造紙廠固體廢棄物能源化利用的LCA分析
摘要： 應(yīng)用生命周期分析法（LCA）評(píng)價(jià)了以原木造紙為主的固體廢棄物能源化利用的4種方案。計(jì)算了每種方案中固體廢棄物能源化和燃煤的廢渣、CO2 、SO2、NOx排放。結(jié)果表明，固體廢棄物汽化后進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組方案是最優(yōu)方案，每年可以節(jié)省動(dòng)力煤25824t，減少排放CO2514t、SO2343t、NOx370t。
1前言
造紙廠固體廢棄物能源化利用，可以替代造紙工藝中的部分能源消耗。減少部分造紙廠常用的能源煤，從而也減少了這部分煤燃燒所排放的灰渣和氣體污染物，故具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。但由于固體廢棄物的焚燒（或汽化）最終也會(huì)排放一些廢渣和廢氣，所以有必要對(duì)兩者進(jìn)行系統(tǒng)的比較。
本文采用生命周期分析方法[1]（LCA），分析以原木造紙為主的B造紙廠固體廢棄物能源化利用的4種方案。在分析中，由于固體廢棄物是產(chǎn)品紙的副產(chǎn)品，故不追溯其產(chǎn)生過程的排放。而對(duì)于煤，則要考慮其開采、運(yùn)輸?shù)冗^程的排放。
2 造紙廠固體廢棄物能源化利用過程編目分析
2.1 固體廢棄物特性
造紙廠固體廢棄物特性如表1。
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表1 B造紙廠固體廢棄物的特性 (%)
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1)M—水分,ar—收到基, f—外在水分（自由基）,ad—空氣干燥劑,A—灰分,V—揮發(fā)分, FC—固定碳。
由于造紙廠規(guī)模較大，固體廢棄物量較多，所以對(duì)其處理考慮下面4種方案：直接焚燒供蒸氣、直接焚燒后產(chǎn)生蒸氣進(jìn)入汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電、汽化后進(jìn)入鍋爐與煤混燒供蒸氣、汽化后進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電。
2.2 固體廢棄物能源化利用過程的編目分析
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表2 煤的工業(yè)分析和元素分析表 （%）
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2.2.1方案1：直接焚燒供蒸氣
若新建1臺(tái)焚燒爐和余熱鍋爐，固體廢棄物直接焚燒，為造紙工藝提供蒸氣。
2.2.2 燃煤生命周期過程的編目分析
1）C、H、O、N—碳、氫、氧、氮，Qnet,ar —低為熱值。
2.3 直接焚燒后產(chǎn)生蒸氣進(jìn)入汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電
2.3.1 固體廢棄物能源化利用過程的編目分析
若新建1臺(tái)焚燒爐和余熱鍋爐，固體廢棄物直接焚燒，然后進(jìn)入汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電，過程如圖3所示。廢棄物焚燒煙氣復(fù)雜，水蒸氣含量高。焚燒塑料時(shí)煙氣中含腐蝕性強(qiáng)的HCl，而焚燒含堿污泥時(shí)煙氣中含微粒鈉化合物，將限制余熱鍋爐蒸氣參數(shù)的提高，焚燒固體廢棄物小型發(fā)電機(jī)組的各項(xiàng)效率[2]為：
焚燒爐效率 92% ，余熱鍋爐熱效率 75% ，朗肯循環(huán)熱效率 37% ，汽輪機(jī)內(nèi)效率 74% ，汽輪機(jī)機(jī)械效率 93% ，發(fā)電機(jī)機(jī)械效率 94% ，汽輪機(jī)絕對(duì)電效率 24%，汽輪機(jī)汽耗率 5.0 kg/（kW.h） 。
3 綜合分析與比較
3.1造紙廠固體廢棄物的4種處理方案分析比較
4種處理方案煤耗、熱損失、灰渣和氣體排放比較如表3所示。
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表3 造紙廠固體廢棄物的4種處理方案比較表
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4結(jié)論
4.1
造紙廠固體廢棄物能源化利用具有很大的經(jīng)濟(jì)效益。汽化后進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組方案是最優(yōu)方案，節(jié)省動(dòng)力煤25824t。直接焚燒供蒸氣、直接焚燒產(chǎn)生蒸氣進(jìn)汽輪機(jī)組發(fā)電、汽化后進(jìn)入鍋爐與煤混燒供蒸氣3種方案分別可節(jié)省動(dòng)力煤19134、19134、17511t。當(dāng)然，等熱容量的廢物焚燒爐和燃煤鍋爐工藝技術(shù)、材質(zhì)差異甚大，經(jīng)濟(jì)性也會(huì)因此有所不同。
4.2
相對(duì)于燃煤生產(chǎn)同樣的蒸氣和電能，固體廢棄物汽化后進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組能源化利用方案，具有很大的環(huán)境效益，每年CO2 、SO2 、NOx可分別減少排放514、343、370t。其它3種方案也可以不同程度減少SO2和NOx的排放。本文比較的是對(duì)環(huán)境的CO2 、SO2 、NOx和灰渣的排放，需要注意的是，廢棄物焚燒的渣、尾氣性質(zhì)與燃煤有所不同。
4.3
固體廢棄物能源化利用的后3種方案中，雖然CO2排放大于燃煤方案，但其中由樹皮燃燒產(chǎn)生10169.5t，樹皮屬于生物質(zhì)，生物質(zhì)在生長過程中要吸收大量的CO2，有文獻(xiàn)[4]認(rèn)為生物質(zhì)燃燒CO2為零排放。
4.4由于固體廢棄物汽化要產(chǎn)生焦油，燃?xì)庵苯舆M(jìn)內(nèi)燃機(jī)，將影響機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定，而燃?xì)膺M(jìn)鍋爐與煤混燒，則無須考慮焦油的清洗。另外，考慮到充分利用廠內(nèi)已有鍋爐，不新建內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組，可較大地節(jié)省投資，故固體廢棄物汽化后進(jìn)入鍋爐與煤混燒供蒸氣是一種值得推薦的方案。
5參考文獻(xiàn)
1 Margaret C Mann，Pamela L Spath.Life Cycle Assessment of a Biomass Gasification Combined-Cycle Power System. 北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社,1997 .
2 沈士一.汽輪機(jī)原理.北京：水力電力出版社，1995.
3 吳宗鑫.以煤為主多元化的清潔能源戰(zhàn)略.北京：清華大學(xué)出版社，2001.
4余春江.溫室效應(yīng)與生物質(zhì)能利用.中國太陽能學(xué)會(huì)生物質(zhì)能專業(yè)委員會(huì)論文集，2001.
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