褐煤热解分级转化多联产系统环境与生命周期评价

汤元君,池 涌,董 隽,王勤辉,倪明江,周昭志

(浙江大学 能源清洁利用国家重点实验室,浙江 杭州 310027)

:采用环境与生命周期评价方法对褐煤直接燃烧发电系统和褐煤热解燃烧分级转化多联产系统的环境影响与能量转化进行了分析。结果表明,环境影响方面,每燃用1 t褐煤,多联产系统产生的环境影响与直接燃烧相比在温室效应、酸化、富营养化和光化学臭氧形成潜力方面分别降低61.7%,62.9%,38.5% 和20.0%。原因主要是多联产系统由于热解气净化后使用燃气蒸汽联合循环发电技术,能量转化效率高,产生的直接排放少;同时除发电外,多联产系统联产了高附加值产品甲醇、燃料油、硫等,抵消了生产过程的环境排放。能量转化方面,直接燃烧与多联产系统的积累消耗效率分别为94.4%和111.9%,多联产系统的能量转化优于直接燃烧系统。多联产系统输出产物的积累总值高于投入原料与能量的积累消耗总值(效率高于100%),原因是多联产系统在常规生产电力的基础上联产了高附加值的产物。

关键词:生命周期评价;生命周期评价;积累消耗;褐煤分级转化多联产;环境影响;能量转化

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汤元君,池涌,董隽,等.褐煤热解分级转化多联产系统环境与生命周期评价[J].煤炭学报,2018,43(12):3510-3517.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2018.0515

TANG Yuanjun,CHI Yong,DONG Jun,et al.Environmental and exergetic life cycle assessment of lignite pyrolysis-based polygeneration system[J].Journal of China Coal Society,2018,43(12):3510-3517.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2018.0515

中图分类号:TQ536.1

文献标志码:A

文章编号:0253-9993(2018)12-3510-08

收稿日期:2018-04-17

修回日期:2018-07-23

责任编辑:常明然

基金项目:国家自然科学基金资助项目(51676170)

作者简介:汤元君(1990—),男,安徽宣城人,博士研究生。Tel:0571-87952687,E-mail:tang@zju.edu.cn

通讯作者:池 涌(1961—),男,浙江杭州人,教授,博士生导师。Tel:0571-87952687,E-mail:chiyong@zju.edu.cn

Environmental and exergetic life cycle assessment of lignite pyrolysis-based polygeneration system

TANG Yuanjun,CHI Yong,DONG Jun,WANG Qinhui,NI Mingjiang,ZHOU Zhaozhi

(State Key Laboratory of Clean Energy Utilization,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China)

Abstract:Both environmental and exergetic life cycle assessment (LCA) of lignite circulating fluidized bed combustion (CFBC) system and lignite pyrolysis-based polygeneration system are compared in this study.The environmental LCA is used to quantify environmental burdens;while the exergetic LCA is applied to measure thermodynamic performance.Results from the environmental LCA reveals that the impact categories of global warming potential,acidification potential,nutrient enrichment potential,and photochemical ozone formation potential caused by the polygeneration system are 61.7%,62.9%,38.5% and 20.0% lower than that caused by the CFBC system.The reasons are mainly attributed to the higher electricity generation efficiency,lower direct emission of the polygeneration system.Besides,the co-production of high added value products like methanol,fuel oil,and sulphur also offsets the potential impacts to produce these materials.Regarding to the exergetic LCA results,the cumulative exergy consumption (CExC) efficiency of the CFBC system and the polygeneration system are 94.4% and 111.9%,respectively.The CExC efficiency is even higher than 100% for the polygeneration system,which means more CExC are generated from the products compared to the total CExC consumed from the input energy and materials.This is mainly attributed to the cogeneration of electricity and high added value products,such as methanol (70.37 kg/ton lignite),fuel oil (12.3 kg/ton lignite),and sulphur (6.72 kg/ton lignite) from the polygeneration system.

