水煤浆燃料环境影响的生命周期评价

第31卷第8期抓比升钌术31No.82008年8月Environmental Science Technology2008水煤浆燃料环境影响的生命周期评价张强1,田莹12,吕顺3,任兰柱11辽宁工程技术大学机械学院辽宁阜新123000;2阜新矿业集团辽宁阜新123000;3大连水产学院图书馆辽宁大连116023;4中国矿业大学北京100083)犢要:文章对柴油机替代燃料生命周期环境影响的评价建立了油水煤浆燃料的评价模型,通过计算分析结果表明随着油水煤浆中煤炭含量的增加,除光化臭氧形成潜能降低以外,其它污染指标值都有增加,说明油水煤浆系统比柴油系统消耗能要多,对全球环境有一定影响,但在局部条件下与燃油相比,燃用油水煤浆可以减少NOk等主要污染物的排放量关键词:水煤浆;柴油;生命周期评价;环境影响中图分类号:X820.3文献标志码:A文章编号: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汽车尾气排放已成为城市的主要大气污染源,控必须在生命周期评价标准的指导下,利用热力学燃制汽车尾气排放是世界各大城市清洁空气行动的主烧学和大气污染控制等学科的原理建立评价模型。美要内容,其主要手段是使用替代燃料。目前,全世界各国把汽车燃料生命周期评价称为从“井口”到“车轮国都在开发低排放,低污染的车用替代燃料(如应用的分析( from well to whells,wTw),他们在这方面较为广泛的液化石油气、醇类燃料煤基燃料等),由已做了近20年的研究。美国阿贡国家实验室的于替代燃料的生产及其生产原料的开采(如天然气的 GREET模型就是汽车燃料生命周期评价成果的代表,开采醇类燃料的制备、煤基燃料的获得)等过程有大美国对该模型的汽车替代燃料进行了大量的案例研量的污染物产生,因此要全面地分析替代燃料对环境究叫。近年来我国对这方面的研究也很重视,各科研的影响必须采用生命周期分析的方法,开展汽车燃料单位已经开始对汽车燃料进行生命周期评价。本文在的生命周期评价是很有意义的。借鉴国内外经验的基础上,运用了生命周期评价方法汽车燃料生命周期评价涉及到能源开采、生产对水煤浆燃料环境影响进行评价。运输、储存、分配以及汽车使用等过程,这些过程的能耗和排放还具有明显的地域特点受不同地区资源和1清单模型技术等条件的制约。所以汽车燃料的生命周期评价11m凵中国煤化工收稿日期:2007-08-20;修回2008-07-10CNMHG基金项目:国家重点技术创新项日“煤基柴油代用燃料的制备与燃用(199213);辽宁工程技术大学机械工程学院优秀青年教师科研人选培养计划作者简介:张强(1980-),男,博士研究生,主要研究方向为内燃机代用燃料,(电话)04186511990电子信箱)changqiang8I1o6@eyou.com第8期张强,等水煤浆燃料环境影响的生命周期评价133水煤浆燃料生命周期清单模型分析参数分成能因此还要根据过程的直接能耗计算相应的间接能耗;耗、温室气体排放和主要污染物排放3类。由于汽根据不同燃料的燃烧技术和排放系数计算过程的总车主要消耗煤炭资源,化石燃料具有不可再生性,总排放。能消耗(包括化石燃料和可再生能)反映了系统的能水煤浆燃料系统源利用效率,所以能耗参数又分成总能消耗、化石燃料消耗和石油消耗3个参数。温室气体由CO2,CH4和NO组成,其他温室气体如氟里昂,虽然其全球变原煤开采[器在柴油暖潜( global warming potential,GWP)的CO2量很图2水煤浆燃料研究系统的主要阶段大,但在汽车燃料生命周期内的排放量非常小,所以g2 Main stage of water-coal-slurry fuel system不把它们列为温室气体的评价参数。排放的主要污柴油系统染物由挥发性有机化合oC( volatile organiccompounds),CO,NOx,PM(直径≤1μm的颗粒物)和SOx组成。以上5种污染物也是汽车排放标准中的柴油生产柴油使用主要评价参数。由于主要污染物的危害具有地域图3柴油燃料研究系统的主要阶段性,因此又分成总排放和城市排放。综上所述,汽车Fig 3 Main stage of diesel fuel system替代燃料的生命周期评价参数共3类16个(其中有1.4主要计算公式10个污染物参数),评价参数的功能单位是MJkg141直接能耗计算(能耗)和g/MJ(排放)。过程排放和过程使用的燃料关系最为密切。水煤12评价边界浆燃料的燃烧是将所有被处理的能源全部作为过程评价边界包括从一次能源开采(we)开始到汽燃料使用,E=1/;式中:E是生产单位能源需消耗的车使用( wheel)为止的整个燃料生命周期过程,分成燃料量,是过程能源利用效率定义为过程的能量输3个主要阶段,即一次能源开采( feedstock),汽车燃料出与能量输入之比。