燃煤发电生命周期职业健康损害评价研究

王伟，姚健庭，尘兴邦，佟瑞鹏

中国矿业大学(北京) 应急管理与安全工程学院，北京 100083

煤炭是中国的主要能源，也是电力生产的重要基础。煤炭和电力的稳定增长在国民经济的发展过程中起着重要的促进和支撑作用。在中国一次能源资源储藏总量组成中，煤炭比例高达90%以上[1]。近年来，尽管中国一直在重点区域实行煤炭消费总量的控制，煤炭在全国一次能源生产和消费中仍然占60%左右的比例[2]。在电力行业中，2019年中国电力行业发电量总计7.5×1012kW·h，其中火电5.2×1012kW·h，占总发电量的69.6%[3]，高于国际平均水平28%[4]。由此可见，火力发电在中国电力行业中占据着最主要的位置。

燃煤发电过程会向环境中排放大量的粉尘、CH4、CO、CO2、SO2、NOx等大气污染物，严重威胁着从业人员和附近居民的身体健康。世界卫生组织研究表明：长时间暴露于高浓度粉尘环境中，心血管[5]、脑血管[6]、尘肺病[7]的发病率显著升高。SO2、NOx等大气污染物严重威胁着人体的循环系统和呼吸系统。目前已经证实，大气中SO2浓度与肺心病[8]、慢性阻塞性肺疾病[9]、脑血管疾病[10]、心血管疾病死亡率有着明确的相关性。尽管CO2本身不具有毒性，但大量的CO2排放将会导致全球范围内的温室效应，由此会造成登革热、疟疾、血吸虫病的发病率显著升高[11]。对燃煤发电生命周期污染物排放引起的健康损害进行评价，对从业人员及周围群众的健康管理具有重要意义。

目前，很多学者开始关注燃煤发电的生命周期评价研究，并取得了一定的进展。例如，Lave和Freeburg[12]以火力发电全生命周期的各阶段为研究对象，使用LCA方法评估了煤炭在开采、运输和燃烧三个环节的环境影响。Kannan等[13]利用LCA方法和生命周期成本分析法(LCC)，分析了新加坡五座火力发电厂对环境的影响。Babbitt和Lindner[14]运用LCA方法，评估了美国弗洛里达州某燃煤电厂从原材料的获取(煤炭的开采与准备)和使用(燃煤发电)到最终废弃物处理等环节的环境影响。Hertwich等[15]对美国某燃煤电厂进行生命周期评估，研究表明绝大部分CH4的排放来自于煤炭开采阶段，CO2和SO2的排放主要来源于煤炭燃烧阶段。Wijaya等[16]对印尼某燃煤电厂的发电环节进行生命周期清单分析，并计算了大气污染物SO2、NOx、CO2及煤尘造成的外部环境成本，同时分析了每种污染物对人体的健康损失成本。

综上所述，可以发现，目前的研究多是侧重于燃煤发电生命周期的环境影响评价和环境成本分析。本研究以LCA理论为基础，构建燃煤发电生命周期评价体系，通过特征化与货币化分析对燃煤发电生命周期污染物排放引起的职业健康损害进行定量评价，并在此基础上确定燃煤发电生命周期健康危害的主要来源，提出针对性的政策建议与污染物防治措施。

1 材料和方法

1.1 研究区域及数据获取

本研究将选取山东省枣庄市矿业集团下属的JZ煤矿以及当地SLQ火力发电厂作为研究对象。

燃煤发电生命周期中煤炭开采、运输、燃烧、废渣处理等环节的能源与资源投入以及职业健康损害因素产出清单数据，主要来源于中国统计年鉴[17]、中国交通年鉴[18]、山东统计年鉴[19]、枣庄统计年鉴[20]、早期文献研究、招投标文件和行业报告。

1.2 模型构建

生命周期评价是一种评估产品、工艺或生产活动整个生命周期( “从摇篮到坟墓” )环境影响的技术和方法，涉及原材料的获取、加工、运输、利用、维护直至最终废弃物的处理等环节[21]。国际化标准组织(ISO)对生命周期评价理论开展了深入的研究，并把其纳入标准环境管理体系ISO 14000中，为各领域环境影响评价与分析工作提供了有力的理论支持。同时，ISO对生命周期评价的流程框架进行划分，如图1所示，主要包括4个相互联系、不断重复的步骤：目标和范围确定(Goal and Scope Definition，GSD)、清单分析(Life Cycle Inventory Analysis，LCI)、影响评价(Life Cycle Impact Assessment，LCIA)和结果解释(Interpretation)[22]。