Key words:life cycle assessment;exergetic life cycle assessment;cumulative exergy consumption;lignite pyrolysis-based polygeneration;environmental impact;energy conversion

煤炭是我国消耗的最主要的一次能源,2016年其消耗量约占我国一次能源消费总量的62%[1]。其中,褐煤约占国家煤炭资源总储量的16%,是我国最重要的化石能源之一。然而,由于褐煤高水分、高灰分、高挥发分、易风化、易自燃的煤质特性,直接燃烧褐煤发电存在着能量效率低,环境污染严重等缺陷[2-3]。因此,褐煤直接燃烧发电并不是一种高效清洁的能源生产方式,探索新型高效清洁的褐煤转化综合利用技术近年来受到越来越多的关注。

煤基多联产技术为实现褐煤分级转化联产电力与原材料资源提供了可能,因此被广泛的认可为一种能够替代常规的煤直接燃烧发电的有效的清洁高效转化方式。其中,浙江大学在2009年与国电小龙潭电厂、小龙潭矿务局合作,以云南小龙潭褐煤为原料开发了以循环流化床为基础的褐煤热解燃烧分级转化多联产技术,并开展了一系列理论与实验研究[4-6]。为了进一步了解对比分析褐煤热解分级转化多联产系统相比较于常规的褐煤直接燃烧发电系统在造成的环境污染排放影响和能量转化方面的优劣,从全生命周期评价的角度出发对两种褐煤转化系统的环境影响与能量转化方面进行系统全面的评估。

生命周期评价方法被认为是一种高效的环境评估工具,它综合考虑产品或系统整个全生命周期过程(从原材料的获取,到产品加工、运输、使用直到废弃物的最终处置)所造成的环境影响,从而系统全面的评估对环境造成的损害[7-8]。生命周期评价方法近年来被广泛应用于燃煤发电[9-11]、煤炭清洁利用领域[12-14]。同时,在褐煤热解分级利用多联产系统评价方面也有一定的应用[15-16]。然而,生命周期评价方法在评估自然资源损耗,系统过程能量转化方面存在一定的局限性,在生命周期能量评价过程中,“非能量”形式的自然资源损耗没有纳入统计,而且忽视了不同形式能量之间存在的质量差异(即不同形式能量之间的差异)。因此,在生命周期评价方法框架的基础上,加入热力学第二定律的观点,提出了生命周期评价方法[17-18]是指系统与参照环境由任意状态可逆的变化到达平衡过程中能够获得的最大的可用功。因此,分析方法综合考虑了能量转化过程中的数量与质量差别,能够有效的表达系统的内部能量损失以及指出由于转化过程的不可逆性造成的能量损耗。在此基础上,SZARGUT等提出了积累消耗的概念,积累是指从最初的自然资源经历一系列簇状过程到所研究的产品、系统所消耗的所有1次的累积值[19-20]生命周期评价方法结合积累消耗与生命周期评价方法,采用与环境生命周期评价方法相类似的框架,以积累消耗为评价指标,分析系统过程中不同形式能量转化与能量损耗。可以认为生命周期评价方法是生命周期评价方法的有效补充,替代其中传统的能量评价环节。

采用环境生命周期评价方法与生命周期评价方法对比评估了常规循环流化床褐煤直接燃烧发电系统和褐煤热解分级转化多联产系统的环境影响与能量转化过程,为探索清洁高效的褐煤发电技术提供环境影响与能量转化评估。

1 系统方案与评价方法

采用生命周期评价和生命周期评价方法,对常规循环流化床褐煤直接燃烧发电系统(Circulating Fluidized Bed Combustion System,CFBC系统)和褐煤热解分级转化多联产系统(Polygeneration System,多联产系统)的环境影响评价和能量利用效率进行了对比分析。根据ISO标准(ISO 14040-14044),生命周期评价主要分为4个阶段:① 目标和范围的定义;② 生命周期清单分析;③ 生命周期影响评价;④ 结果评价与解释[21-22]生命周期方法从全生命周期角度出发,以系统能量转化为指标,评价框架与生命周期评价方法相同[23]

