肖漢敏　黃喜鵬　黃偉豪　尹江洋

(東莞理工學(xué)院，廣東省分布式能源系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東東莞，523808)

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造紙污泥干燥焚燒的生命周期評(píng)價(jià)

肖漢敏黃喜鵬黃偉豪尹江洋

(東莞理工學(xué)院，廣東省分布式能源系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東東莞，523808)

摘要：以造紙污泥為研究對(duì)象,應(yīng)用生命周期評(píng)價(jià)方法對(duì)造紙污泥干燥焚燒的生命周期進(jìn)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(duì)環(huán)境的影響,實(shí)現(xiàn)對(duì)全球變暖(GW)、大氣酸化(AC)、水體富營(yíng)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(duì)環(huán)境影響的程度和趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：造紙污泥；干燥；焚燒；生命周期評(píng)價(jià)；環(huán)境影響

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

污泥具有含水率高(一般可達(dá)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(zhì)等特點(diǎn)。若污泥的處理不恰當(dāng)則會(huì)對(duì)自然環(huán)境造成危害,主要包括惡化水源水質(zhì),污染土壤，污染農(nóng)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(wú)害化、穩(wěn)定化以及資源化的優(yōu)點(diǎn)[3-5],如今已經(jīng)受到越來(lái)越多的重視,在未來(lái)將會(huì)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(nèi)的能源消耗、物質(zhì)利用、廢棄物排放及環(huán)境影響。

1造紙污泥干燥焚燒過(guò)程的生命周期清單分析

1.1研究目標(biāo)和研究范圍

本研究以東莞市某造紙廠為實(shí)例展開(kāi)分析,通過(guò)統(tǒng)計(jì)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(duì)環(huán)境的影響,從而對(duì)污泥干燥焚燒處理方式進(jìn)行客觀的評(píng)價(jià)和提供更有效的改進(jìn)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(nèi),本研究邊界是從造紙廠機(jī)械脫水后的污泥開(kāi)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(jī)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(guò)程

1.2.1污泥干燥過(guò)程

板框壓濾機(jī)濃縮脫水后的污泥含水率為75%,由于含水率過(guò)高導(dǎo)致低位發(fā)熱量太低,無(wú)法直接在焚燒爐內(nèi)燃燒,故利用除濕干燥機(jī)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(nèi)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(jié)果　%

表2　造紙污泥工業(yè)分析結(jié)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(jī)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(jī)為晟啟能源設(shè)備有限公司的DBDMB36000型熱泵除濕干燥機(jī),該除濕干燥機(jī)在最大除濕量36 t/d時(shí)的總功率為385 kW,所以該造紙廠廢水處理需要使用2臺(tái)該型號(hào)的除濕干燥機(jī)。經(jīng)過(guò)計(jì)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(jī)使用熱泵供熱,除濕方式為低溫密閉式除濕,無(wú)臭氣外溢(H2S、NH3析出量極少),熱風(fēng)在除濕干燥機(jī)內(nèi)密閉循環(huán),所以不會(huì)帶出污染物而影響環(huán)境,運(yùn)行所需能耗由燃燒發(fā)電系統(tǒng)提供,故干燥過(guò)程除冷凝水外無(wú)其他排放物。

1.2.2污泥焚燒過(guò)程

該廠配套建設(shè)25 MW的直接燃燒發(fā)電系統(tǒng),運(yùn)行過(guò)程所需能耗由燃燒發(fā)電系統(tǒng)自身提供。運(yùn)行過(guò)程中,污泥在焚燒爐中燃燒產(chǎn)生煙氣,煙氣在汽輪機(jī)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(jīng)測(cè)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(shí)際輸出電量為16.028 kWh。因除濕干燥機(jī)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(zhuǎn)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(shè)污泥燃燒充分,沒(méi)有CO產(chǎn)生,這90%的C都成為CO2排放入大氣中,污泥燃燒過(guò)程中S完全轉(zhuǎn)化為SO2并排放入大氣中,焚燒污泥所產(chǎn)生的NOx量與燃燒同等質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)煤所產(chǎn)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(yùn)輸過(guò)程

