煤炭洁净燃烧
污泥水煤浆全生命周期综合评价
摘 要：为了客观评价在水煤浆中掺入污泥的综合效果，以污泥水煤浆为研究对象，建立全生命周期综合评价模型，以对外供应1 t蒸汽为最终目标，以煤炭准备—水煤浆生产—水煤浆利用(普通水煤浆路线)为基准路线，对比评价煤炭、污泥准备—污泥水煤浆生产—污泥水煤浆利用(污泥水煤浆路线)全过程的技术性、经济性和环境效益。评价认为，污泥水煤浆路线全过程能源效率85.40%，全过程消耗煤炭135.69 kg、污泥32.94 kg、新鲜水487.44 kg，全过程投资8.10元，全过程成本129.08元，全过程废水、烟尘、SO2、NOx排放基本与普通水煤浆路线相当。
关键词：污泥水煤浆；生命周期评价；燃烧；全过程
0 引 言
燃煤工业锅炉技术水平普遍较低、污染物控制措施不到位，是我国环境污染的重要因素之一[1-2]。以煤为原料制备水煤浆，采用水煤浆锅炉燃烧再配套相应的污染物处理措施，可实现近燃气锅炉排放[3]，是城市、工业园区等人口集中区替代燃油锅炉以及燃煤普通链条炉的重要途径[4]。在水煤浆生产过程中加入污泥，特别是印染等难处理污泥，不仅可实现污泥的无害化处置，而且能充分利用污泥的可燃成分[5-6]，实现资源化利用。笔者以污泥水煤浆为研究对象，建立全生命周期综合评价模型，以外供1 t蒸汽(热值3.12 MJ/kg)为最终目标，以煤炭准备—水煤浆生产—水煤浆利用为基准路线，对比评价煤炭、污泥准备—污泥水煤浆生产—污泥水煤浆利用全过程的技术性、经济性和环境效益，以综合评价污泥水煤浆生产和利用效果。
1 污泥水煤浆全生命周期评价模型构建
客观评价污泥水煤浆的利用效果，需要从污泥水煤浆生产利用的全过程来看其综合效果[7]。本文按照全生命周期评价的理论和方法[8-10]，界定评价边界、提出清单分析方法和影响评价指标体系[3，11]，构建污泥水煤浆全生命周期综合评价模型。
1.1 模型边界
1)研究对象。本文选择以污泥和煤炭为主要原料生产的供锅炉或气化炉燃烧使用的污泥水煤浆燃料为研究对象。
2)目标定义。以最终外供1 t蒸汽(3.12 MJ/kg)为目标，评价污泥水煤浆从原料准备、生产到被完全消耗的生命周期过程。
3)系统边界。空间上煤炭从储煤场开始、污泥从污水处理厂开始，到被完全消耗的所有环节，对象上包括空间和时间过程中的煤炭、污泥和能量流动。能量包括煤炭、污泥等一次能源和电力等二次能源。
4)功能单元。将煤炭从储煤场开始、污泥从污水处理厂开始，到被完全消耗的全生命周期过程划分成首尾相接的功能单元，分别考虑每个功能单元的煤炭流、污泥流和能量流。全生命周期过程可划分为原料准备、水煤浆生产、水煤浆利用等功能单元，如图1所示。
图1 污泥水煤浆全生命周期评价模型示意
Fig.1 Life cycle assessment diagram of sludge coal water slurry
1.2 清单分析
以投入的所有煤炭、污泥和资金作为输入，以在这个过程中转化生产的蒸汽为输出，由此列出系统内外输入和输出的清单(图2)。按照系统输入输出的总体要求[12]，分别建立原料准备、水煤浆生产、水煤浆利用3个功能单元的输入输出模型。
图2 污泥水煤浆全生命周期清单分析范围
Fig.2 Scope of life cycle inventory analysis of sludge coal water slurry
1.3 影响评价
评价污泥水煤浆的效果，重点是分析添加污泥前后效率和消耗、经济效益、环境效益的变化。研究确定的全生命周期评价指标主要包括全过程效率、全过程消耗、全过程投入、全过程成本、全过程排放。
以煤炭和污泥流动为主线，按照功能单元的划分将生命周期路线串联起来。按从上游到下游的顺序为m(m=3)个功能单元分别编号i(i=1,2，…，m)，则全生命周期指标的计算公式可表示为：
V=V3