1.1 评价系统方案

方案1:常规循环流化床褐煤直接燃烧发电(CFBC)系统。作为对比的参考系统,选取国电小龙潭发电厂三期2×300 MW机组代表常规褐煤直接燃烧发电系统。小龙潭火电厂位于云南省开远市小龙潭地区,褐煤资源储量丰富。小龙潭电厂三期采用亚临界中间再热循环流化床锅炉,汽轮机为亚临界一次中间再热凝汽式汽轮机组;采用炉内添加石灰石方式脱硫。锅炉燃烧温度为850~900 ℃,过热蒸汽温度为537 ℃,压力为16.7 MPa[26-27]

方案2:褐煤热解燃烧分级转化多联产系统。浙江大学和国电小龙潭电厂、小龙潭矿务局合作,在中试实验研究的基础上,对小龙潭电厂运行的300 MW以褐煤为燃料的循环流化床锅炉进行改造,建立以循环流化床为基础的褐煤热解燃烧分级转化多联产系统[5]。由于缺少实际运行参数,褐煤热解分级转化多联产系统方案相关转化流程路径与技术方案参考郭志航等[5-6] 的实验研究和ASPEN PLUS流程模拟研究成果。多联产方案系统流程图如图1所示,褐煤首先经2台流化床热解炉在约700 ℃条件下通过热解反应生成气体产物(包括可燃气体和焦油等)与固体产物(包括半焦与灰分等)。气固产物分离后,固相产物送入两台亚临界循环流化床锅炉中燃烧发电,锅炉配套的汽轮机组装机容量同样为2×300 MW,过热蒸汽温度为537 ℃,压力为16.7 MPa,燃烧温度为900 ℃;气相产物经分离后,焦油用于加氢制取燃料油,热解气提取氢气后经甲烷重整反应合成甲醇,合成尾气通入燃气轮机组,经燃气蒸汽联合循环发电。

图1 褐煤直接燃烧发电系统与多联产系统方案流程图与生命周期评价系统边界
Fig.1 System flow chart and life cycle boundaries of the CFBC system and Polygeneration system

1.2 评价系统边界定义

如前文所述,考虑两种系统方案即常规循环流化床褐煤直接燃烧发电系统方案与褐煤热解分级转化多联产系统方案。如图1所示涉及的评价系统流程图及边界,生命周期评价方案起点为进入电厂中的褐煤,忽略上游褐煤运输过程的环境影响和能量损耗(假定两种方案的上游褐煤运输过程完全一致)。系统的生命周期包括褐煤利用阶段(直接燃烧或多联产转化)、发电阶段,气体污染物处理阶段、污染物排放阶段和最终灰渣处理阶段。评价方法综合考虑系统边界内所有物质、能量的输入输出,且只考虑两种系统的稳定运行阶段情况,不考虑电厂建设、拆除、及褐煤运输过程(假设运输阶段两种系统完全一致),不考虑系统产物后续利用过程(即多联产系统产生的甲醇、燃料油及硫产品的后续利用过程)带来的污染物排放与能量转化[24-25]。过程产生的间接排放,如输入物料和能量的获取过程产生的环境排放及能量转化,纳入到系统评价方案中;不同转化方式生成的产物用于抵消相同量的产品生产过程的环境排放与能量损耗。

1.3 评价系统功能单位与小龙潭褐煤特性

本文评价过程中,选择燃用1 000 kg小龙潭褐煤为系统的功能单位,小龙潭褐煤特性见表1[6]。因此,以下所示所有的输入输出数据都转化为对应电厂燃用1 000 kg小龙潭褐煤的基础上。

1.4 环境与生命周期评价方法介绍

生命周期评价方法能够很好的应用于评价不同系统方案整个生命周期过程所产生的环境影响。本文中,影响评价采用的标准方法是丹麦的EDIP 97方法,见表2,相关特性参数选取自Thinkstep公司开发的GaBi 7.0 生命周期评价软件[28-29]。表中所示为该方法下环境影响分类以及相关的特征化、标准化参考数值,考虑4种环境影响类型即温室效应潜值;酸化潜值;富营养化潜值;光化学臭氧形成潜值。其他环境影响分类没有纳入本次评价考虑当中。

