循环流化床发电技术生命周期环境影响评价

武慧君,徐裕焕,汪倩倩,叶元元

(安徽理工大学地球与环境学院,安徽 淮南 232001)

经过几十年的探索,循环流化床(Circulating Fluidized Bed,CFB)发电技术作为我国一种新兴的洁净煤发电技术,已经形成较坚实的理论基础和研发能力,并在发电行业得到广泛应用。传统粉煤炉难以有效利用煤炭的煤泥和煤矸石等低热值副产物,而CFB锅炉弥补了传统粉煤炉的不足,对燃料的热值和品质要求较低,具有良好的适用性[1]。亚临界CFB发电机组凭借其造价低廉、操作简单、维护方便、运行可靠,成为了国内CFB发电的技术主流[2]。与此同时,对该技术的环境影响评估亦成为社会关注的重点[3]。

生命周期评价(Life cycle assessment,LCA)是一种评价产品、工艺或服务从原材料采集,到产品生产、运输、使用及最终处置等全生命周期的能源消耗及环境影响的工具[4]。LCA方法已列入ISO国际质量标准[5],有研究者将LCA方法应用于CFB发电技术中[6-7],但是主要集中在对环境影响的评估,而缺乏对技术切实有效的改进方案。

淮南市位于安徽省中北部,煤炭储量丰富。淮南煤田探明储量为1.8×1011t,占中国东部能源产量的32%[8]。淮南也是华东地区的主要电力供应地,据统计,燃煤电厂每年的发电量为8.2×1011kW·h[9]。近年来,淮南几家主要发电厂开始采用循环流化床发电技术。其中,淮南某电厂的300MW亚临界CFB技术在我国CFB机组中具有一定代表性[10]。本研究以该CFB电厂作为研究对象,使用LCA方法对环境影响进行评价,并根据评价结果提出改进方案。

1 研究方法

根据ISO 14040/14044标准,生命周期评价框架分为4个步骤:目标和范围定义、生命周期清单分析、生命周期影响评价和结果解释。

1.1 目标与边界

本文以淮南某CFB电厂作为研究对象,CFB发电技术的生命周期如图1所示。生命周期包括煤炭开采、煤炭洗选、燃煤发电3个阶段。基于实地调查,淮南某CFB电厂选址毗邻于矿区,煤炭运输距离短,可通过皮带直接输送,因此忽略CFB发电的煤炭运输阶段。LCA评价过程的功能单位选取电厂1 MW·h净发电量,对应消耗的煤炭折标为319.6kg。

1.2 数据清单和来源

CFB发电技术的生命周期数据清单(基于1MW·h净发电量)如表1所示。煤炭开采和煤炭洗选阶段的数据可参考我国该行业的平均数据[11]。燃煤发电阶段的相关数据来自对淮南CFB发电厂的调研。

表1 LCA发电技术生命周期数据清单

1.3 环境影响核算方法

生命周期影响评价分为4个步骤:分类、特征化、标准化和加权过程[12]。分类是指根据影响类别对资源消耗和对外排放进行分类。数据清单建立后,所收集的环境排放数据应根据所选择的环境影响类型进行分类。环境影响类型包括全球变暖潜值(Global Warming Potential,GWP)、酸化潜值(Acidification Potential,AP)、富营养化潜值(Eutrophication Potential,EP)、人类潜在毒性潜值(Human Toxicity Potential,HTP)、固体废弃物潜值(Solid Waste Potential,SWP)和烟尘潜值(Soot and Dust Potential,SAP)。特征化表示采用等效因子法进行表征,即根据分类,将某一类别的环境影响的排放换算成统一的因子来表示。标准化是该影响因子以人均贡献作为标准化基准,计算燃煤发电过程中各中点影响类别的环境影响潜力。加权过程首先确定燃煤发电生命周期中各环境影响类别的权重因子,再根据权重计算量化总的环境影响。

