Advances in Environmental Protection
Vol.05 No.03(2015), Article ID:15455,8 pages
10.12677/AEP.2015.53008

Research on Environmental Impact Assessment of Total Life Cycle for WESP in Coal-Fired Power Plants

Yunzhe Ma1, Liying Guo2, Dongge Wang3, Xiuying Li4, Sheng Wang1

1State Power Environmental Protection Research Institute, Nanjing Jiangsu

2Nanjing University of Technology, Nanjing Jiangsu

3Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing Jiangsu

4Jingyu Meteorological Bureau of Jilin Province, Baishan Jilin

Email: wangsheng9999@126.com

Received: Jun. 1st, 2015; accepted: Jun. 20th, 2015; published: Jun. 23rd, 2015

Copyright © 2015 by authors and Hans Publishers Inc.

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ABSTRACT

LCA method has been used to research on the environment impact assessment for WESP about some power plant of 330 MW in the course of renovation project including raw materials product, transportation and WESP operation steps. After all the energy consumption and environment impact in all steps have been assessed, environmental impact index can be given in the end. The result has shown that the load of environment impact about the renovation project of coal-fired power plant is 4.55E+04 kg, which is far below the load of environment impact after operation of 8.52E+04 kg, so it has the positive role in improving the environment.

Keywords:WESP, LCA, Energy Consumption, Pollution Emission, Environment Impact

燃煤电厂湿式电除尘生命全周期环境影响 评估研究

马韵哲1,郭丽颖2,王东歌3,李秀颖4,王圣1

1国电环境保护研究院,江苏 南京

2南京工业大学,江苏 南京

3南京信息工程大学,江苏 南京

4吉林省靖宇县气象局,吉林 白山

Email: wangsheng9999@126.com

收稿日期:2015年6月1日;录用日期:2015年6月20日;发布日期:2015年6月23日

摘 要

运用生命周期评价方法(life cycle assessment, LCA),以某电厂330 MW机组实施的湿式电除尘器(wet electrostatic precipitator, WESP)改造项目为研究对象,对原料生产、运输及WESP装置运行阶段进行生命周期清单分析,分别计算各阶段的能源消耗及对环境的影响进行评估,最后得到环境影响指数。结果表明:该电厂改造项目中WESP的全生命周期造成的环境负影响指数为4.55E+04 kg,远低于其运行后对大气污染物减排产生的环境正影响指数8.52E+05 kg,对环境有积极的改善作用。

关键词 :湿式电除尘器,生命周期评价,能源消耗,污染物排放,环境影响

1. 引言

我国以煤炭为主的能源结构短期内不会改变,成为大气环境质量变化的主要因素之一[1] 。近期灰霾天气的频发已引起公众对燃煤电厂烟尘排放的极大关注,各项更加严格的行业标准和环保政策纷纷出台[2] 。目前,为了满足最新大气污染物排放标准的要求,控制烟尘、SO3、水雾及石膏液滴、细颗粒物(PM2.5)、汞及其化合物的排放,实现多污染物协调处理,燃煤电厂提出了在脱硫吸收塔后置湿式电除尘(WESP)的方案[3] 。

生命周期评价方法是研究某系统全过程、整个生命周期的对环境影响的方法[4] 。生命周期评价既可以作为评价产品生产全过程的有效手段,又可以作为一种环境管理工具,其相关理念已逐步引入我国,在很多行业都得到了较好的应用[5] ,如王峰等学者在乙烯行业、谢小天等学者在生活垃圾处理行业、谢明辉等学者在太阳能级多晶硅行业、彭小瑜等学者在农业的环境影响评估中都采用了生命周期评价方法[6] -[9] 。在火电行业方面,刘聚明等学者对火电温室气体排放、王红学者对脱硫工艺、梁增英等学者对烟气脱硝技术等方面也运用了生命周期评价方法进行了详尽的研究[10] -[12] 。但通过分析发现,当前对于燃煤电厂新兴的WESP装置生命周期评估研究还是空白。针对这一现状,本文以某电厂330 MW机组实施的WESP改造项目为研究对象,首次运用生命周期评价方法,系统地从环境效益角度验证燃煤电厂采用WESP深度净化的可行性。

