才逐渐从对产品系统能源消耗的分析转向对环境排放问题的研究。20世纪80年代后期到90年代早期，欧洲不少制造领域（包括塑料、洗涤剂、个人用品、汽车）的公司已建立了内部LCA研究机构，并发起生命周期清单分析方面合作。目前LCA已渗透到农业、矿业、石油、天然气采掘、建筑、制造工业和零售业。生命周期评价是一种可持续的环境管理工具，同时也是一种定量化决策工具，其应用领域非常广泛，目前在固体废物处理方面也广泛应用。徐成、杨建新等[10]提出了将生命周期评价应用到生活垃圾管理中；徐成、杨建新等将生命周期评价应用到广汉市生活垃圾处理中[6]；蔡宝森、杜玲枝等对平顶山市生活垃圾进行了生命周期评价[11]；李娜、王根绪等[12]和韦保仁、王俊等[13]分别对成都市和苏州市的生活垃圾处理方式进行了生命周期评价。

2 目标和范围的确定

生命周期评价的实施步骤分为目标和范围定义、清单分析、影响评价和结果解析4个部分[14]。评价的目标是通过生命周期评价的方法，对比不同余热利用和尾气净化方式下生活垃圾焚烧处理的环境负荷，分析采用不同处理方案对电力、燃油等能源消耗，以及向大气、水体和土壤中排放的污染物对环境造成的影响。

因为是对不同处理方式的比较，所以研究系统边界定为从进入垃圾处理站开始，包括预处理、垃圾处理、二次污染控制等过程，收集转运过程不包含在内；处理过程中经分选的可回收物会进入新的循环使用，也不包含在本研究范围内。本研究的功能单位为处理1 t垃圾的量。

3 清单分析

数据清单分析（LCI）是指对前一阶段所确定的系统边界内的所有过程（如原材料的开采、加工、产品制造、包装和运输、消费、回收处理等）对资源和能源消耗及环境排放进行量化和合理性分析，并制定出一个清单表，即输入、输出表。

设计生活垃圾焚烧处理量1 200 t/d，余热利用方式按供热、供电、热电联产的热利用率分别为65%、18%和50%[4]计算，不同净化工艺对酸性气体的净化效率见表1。

表1 各种净化工艺的酸性气态污染物净化效率[4]%

根据IPCC推荐的公式，结合北京市拟建的六里屯垃圾焚烧中心、高安屯垃圾焚烧厂及顺义生活垃圾综合处理厂的设计参数，得到6种工艺组合下生活垃圾焚烧处理的生命周期清单，见表2。

4 影响评价

生命周期影响评价（LCIA）是LCA评价的第三部分，是对清单分析中所提供的资源消耗以及污染物排放对环境所造成的压力进行定性和定量评价的过程。通过使用与清单分析结果相关的影响类型和类型参数，从环境角度审查不同的垃圾处理方案。

4.1 影响潜值的计算

一般而言，环境影响类型可归纳为资源耗竭和环境污染两类，根据生活垃圾成分及处理方式的特点，选取的影响类型包括以下4种：全球变暖、酸化、富营养化和光化学臭氧合成。

产品环境影响潜值指的是整个产品体系中所有环境排放影响总和或资源消耗的总和，即：

式中：EP（j）为产品系统对第j种潜在环境影响的贡献，kg/t垃圾；EP（j）i为第 i种物质对第 j种潜在环境影响的贡献，kg/t垃圾；Qi为第i种物质的排放量，kg/t垃圾；EF（j）i为第i种物质对第j种影响的当量因子。

6种处理方式的环境影响潜值见表3。

表2 6种组合工艺下的生命周期清单

表3 6种不同工艺组合下的环境影响潜值

4.2 数据标准化

数据标准化的目的是各环境影响类型的相对大小提供一个可比较的标准。标准化过程主要是建立标准化基准。采用1990年人均环境影响潜值作为环境影响基准，即：

式中：ER（j）1990为1990年全球或地区人均环境影响潜值，kg/（人·a）；EP（j）1990为1990年全球或地区总环境影响潜值，kg；Pop1990为1990年全球或地区人口，人。

根据北京的地理环境特点，采用杨建新等[12]建立中国特定条件的基准值中中国东部基准值，见表4。

表4 中国环境影响潜值基准值和权重[12]