表1 小龙潭褐煤的工业分析与元素分析特性

Table 1 Ultimate and proximate analysis of Xiaolongtan lignite%

工业分析MarAarVarFCarLHV/(MJ·kg-1)元素分析CarHarNarSarOar34.7915.0427.2222.9512.1534.782.300.881.0911.11

表2 环境影响类型与相关特征化标准化因子
Table 2 Considered environmental impact categories,characterization and normalization factors

环境影响评价单位特征化及因子标准化因子/(kg(当量)·(人·a)-1)CO21温室效kg CO2-CO28 700应潜值equivalentCH425N2O320SO21.00NOx0.70酸化潜值kg SO2-HCl0.8874equivalentH2S1.88NH31.88NOx1.35富营养kg NO-3-N2O2.82119化潜值equivalentNH33.64CH40.007光化学臭氧kg C2H4-PCDD/Fs0.00425形成潜值quivalentCO0.030

在生命周期环境评价的基础上,考虑能源系统能量转化过程中能量“质量”变化,对上述两种褐煤转化系统进行了生命周期评价分析(Exergetic Life Cycle Assessment,ELCA),用于评估系统全生命周期的能源消耗与转化效率。以积累消耗(Cumulative exergy consumption,CExC)作为ELCA方法的评价指标。积累是指从自然资源到所研究的过程系统中的单元所经历的一系列簇状过程所消耗的1次累积值;在这里,1次定义为自然资源具有的,积累以自然界存在的资源为出发点,具有全生命周期分析的思想[30]。因此,计算系统输入输出的积累消耗能够有效的评估系统过程的能量消耗与转化效率。

定义积累消耗效率,为系统所有输出输入物料流与能量流积累消耗总和的比值:

其中,公式右边分子分母分别为输出产物的积累消耗总量与投入能量、物料的积累消耗总量;IO分别代表输入与输出;Ouseful products在本文中包括电力,甲醇,燃料油,硫等产物;IenergyImaterials在本文中包括系统投入的褐煤辅助电力,石灰石,柴油等。

1.5 评价系统数据清单分析

褐煤流化床直接燃烧系统与分级转化热、电、甲醇及燃料油多联产系统输入输出物质与能量清单见表3,由于缺少实际运行数据,系统过程在物质能量输入输出的物质与能量数据主要参考文献中ASPEN PLUS流程模拟结果[5-6],两种系统中气体污染物排放数据计算参考文献[31]。系统输入的物质能量包括褐煤、石灰石、柴油与辅机耗电,输出的物质与能量包括电力、硫、燃料油、甲醇以及排放的污染物。

表3 评价系统输入输出清单(功能单位:1 000 kg 褐煤)
Table 3 Life cycle inventory data of the considered system (based on functional unit,1 000 kg lignite)

物料CFBC系统Palygeneration系统褐煤/kg1 0001 000石灰石/kg59.3025.76输入辅助电力/(kW·h)81.36136.11柴油/kg0.1030.103电力/(kW·h)1 260.691 041.10硫/kg06.72输出燃料油/kg012.3甲醇/kg070.37灰渣/kg150.04150.04CO2/kg2 029.711 542.82SO2/kg8.166.23环境排放NOx/kg6.394.56CO/kg3.482.75CH4/kg5.674.53Dust/kg16.3912.89

系统涉及的输入输出物质与能量的与积累消耗值见表4[19,32-33]

2 结果与讨论

2.1 生命周期评价结果

图2反映了褐煤循环流化床直接燃烧发电(CFBC)系统与褐煤流化床热解燃烧分级转化热、电、甲醇及燃料油多联产系统(多联产系统)2种不同方案

表4 评价系统输入输出物料能量流的火用值与积累
用消耗值
Table 4 Exergy and CExC value of the considered input and output energy/materials

物料火用积累火用消耗参考文献褐煤/(MJ·kg-1)14.4814.91[19]硫/(MJ·kg-1)18.9430.21[19]甲醇/(MJ·kg-1)22.5573.08[19]燃料油/(MJ·kg-1)42.8551.74[19]石灰石/(MJ·kg-1)2.019.96[19]柴油/(MJ·kg-1)44.4053.20[19]电力/(MJ·(kW·h)-1)3.6012.37[32-33]

