肖汉敏 黄喜鹏 黄伟豪 尹江洋
(东莞理工学院,广东省分布式能源系统重点实验室,广东东莞,523808)
造纸污泥干燥焚烧的生命周期评价
肖汉敏黄喜鹏黄伟豪尹江洋
(东莞理工学院,广东省分布式能源系统重点实验室,广东东莞,523808)
摘要:以造纸污泥为研究对象,应用生命周期评价方法对造纸污泥干燥焚烧的生命周期进行清单分析,以获得造纸污泥干燥焚烧处理方式的能耗及其对环境的影响,实现对全球变暖(GW)、大气酸化(AC)、水体富营养化(NE)以及烟尘和灰尘(SA)等环境影响的定量化,以获得污泥处理对环境影响的程度和趋势。
关键词:造纸污泥;干燥;焚烧;生命周期评价;环境影响
据“2014年中国纸业发展报告”[1],我国2014年全年纸浆的产量为1645.6万t,全年机制纸和纸板产量为11800万t,全年纸制品产量为6634.9万t。这些数据背后,伴随着庞大的污泥产量。根据统计,平均每生产1 t纸,在废水处理二沉池中要产生65 kg的污泥(绝干),即相当于325 kg含水率80%的污泥[2],因此,2014年全国机制纸和纸板11800万t的产量要产生大约3835万t含水率80%的造纸污泥,这一产量要比相同规模的市政污水处理厂的污泥产量高很多。
污泥具有含水率高(一般可达到25%~98%)、体积大、难以处理,并且热值低,气味难闻,含大量有害物质等特点。若污泥的处理不恰当则会对自然环境造成危害,主要包括恶化水源水质,污染土壤,污染农作物等。目前,造纸污泥的处理方式主要有填埋、堆肥与土地利用、焚烧发电,另外还有污泥碳化处理、热解制油、热解制氢、热解气化以及水热处理等尚处于研究阶段的方法。其中污泥的干燥焚烧有着减量化、无害化、稳定化以及资源化的优点[3-5],如今已经受到越来越多的重视,在未来将会逐渐替代污泥填埋这种方式。
本研究利用生命周期分析的方法,分析造纸污泥生命周期内的能源消耗、物质利用、废弃物排放及环境影响。
1造纸污泥干燥焚烧过程的生命周期清单分析
1.1研究目标和研究范围
本研究以东莞市某造纸厂为实例展开分析,通过统计研究不同生命周期阶段的能源消耗和各种废物排放量,充分了解污泥干燥焚烧对环境的影响,从而对污泥干燥焚烧处理方式进行客观的评价和提供更有效的改进途径。
灰渣处置方式多种多样、灵活多变,这里不把灰渣的处置放在生命周期的研究范围内,本研究边界是从造纸厂机械脱水后的污泥开始(含水率为75%左右),直到污泥(含水率为36%)的燃烧发电最终处置为止,以机械脱水后的100 kg含水率75%的污泥为单位。
1.2造纸污泥干燥焚烧的总过程
1.2.1污泥干燥过程
板框压滤机浓缩脱水后的污泥含水率为75%,由于含水率过高导致低位发热量太低,无法直接在焚烧炉内燃烧,故利用除湿干燥机使污泥干燥成为含水率36%,含水率36%的污泥其低位发热量就能满足在循环流化床焚烧炉内的燃烧[6]。
造纸污泥的元素分析和工业分析如表1和表2所示。
表1 造纸污泥元素分析结果 %
表2 造纸污泥工业分析结果 %
东莞市某造纸厂,将含水率75%的造纸污泥干燥成为含水率36%的处理量为4720 kg/h,日处理量约113.28 t,除湿干燥机需蒸发的水分为2876.368 kg/h,即日除水量约为69.03 t。
造纸厂使用的除湿干燥机为晟启能源设备有限公司的DBDMB36000型热泵除湿干燥机,该除湿干燥机在最大除湿量36 t/d时的总功率为385 kW,所以该造纸厂废水处理需要使用2台该型号的除湿干燥机。经过计算可知,平均每除1 kg水分,需消耗924 kJ电量,即耗电量为0.2567 kWh/kg(H2O)。所以每干燥100 kg含水率75%的造纸污泥(即蒸发60.94 kg水分)需要消耗15.64 kWh的电量。
因除湿干燥机使用热泵供热,除湿方式为低温密闭式除湿,无臭气外溢(H2S、NH3析出量极少),热风在除湿干燥机内密闭循环,所以不会带出污染物而影响环境,运行所需能耗由燃烧发电系统提供,故干燥过程除冷凝水外无其他排放物。
1.2.2污泥焚烧过程
该厂配套建设25 MW的直接燃烧发电系统,运行过程所需能耗由燃烧发电系统自身提供。运行过程中,污泥在焚烧炉中燃烧产生烟气,烟气在汽轮机中做功输出电能,而乏气则排放在环境中。
发电系统的整体发电效率为25%,经测试含水率36%的污泥低位发热量为6565.4 kJ/kg,100 kg含水率75%的造纸污泥干燥为含水率36%,需蒸发60.94 kg水分,剩余含水率36%的污泥为39.06 kg,所释放热量为256444.524 kJ,总发电量为17.809 kWh。其中总发电量的10%为系统自用电量1.7809 kWh,实际输出电量为16.028 kWh。因除湿干燥机所耗电量15.64 kWh由燃烧发电系统提供,16.028 kWh扣除15.64 kWh,最终输出电量为0.388 kWh。造纸污泥每日处理量为113.28 t,所以每日总发电量为20174.035 kWh,而每日的最终输出电量为439.526 kWh。