1)分类和特征化 LCA核算方法是将生命周期模型各阶段的各类环境排放分别计算并汇总。各物质的分类和特征化折算因子如表2所示,数据来源于文献[13]。

表2 环境影响分类和特征化折算因子

该生命周期主要的温室气体为二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O),包括直接排放和间接排放。数据清单表所示的各阶段CO2、 CH4和N2O环境排放为直接排放,将其求和后特征化,统一折算成CO2排放量;生命周期内消耗的资源和能源,其上游的生产和运输过程带来的温室气体排放构成了间接排放,也以CO2排放量表示。以该生命周期内消耗的电力为例,电力的间接温室气体排放指的是生产这些被消耗的电力过程中所排放的温室气体。本文主要计算了石灰石[14]、尿素[15]和电力[16]的间接温室气体排放,其他资源和能源由于消耗量少而被忽略。

EI1=QCO2+QCH4·GWPCH4+QN2O·GWPN2O+Q间接排放

(1)

式中,EI1为生命周期温室气体排放量,kg·(MW·h)-1;QCO2、QCH4和QN2O分别为生命周期汇总的CO2、CH4和N2O排放量,kg·(MW·h)-1;GWPCH4和GWPN2O为CH4的温室气体效应特征化因子,28和265;Q间接排放为生命周期汇总的间接温室气体排放量,kg·(MW·h)-1。

该LCA模型中AP的主要排放物为二氧化硫(SO2)和氮氧化物(NOx),且都来自于发电阶段,以SO2作为特征化指标,核算方法如下

EI2=QSO2+QNOx·APNOx

(2)

式中,EI2为生命周期酸化气体排放量,kg·(MW·h)-1;QSO2和QNOx分别为燃煤发电阶段的SO2和NOx排放量,kg·(MW·h)-1;APNOx为NOx的酸化潜力特征化因子,0.7。

EI3=QNOx·EPNOx+QCOD·EPCOD+

QBOD·EPBOD

(3)

式中,EI3为生命周期富营养化物质排放量,kg·(MW·h)-1;QNOx、QCOD和QBOD分别为生命周期总的NOx、COD和BOD排放量,kg·(MW·h)-1;EPNOx、EPCOD、EPBOD分别为NOx、COD、BOD的富营养化效应特征化因子,1.35、0.23和1.79。

HTP与SO2和NOx的排放有关,以一氧化碳(CO)作为特征化指标,核算方法如下

EI4=QSO2·HTPSO2+QNOx·HTPNOx

(4)

式中,EI4为生命周期人类潜在毒性物质排放量,kg·(MW·h)-1;QSO2和QNOx分别为生命周期总的SO2和NOx排放量,kg·(MW·h)-1;HTPSO2和HTPNOx分别为SO2和NOx的温室气体效应特征化因子,100、65。

该模型中的固体废弃物主要来自煤炭开采和煤炭洗选阶段的煤矸石和其他固废,以及燃煤发电阶段的炉渣炉灰等固废,以煤泥作为特征化指标,其核算方法如下

EI5=Qmess

(5)

式中,EI5为生命周期固体废弃物质排放量,kg·(MW·h)-1;Qmess为生命周期固废、煤矸石、炉渣和炉灰总排放量,kg·(MW·h)-1。

LCA中SAP以可吸入颗粒(Total Suspended Particulate,TSP)作为特征化指标,折算因子为1,烟尘潜值核算方法如下

EI6=QTSP

(6)

式中,EI6为生命周期烟尘排放量,kg·(MW·h)-1;QTSP为生命周期总悬浮颗粒排放量,kg·(MW·h)-1。

2)标准化与加权 标准化计算中人均环境影响的标准化计算过程如下

(7)

式中,SEIn为第n种环境影响潜值的标准化结果;EIn为第n种环境影响潜值,kg·(MW·h)-1;SBn为第n种环境影响的标准化基准值,kg·a-1;T为时间,年。

加权计算的权重因子来自参考文献[17],其计算过程如下

WPn=SEIn·WFn

(8)

式中,WPn为第n种环境影响潜值标准化后加权结果;SEIn为第n种环境影响潜值的标准化结果;WFn为第n种环境影响的权重因子。标准化和加权结果如表3所示。

表3 环境影响标准化和加权结果

2 结果与分析

2.1 环境影响评估

CFB发电技术各环境影响结果如表3所示,总潜值为0.42。根据加权结果,环境影响占比从大到小依次为SWP、GWP、SAP、EP、AP和HTP。环境影响潜值在各阶段的占比如图2所示。