式中,η为水煤浆生产利用全过程能源效率，%；ηi为生命周期路线环节i的能源转换效率，%；C为水煤浆生产利用全过程煤耗，kg/t(t为蒸汽量，下同)；Ci为生命周期路线环节i煤耗，kg/t；G为水煤浆生产利用全过程污泥消耗，kg/t；Gi为生命周期路线环节i污泥消耗，kg/t； M为水煤浆生产利用全过程水耗，kg/t；Mi为生命周期路线环节i水耗，kg/t；I为水煤浆生产利用全过程投资，元/t；Ii为生命周期路线环节i投资，元/t； V为水煤浆生产利用全过程成本，元/t；V3为生命周期路线环节3成本，元/t；ωi为生命周期路线根据物料流确定的功能单元i的系数；Psw为水煤浆生产利用全过程废水排放，g/t；Pswi为生命周期路线环节i废水排放，g/t；Ppm为水煤浆生产利用全过程烟尘排放，g/t；Ppmi为生命周期路线环节i烟尘排放，g/t；P(SO2)为水煤浆生产利用全过程SO2排放，g/t；Pi(SO2)为生命周期路线环节i的SO2排放，g/t；P(NO2)为水煤浆生产利用全过程NO2排放，g/t；Pi(NO2)为生命周期路线环节i的NO2排放，g/t。
2 污泥水煤浆全生命周期综合评价
在国家高技术研究发展计划(863计划)的支持下，“污泥掺混制备生物质燃料技术装备及应用”课题组在福建石狮JN水煤浆锅炉供热公司建设了一条25万t/a污泥水煤浆生产线，同时该公司还有一条25万t/a普通水煤浆生产线，分别以神华煤+印染污泥、神华煤为主要原料生产水煤浆。2条生产线各自对应一台100 t/h高温高压水煤浆锅炉，外供中压蒸汽，热值3.12 MJ/kg。煤炭通过小型低速货车(吨位7 t)由距离JN公司1.5 km的储煤场运至水煤浆生产线煤仓，污泥由距离JN公司1 km的HT污水处理厂通过小型低速货车运至JN公司水煤浆生产线。以该公司为对象进行全生命周期清单分析和综合评价。按照JN公司2014年运行的平均数据计算，煤炭、污泥准备—污泥水煤浆生产—污泥水煤浆利用(污泥水煤浆路线)全过程指标(以外供1 t蒸汽为基准)见表1，煤炭准备—水煤浆生产—水煤浆利用(普通水煤浆路线)全过程指标(以外供1 t蒸汽为基准)见表2。
表1 污泥水煤浆路线全生命周期评价指标
Table 1 Life cycle index of sludge coal water slurry pathway
表2 普通水煤浆路线全生命周期评价指标
Table 2 Life cycle index of coal water slurry pathway
1)全过程能源效率。污泥水煤浆路线全过程能源效率85.40%。能量主要损失在污泥水煤浆利用和污泥水煤浆生产环节，原料准备阶段能量损失很少。污泥水煤浆利用环节，将污泥水煤浆的热值转化为蒸汽的热量，转换效率92.50%；污泥水煤浆生产环节，研磨、搅拌消耗电力25 kWh/t(t为水煤浆量)，能量效率92.40%；原料准备环节，运输车辆消耗少量柴油，但与运输的煤炭、污泥相比，占比仅0.07%～0.14%。与普通水煤浆路线相比，污泥水煤浆路线全过程能源效率下降1.52%，主要原因是：虽然污泥水煤浆在利用环节由于掺入污泥，燃烧更加充分，能量转换效率增加0.53%；但在生产环节污泥改性和搅拌需要消耗更多的电力，能量转换效率下降2.18%。
2)全过程资源消耗。每外供1 t蒸汽，污泥水煤浆路线消耗煤炭135.69 kg、污泥32.94 kg、新鲜水487.44 kg，较普通水煤浆路线少消耗煤炭9.04 kg、新鲜水10.18 kg，相当于以32.94 kg的污泥替代了9.04 kg的煤炭，替代比1∶3.64；污泥水分较高，在污泥水煤浆生产过程中新鲜水加入比例降低，可有效节约水资源。
3)全过程投资。每外供1 t蒸汽，污泥水煤浆路线全过程投资8.10元，主要集中在污泥水煤浆利用环节投资7.64元，污泥水煤浆生产环节投资较少，仅0.46元。与普通水煤浆路线相比，污泥水煤浆路线增加投资0.42元，主要原因是：污泥水煤浆生产环节需要对污泥进行改性增加相应设备，增加投资0.05元/t；污泥水煤浆利用环节，因为污泥水煤浆热值较普通水煤浆略低，锅炉出力略小，按照相同使用寿命计算，折合生产1 t蒸汽的投资增加0.37元。
4)全过程成本。每外供1 t蒸汽，污泥水煤浆路线全过程成本129.08万元，相比普通水煤浆路线降低成本8.74元，主要原因是：在污泥水煤浆生产环节，污泥的成本按照污水处理厂的处置成本计算为-300元/t，以致污泥水煤浆的成本较普通水煤浆下降77.68元/t(t为水煤浆量)。