在整個(gè)研究范圍內(nèi),主要的運(yùn)輸過(guò)程是除濕干燥后的污泥，即含水率36%的污泥運(yùn)輸?shù)饺紵l(fā)電系統(tǒng)以及焚燒處理后灰渣的運(yùn)輸。每100 kg含水率75%的造紙污泥，需要運(yùn)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(yùn)輸,運(yùn)輸過(guò)程的單位柴油消耗量為0.04 L/(t·km),運(yùn)輸過(guò)程中貨車的排放物中,對(duì)環(huán)境影響最大的排放物主要是CO2、SO2、NOx。

目前,在國(guó)內(nèi),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(diǎn)距離約15 km,每39.06 kg污泥(含水率36%)的運(yùn)輸過(guò)程需要消耗柴油量為23.436 mL；假設(shè)灰渣從焚燒點(diǎn)被運(yùn)輸?shù)教盥顸c(diǎn)或利用點(diǎn)的平均距離為20 km,則每14.539 kg灰渣的運(yùn)輸過(guò)程需要消耗柴油量為11.631 mL,兩個(gè)運(yùn)輸過(guò)程一共消耗柴油量為35.067 mL,所以每日運(yùn)輸所消耗柴油量為39.723 L。

經(jīng)計(jì)算,每處理100 kg含水率75%的造紙污泥,在運(yùn)輸過(guò)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(gè)生命周期

根據(jù)上面的分析,在整個(gè)造紙污泥干燥焚燒發(fā)電過(guò)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(wú)需額外耗能,在整個(gè)造紙污泥干燥焚燒的生命周期研究范圍內(nèi)只有運(yùn)輸過(guò)程需要額外的能源。

造紙污泥的干燥、焚燒和運(yùn)輸各過(guò)程整個(gè)生命周期內(nèi)，每處理100 kg含水率75%的造紙污泥對(duì)外輸出的電量為0.388 kWh,產(chǎn)生的待處置灰渣為14.539 kg,對(duì)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(píng)價(jià)(LCIA)

2.1影響評(píng)價(jià)方法

影響評(píng)價(jià)實(shí)際上是使用定量法或定性法對(duì)清單分析過(guò)程所得到的環(huán)境影響負(fù)荷(這里主要為CO2、SO2、NOx)進(jìn)行表征評(píng)價(jià),即獲得造紙污泥干燥焚燒生命周期內(nèi)的能量交換和物質(zhì)交換對(duì)外部環(huán)境的影響。生命周期的影響評(píng)價(jià)必須考慮造紙污泥干燥焚燒對(duì)生態(tài)環(huán)境以及人體健康的影響。

2.1.1分類

根據(jù)研究目標(biāo)和研究范圍所確定的研究系統(tǒng)邊界以及清單分析過(guò)程所獲得的處理過(guò)程數(shù)據(jù)清單,對(duì)造紙污泥干燥焚燒的生命周期內(nèi)所導(dǎo)致的環(huán)境影響進(jìn)行分類。造紙污泥干燥焚燒的綜合影響有能源消耗、物質(zhì)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(yíng)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(duì)環(huán)境影響分類后,利用環(huán)境負(fù)荷指標(biāo)法把同一影響類型的不同影響因子進(jìn)行計(jì)算和總結(jié),設(shè)法獲得各個(gè)不同影響類型的綜合環(huán)境負(fù)荷。環(huán)境負(fù)荷(Environmental Burden,簡(jiǎn)稱EB)是一個(gè)量化數(shù)值,指一種排放物對(duì)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(zhì)量,還能反映每種排放物對(duì)環(huán)境帶來(lái)的潛在影響程度。EB可以用公式(1)計(jì)算獲得。

(1)

式中，i指排放物中第i種化學(xué)物質(zhì)；n指所含的化學(xué)物質(zhì)總數(shù);Wi是第i種化學(xué)物質(zhì)的質(zhì)量；PFi是第i種物質(zhì)對(duì)某個(gè)環(huán)境類型影響的潛能因子(Potential Factor,簡(jiǎn)稱PF),指一種化學(xué)物質(zhì)影響某個(gè)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(jié)合造紙污泥干燥焚燒處理過(guò)程的特點(diǎn),使用層次分析法(AHP)對(duì)造紙污泥干燥焚燒生命周期的環(huán)境影響進(jìn)行量化。