资源耗竭采用人均资源消耗量[15]。标准化后的资源消耗潜值为：

式中：RC（j）为产品的资源消耗；RR（j）1990为 1990 年全球或地区人均资源消耗量（资源基准值）。

杨建新等[12]的研究提供的1990年人均资源消耗量（资源基准值）见表5。

表5 1990年主要资源消耗量和人均储藏量

4.3加权评估

对标准化后的数据赋予不同的权重，才能将不同影响类型的环境影响潜值进行比较。目前对权重的确定方法有很多，包括目标距离法、模糊逻辑法、专家打分法、层次分析和相对重要性标度法[16，17]等。本研究采取比较客观的目标距离法，即某种环境效应的严重性表现为当前水平与目标水平之间的距离。

式中：ER（j）1990为1990年全球或地区人均环境影响潜值，kg/（人·a）；ER（j）T2000为2000年标准化基准，kg/（人·a）。

中国环境影响潜值权重见表4。

针对资源消耗，采取资源稀缺性作为确定权重的原则。采用各种资源消耗量其蕴藏量的相对比例关系（资源可供应期）来表述其稀缺性。因此，资源消耗的加权表示为：

式中：WR（j）为加权后的资源消耗，PRW1990；WF（j）为资源可供应期的倒数，1/a；RES（PE）1990为 1990 年人均蕴藏量。主要资源的可供应期见表5。

4.4 环境影响负荷

经过加权的各种环境影响潜值具有了可比性，可以相加综合成一个简单的指标，称为环境影响负荷（EIL）。

对于资源消耗，将所有加权后的资源消耗潜值累计，得到资源耗竭系数RDI。

6种处理方式的环境影响负荷分别见表5～表11。

表6 方案A的环境影响负荷（方案A：余热发电+湿法净化+活性炭喷射）

表7 方案B的环境影响负荷（方案B：余热发电+干法净化+活性炭喷射）

表8 方案C的环境影响负荷（方案C：余热发电+半干法净化+活性炭喷射）

表9 方案D的环境影响负荷（方案D：余热发电+半干法净化+SNCR+活性炭喷射）

表10 方案E的环境影响负荷（方案E：供热锅炉+半干法净化+SNCR+活性炭喷射）

表11 方案F的环境影响负荷（方案F：热电联供+半干法净化+SNCR+活性炭喷射）

5 结果与分析

通过余热利用和烟气处理不同工艺的6种组合的环境影响潜值（表12）可以看出，在余热利用方式相同的条件下，从湿法、干法、半干法三种烟气净化方式（方案A，B，C）的对比中可以看出，半干法处理的环境影响最大，湿法处理的环境影响潜值最小。但是湿法烟气净化系统与干法、半干法烟气净化系统相比，其资源耗竭潜值明显过高。

而焚烧产生的大量NOx是酸化、富营养化和全球变暖的主要因素，采用SNCR技术脱氮后（方案D、E、F），其环境影响潜值比未采用SNCR的方案降低了60%左右。使得干法、湿法和半干法处理的环境影响潜值的差别不再显著。

表12 6种工艺组合的环境影响潜值

表13 6种工艺组合的资源耗竭系数

图1 6种处理方案的环境影响负荷

余热利用方式对资源耗竭系数的影响很大，通过表13可以看出，余热发电的余热利用率较低，直接供热的热利用率最高。采用直接供热和热电联供方式的利用效率远高于单纯供电，其资源化利用的大量能量足以抵消处理过程的能源消耗，使得其资源耗竭系数为负。所以在余热利用方式上应优先考虑直接供热。但是供热存在传输距离的问题，所以热电联供是一种好的利用形式，增加供热比例有助于提高余热利用率。

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Life cycle assessment on municipal solid waste incineration

JI Danfeng1，2，XIA Xunfeng1，XI Beidou1，HAIRETI Tursun2，SU Jing1
（1.Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China 2.Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China）

Municipal solid waste (MSW)management system is facing the requirement of reducing and recycling.Compared to landfill,compost and other disposal methods,incineration is superior in reducing and recycling.So it will become the main disposal approach in big cities.The Life Cycle Assessment(LCA)is proposed in this study to evaluate the environment infection of 6 disposal approaches,which are different in tail gas treatment and heat reuse.The conclusion turns out that the environment impact potential value of wet gas treatment is the lowest,but its resource consumption is high.The SNCR treatment could reduce the environment impact potential by about 70%,with little change in resource consumption.Among the 3 heat reuse methods,direct heating has the highest efficiency,while the mere power supply has the lowest efficiency.

municipal solid waste;incineration;life cycle assessment

X799.3

A

1674-0912（2010）05-0028-05

2010－04－21）

国家重点基础研究发展计划（973）项目（2005CB724203）；国家环境管理决策支撑关键技术研究课题（2007BAC16B03）

纪丹凤（1981-），女，北京人，硕士研究生，主要从事固体废物管理研究。