在能量转化过程中造成的环境影响。主要包括温室效应潜值(GW),酸化潜值(AP),富营养化潜值(EP),和光化学臭氧形成潜值(POCP)。造成环境影响的来源分为4个方面,包括系统方案中消耗的辅助能量与物料,系统过程中排放到外界环境的污染物,系统产物所抵消的生产同等质量产物造成的环境影响以及最终的灰渣处理。总体而言,与CFBC系统相比,多联产系统在减低温室效应潜值、酸化潜值、富营养化潜值和光化学臭氧形成潜值4类环境影响类型方面都具有明显的优势,明显降低了褐煤能源化利用过程中的环境影响。

图2 生命周期环境影响分类特征化结果比较
Fig.2 Characterized environmental impacts of the considered systems

如图3所示,多联产系统所造成的环境影响在温室效应潜值、酸化潜值、富营养化潜值和光化学臭氧形成潜值方面与CFBC系统相比分别降低了61.7%,62.9%,38.5% 和20.0%。分析其主要原因为:一方面,由于多联产系统中半焦经CFB锅炉燃烧后发电,合成尾气经燃气蒸汽联合循环发电,燃气蒸汽联合循环发电过程发电效率高且污染物排放优于CFB直接燃烧系统;另一方面,在产生电能的基础上,多联产系统中的褐煤同时生成了具有高附加价值的高纯甲醇(70.37 kg/1 000 kg褐煤)、燃料油(12.3 kg/1 000 kg褐煤)和硫(6.72 kg/1 000 kg褐煤),这些高附加值产品抵消了相当一部分由于生产这些产品而带来的环境影响,从而有效的降低了整个系统全生命周期尺度上的“净”环境影响。

在造成环境影响的来源方面,最终灰渣处理造成的环境影响相对较小,在两种系统中造成的环境影响都低于0.01%。消耗的辅助能量与物料方面,由于多联产系统所涉及的转化过程更多,包括热解物料循环,合成气分离净化等,因此辅机耗电量相较于CFBC系统提升了67.3%,因此,在原材料/辅助能量方面造成的环境影响排放方面,多联产系统高于CFBC系统。在系统直接排放方面,如前文所述由于多联产系统中合成气经过净化后采用的燃气蒸汽联合循环发电技术,因此污染物排放优于CFBC系统。在系统产物抵消排放方面,需要指出的是,虽然多联产系统的放电量(1 041.1 kW·h/1 000 kg褐煤)少于CFBC系统的发电量(1 260.69 kW·h/1 000 kg褐煤),然而由于多联产系统在发电的基础上联产了高附加值的甲醇、燃料油和硫等产物,因此,在产物抵消的环境排放方面多联产系统更具有优势。

图3 两种系统标准化环境影响潜值比较
Fig.3 Normalized environmental impacts of the considered systems

笔者所考虑的4种不同环境影响类型结果的标准化如图3所示。标准化的目的是更好地认识不同

环境影响类型相对大小,标准化因子见表2,单位为kg(当量)/(人·a)。结果表明,4种不同环境影响类型的标准化值基本处于同一数量级(光化学臭氧形成潜值结果除外,与其他环境影响类型相比,其标准化值低1个数量级)。结果表明多联产系统在温室效应潜值、酸化潜值、富营养化潜值和光化学臭氧形成潜值不同环境影响类型方面优于CFBC系统,尤其在改善温室效应与环境酸化方面,减少环境影响分别达到61.7%与62.9%。

2.2 生命周期评价结果

在全生命周期能量评价方面,使用生命周期评价方法,综合考虑不同褐煤转化方式下系统全过程能量消耗产出以及系统效率与积累消耗效率,结果见表5。从结果可以看出CFBC系统的效率约为30.5%,而多联产系统的效率约为39.9%,多联产系统在能量有效利用方面优于CFBC系统。分析原因,尽管CFBC系统的发电量更大且厂用电量小,但是由于多联产热解气经净化后采用燃气蒸汽联合循环发电的方式,发电效率有所提升,同时多联产系统在发电的基础上联产了硫、燃料油、甲醇等高附加值的产物,因此,多联产系统的能量利用效率更高。

