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我国是一个SO2排放大国。2017年,我国SO2排放量达875.4×104 t[1]。半干法烟气脱硫技术投资低、占地小、无废水产生、工艺简单,在脱硫领域得到了广泛应用,但半干法技术产生的大量固体废物脱硫灰又成为了新的固体废物。脱硫灰成分以CaSO4、CaSO3为主。目前,企业主要采用填埋方式处理脱硫灰,导致了资源浪费及土地占用等问题的出现。
脱硫灰中含有大量的CaSO3,使其在资源化利用中存在诸多问题[2-3]:水化反应慢;遇水膨胀破坏混凝土或建筑材料强度;高温不稳定,易分解成CaO和SO2,从而造成SO2二次污染。因此,将CaSO3转化为稳定的CaSO4可以提高脱硫灰利用率,但脱硫灰的资源化不仅需要关注固废消耗量,还需要关注处理过程中能耗、污染物排放等问题。目前,鲜有关于脱硫灰处理的环境影响研究。生命周期评价(LCA)[4-5]作为一项重要的环境管理与分析工具,广泛应用于产品处理全生命周期中的物耗、能耗和环境影响分析。建筑工程环境表现分析体系(BEPAS)[6]是对LCA理论的优化,进一步详细划分了环境影响类型,以环境税为权重因子对建筑固体废物全过程进行环境评价,并已考虑到固废资源化后再生材料对环境带来的积极效应。因此,采用BEPAS体系可以更全面、直观地对脱硫灰处理工艺进行环境影响评价。
本研究以鞍山钢铁公司脱硫灰氧化工艺为例,在LCA理论和BEPAS体系基础上,对脱硫灰再利用与填埋2种处理方式产生的环境影响和经济效益进行定量评价,寻找适合脱硫灰的治理途径,以期为脱硫灰的后续管理提供参考。
脱硫灰处理生命周期环境影响评价
Environmental impact assessment and research on the life cycle of desulfurization ash treatment
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摘要: 随着半干法烟气脱硫技术的普及,其副产物脱硫灰的产量亦日益增加。大量堆存的脱硫灰导致了土地占用、环境污染等问题。氧化和填埋是半干法烟气脱硫灰主要的处理方式,采用生命周期评价(LCA)理论,对脱硫灰氧化和填埋处理进行清单分析,定量评价两种处理方式产生的环境影响和经济效益。结果表明,填埋处理环境代价虽低于脱硫灰氧化处理,但综合考虑脱硫灰氧化产生的脱硫石膏带来的环境效益后,氧化处理净环境效益高于填埋。同时,处理每吨脱硫灰可为企业带来177.5 元收益,脱硫灰氧化工艺对环境和经济均有积极影响。Abstract: With the popularization of semi-dry flue gas desulfurization technology, the output of by-product desulfurization ash is increasing. A large amount of stored desulfurization ash causes problems such as land occupation and environmental pollution. Oxidation and landfill are the main treatment methods of semi-dry flue gas desulfurization ash. Life cycle assessment (LCA) theory is adopted to analyze the inventory of desulfurization ash oxidation and landfill treatment to quantitatively evaluate the environmental impact and economic benefits of the two treatment methods. The results show that although the environmental cost of landfill treatment is lower than that of desulfurization ash oxidation treatment, after comprehensively considering the environmental benefits of desulfurized gypsum produced by the oxidation of desulfurization ash, the net environmental benefit of oxidation treatment is higher than that of landfill. At the same time, processing each ton of desulfurized ash can bring an enterprise income of 177.5 yuan, and the desulfurized ash oxidation process has a positive impact on the environment and economy.
