水煤漿燃料環(huán)境影響的生命周期評價(jià)

第31卷第8期抓比升釕術(shù)31No.82008年8月Environmental Science Technology2008水煤漿燃料環(huán)境影響的生命周期評價(jià)張強1,田瑩12,呂順3,任蘭柱11遼寧工程技術(shù)大學(xué)機械學(xué)院遼寧阜新123000;2阜新礦業(yè)集團遼寧阜新123000;3大連水產(chǎn)學(xué)院圖書(shū)館遼寧大連116023;4中國礦業(yè)大學(xué)北京100083)犢要:文章對柴油機替代燃料生命周期環(huán)境影響的評價(jià)建立了油水煤漿燃料的評價(jià)模型,通過(guò)計算分析結果表明隨著(zhù)油水煤漿中煤炭含量的增加,除光化臭氧形成潛能降低以外,其它污染指標值都有增加,說(shuō)明油水煤漿系統比柴油系統消耗能要多,對全球環(huán)境有一定影響,但在局部條件下與燃油相比,燃用油水煤漿可以減少NOk等主要污染物的排放量關(guān)鍵詞:水煤漿;柴油;生命周期評價(jià);環(huán)境影響中圖分類(lèi)號:X820.3文獻標志碼:A文章編號:1003-6504(2008080132-04Environment Impact assessment of Life Cycle on Coal WaterSlurry FuelZHANG Qiang, TIAN Ying, LV Shun, REN Lan-zhulA(l School of Mechanical Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China;2. Fuxin Mining Industry Group Company, Fuxin 123000, China3. Library, Dalian Fisheries University, Dalian 116023, China4. China Mining University, Beijing 100083, China)Abstract: Based on environment impact assessment of life cycle on diesel engine substitution fuel, an assessment modelwas established for oil coal water shury fuel. Through computation analysis, results showed that besides reducing of photochemical ozone creation and potential energy, other pollutant indicators increased with the increase of coal content in coalwater slurry, which indicated that oil coal water slurry system consumed more energy than that of diesel oil system and had acertain influence on global environment. Under partial conditions by comparing with fuel oil, oil coal water slurry can reducemain pollutants including NOxKey words: coal water slurry: diesel; assessment of life cycle; environment impact汽車(chē)尾氣排放已成為城市的主要大氣污染源,控必須在生命周期評價(jià)標準的指導下,利用熱力學(xué)燃制汽車(chē)尾氣排放是世界各大城市清潔空氣行動(dòng)的主燒學(xué)和大氣污染控制等學(xué)科的原理建立評價(jià)模型。美要內容,其主要手段是使用替代燃料。目前,全世界各國把汽車(chē)燃料生命周期評價(jià)稱(chēng)為從“井口”到“車(chē)輪國都在開(kāi)發(fā)低排放,低污染的車(chē)用替代燃料(如應用的分析( from well to whells,wTw),他們在這方面較為廣泛的液化石油氣、醇類(lèi)燃料煤基燃料等),由已做了近20年的研究。