该燃烧发电系统的C转化率约为90%,因此大约有90%的C最终排放入大气中,剩下10%的C残留于灰渣中被带出系统。假设污泥燃烧充分,没有CO产生,这90%的C都成为CO2排放入大气中,污泥燃烧过程中S完全转化为SO2并排放入大气中,焚烧污泥所产生的NOx量与燃烧同等质量标准煤所产生的NOx量近似相等。所以每燃烧39.06 kg污泥向大气的排放物为:CO220.098 kg、SO20.627 kg、NOx0.491 kg、烟尘0.028 kg、灰渣14.539 kg。
1.2.3运输过程
在整个研究范围内,主要的运输过程是除湿干燥后的污泥,即含水率36%的污泥运输到燃烧发电系统以及焚烧处理后灰渣的运输。每100 kg含水率75%的造纸污泥,需要运输39.06 kg污泥(含水率为36%)以及14.539 kg灰渣,现使用5 t装载量的柴油货车运输,运输过程的单位柴油消耗量为0.04 L/(t·km),运输过程中货车的排放物中,对环境影响最大的排放物主要是CO2、SO2、NOx。
目前,在国内,5 t装载量的柴油货车每消耗1 L柴油,排放物为:CO22.59 kg、SO20.002 kg、NOx0.01 kg[7]。该造纸厂废水处理厂与焚烧点距离约15 km,每39.06 kg污泥(含水率36%)的运输过程需要消耗柴油量为23.436 mL;假设灰渣从焚烧点被运输到填埋点或利用点的平均距离为20 km,则每14.539 kg灰渣的运输过程需要消耗柴油量为11.631 mL,两个运输过程一共消耗柴油量为35.067 mL,所以每日运输所消耗柴油量为39.723 L。
经计算,每处理100 kg含水率75%的造纸污泥,在运输过程向大气的排放物为:CO20.0908 kg、SO20.0000701 kg、NOx0.000351 kg。
表3 造纸污泥干燥焚烧的生命周期各阶段能耗和排放情况
1.2.4整个生命周期
根据上面的分析,在整个造纸污泥干燥焚烧发电过程中,除湿干燥和发电所需能耗由燃烧发电系统自身的发电量提供,无需额外耗能,在整个造纸污泥干燥焚烧的生命周期研究范围内只有运输过程需要额外的能源。
造纸污泥的干燥、焚烧和运输各过程整个生命周期内,每处理100 kg含水率75%的造纸污泥对外输出的电量为0.388 kWh,产生的待处置灰渣为14.539 kg,对大气环境的总排放为:CO220.189 kg、SO20.627 kg、NOx0.491 kg、烟尘0.028 kg。造纸污泥干燥焚烧的生命周期各阶段的能耗和排放情况如表3所示。
2生命周期影响评价(LCIA)
2.1影响评价方法
影响评价实际上是使用定量法或定性法对清单分析过程所得到的环境影响负荷(这里主要为CO2、SO2、NOx)进行表征评价,即获得造纸污泥干燥焚烧生命周期内的能量交换和物质交换对外部环境的影响。生命周期的影响评价必须考虑造纸污泥干燥焚烧对生态环境以及人体健康的影响。
2.1.1分类
根据研究目标和研究范围所确定的研究系统边界以及清单分析过程所获得的处理过程数据清单,对造纸污泥干燥焚烧的生命周期内所导致的环境影响进行分类。造纸污泥干燥焚烧的综合影响有能源消耗、物质利用、污染物排放影响和其他影响4类,其中污染物排放影响包括了全球变暖(GW)、大气酸化(AC)、水体富营养化(NE)以及烟尘和灰尘(SA);其他影响有环境噪声等。
2.1.2特征化
在2.1.1对环境影响分类后,利用环境负荷指标法把同一影响类型的不同影响因子进行计算和总结,设法获得各个不同影响类型的综合环境负荷。环境负荷(Environmental Burden,简称EB)是一个量化数值,指一种排放物对特定环境类型潜在影响的程度。EB不但可以反映排放物的质量,还能反映每种排放物对环境带来的潜在影响程度。EB可以用公式(1)计算获得。
(1)
式中,i指排放物中第i种化学物质;n指所含的化学物质总数;Wi是第i种化学物质的质量;PFi是第i种物质对某个环境类型影响的潜能因子(Potential Factor,简称PF),指一种化学物质影响某个环境类型的潜在能力。PF如表4所示。
表4 环境影响的PF
2.1.3量化
结合造纸污泥干燥焚烧处理过程的特点,使用层次分析法(AHP)对造纸污泥干燥焚烧生命周期的环境影响进行量化。