图1 生命周期评价的流程框架

1.2.1 目标和范围确定

生命周期评价首先需要确定研究的目标和范围，主要包括系统边界和阶段划分、时空范围、功能单元。

(1) 系统边界和阶段划分。基于燃煤发电过程的具体特点和燃煤发电职业健康损害的实际情况，将燃煤发电生命周期划分为煤炭的开采、运输、燃烧和灰渣处理四个阶段。

(2) 时空范围。依据燃煤发电所排放污染物的扩散情况，本研究将生命周期评价中的空间范围分为全国大范围与局域小范围两方面。由于CH4和CO2这些温室气体会参与大气运动，通常造成全国大范围内的气候变化[23-24]，所以有必要研究CH4和CO2等污染物引起温室效应在全国大范围内的健康影响。煤炭开采和燃烧阶段排放的粉尘、NOx和SO2等污染物的扩散范围，通常是煤矿和燃煤电厂所在地区[25]，因此只需评估粉尘、NOx和SO2等污染物在地区范围内的健康损害。

(3) 功能单元。生命周期职业健康损害评价过程需要进行大量的计算，为了便于评价结果的对比，需要对燃煤发电各环节的功能单元进行统一[26]。本研究选用1 kW·h电量作为燃煤发电生命周期职业健康损害评价的功能单位。

1.2.2 清单分析

生命周期清单分析主要包括数据的收集和计算。首先，在确定评价范围的基础上，收集和整理燃煤发电生命周期各阶段能源、资源投入及职业健康损害因素的排放数据；其次是进行计算，构建以功能单元为基础的资源输入和能源输出结构，列出燃煤发电生命周期清单。

1.2.3 影响评价

影响评价是对生命周期清单分析结果的环境与职业健康影响进行量化表征，并确定各种影响类型健康损害值的大小。国际标准化组织(ISO)和美国环保署(USEPA)将影响评价划分为分类、特征化和加权评估3个步骤，并将其定位为影响评估模型。该模型长期以来在各领域中得到应用与验证。

1.2.3.1 分类

根据燃煤发电生命周期中可能产生的有毒有害气体及其致病机理，将职业健康损害类型划分为全球变暖相关疾病、循环系统损害和呼吸系统损害3类。其中，全球变暖相关疾病的影响种类主要根据职业健康损害的影响源进行划分，而循环系统损害和呼吸系统损害则是直接根据有毒有害气体造成的疾病终端进行划分。

1.2.3.2 特征化

特征化就是基于某种量化方法，使用特定的评估工具对不同的资源消耗和污染物排放在各形态环境问题的影响进行分析，最后汇总为相同功能单元或形态的环境损害表征[27]。

对于职业健康损害，本研究使用影响路径方法对污染物排放与职业健康损害类型指标之间的定量关系进行确定，主要包括归宿分析、效应分析和损害分析三个步骤。

(1) 归宿分析。在评价燃煤发电生命周期职业健康损害时，需要借鉴职业卫生学与流行病学已有的研究成果。然而，职业卫生学与流行病学主要研究的是健康损害因素的浓度增加对相应疾病终端的影响，因此需要先建立燃煤发电生命周期污染物排放量与该区域内污染物浓度增加值之间的关系。

在进行归宿分析时有一个重要参数“归宿因子”，它指的是作业环境空气中职业健康损害因素浓度的增加值与其年排放总量的比值[28]，计算公式如下：

(1)

式中，Fi为职业健康影响因素i在作业环境中的归宿因子，m-3；Ci为职业健康影响因素i在作业环境中的浓度增加值，μg/m3；Mi为燃煤发电生命周期各阶段环境污染物i的年排放总量，μg。

借助于参数Fi，可以将环境中污染物的排放量转化为所研究区域内污染物浓度的增加值，转化公式如下：

Ci=Fi×Mi

(2)

(2) 效应分析。效应分析过程中，通常使用单位风险因子对职业健康影响因素和损害效应的数量关系进行表征。单位风险因子表示作业环境中每增加单位浓度的职业健康影响因素导致员工某种健康损害发病率的增加值[29]。利用该参数可以推算出燃煤发电生命周期各种职业健康影响因素增加单位浓度引起的相应健康损害发病率的增加值[30]。其计算公式如下：

(3)

式中，Eij为燃煤发电生命周期职业健康影响因素i的单位浓度增加引起的作业区域内损害类型j的发病人数的增加值，例/(μg·m-3·a)；N为影响人数，人；URij为职业健康影响因素i导致损害类型j的单位风险因子，例/(μg·m-3)；Lt为职业健康影响因素影响区域范围内工人的平均寿命，a。