美國阿貢國家實(shí)驗室的于替代燃料的生產(chǎn)及其生產(chǎn)原料的開(kāi)采(如天然氣的 GREET模型就是汽車(chē)燃料生命周期評價(jià)成果的代表,開(kāi)采醇類(lèi)燃料的制備、煤基燃料的獲得)等過(guò)程有大美國對該模型的汽車(chē)替代燃料進(jìn)行了大量的案例研量的污染物產(chǎn)生,因此要全面地分析替代燃料對環(huán)境究叫。近年來(lái)我國對這方面的研究也很重視,各科研的影響必須采用生命周期分析的方法,開(kāi)展汽車(chē)燃料單位已經(jīng)開(kāi)始對汽車(chē)燃料進(jìn)行生命周期評價(jià)。本文在的生命周期評價(jià)是很有意義的。借鑒國內外經(jīng)驗的基礎上,運用了生命周期評價(jià)方法汽車(chē)燃料生命周期評價(jià)涉及到能源開(kāi)采、生產(chǎn)對水煤漿燃料環(huán)境影響進(jìn)行評價(jià)。運輸、儲存、分配以及汽車(chē)使用等過(guò)程,這些過(guò)程的能耗和排放還具有明顯的地域特點(diǎn)受不同地區資源和1清單模型技術(shù)等條件的制約。所以汽車(chē)燃料的生命周期評價(jià)11m凵中國煤化工收稿日期:2007-08-20;修回2008-07-10CNMHG基金項目:國家重點(diǎn)技術(shù)創(chuàng )新項日“煤基柴油代用燃料的制備與燃用(199213);遼寧工程技術(shù)大學(xué)機械工程學(xué)院優(yōu)秀青年教師科研人選培養計劃作者簡(jiǎn)介:張強(1980-),男,博士研究生,主要研究方向為內燃機代用燃料,(電話(huà))04186511990電子信箱)changqiang8I1o6@eyou.com第8期張強,等水煤漿燃料環(huán)境影響的生命周期評價(jià)133水煤漿燃料生命周期清單模型分析參數分成能因此還要根據過(guò)程的直接能耗計算相應的間接能耗;耗、溫室氣體排放和主要污染物排放3類(lèi)。由于汽根據不同燃料的燃燒技術(shù)和排放系數計算過(guò)程的總車(chē)主要消耗煤炭資源,化石燃料具有不可再生性,總排放。能消耗(包括化石燃料和可再生能)反映了系統的能水煤漿燃料系統源利用效率,所以能耗參數又分成總能消耗、化石燃料消耗和石油消耗3個(gè)參數。溫室氣體由CO2,CH4和NO組成,其他溫室氣體如氟里昂,雖然其全球變原煤開(kāi)采[器在柴油暖潛( global warming potential,GWP)的CO2量很圖2水煤漿燃料研究系統的主要階段大,但在汽車(chē)燃料生命周期內的排放量非常小,所以g2 Main stage of water-coal-slurry fuel system不把它們列為溫室氣體的評價(jià)參數。排放的主要污柴油系統染物由揮發(fā)性有機化合oC( volatile organiccompounds),CO,NOx,PM(直徑≤1μm的顆粒物)和SOx組成。以上5種污染物也是汽車(chē)排放標準中的柴油生產(chǎn)柴油使用主要評價(jià)參數。由于主要污染物的危害具有地域圖3柴油燃料研究系統的主要階段性,因此又分成總排放和城市排放。綜上所述,汽車(chē)Fig 3 Main stage of diesel fuel system替代燃料的生命周期評價(jià)參數共3類(lèi)16個(gè)(其中有1.4主要計算公式10個(gè)污染物參數),評價(jià)參數的功能單位是MJkg141直接能耗計算(能耗)和g/MJ(排放)。過(guò)程排放和過(guò)程使用的燃料關(guān)系最為密切。水煤12評價(jià)邊界漿燃料的燃燒是將所有被處理的能源全部作為過(guò)程評價(jià)邊界包括從一次能源開(kāi)采(we)開(kāi)始到汽燃料使用,E=1/;式中:E是生產(chǎn)單位能源需消耗的車(chē)使用( wheel)為止的整個(gè)燃料生命周期過(guò)程,分成燃料量,是過(guò)程能源利用效率定義為過(guò)程的能量輸3個(gè)主要階段,即一次能源開(kāi)采( feedstock),汽車(chē)燃料出與能量輸入之比。一個(gè)過(guò)程可能同時(shí)消耗多種燃生產(chǎn)(fuel)和燃料使用( vehicle operation),毎個(gè)階段料,如渣油、天然氣煤和電等,不同種類(lèi)的燃料直接又包括生產(chǎn)、運輸、儲存和分配等過(guò)程。前2個(gè)階段完消耗量按其能源消費結構進(jìn)行分配。