2. LCA方法及边界条件

生命周期评价(LCA)是一种评价产品、工艺生产过程或活动从原材料的采集和加工到生产、运输、销售、使用、回收、养护、循环利用和最终处理整个生命周期有关的环境负荷过程。生命周期评价的过程包括:首先辨识和量化整个生命周期阶段中能量和物质的消耗以及环境释放,然后评价这些消耗和释放对环境的影响,最后辨识和评价减少这些影响的机会。生命周期评价注重研究系统在生态健康、人类健康和资源消耗领域内的环境影响。

生命周期评价包括四个阶段:1) 目的与范围确定。将生命周期评估研究的目的及范围予以清楚地确定,使其与预期的应用相一致。2) 清单分析。编制一份与研究的产品系统有关的投入产出清单,包含资料搜集及运算,以便量化一个产品系统的相关投入与产出,这些投入与产出包括资源的使用及对空气、水体及土地的污染排放等。3) 影响评估。采用生命周期清单分析的结果,来评估与这些投入产出相关的潜在环境影响。4) 结果分析。将清单分析及影响评估所发现的与研究目的有关的结果合并在一起,对结果进行评估,包括完整性、敏感性和一致性检查,进而形成结论与建议。

在对电力行业湿式电除尘器WESP装置进行生命周期评价时,重点分析其原材料的生产、运输与运行过程中的主要耗费对环境的影响,主要从能耗和环境影响两个方面考虑,其目标范围如图1所示。WESP装置一般布置在脱硫系统后面,烟气经脱硫系统后进入WESP装置深度净化,最后通过烟囱排放到大气环境中。由于该电厂WESP装置阳极板材质采用316L不锈钢,不具备很好的防腐性能,WESP运行过程中需要耗费大量的碱去中和冲洗水的酸性,所以原料主要涉及制作过程中的主要工程材料钢和运行过程中的碱。

在WESP生命周期评价中涉及的内容较为繁杂,本评价系统做了以下的假设和简化:1) 工程耗材主要考虑钢材的消耗;2) 由于WESP废水排放可作为脱硫系统工艺水再利用,此处不考虑污水排放情况;3) 不考虑设备回收报废阶段;4)WESP作为终端净化装置,对多种污染物均有去除效果,如表1表2所示,此处仅选取了烟尘、SO3等主要因子。

Figure 1. Target range of WESP project

图1. WESP项目的目标范围

Table 1. Flue gas emission parameters and main pollution index

表1. 烟气排放参数及主要污染指标

Table 2. Parameters comparison of flue gas with and without WESP

表2. 烟气经WESP装置净化与未净化参数对比

3. WESP全生命周期相关参数清单

3.1. 烟气相关参数

WESP工作的基本原理与电除尘器基本相同,主要的差异是WESP采用液体冲刷集尘极表面来进行清灰[13] [14] 。目前国内WESP发展的主要阳极型式有柔性电极、玻璃钢和不锈钢等,该电厂WESP阳极采用不锈钢,烟气的排放量及主要大气污染物入口浓度、出口浓度如表1所示。

本项目中烟气在经过WESP装置深度净化和未经WESP深度净化处理直接通过烟囱向外界排放两种情况下能源消耗的量,以及转化成单位小时的污染物排放如表2所示。

3.2. 工艺相关参数

该电厂WESP项目在制作过程中相关的原料主要是钢,运行过程中相关的原料主要是碱。过程主要包括生产过程、运输过程、运行过程。

3.2.1. 碱及钢生产过程能耗及排放

离子膜法制碱技术作为烧碱行业重点推广的清洁生产技术,具有工艺简单、产品质量高、环保节能等优点,在我国已广泛应用并逐渐占据主导地位,截止到2013年底,我国离子膜烧碱产能比例接近95% [15] 。我国《节能减排“十二五”规划》要求单位产品烧碱(离子膜)能耗至2014年下降到330 kg标准煤/t [16] 。同时单位产品离子膜烧碱还要耗电2100 kWh/t,耗水4600 kg/t [17] 。离子膜生产工艺的污染物来源主要有盐水精制工序和电解工序。吨碱排污情况见表3