5)全过程污染物排放。每外供1 t蒸汽，污泥水煤浆路线全过程排放废水81.80 g、烟尘14.107 g、SO2 20.94 g、NOx 144.035 g，分别较普通水煤浆路线增加1.6 g(2.00%)、增加0.1 g(0.71%)、增加0.203 g(0.98%)、减少0.997 g(-0.69%)。废水、烟尘、SO2排放略有增加的主要原因是污泥水煤浆热值略低，锅炉出力略有下降，折合生产1 t蒸汽的废水排放增加。NOx排放略有下降的主要原因是污泥水煤浆热值略低，燃烧温度略有降低，NOx产生量略有下降。
3 结 语
以污泥水煤浆为研究对象，建立全生命周期综合评价模型，以外供1 t蒸汽(热值3.12 MJ/kg)为最终目标，以煤炭准备—水煤浆生产—水煤浆利用为基准路线，对比评价煤炭、污泥准备—污泥水煤浆生产—污泥水煤浆利用全过程的技术性、经济性和环境效益。评价认为，污泥水煤浆路线全过程能源效率85.40%，较普通水煤浆路线略低1.52%；全过程消耗煤炭135.69 kg、污泥32.94 kg、新鲜水487.44 kg，较普通水煤浆路线少消耗煤炭9.04 kg、新鲜水10.18 kg，相当于用32.94 kg污泥替代了9.04 kg煤炭；全过程投资8.10元，较普通水煤浆路线增加0.42元，主要是因为增加了污泥改性设备；全过程成本129.08元，较普通水煤浆路线降低8.74元，主要是因为污泥的利用减少了污泥的处置费用；全过程废水、烟尘、SO2、NOx排放基本与普通水煤浆路线相当。
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Life cycle assessment of sludge coal water slurry
Abstract:In order to objectively evaluate the comprehensive effects of sludge coal water slurry (S-CWS),a comprehensive evaluation model of whole life cycle was built,which took 1 t steam supply as ultimate goal to evaluate technological function,economic performance and environmental benefits of S-CWS pathway including coal and sludge preparation,S-CWS produce,S-CWS utilization).The evaluation indicated that the energy efficiency of S-CWS pathway was 85.40%,the whole process consumed 135.69 kg coal,32.94 kg sludge and 487.44 kg water,total investment was RMB 8.10 yuan,total costs were RMB 129.08 yuan.Discharges of wastewater,smoke and dust,SO2,NOx from S-CWS pathway were almost equal to those from CWS pathway.
Key words:sludge coal water slurry;life cycle assessment;combustion;whole process
中图分类号：X784;TQ53
文献标志码：A
文章编号：1006-6772(2016)02-0069-04
收稿日期：2015-11-04；责任编辑孙淑君
DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.2016.02.015
基金项目：国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2012AA063506)
引用格式：任世华.污泥水煤浆全生命周期综合评价[J].洁净煤技术，2016，22(2)：69-72,78.
REN Shihua.Life cycle assessment of sludge coal water slurry[J].Clean Coal Technology，2016，22(2)：69-72,78.
