造紙廠固體廢棄物能源化利用的LCA分析
摘要： 應用生命周期分析法（LCA）評價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。結果表明，固體廢棄物汽化后進入內燃機發電機組方案是最優方案，每年可以節省動力煤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，故具有一定的經濟效益。但由于固體廢棄物的焚燒（或汽化）最終也會排放一些廢渣和廢氣，所以有必要對兩者進行系統的比較。
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品紙的副產品，故不追溯其產生過程的排放。而對于煤，則要考慮其開采、運輸等過程的排放。
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。
|
表1 B造紙廠固體廢棄物的特性 (%)
|
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—揮發分, FC—固定碳。
由于造紙廠規模較大，固體廢棄物量較多，所以對其處理考慮下面4種方案：直接焚燒供蒸氣、直接焚燒后產生蒸氣進入汽輪機發電機組發電、汽化后進入鍋爐與煤混燒供蒸氣、汽化后進入內燃機發電機組發電。
2.2 固體廢棄物能源化利用過程的編目分析
|
表2 煤的工業分析和元素分析表 （%）
|
2.2.1方案1：直接焚燒供蒸氣
若新建1臺焚燒爐和余熱鍋爐，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 直接焚燒后產生蒸氣進入汽輪機發電機組發電
2.3.1 固體廢棄物能源化利用過程的編目分析
若新建1臺焚燒爐和余熱鍋爐，固體廢棄物直接焚燒，然后進入汽輪機發電機組發電，過程如圖3所示。廢棄物焚燒煙氣復雜，水蒸氣含量高。焚燒塑料時煙氣中含腐蝕性強的HCl，而焚燒含堿污泥時煙氣中含微粒鈉化合物，將限制余熱鍋爐蒸氣參數的提高，焚燒固體廢棄物小型發電機組的各項效率[2]為：
焚燒爐效率 92% ，余熱鍋爐熱效率 75% ，朗肯循環熱效率 37% ，汽輪機內效率 74% ，汽輪機機械效率 93% ，發電機機械效率 94% ，汽輪機絕對電效率 24%，汽輪機汽耗率 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。
|
表3 造紙廠固體廢棄物的4種處理方案比較表
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
4結論
4.1
造紙廠固體廢棄物能源化利用具有很大的經濟效益。汽化后進入內燃機發電機組方案是最優方案，節省動力煤25824t。直接焚燒供蒸氣、直接焚燒產生蒸氣進汽輪機組發電、汽化后進入鍋爐與煤混燒供蒸氣3種方案分別可節省動力煤19134、19134、17511t。當然，等熱容量的廢物焚燒爐和燃煤鍋爐工藝技術、材質差異甚大，經濟性也會因此有所不同。
4.2
相對于燃煤生產同樣的蒸氣和電能，固體廢棄物汽化后進入內燃機發電機組能源化利用方案，具有很大的環境效益，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。本文比較的是對環境的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生10169.5t，樹皮屬于生物質，生物質在生長過程中要吸收大量的CO2，有文獻[4]認為生物質燃燒CO2為零排放。
4.4由于固體廢棄物汽化要產生焦油，燃氣直接進內燃機，將影響機組運行的穩定，而燃氣進鍋爐與煤混燒，則無須考慮焦油的清洗。另外，考慮到充分利用廠內已有鍋爐，不新建內燃機發電機組，可較大地節省投資，故固體廢棄物汽化后進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
1 Margaret C Mann，Pamela L Spath.Life Cycle Assessment of a Biomass Gasification Combined-Cycle Power System. 北京：中國環境科學出版社,1997 .
2 沈士一.汽輪機原理.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略.北京：清華大學出版社，2001.
4余春江.溫室效應與生物質能利用.中國太陽能學會生物質能專業委員會論文集，2001.
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環保網”
