造纸厂固体废弃物能源化利用的LCA分析
摘要： 应用生命周期分析法（LCA）评价了以原木造纸为主的固体废弃物能源化利用的4种方案。计算了每种方案中固体废弃物能源化和燃煤的废渣、CO2 、SO2、NOx排放。结果表明，固体废弃物汽化后进入内燃机发电机组方案是最优方案，每年可以节省动力煤25824t，减少排放CO2514t、SO2343t、NOx370t。
1前言
造纸厂固体废弃物能源化利用，可以替代造纸工艺中的部分能源消耗。减少部分造纸厂常用的能源煤，从而也减少了这部分煤燃烧所排放的灰渣和气体污染物，故具有一定的经济效益。但由于固体废弃物的焚烧（或汽化）最终也会排放一些废渣和废气，所以有必要对两者进行系统的比较。
本文采用生命周期分析方法[1]（LCA），分析以原木造纸为主的B造纸厂固体废弃物能源化利用的4种方案。在分析中，由于固体废弃物是产品纸的副产品，故不追溯其产生过程的排放。而对于煤，则要考虑其开采、运输等过程的排放。
2 造纸厂固体废弃物能源化利用过程编目分析
2.1 固体废弃物特性
造纸厂固体废弃物特性如表1。
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表1 B造纸厂固体废弃物的特性 (%)
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1)M—水分,ar—收到基, f—外在水分（自由基）,ad—空气干燥剂,A—灰分,V—挥发分, FC—固定碳。
由于造纸厂规模较大，固体废弃物量较多，所以对其处理考虑下面4种方案：直接焚烧供蒸气、直接焚烧后产生蒸气进入汽轮机发电机组发电、汽化后进入锅炉与煤混烧供蒸气、汽化后进入内燃机发电机组发电。
2.2 固体废弃物能源化利用过程的编目分析
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表2 煤的工业分析和元素分析表 （%）
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2.2.1方案1：直接焚烧供蒸气
若新建1台焚烧炉和余热锅炉，固体废弃物直接焚烧，为造纸工艺提供蒸气。
2.2.2 燃煤生命周期过程的编目分析
1）C、H、O、N—碳、氢、氧、氮，Qnet,ar —低为热值。
2.3 直接焚烧后产生蒸气进入汽轮机发电机组发电
2.3.1 固体废弃物能源化利用过程的编目分析
若新建1台焚烧炉和余热锅炉，固体废弃物直接焚烧，然后进入汽轮机发电机组发电，过程如图3所示。废弃物焚烧烟气复杂，水蒸气含量高。焚烧塑料时烟气中含腐蚀性强的HCl，而焚烧含碱污泥时烟气中含微粒钠化合物，将限制余热锅炉蒸气参数的提高，焚烧固体废弃物小型发电机组的各项效率[2]为：
焚烧炉效率 92% ，余热锅炉热效率 75% ，朗肯循环热效率 37% ，汽轮机内效率 74% ，汽轮机机械效率 93% ，发电机机械效率 94% ，汽轮机绝对电效率 24%，汽轮机汽耗率 5.0 kg/（kW.h） 。
3 综合分析与比较
3.1造纸厂固体废弃物的4种处理方案分析比较
4种处理方案煤耗、热损失、灰渣和气体排放比较如表3所示。
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表3 造纸厂固体废弃物的4种处理方案比较表
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4结论
4.1
造纸厂固体废弃物能源化利用具有很大的经济效益。汽化后进入内燃机发电机组方案是最优方案，节省动力煤25824t。直接焚烧供蒸气、直接焚烧产生蒸气进汽轮机组发电、汽化后进入锅炉与煤混烧供蒸气3种方案分别可节省动力煤19134、19134、17511t。当然，等热容量的废物焚烧炉和燃煤锅炉工艺技术、材质差异甚大，经济性也会因此有所不同。
4.2
相对于燃煤生产同样的蒸气和电能，固体废弃物汽化后进入内燃机发电机组能源化利用方案，具有很大的环境效益，每年CO2 、SO2 、NOx可分别减少排放514、343、370t。其它3种方案也可以不同程度减少SO2和NOx的排放。本文比较的是对环境的CO2 、SO2 、NOx和灰渣的排放，需要注意的是，废弃物焚烧的渣、尾气性质与燃煤有所不同。
4.3
固体废弃物能源化利用的后3种方案中，虽然CO2排放大于燃煤方案，但其中由树皮燃烧产生10169.5t，树皮属于生物质，生物质在生长过程中要吸收大量的CO2，有文献[4]认为生物质燃烧CO2为零排放。
4.4由于固体废弃物汽化要产生焦油，燃气直接进内燃机，将影响机组运行的稳定，而燃气进锅炉与煤混烧，则无须考虑焦油的清洗。另外，考虑到充分利用厂内已有锅炉，不新建内燃机发电机组，可较大地节省投资，故固体废弃物汽化后进入锅炉与煤混烧供蒸气是一种值得推荐的方案。
5参考文献
1 Margaret C Mann，Pamela L Spath.Life Cycle Assessment of a Biomass Gasification Combined-Cycle Power System. 北京：中国环境科学出版社,1997 .
2 沈士一.汽轮机原理.北京：水力电力出版社，1995.
3 吴宗鑫.以煤为主多元化的清洁能源战略.北京：清华大学出版社，2001.
4余春江.温室效应与生物质能利用.中国太阳能学会生物质能专业委员会论文集，2001.
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