一个过程可能同时消耗多种燃生产(fuel)和燃料使用( vehicle operation),毎个阶段料,如渣油、天然气煤和电等,不同种类的燃料直接又包括生产、运输、储存和分配等过程。前2个阶段完消耗量按其能源消费结构进行分配。成了汽车燃料从开采到加注站( from well to pump)14.2直接排放计算的过程称为上游阶段( upstream)。燃料使用阶段是燃过程的排放包括燃料燃烧、非燃烧化学反应、燃料从加注站到车轮( from pump to wheel)的过程称料泄漏和蒸发等。但最主要的排放是燃烧排放,其为下游阶段( downstream)。上游阶段和下游阶段构成计算公式如下:了整个燃料的生命周期过程( from well to wheel)。评D=[ΣE·S·[ΣF,,·S]]×10-6价边界见图1。式中:D为每生产1MJ燃料排放的污染物,gMJ;燃赫奥F为燃料过程的污染物排放数,gMJ;S为比例系数;下标i是污染物种类,下标j是燃料种类,下标k是燃料技术类型。燃料过程的VOC,CO,NOx,PMn,CH4仁上游阶段下游阶段和NO的排放系数可查有关环境排放手册;当我国图1汽车燃料生命周期评价边界这方面的数据不全时,美国环境保护署的排放系数手Fig. I Boundary of mobile fuel life cycle assessment册也可以用来参考。13计算逻辑14.3阶段生命周期能耗和排放上游阶段的能耗和排放通过模型计算得出,计算由于过程所消耗的燃料在生产和原料开采中也可分成生产过程(包括原料开采、洗精煤生产、水煤浆有能量消耗和环境排放,所以阶段生命周期能耗和排的制备等过程)和运输过程(包括运输和分配等)2放是过程的直接能耗和排放与上游阶段间接能耗和种,它们的计算逻辑见图23,下游阶段的能耗和排放排作为模型已知条件输入。在能源生产过程的清单计算中国煤化工10-](2)时,根据过程能源利用效率计算过程的直接能源消CNMH GM=,J×10-](3)耗,不同类型的燃料直接消耗按照能源消费结构(燃式中:P为阶段生命周期能耗,gMJ;M为阶段生料类型和比例)进行分配生命周期能耗是完全能耗,命周期排放,gMJ;下标feed表示燃料开采阶段,下标134抓化钓壮术第31卷fuel表示燃料生产阶段。实际物理过程是生产某种燃都表示了系统行为的某个方面。为了判别各系统对环料时需要消耗该燃料,所以阶段生命周期能耗和排放境引起的负荷,用工艺过程的能耗和对环境造成的后在计算时要进行迭代。果表示。本文用的简化指标有"n:(1)原油。表示系统144使用阶段的能耗及排放消耗的总原油量;(2)天然气。表示系统消耗的总天然汽车使用阶段的能耗和排放数据是按照汽车排气量;(3)煤炭。表示系统消耗的总煤量;(4)酸化潜能放和燃油经济性的测试结果计算的(AP)。表示系统造成酸化的总贡献;(5)光化臭氧形成14.5汽车燃料的生命周期能耗和排放潜能(POCP)。表示系统对光化学臭氧层形成的总贡利用汽车使用阶段的能耗和排放数据以及能源献;(6)富营养化潜能(EP)。表示系统对富营养化总贡上游阶段的清单计算模型,可以进一步计算汽车燃料献;(7)全球暖化潜能(GwP)。表示系统对全球暖化的的生命周期能耗和排放。总贡献;(8)热回收。表示由系统引起的热量回收。Pwnw=Eue[1+Pfuel+Preed](4)3环境影响后果MwTw, =Duse, i+ Eus[ Mfuel, i +Mieed, i](5)式中:下标WTW表示燃料的生命周期,下标use本文以生产和使用1M燃料为基准,其中生产阶表示汽车燃料使用阶段。段水煤浆的浓度为51%,油水煤浆的比例为煤20.4%水油594%。在柴油机燃用油水煤浆试验阶2油水煤浆生命周期评价的应用段,进行了必要的尾气排放量检测,但由于条件的限生命循环清单输出的是一组参数,其中每个参数制,一些数据没法测得,见表1,图4-6。表1环境影响测算数据Table 1 Environmental effect reckoning data环境影响指标燃料生产燃料使用柴油生产水煤浆生产油水煤浆生产柴油生产和使用油水煤浆的牛产和使用原油(gM13.2天然气(g/M0.6酸化潜能(SOg/Mn光化臭氧形成潜能 CHA(g/M00160.117富营养化潜能( PO.(g/MJ001100150.179全球变暖潜能( CO e/M)82650热回收(MM)05710.241表1中柴油机燃用油水煤浆的全球变暖潜能指为30MJ/kg,碳含量为20‰。该指标值包括了燃料制备标值为250gMJ,是根据化学计量法计算的,假定热值阶段引起的全球变暖潜能指标值150g/M。M20.1400r/min45MO. 1800r/min画1.40M20. 1400r/minMO. 1800r/min135160018002000知Nm图4扭矩20Nm油水煤浆和柴油NO3捧放对比图6油水煤浆和柴油HC排放对比Fig 4 NO emissions contrast water-coal-slurry and diesel oil at 20 NmFig 6 HC emissions contrast water-coal-slurry and diesel oil图7为对环境影响的指标变化与柴油在油水煤浆中的比例关系。