相应的，各健康损害类型发病人数的增加值计算公式[30]为

Tij=Eij×Ci

(4)

式中，Tij为污染物i的年排放量引起作业区域范围内健康损害类型j的发病人数增加值，例/a。

(3) 损害分析。本研究选取伤残调整寿命年(Disability Adjusted Lost Years，DALY)作为职业健康损害大小的类型指标。伤残调整寿命年可以分为由于过早死亡所导致的寿命损失年(Years of Life Lost，YLL)和由于失能所导致的寿命损失年(Years of Life with Disability，YLD)两种类型[31-32]，DALY和YLD的计算公式[34]如下：

DALYj=YLLj+YLDj

(5)

YLDj=Lj×Dj

(6)

式中，DALYj为健康损害类型j所引起的生命损失年，a/例；YLLj为健康损害类型j所引起的寿命损失年，a/例；YLDj为职业健康损害类型j所引起的健康损失年，a/例；Lj为职业健康损害类型j的总的持续时间，a/例；Dj为职业健康损害类型j的伤残权重，取值区间为0～1，0代表健康，1代表死亡。

其中，伤残权重指各种损害类型造成健康损害的严重程度，表示人体不同失能状态的职业健康损害。

燃煤发电生命周期各种损害类型中，尘肺病、慢性阻塞性肺疾病、心血管疾病、肺心病和脑血管疾病多发生于人的中老年时期，发病持续时间长且很难治愈；急性呼吸道感染、登革热、血吸虫病和疟疾等疾病的持续时间比较短。借助于WHO关于全球疾病负担的相关研究，目前已经确定了这些疾病类型的伤残权重[29]。燃煤发电生命周期职业健康损害类型的持续时间及伤残权重见表1。

表1 不同类型职业健康损害的持续时间和伤残权重

通过特征化分析，可以将职业健康影响因素的排放量最终转换成以DALY为类型指标的健康损害值：

Uij=Tij×DALYj

(7)

式中，Uij为燃煤发电生命周期职业健康损害因素i的年排放所引起作业区域内人群患有健康损害类型j的伤残调整寿命年的增加值，a。

1.2.3.3 加权评估

Viscusi和Aldy[34]采用购买力评估法(Purchasing Power Parity，PPP)，计算出美国公民的生命价值为5.00×106～1.20×107美元。本研究将借助该研究成果，间接地推算出我国公民单位伤残调整寿命年的社会支付意愿值。世界银行的数据显示[35]，2015年中、美两国的PPP值分别为14 107美元和55 805美元。依据两国PPP值的比例关系，推算出我国居民最新的生命价值为1.26×106～3.03×106美元，本研究选取平均值2.15×106美元，即1.39×107元作为我国居民生命的价值。再将生命价值进一步折算到每一年中，即可得出我国居民单位伤残调整寿命年的社会支付意愿值VLY为2.31×105元。

利用单位伤残调整寿命年的社会支付意愿值，可以将特征化分析得到的DALY值转化为健康损害的货币值WTP，计算公式如下：

Vij=Uij×VLY

(8)

式中，Vij为职业健康影响因素i年排放导致的作业区域内人群职业健康损害的社会支付意愿值，元/a；VLY为单位伤残调整寿命年的社会支付意值，元/a。

1.2.4 结果解释

结果解释是在燃煤发电生命周期影响评价之后，对评估结果进行分析，找出燃煤发电生命周期职业健康损害较大的环节，并提出针对性的职业危害防控措施及建议。

2 结果与讨论

2.1 燃煤发电生命周期职业健康损害总体分析

从表2可以看出，燃煤发电生命周期污染物年排放造成人体健康损害的社会支付意愿值为3 599.21万元。

表2 燃煤发电生命周期各环节健康损害评估结果汇总

以下分别从燃煤发电生命周期的4个主要阶段与主要健康损害因素对评估结果进行汇总，分析燃煤发电生命周期职业健康损害状况。

2.1.1 燃煤发电生命周期阶段分析

燃煤发电生命周期各环节职业健康损害所占比例如图2所示。从燃煤发电生命周期各环节来看，煤炭燃烧环节的健康影响最大，占整个生命周期的76.7%。该研究结果与我国大多数燃煤发电行业的职业健康损害现状相符[36]。

图2 燃煤发电生命周期各环节职业健康损害所占比例

煤炭燃烧环节造成健康损害的社会支付意愿值远大于燃煤发电生命周期的其他3个环节，主要原因是火力发电厂生产过程中需要投入大量的煤炭资源，而其中含硫量较高的劣质煤在燃烧时会产生大量的SO2、CO2、NO2和PM10，使得人们患呼吸系统疾病与循环系统疾病的风险大幅度增加。这也与我国煤电行业SO2与烟尘排放量占各行业首位有关[37]。