成了汽車(chē)燃料從開(kāi)采到加注站( from well to pump)14.2直接排放計算的過(guò)程稱(chēng)為上游階段( upstream)。燃料使用階段是燃過(guò)程的排放包括燃料燃燒、非燃燒化學(xué)反應、燃料從加注站到車(chē)輪( from pump to wheel)的過(guò)程稱(chēng)料泄漏和蒸發(fā)等。但最主要的排放是燃燒排放,其為下游階段( downstream)。上游階段和下游階段構成計算公式如下:了整個(gè)燃料的生命周期過(guò)程( from well to wheel)。評D=[ΣE·S·[ΣF,,·S]]×10-6價(jià)邊界見(jiàn)圖1。式中:D為每生產(chǎn)1MJ燃料排放的污染物,gMJ;燃赫奧F為燃料過(guò)程的污染物排放數,gMJ;S為比例系數;下標i是污染物種類(lèi),下標j是燃料種類(lèi),下標k是燃料技術(shù)類(lèi)型。燃料過(guò)程的VOC,CO,NOx,PMn,CH4仁上游階段下游階段和NO的排放系數可查有關(guān)環(huán)境排放手冊;當我國圖1汽車(chē)燃料生命周期評價(jià)邊界這方面的數據不全時(shí),美國環(huán)境保護署的排放系數手Fig. I Boundary of mobile fuel life cycle assessment冊也可以用來(lái)參考。13計算邏輯14.3階段生命周期能耗和排放上游階段的能耗和排放通過(guò)模型計算得出,計算由于過(guò)程所消耗的燃料在生產(chǎn)和原料開(kāi)采中也可分成生產(chǎn)過(guò)程(包括原料開(kāi)采、洗精煤生產(chǎn)、水煤漿有能量消耗和環(huán)境排放,所以階段生命周期能耗和排的制備等過(guò)程)和運輸過(guò)程(包括運輸和分配等)2放是過(guò)程的直接能耗和排放與上游階段間接能耗和種,它們的計算邏輯見(jiàn)圖23,下游階段的能耗和排放排作為模型已知條件輸入。在能源生產(chǎn)過(guò)程的清單計算中國煤化工10-](2)時(shí),根據過(guò)程能源利用效率計算過(guò)程的直接能源消CNMH GM=,J×10-](3)耗,不同類(lèi)型的燃料直接消耗按照能源消費結構(燃式中:P為階段生命周期能耗,gMJ;M為階段生料類(lèi)型和比例)進(jìn)行分配生命周期能耗是完全能耗,命周期排放,gMJ;下標feed表示燃料開(kāi)采階段,下標134抓化釣壯術(shù)第31卷fuel表示燃料生產(chǎn)階段。實(shí)際物理過(guò)程是生產(chǎn)某種燃都表示了系統行為的某個(gè)方面。為了判別各系統對環(huán)料時(shí)需要消耗該燃料,所以階段生命周期能耗和排放境引起的負荷,用工藝過(guò)程的能耗和對環(huán)境造成的后在計算時(shí)要進(jìn)行迭代。果表示。本文用的簡(jiǎn)化指標有"n:(1)原油。表示系統144使用階段的能耗及排放消耗的總原油量;(2)天然氣。表示系統消耗的總天然汽車(chē)使用階段的能耗和排放數據是按照汽車(chē)排氣量;(3)煤炭。表示系統消耗的總煤量;(4)酸化潛能放和燃油經(jīng)濟性的測試結果計算的(AP)。表示系統造成酸化的總貢獻;(5)光化臭氧形成14.5汽車(chē)燃料的生命周期能耗和排放潛能(POCP)。表示系統對光化學(xué)臭氧層形成的總貢利用汽車(chē)使用階段的能耗和排放數據以及能源獻;(6)富營(yíng)養化潛能(EP)。表示系統對富營(yíng)養化總貢上游階段的清單計算模型,可以進(jìn)一步計算汽車(chē)燃料獻;(7)全球暖化潛能(GwP)。表示系統對全球暖化的的生命周期能耗和排放?？傌暙I;(8)熱回收。表示由系統引起的熱量回收。Pwnw=Eue[1+Pfuel+Preed](4)3環(huán)境影響后果MwTw, =Duse, i+ Eus[ Mfuel, i +Mieed, i](5)式中:下標WTW表示燃料的生命周期,下標use本文以生產(chǎn)和使用1M燃料為基準,其中生產(chǎn)階表示汽車(chē)燃料使用階段。段水煤漿的濃度為51%,油水煤漿的比例為煤20.4%水油594%。在柴油機燃用油水煤漿試驗階2油水煤漿生命周期評價(jià)的應用段,進(jìn)行了必要的尾氣排放量檢測,但由于條件的限生命循環(huán)清單輸出的是一組參數,其中每個(gè)參數制,一些數據沒(méi)法測得,見(jiàn)表1,圖4-6。