根据电厂实际情况,电厂及WESP的运行寿命按照30年计。据此推算,可得出WESP装置整个生命周期耗碱的污染物排放量。

WESP工程建设材料中钢材占主要部分,这其中包括装置本体及内部件、支撑WESP装置的钢架及管道等工艺系统。通过该电厂WESP改造工程投标材料清册估算,共需钢材约1000 t。钢材的生产环节涉及从原料厂、烧结球团、高炉、转炉到冷热轧、酸洗等诸多工序[18] 。根据中国钢铁工业协会的统计数据[19] ,确定吨钢的主要能耗,并最终得出污染物的排放情况,见表4

3.2.2. 碱及钢运输过程能耗及排放

WESP所需材料钢、碱等运输方式主要考虑铁路运输和公路运输,铁路运输主要考虑内燃机车柴油能耗,公路运输主要考虑汽油的消耗[20] 。根据本项目的运输特点,运输过程中30%选用汽车,70%选用火车,运输距离约为100 km,同时汽车的单位汽油消耗为51 g/(t∙km),火车的单位柴油能耗为

Table 3. Emission inventory about ton of alkali

表3. 吨碱污染物排放清单

Table 4. Emission inventory about ton of steel

表4. 吨钢污染物排放清单

41 kg/(t∙km) [21] 。当汽车载重为10 t时,运输2822.88 t材料累计需283车次,运输总路程达28,300 km,耗费汽油14,400 kg。火车载重为2000 t时,运输6586.72 t材料时累计需4车次,运输总路程达400 km,耗费汽油32,800 kg。

目前国内内燃机污染物排放因子见表5 [22] 。

3.3. 清单汇总分析

WESP运行阶段的污染物排放主要由其耗电间接引起。所以,综合WESP的生产过程、运输过程、运行过程,项目整个生命周期的能源消耗与污染物排放清单见表6

Table 5. Emission factor of pollution from internal combustion engine (unit: g/km)

表5. 内燃机污染物排放因子 (单位:g/km)

Table 6. Data inventory of WESP LCA

表6. WESP全生命周期数据清单

将原料生产、运输及WESP运行阶段的能耗均折算为标准煤可得三个阶段的生产能耗标煤分别为3.38E+06 kg、8.75E+04 kg、6.50E+06 kg [23] 。可见,在整个生命周期中运行阶段的能源消耗最多,占65.21%,其次是原料生产阶段占比33.91%,原料运输阶段仅占0.88%。同时,在原料运输阶段耗费了100%的汽油、柴油,在原料生产阶段耗费了99.79%的水,在WESP运行阶段耗费了100%的碱。

WESP项目全过程中污染物排放以气体排放物为主,其中以CO2为主,其次为大气污染物SO2、NOx、烟尘等。同时,COD、CO、HC、CH4等的排放量也是相当可观。其余污染物含量较少可忽略不计。

通过分析可以发现,气体排放物的来源WESP的运行阶段占大部分。CO2排放来自于WESP运行阶段的占69.57%,其次是原料生产阶段(30.26%)和运输阶段(0.17%);SO2来自WESP运行阶段的占90.84%,其次是原料生产阶段占9.16%;NOX来自WESP运行阶段的占97.81%,其次是原料运输阶段占2.19%;烟尘来自WESP运行阶段的占84.27%,其次是原料生产阶段(15.39%)和原料运输阶段(0.34%)。同时,COD来自WESP运行阶段的占99.36%,其次来自于原料生产阶段占0.64%。CO、HC全部来自原料运输阶段,CH4则全部来自WESP运行阶段。