煤炭开采环节也占有较大的损害比例。煤矿井下生产环境恶劣，在煤炭开采过程中会产生大量CH4、CO2等温室气体；煤炭洗选过程中也会产生大量的煤尘，对人体造成健康损害。

煤炭运输与灰渣处理环节造成健康损害的社会支付意愿值小于煤炭开采与燃烧环节。虽然运输、装卸过程遗撒了大量的煤炭与灰渣，但它们中大部分最终会沉降到道路两侧的土壤中，仅有小部分被扩散到大气中造成颗粒物污染[38]。

2.1.2 职业健康损害因素分析

燃煤发电生命周期各污染物的职业健康损害所占比例如图3、表3所示。整个生命周期中SO2排放造成的健康损害最大，比例为65.4%。这主要是因为SO2效应因子较大，同时燃煤发电生命周期中SO2的排放量也高于其他有害气体。

图3 燃煤发电生命周期各污染物的职业健康损害所占比例

表3 燃煤发电生命周期健康损害因素汇总

除SO2外，NO2、PM10和温室气体的损害比例分别为20.7%、11.9%和2.0%。NO2和PM10主要导致呼吸系统以及循环系统损害相关疾病，这两类污染物主要来源于燃煤发电生命周期的煤炭燃烧过程和运输环节重型卡车尾气的排放。

温室气体所致全球变暖相关疾病的危害程度最小，仅占全部健康损害因素的2.0%。各类温室气体中，CO2对人体造成的健康损害最大，占所有温室气体比例的98.8%。这主要与燃煤发电生命周期各类温室气体的排放量有关。

2.2 燃煤发电生命周期各环节职业健康损害分析

2.2.1 煤炭开采环节

煤炭开采环节各类职业健康损害因素中SO2对人体的健康影响最为严重，如图4所示，其健康损害的社会支付意愿值为541.67万元，高于费雄等[39]利用模糊综合评判方法得到的煤矿职业健康损害结果。通过对清单分析中SO2的排放数据进行统计，煤炭开采与洗选环节SO2的直接排放量并不大，大部分SO2来源于井巷支护所需钢材在其生产过程中的间接排放。如改进钢材生产工艺，节约煤炭开采环节所需钢材，提高井下报废钢材及其他材料的回收率，可以有效降低钢材等资源生产过程中的健康危害。

图4 煤炭开采环节职业健康损害的社会支付意愿

煤炭开采环节PM10健康损害占比为19.2%。由于粉尘主要产生于采煤工作面与选煤厂生产过程的直接排放，因此控制作业环境中粉尘的浓度能够降低煤炭开采环节PM10的职业健康危害。使用煤尘注水设备对开采工作面的煤进行湿润，采用高压喷雾装置进行湿式除尘等这些措施，有助于控制煤矿开采与洗选环节粉尘的浓度。

2.2.2 煤炭运输环节

由图5可知，煤炭运输环节NO2占比最大，占整个阶段的56.8%。重型卡车在运输原材料时会排放大量的NO2，每生产1 t柴油将会排放28 kg NO2气体[40]，这也是煤炭运输环节NO2健康损害最大的重要原因。通过安装尾气净化器对重型卡车尾气中的有害气体进行处理，可减少NO2等污染物的排放。

煤炭运输与装卸过程中会产生大量的煤尘，造成大气颗粒物污染，使得呼吸系统疾病与循环系统疾病的发病率增加。煤炭运输环节PM10损害占整个运输环节的23.1%，是该环节第二大健康危害因素。目前，喷洒抑尘剂是煤炭运输环节最有效又经济的除尘方式[41]，该方法能减少运输过程中煤炭的损耗，可降低燃煤发电生命周期的经济损失。

图5 煤炭运输环节职业健康损害的社会支付意愿

2.2.3 煤炭燃烧环节

煤炭燃烧环节是燃煤发电生命周期中职业健康影响最大的环节(图6)。SO2是煤炭燃烧环节中影响最大的健康危害因素，其造成职业健康损害的社会支付意愿值为1 788.14万元，占煤炭燃烧环节的64.8%。对于火力发电厂，可以通过使用含硫量较低的优质煤来降低燃烧过程中SO2的排放；同时也可采用石灰石-石膏湿法技术提高脱硫效率，实现燃煤电厂SO2的超低排放，从而降低健康损害。