表1環(huán)境影響測算數據Table 1 Environmental effect reckoning data環(huán)境影響指標燃料生產(chǎn)燃料使用柴油生產(chǎn)水煤漿生產(chǎn)油水煤漿生產(chǎn)柴油生產(chǎn)和使用油水煤漿的牛產(chǎn)和使用原油(gM13.2天然氣(g/M0.6酸化潛能(SOg/Mn光化臭氧形成潛能 CHA(g/M00160.117富營(yíng)養化潛能( PO.(g/MJ001100150.179全球變暖潛能( CO e/M)82650熱回收(MM)05710.241表1中柴油機燃用油水煤漿的全球變暖潛能指為30MJ/kg,碳含量為20‰。該指標值包括了燃料制備標值為250gMJ,是根據化學(xué)計量法計算的,假定熱值階段引起的全球變暖潛能指標值150g/M。M20.1400r/min45MO. 1800r/min畫(huà)1.40M20. 1400r/minMO. 1800r/min135160018002000知Nm圖4扭矩20Nm油水煤漿和柴油NO3捧放對比圖6油水煤漿和柴油HC排放對比Fig 4 NO emissions contrast water-coal-slurry and diesel oil at 20 NmFig 6 HC emissions contrast water-coal-slurry and diesel oil圖7為對環(huán)境影響的指標變化與柴油在油水煤漿中的比例關(guān)系。圖7的指標用指數表示,當煤漿中全部為水時(shí),指數為10。由圖7可見(jiàn),隨著(zhù)油水煤漿中柴油含量的減少,原油和天然氣耗量減少(圖7(a)煤中國煤化工示POCP下降其原因1600是CNMHG于燃用油水煤漿(見(jiàn)圖5扭矩30Nm油水煤漿和柴油NO3排放對比圖4、5),m共他兒個(gè)宿懷卻工升(見(jiàn)圖6),其原因應Fg5NO2 emissions contrast water-coal-slurmy and diesel oil at3Nm該是生產(chǎn)油水煤漿要消耗更多的能量(圖7(b)第8期張強等水煤漿燃料環(huán)境影響的生命周期評價(jià)周期評價(jià)當中。參考文獻]大然氣[] Wang M Q. 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Compilation of Air油水煤漿的生產(chǎn)和燃用對環(huán)境的影響是一個(gè)非Pollution Emission Factors, Stationary Sources, AP242(5th常復雜的過(guò)程。對該水煤漿和柴油的制備和燃用的ed)[M]. North Carolina: Research Triangle Park, 1996[6鄧南圣,王小兵.生命周期評價(jià)M北京:化學(xué)工業(yè)出版生命周期評價(jià)表明,隨著(zhù)水煤漿中柴油含量的減社,2003:30-311小,其對環(huán)境的影響明顯增加,其原因是油水煤漿Deng Nan-sheng, Wang Xiao-bing. Life Cycle Assessment的制備要消耗更多的能量和油水煤漿的燃燒后排放[M]. Beijing Chemical Industry Press, 2003: 30-311(in的主要污染物下降顯著(zhù)。但對于水煤漿的生命周期評價(jià)也有其局限性,我國是一個(gè)富煤貧油的國家[7]付曉恒,王祖訥, Giovanni novell等.精細油水煤漿制備及無(wú)論從我國的經(jīng)濟發(fā)展還是能源安全考慮,開(kāi)發(fā)潔其在柴油機上應用的生命周期評價(jià)[J煤炭學(xué)報,2005,20(4)42-48凈的煤代油技術(shù)都是必要的。特別是國際原油的持Fu Xiao-heng, Wang Zu-na, Giovanni Novelli, et al. Life續高位,更加刺激漿體燃料的發(fā)展。把煤炭制備成cycle assessment ultra-clean micronized coal-water-oil fuel漿體燃料,減輕燃燒散煤對環(huán)境污染,并達到替代preparation and its usage in diesel engine [J]. The Coal柴油的目的,這一重要的指標卻不能在反映在生命Journal, 2005, 20(4): 42-48 (in Chinese中國煤化工CNMHG