对比WESP装置深度净化和未经深度净化直接向外界排放两种情况,在制作、运输、运行阶段多排放了8.96E+07 kg CO2、1.30E+05 kg NOx、6.38E+05 kg COD、3.88E+03 kg CO、1.14E+03 kg HC和2.82E+04 kg CH4

考虑WESP运行后,对于燃煤电厂大气污染物的削减,结合表2的污染物排放情况,按照电厂及WESP寿命30计算得到,经WESP装置深度净化后减少了5.17E+06 kg烟尘、3.34E+06 kg SO2、4.82E+06 kg SO3、3.91E+06 kg CaSO4和6.27E+02 kg汞。

4. 生命周期环境影响评估

在获得WESP全生命周期各主要环节的能源消耗和污染物排放清单的基础上,围绕温室气体排放、酸化、富营养化、光化学臭氧合成和粉尘5个方面进行全生命周期评价。影响评价就是对清单分析阶段得出的环境压力(环境干扰因子)进行评价的一个技术过程,主要流程依次为清单结果分析、影响潜值计算、数据标准化、加权评估,最后得到影响指数[8] [20] [24] 。

清单分析的结果表达了WESP工艺过程中各种输入和输出的相对值大小,但数值大并不一定表示其对环境的影响大。因为不同的排放因子对生态系统和环境变化的贡献是不同的,所以在生命周期评价的过程中,需要将清单分析的结果转化为容易理解,能够反映环境影响潜值的指标。

根据评价方法,基于AGP模型(Assessment for Green Products)对我国产品进行全生命周期评价是比较通常的做法[25] ,得到的评价结果如表7所示。

各种环境影响潜值经加权后具有了可比性,也反映出其在整个环境影响中的比重。该厂WESP项目的环境负影响指数为4.55E+04 kg,各环境影响类型对环境指数的贡献率见图2

通过图2可以看出,在WESP项目中对环境的主要影响因素为粉尘,其次为全球变暖、酸化、富营养化对环境的影响,光化学臭氧合成的影响微乎其微。地区性影响最大,全球性影响次之,区域性影响最弱。同时,结合表6再一次说明WESP装置运行阶段对环境的影响最大,占几乎富营养化的全部、粉尘、酸化的绝大部分、全球变暖的大部分。

WESP装置全生命周期深度净化对大气污染物减排产生的环境正影响指数为8.52E+05 kg,造成的环境负影响指数为4.55E+04 kg,相比仅占其5.34%。具体见表8

5. 结论

通过对某电厂WESP项目的全生命周期评价研究,得出如下结论:

Table 7. Environmental impact assessment result of WESP LCA (unit: kg)

表7. WESP全过程环境影响评估结果 单位:kg

注:人当量表示标准人当量基准,采用1990年全球排放和人口来计算影响基准。

Table 8. Income and expense comparison about environmental impact assessment of WESP project

表8. WESP项目环境影响评价收支对比

Figure 2. Type analysis on all environmental impact of WESP LCA

图2. WESP项目生命周期影响各环境影响类型分析

1) WESP装置运行后的能源消耗和污染物排放均占主要部分,主要是WESP装置运行阶段大量的电

力消耗。

2) WESP项目原料生产阶段的能源消耗和污染物排放相对较高,运输阶段贡献最小。

3) WESP全生命周期造成的环境负影响指数为4.55E+04 kg,远低于其深度净化产生的由于对大气污染物消减而产生的环境正影响指数8.52E+05 kg,对环境有明显的改善作用。

4) WESP项目可大大减少地区性及区域性的环境影响,对全球性的环境影响增加有限。从环境效益上讲,燃煤电厂采用WESP装置深度净化是可行的。

基金项目

环保部2015年度污染减排技术政策专项(2015A009);中国工程院清洁生产研究项目(HK2015100)。

文章引用

马韵哲,郭丽颖,王东歌,李秀颖,王 圣, (2015) 燃煤电厂湿式电除尘生命全周期环境影响评估研究
Research on Environmental Impact Assessment of Total Life Cycle for WESP in Coal-Fired Power Plants. 环境保护前沿,03,54-62. doi: 10.12677/AEP.2015.53008

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