煤炭燃烧环节NO2与PM10排放健康损害占煤炭燃烧环节的23.4%和9.3%。NO2与PM10的效应因子较高，既可以引起呼吸系统疾病，也可以导致循环系统损害，并且煤炭燃烧过程两种污染物的排放量仅次于SO2，这是NO2与PM10健康损害较大的重要原因。通过改进锅炉结构与配风方式，提高锅炉的燃烧效率，能够有效降低煤炭燃烧环节的燃料投入，减少NO2与PM10的排放。

煤炭燃烧环节温室气体中CO2的健康损害明显高于煤炭开采、运输以及灰渣处理环节，由此引起的全球变暖相关疾病不容忽视。燃煤电厂排放的各种污染物中CO2的排放量最高，目前国内主要采用化学吸收法[42]、吸附法[43]以及膜吸收技术[44]对燃煤电厂烟气中的CO2进行收集与处理，这些方法有助于降低煤炭燃烧过程中CO2的排放。

图6 煤炭燃烧环节职业健康损害的社会支付意愿

2.2.4 灰渣处理环节

灰渣处理环节的职业危害因素主要来源于运输过程中灰渣的遗撒以及重型卡车尾气的排放，如图7所示。喷洒抑尘剂减少扬尘污染，重型卡车安装尾气净化器减少污染物排放，是降低该环节健康损害的主要措施。

图7 灰渣处理环节职业健康损害的社会支付意愿

2.3 政策建议

2.3.1 规范煤电行业污染物排放标准

我国煤电行业SO2与烟尘主要产生于燃煤发电生命周期的煤炭开采与燃烧环节，排放量占各行业首位。为有效减少煤电行业的环境污染以及健康危害，政府相关部门应为煤电行业制定更加严格规范的污染物排放标准，并对超出排放标准的企业进行相应的处罚。此外，我国一直在实施渐进式的污染物控制策略，该传统模式以阶段性或某一重点污染物的控制为主。由于多种污染物之间通常会发生联合作用，渐进式污染物控制策略已经难以有效改善煤电行业复合型环境污染的严峻形势，因此可以借鉴发达国家较为成熟的多污染物协同控制技术[45]，最大限度地降低煤电行业烟尘、SO2、CO2、NO2等污染物的排放。

2.3.2 加强对污染企业的税费征收

通过分析可知，燃煤发电生命周期污染物年排放造成人体健康损害的社会支付意愿值为3 599.21万元，严重威胁从业人员和附近居民的身体健康。因此，政府应当加强对煤电行业污染企业的税费征收，其税费不仅要涵盖煤电行业的环境成本，同时也应包括污染物排放对人体造成的健康损害成本，使得煤炭生产企业、燃煤发电企业甚至电力消费者分别承担相应的成本。将征收的税费用于煤电行业的环境污染治理，推进煤电行业污染物的超低排放和节能改造，提高能源利用效率，减少环境污染及对周围人群的健康影响，从而实现经济与环境的协调发展。

2.3.3 推进清洁能源产业发展

相对于燃煤发电来说，风力发电和光伏发电整个生命周期的污染物排放总量较小，对人体造成的健康影响也很小[46]。然而，目前中国的火力发电量仍占电力行业发电总量的70%左右。因此，应继续推行清洁能源发电的政府补贴政策，加速风电、光电基础设施建设，提高可再生能源发电的占比，以实现资源环境与人类社会的可持续发展。

3 结 论

(1) 以生命周期评价理论为基础，构建了燃煤发电生命周期职业健康损害评价体系。

(2) 引用构建的燃煤发电生命周期评价体系对具体案例进行实证分析，得到煤炭开采、运输、燃烧及灰渣处理4个环节的职业健康损害状况。

(3) 通过研究得出，燃煤发电生命周期污染物年排放造成人体健康损害的社会支付意愿值为 3 599.21万元，导致特定空间内所有居民寿命损失的总和为155.81a。

(4) 燃煤发电生命周期各环节中，煤炭燃烧环节的健康影响最大，占整个生命周期的76.7%。控制煤炭燃烧环节的污染物排放，能够最大限度地降低燃煤发电生命周期的职业健康损害。

(5) 各职业健康损害因素中SO2影响最大。应将控制各环节SO2排放作为重点。

总之，通过对燃煤发电生命周期职业健康损害进行评价研究，有助于政府、企业管理者、员工从整体上把握燃煤发电整个过程对人体的健康影响；通过对比分析煤炭开采、洗选、运输、燃烧、灰渣处理等各阶段的环境影响因素及其健康损害程度，有助于确定燃煤发电过程中环境污染与健康危害的防控重点，并制定针对性的防护与控制措施，最终减少企业生产对工人造成的健康损害。