图2 环境影响潜值各阶段占比

本研究中的CFB发电技术生命周期GWP加权占比较高,达到了21.4%,仅次于SWP的环境影响贡献。从温室气体的排放来源分析,93.9%的温室气体来自燃煤发电阶段。该阶段的燃烧发电过程主要将煤炭中的固碳转化为CO2,CO2作为主要温室气体,排放量为877.00kg·(MW·h)-1。由于CFB锅炉的特性使燃烧过程中N2O的生成率较低[18],并且CFB电厂采用先进的脱硝设备,脱硝效率为91.43%,因此温室气体N2O在该阶段的排放量较少,为0.03kg·(MW·h)-1。另一个温室气体CH4主要来自煤炭开采阶段,排放量为1.69kg·(MW·h)-1。

CFB发电技术生命周期AP的影响较为轻微,加权占比仅0.7%。CFB电厂同时实现了超低的SO2和NOx排放。通常情况下,CFB电厂通过锅炉内钙法脱硫和烟气脱硫相结合的方式控制SO2的排放[19]。本案例中的CFB电厂经过长期实践和技术改进,省去了炉内脱硫,采用了高效的烟气脱硫设备,脱硫效率达到了98.5%,保持了SO2的低排放量。

该生命周期模型中EP的加权占比较低,仅为0.8%。富营养化主要来自是煤炭开采阶段,该阶段排放大量的废水,包括煤矸石等固废浸出水和未处理的矿井污染水。调研的电厂采用循环水系统,不排放废水,同时保持了较低的N元素排放,因此燃煤阶段排放的富营养化物质较煤炭开采阶段低。

HTP的环境影响占比是最低的,为0.3%。重金属及其化合物主要存在于燃煤后的灰渣中,由于电厂产生的灰渣已进行妥善处理,因此重金属污染在本研究中不予考虑。与AP环境影响相同,HTP也主要取决于SO2和NOx排放,CFB发电独特的技术优势限制了这两种污染气体的排放,它们对人体健康的影响也大大降低。

在所有环境影响类型中,SWP拥有最显著的影响,加权占比为75.6%。CFB电厂将燃煤发电阶段产生的炉灰和炉渣等固废通过公路运输方式外运至其他单位,由第三方进行综合处理或用于制作建筑材料,因此本研究认为燃煤发电阶段产生的固废可忽略不计。煤炭开采和洗选过程中会产生煤矸石,煤泥和其他固废[20]。近年来,煤矸石主要被用于建材、发电、填料等,综合利用率不断提高已达到70%[21]。但考虑到我国每年煤矸石产量巨大,仍有大量煤矸石不能及时有效利用并作为固废残留,同时造成了严重的环境问题[22]。

该生命周期中SAP影响力较低,煤炭开采和煤炭洗选几乎不产生粉尘,CFB电厂采用高效静电除尘设备,除尘效率为99.9%,使燃煤发电阶段的粉尘排放量较低。

2.2 改进方案

上述环境影响研究结果显示,CFB发电技术的整体环境影响中SWP最为显著,而对煤矸石等固废的有效处置有助于降低SWP的影响。CFB锅炉对燃料的热值和品质要求较低,具有良好的燃料适用性,可以实现对煤矸石的利用。通过在CFB锅炉中共同燃烧煤矸石是利用煤矸石的最有效益技术之一[23]。因此,根据相关研究人员的经济性分析[24],结合电厂调研情况,本研究提出改进方案为:入炉燃料中掺杂80%质量的煤矸石;煤炭洗选阶段的固废利用率提高至80%。根据现场调查和专家咨询,该方案中90%的煤矸石来自现有的煤矸石堆。

根据《煤矸石综合利用管理办法》第十三条[25],发电用煤矸石热值须高于5 020kJ/kg,本研究中煤矸石平均热值为5 150kJ/kg。煤矸石投入引起电厂效率变化可由文献[26-27]得到。燃料的投入量可由电厂效率和燃料热值得出,假定生命周期其余参数和排放系数不变,改进方案的生命周期数据清单如表4所示。