表5 评价系统积累消耗输入与输出及过程效率
Table 5 Exergy and CExC input,output and efficiency of the considered system

指标CFBC 系统总量火用积累火用消耗Polygeneration系统总量火用积累火用消耗输入褐煤1 000 kg14 480 MJ14 914.4 MJ1 000 kg14 480 MJ14 914.4 MJ柴油0.1 kg4.6 MJ5.5 MJ0.1 kg4.6 MJ5.5 MJ辅助电力81.4 kW·h292.9 MJ1 006.4 MJ136.1 kW·h490.0 MJ1 683.7 MJ石灰石59.3 kg119.0 MJ590.6 MJ25.8 kg51.7 MJ256.6 MJ输出电力1 260.7 kW·h4 538.5 MJ15 594.7 MJ1 041.1 kW·h3 748.0 MJ12 878.4 MJ硫0006.7 kg127.3 MJ203.0 MJ柴油00012.3 kg527.1 MJ636.4 MJ甲醇00070.4 kg 1 586.9 MJ5 142.6 MJ效率/%30.594.439.9111.9

从积累消耗效率(CExC效率)的角度分析,CFBC系统的CExC效率为94.4%,表明从全生命周期角度考量,在获得相同数量电能的条件下,该系统相较于平均发电系统过程消耗了更多的一次能源。因此,电能作为CFBC系统的唯一输出能量形式,该系统产生等量的电能需要投入的原料和能量的CExC总和大于常规平均条件下生产这部分电力需要投入的CExC总和。即由该系统输入输出换算得到的电力的积累消耗值大于平均条件下的电力积累消耗值(12.37 MJ/(kW·h),表4)。另一方面,多联产系统的CExC效率为111.9%,在能量转化方面表现远优于CFBC系统。值得指出的是,多联产系统的CExC效率大于100%,说明从全生命周期的角度分析,多联产系统输出的产品的CExC总和大于该过程消耗的褐煤和辅助能量/物料(辅机耗电、石灰石、柴油等)的CExC总和,即该转化过程得到了更多的积累值。主要的原因是由于多联产系统在产生高效生产电能的同时,获得了高附加值的产物,如甲醇等(甲醇的值为22.55 MJ/kg,积累消耗值为73.08 MJ/kg,即常规条件下获得1 kg甲醇产品需要消耗的所有一次能源的的总和为73.08 MJ,远高于1 kg甲醇的值22.55 MJ,因此甲醇可视为具有很高的附加价值的产品),从而大大提高系统的CExC效率。

3 结 论

(1)采用生命周期评价与生命周期评价方法对CFBC系统和褐煤热解燃烧分级转化多联产系统进行了环境影响与能量转化分析。结果表明,褐煤热解燃烧分级转化多联产系统在环境影响与能量转化效率方面都优于常规的循环流化床直接燃烧发电系统。

(2)环境影响方面,每燃用1 000 kg褐煤,多联产系统比CFBC系统在温室效应潜值、酸化潜值、富营养化潜值和光化学臭氧形成潜值方面分别降低了61.7%,62.9%,38.5% 和20.0%,环境排放更低,主要的原因为多联产系统经过合成气净化后合成尾气采用燃气蒸汽循环发电方式,具有更高的能量转化效率与较低的环境排放;同时多联产系统除了输出电能,还有高附加值的硫、燃料油、甲醇产出,抵消了这些产品生产过程的环境排放。

(3)能量转化方面,多联产系统的CExC效率为111.9%,高于CFBC系统的94.4%,且大于100%,说明多联产系统输出的产品的积累消耗总量大于投入原料及能量的积累消耗总和,且优于常规条件下能量转化方面表现更佳,原因主要归功于产生电力输出的基础上联产了高附加值的产物甲醇、燃料油等带来的积累消耗收益。

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