图7的指标用指数表示,当煤浆中全部为水时,指数为10。由图7可见,随着油水煤浆中柴油含量的减少,原油和天然气耗量减少(图7(a)煤中国煤化工示POCP下降其原因1600是CNMHG于燃用油水煤浆(见图5扭矩30Nm油水煤浆和柴油NO3排放对比图4、5),m共他儿个宿怀卻工升(见图6),其原因应Fg5NO2 emissions contrast water-coal-slurmy and diesel oil at3Nm该是生产油水煤浆要消耗更多的能量(图7(b)第8期张强等水煤浆燃料环境影响的生命周期评价周期评价当中。参考文献]大然气[] Wang M Q. Fuel choice for fuel-cell vehicles: Well towhells energy and emissions impacts[J]. Journal of PowerSource,2002,l2:307-321.油水煤浆水煤浆[2] Wang M Q. GREET1 5-transportation fuel cycle modelumel: Methodology, development, use and results IR]16光化复气形成消能Argonne: Argonne National Laboratoty, 1999.高背养化潜能[3] General Motors Corporation, Argonne National LaboratoryB P, Exxon Mobil, and shell. Well-to-whell energy use酸化潜能and greenhouse gas emissions of advanced fuel/vehicle sys-个球变暧潜能tems-north[4]国家环保局科技标准司.工业污染物产生和排放系数手册油水煤浆水煤浆M]北京:中国环境科学出版社,1998:56-112图7环境影响的指标变化与柴油在油水煤浆中的比例关系National Environmental Protection Administration. HandbookFig. 7 The relationship of diesel oil proportional in the water-coal-slurryof the industry pollutant with emission factor[M]. Beijingwith environmental effectChina Environmental Science Press, 1998: 56-112 (inChinese)4结语[5] US Environmental Protection Agency. Compilation of Air油水煤浆的生产和燃用对环境的影响是一个非Pollution Emission Factors, Stationary Sources, AP242(5th常复杂的过程。对该水煤浆和柴油的制备和燃用的ed)[M]. North Carolina: Research Triangle Park, 1996[6邓南圣,王小兵.生命周期评价M北京:化学工业出版生命周期评价表明,随着水煤浆中柴油含量的减社,2003:30-311小,其对环境的影响明显增加,其原因是油水煤浆Deng Nan-sheng, Wang Xiao-bing. Life Cycle Assessment的制备要消耗更多的能量和油水煤浆的燃烧后排放[M]. Beijing Chemical Industry Press, 2003: 30-311(in的主要污染物下降显著。但对于水煤浆的生命周期评价也有其局限性,我国是一个富煤贫油的国家[7]付晓恒,王祖讷, Giovanni novell等.精细油水煤浆制备及无论从我国的经济发展还是能源安全考虑,开发洁其在柴油机上应用的生命周期评价[J煤炭学报,2005,20(4)42-48净的煤代油技术都是必要的。特别是国际原油的持Fu Xiao-heng, Wang Zu-na, Giovanni Novelli, et al. Life续高位,更加刺激浆体燃料的发展。把煤炭制备成cycle assessment ultra-clean micronized coal-water-oil fuel浆体燃料,减轻燃烧散煤对环境污染,并达到替代preparation and its usage in diesel engine [J]. The Coal柴油的目的,这一重要的指标却不能在反映在生命Journal, 2005, 20(4): 42-48 (in Chinese中国煤化工CNMHG