表4 改进方案数据清单

改进方案与原方案的环境影响对比如图3所示,改进方案环境总潜值为0.25,综合环境影响比原方案降低了40%。可见,在技术工艺条件允许的情况下,改进方案是对环境更加友好的方案。改进方案环境影响程度从大到小依次是GWP、SWP、EP、AP、SAP和HTP。相比原方案,改进方案后SWP变化最明显,减少了69%,实现了固废排放的大幅降低。核算过程中,考虑到煤矸石掺杂使煤炭开采和洗选阶段的一部分煤矸石固废得到充分利用,固废生成会减少,同时煤炭洗选产生的矿渣也得到了充分利用。其余类型的环境影响略有提高,因为总燃料投入量的增加导致前两个阶段污染气体排放和电力输入会增大;同时燃料品质的降低会影响电厂效率,增加电厂负荷,燃料消耗的增加也使电厂污染物排放增加。图3的结果也显示,无论哪一种方案,GWP和SWP都是最重大的两类环境影响类型。

图3 煤矸石掺烧方案与原方案的环境影响对比

3 讨论

本研究通过对CFB发电技术的LCA分析,发现GWP和SWP的环境影响最显著,其他环境影响类型占比较低。原因在于CFB发电是一种洁净煤发电技术,在燃煤发电阶段对强效的温室气体(如N2O)、严重危害性的气体(如SO2)、NOx和TSP都实现了严格高效的控制。现今煤炭开采和煤炭洗选的管理制度和管理体系也逐渐成熟和完善,实现了矿井废水和煤层气的低排放。上述排放因素的有效控制使AP、EP、HTP和SAP等环境影响较低。燃煤发电伴随着高CO2排放,而处理大量CO2的成本较高,并且CFB发电厂也重视不够,因此大量的CO2排放成为GWP环境影响主导因素。CFB发电生命周期过程中燃煤发电阶段的固废得到了再利用,但煤炭开采和煤炭洗选产生的固废量较大,存在难以实现全部再利用或者短时期内无法处置的问题,造成了固废在环境中堆积,SWP也成为该LCA模型中最主要的影响类型之一。

对温室气体和固废排放的控制是降低生命周期环境影响的关键。在“碳达峰、碳中和”的目标下[28],煤炭发电行业的温室气体排放引起了广泛关注。CFB电厂在运行过程中要更加重视对碳排放的监控,未来的技术可以向进一步降低碳排放或者回收利用CO2的方向发展。根据本研究结果,通过CFB电厂掺烧煤矸石以及提高其他固废回收利用率是有效降低固废排放进而降低总体环境影响的有效手段。要大力提倡CFB电厂更多地利用低成本的低品质煤,这样有利于经济和环境的双收益。为减少其他固废排放,应对煤矿固废进行合理堆填处理或者资源化利用。

本研究以淮南某CFB电厂作为研究对象,对常规燃煤方案和改进方案进行了案例分析,未来可将研究对象扩展到安徽省CFB电厂,以提高获取数据的准确性和代表性。同时,可对不同煤矸石掺烧比进行研究,以探寻环境影响最低的方案。

4 结论

(1)本研究对CFB发电技术环境影响进行了LCA分析,全球变暖潜值、酸化潜值富营养化潜值、人类潜在毒性潜值、固体废弃物潜值和烟尘潜值加权影响分别为9.09×10-2、2.76×10-3、4.00×10-3、1.06×10-3、3.19×10-1和6.78×10-3,其中富营养化潜值主要来源于煤炭开采和燃煤发电阶段,固体废弃物潜值来源于煤炭开采和煤炭洗选阶段,其余环境影响主要来源于燃煤发电阶段。

(2)80%煤矸石掺烧方案相比未掺烧煤矸石原方案,固体废弃物潜值降低了69%,总环境影响潜值降低了40%。

(3)两种方案中,全球变暖潜值和固体废弃物潜值都是最显著的环境影响类型。