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Key words:
- desulfurization ash /
- life cycle assessment /
- treatment method /
- environmental impact /
- economic benefit
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表 1 脱硫灰处理生命周期清单
Table 1. Life cycle list of desulfurization ash treatment
清单流 再利用 填埋 能源/物质流向 节点 氧化 石膏 资源能源输入 石膏/kg 0 1.01×103 0 原煤/kg 7.18×100 1.03×101 7.40×10−1 原油/kg 1.63×100 5.30×100 2.87×100 天然气/m2 1.15×101 9.60×10−2 6.58×10−3 空气/m2 1.00×101 0 0 氧气/m2 9.00×100 0 0 水/kg 5.00×101 0 0 污染物输出 CO2/kg 4.45×101 4.35×101 6.31×100 SO2/kg 2.00×10−2 2.50×10−2 6.54×10−3 NOx/kg 7.55×10−2 2.36×10−1 6.35×10−2 CO/kg 4.91×10−2 1.11×10−1 3.33×10−2 CH4/kg 1.04×10−2 1.71×10−2 1.56×10−3 N2O/kg 2.44×10−4 6.88×10−4 1.99×10−4 TSP/kg 8.59×100 2.84×101 7.96×100 COD/kg 1.06×100 3.03×100 1.86×100 SS/kg 3.46×10−3 4.75×10−3 3.34×10−4 固体废弃物/kg 2.20×10−1 3.18×10−1 2.88×10−2 土地占用/m2 0 0 9.00×10−2 表 2 环境影响类别数据归集表
Table 2. Data collection table of environmental impact category
环境影响类别 污染物因子 特征化当量 权重因子 大类 小类 生态破坏 气候变暖 CO2 1.00×100 0.037 CH4 2.30×101 N2O 2.96×102 环境酸化 NOx 7.00×10−1 1.16 SO2 1.00×100 水体富营养化 NOx 1.35×10−1 1.15 COD 2.20×10−1 光化学污染 CO 3.00×10−2 3.41 大气颗粒物 TSP 1.00×100 0.27 固体废弃物 固体废弃物 1.00×100 0.35 资源消耗 化石能源损耗 原煤 2.09×101 0.000 142 原油 4.19×101 天然气 3.90×101 水资源损耗 水 1.00×100 0.006 5 矿物资源损耗 石膏 1.00×100 0.002 土地占用 土地 1.00×100 11.62 表 3 脱硫灰处理生命周期特征化结果
Table 3. Characteristic results of desulfurization ash treatment life cycle
环境影响类别 特征化结果 加权结果 大类 小类 氧化 石膏 填埋 氧化 石膏 填埋 生态破坏 气候变暖 4.48×101 4.41×101 6.41×100 1.66×100 1.63×100 2.37×10−1 环境酸化 7.29×10−2 1.90×10−1 5.10×10−2 8.45×10−2 2.21×10−1 5.91×10−2 水体富营养化 2.42×10−1 6.99×10−1 4.17×10−1 2.79×10−1 8.04×10−1 4.80×10−1 光化学污染 1.47×10−3 3.33×10−3 1.00×10−3 5.02×10−3 1.14×10−2 3.41×10−3 大气颗粒物 8.59×100 2.84×101 7.96×100 2.32×100 7.66×100 2.15×100 固体废物 2.20×10−1 3.18×10−1 2.88×10−2 7.68×10−2 1.11×10−1 1.01×10−2 资源消耗 化石能源损耗 6.66×102 4.42×102 1.36×102 9.46×10−2 6.27×10−2 1.93×10−2 水资源损耗 7.50×101 0 0 3.25×10−1 0 0 矿物资源损耗 0 1.01×103 0 0 2.02×100 0 土地占用 0 0 9.00×10−2 0 0 1.05×100 表 4 我国近年发电方式占比
Table 4. Proportion of electricity generation methods in China in recent years
% 年份 火电 水电 核电 风电 太阳能 2011 81.3 14.8 1.8 1.5 0 2015 73.7 19.4 2.9 3.2 0.7 2019 69.6 17.4 4.6 5.4 3.0 注:表中数据来自《中国能源大数据报告2020》[16]。 表 5 脱硫灰处理收支汇总表
Table 5. Summary table of desulfurization ash treatment income and expenses
元·t−1 支出 收益 电 水 天然气 基建 材料维修 售卖 政策补贴 纳税额 10.92 0.15 30.00 11.43 5.00 150.00 60.00 25.00 -
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