以国际标准化组织ISO14040的框架为标准,在完成影响评价的分类、特征化、量化3个步骤之后,再加上环境影响潜值的标准化、加权评估及环境影响负荷的计算,以更好地对造纸污泥干燥焚烧的环境影响进行分析和评价。
2.2污染物排放影响特征化
假设造纸污泥干燥焚烧的生命周期所经历的时间为3个月,计算使用的PF如表4所示,则污染物排放的环境影响负荷EB(GW、AC、NE、SA)经计算结果如下。
(1)GW:EB(GW)为159.316 kg/a,其中主要的影响来源于CO2和NOx,CO2为80.756 kg/a,NOx为78.56 kg/a。
(2)AC:EB(AC)为3.8828 kg/a,其中主要的影响来源于SO2和NOx,SO2为2.508 kg/a,NOx为1.3748 kg/a。
(3)NE:计算EB(NE)需要用到排放物中N的质量,所以要计算出0.491 kg的NOx中N的质量,因NO2=0.9NOx(日平均浓度),NO2=0.75NOx(年平均浓度),由于造纸污泥干燥焚烧周期时间较长,故按照NO2=0.75NOx(年平均浓度)来计算,可得到NO2质量为0.3683 kg,继而得到排放物中N的质量为0.1121 kg,所以EB(NE)为0.4484 kg/a,全部的影响都来源于NOx。
(4)SA:EB(SA)为0.028 kg/a,全部的影响都来自污泥焚烧过程中所产生的烟尘。
2.3污染物排放影响量化
通过赋予GW、AC、NE、SA一定的标度值,可以构建以下判断矩阵对环境影响进行量化,环境影响判断矩阵如表5所示。
表5 环境影响判断矩阵
运用层次分析法(AHP),可计算获得这个矩阵的特征向量为W=[0.466,0.277,0.161,0.096]T,这里0.466、0.277、0.161、0.096分别是GW、AC、NE、SA的权重。
用CI=(λmax-n)/(n-1)=0.01检验判断矩阵的一致性,矩阵最大特征值λmax=4.031。当n=4时,RI=0.90,则CR=CI/RI=0.01/0.90=0.011小于0.10,说明上述评判矩阵有着很好的一致性,上述GW、AC、NE、SA各个权重可以使用。
环境影响综合指数Ia的值为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),经计算可得到造纸污泥干燥焚烧的生命周期对环境的影响综合指数为75.392 kg/a。
2.4加权评估及污染物排放环境影响负荷
在生命周期评价理论中,对于全球性环境影响采用全球尺度的基准;地区性环境影响采用地区或是国家的相应标准;对于局地性环境影响通常采用国家或是某一地区的相应基准。基准的计算既关系到数据标准化过程,也影响后面的评估过程。
为了方便比较生命周期内中不同类型的环境影响,对使用中国科学院生态环境研究中心利用标距离法计算出的“中国环境影响潜值标准人当量基准值和权重”数据进行标准化处理和加权评估,以便分析和比较不同影响类型的环境影响负荷[10]。
对2.2中计算所得的环境负荷(数值上与影响潜值相等)进行标准化,可得GW为18.31、AC为107.86、NE为7.35、SA为1.56。然后对这些数据进行加权分析,最后利用加权后的影响潜值计算不同影响类型的环境影响负荷和总环境影响负荷。详细数据以及计算所得的结果如表6所示。
表6 影响潜值标准化和加权分析结果
从表6中可得总环境影响负荷为100.25,其中GW、AC、NE、SA占总环境影响负荷的百分比分别为15.16%、78.53%、5.36%、0.95%。
3结论
根据计算结果可知,在造纸污泥干燥焚烧的生命周期内对自然环境的最大影响为大气酸化(AC),全球变暖(GW)和水体富营养化(NE)次之,对自然环境影响最小的为烟尘和灰尘(SA),即大气酸化>全球变暖>水体富营养化>烟尘和灰尘。结果表明,在造纸污泥干燥焚烧的生命周期中对环境的影响,地区性影响占据着主要地位,其次是全球性影响,而局地性影响最小。
参考文献
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(责任编辑: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
中图分类号:X820.3
文献标识码:A
DOI:10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.03.008
收稿日期:2015-12-17(修改稿)
作者简介:肖汉敏先生,博士;主要从事高效低污染燃烧的研究。
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