以國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO14040的框架為標(biāo)準(zhǔn),在完成影響評(píng)價(jià)的分類、特征化、量化3個(gè)步驟之后,再加上環(huán)境影響潛值的標(biāo)準(zhǔn)化、加權(quán)評(píng)估及環(huán)境影響負(fù)荷的計(jì)算,以更好地對(duì)造紙污泥干燥焚燒的環(huán)境影響進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。

2.2污染物排放影響特征化

假設(shè)造紙污泥干燥焚燒的生命周期所經(jīng)歷的時(shí)間為3個(gè)月,計(jì)算使用的PF如表4所示,則污染物排放的環(huán)境影響負(fù)荷EB(GW、AC、NE、SA)經(jīng)計(jì)算結(jié)果如下。

(1)GW：EB(GW)為159.316 kg/a,其中主要的影響來(lái)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(lái)源于SO2和NOx,SO2為2.508 kg/a,NOx為1.3748 kg/a。

(3)NE：計(jì)算EB(NE)需要用到排放物中N的質(zhì)量,所以要計(jì)算出0.491 kg的NOx中N的質(zhì)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(shí)間較長(zhǎng),故按照NO2=0.75NOx(年平均濃度)來(lái)計(jì)算,可得到NO2質(zhì)量為0.3683 kg,繼而得到排放物中N的質(zhì)量為0.1121 kg,所以EB(NE)為0.4484 kg/a,全部的影響都來(lái)源于NOx。

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

2.3污染物排放影響量化

通過(guò)賦予GW、AC、NE、SA一定的標(biāo)度值,可以構(gòu)建以下判斷矩陣對(duì)環(huán)境影響進(jìn)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(yùn)用層次分析法(AHP),可計(jì)算獲得這個(gè)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(quán)重。

用CI=(λmax-n)/(n-1)=0.01檢驗(yàn)判斷矩陣的一致性,矩陣最大特征值λmax=4.031。當(dāng)n=4時(shí),RI=0.90,則CR=CI/RI=0.01/0.90=0.011小于0.10,說(shuō)明上述評(píng)判矩陣有著很好的一致性,上述GW、AC、NE、SA各個(gè)權(quán)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(jīng)計(jì)算可得到造紙污泥干燥焚燒的生命周期對(duì)環(huán)境的影響綜合指數(shù)為75.392 kg/a。

2.4加權(quán)評(píng)估及污染物排放環(huán)境影響負(fù)荷

在生命周期評(píng)價(jià)理論中，對(duì)于全球性環(huán)境影響采用全球尺度的基準(zhǔn)；地區(qū)性環(huán)境影響采用地區(qū)或是國(guó)家的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)；對(duì)于局地性環(huán)境影響通常采用國(guó)家或是某一地區(qū)的相應(yīng)基準(zhǔn)。基準(zhǔn)的計(jì)算既關(guān)系到數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程，也影響后面的評(píng)估過(guò)程。

為了方便比較生命周期內(nèi)中不同類型的環(huán)境影響,對(duì)使用中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心利用標(biāo)距離法計(jì)算出的“中國(guó)環(huán)境影響潛值標(biāo)準(zhǔn)人當(dāng)量基準(zhǔn)值和權(quán)重”數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理和加權(quán)評(píng)估,以便分析和比較不同影響類型的環(huán)境影響負(fù)荷[10]。

對(duì)2.2中計(jì)算所得的環(huán)境負(fù)荷(數(shù)值上與影響潛值相等)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,可得GW為18.31、AC為107.86、NE為7.35、SA為1.56。然后對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)分析,最后利用加權(quán)后的影響潛值計(jì)算不同影響類型的環(huán)境影響負(fù)荷和總環(huán)境影響負(fù)荷。詳細(xì)數(shù)據(jù)以及計(jì)算所得的結(jié)果如表6所示。

表6　影響潛值標(biāo)準(zhǔn)化和加權(quán)分析結(jié)果

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

3結(jié)論

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知,在造紙污泥干燥焚燒的生命周期內(nèi)對(duì)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(yíng)養(yǎng)化(NE)次之,對(duì)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(yíng)養(yǎng)化>煙塵和灰塵。結(jié)果表明,在造紙污泥干燥焚燒的生命周期中對(duì)環(huán)境的影響,地區(qū)性影響占據(jù)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(zé)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(hào)：X820.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(jiǎn)介：肖漢敏先生，博士；主要從事高效低污染燃燒的研究。

·污泥焚燒評(píng)價(jià)·