第31卷第8期抓比升釕術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張強1,田瑩12,呂順3,任蘭柱11遼寧工程技術大學機械學院遼寧阜新123000;2阜新礦業(yè)集團遼寧阜新123000;3大連水產學院圖書館遼寧大連116023;4中國礦業(yè)大學北京100083)犢要:文章對柴油機替代燃料生命周期環(huán)境影響的評價建立了油水煤漿燃料的評價模型,通過計算分析結果表明隨著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,說明油水煤漿系統(tǒng)比柴油系統(tǒng)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鍵詞:水煤漿;柴油;生命周期評價;環(huán)境影響中圖分類號: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標準的指導下,利用熱力學燃制汽車尾氣排放是世界各大城市清潔空氣行動的主燒學和大氣污染控制等學科的原理建立評價模型。美要內容,其主要手段是使用替代燃料。目前,全世界各國把汽車燃料生命周期評價稱為從“井口”到“車輪國都在開發(fā)低排放,低污染的車用替代燃料(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、醇類燃料煤基燃料等),由已做了近20年的研究。美國阿貢國家實驗室的于替代燃料的生產及其生產原料的開采(如天然氣的 GREET模型就是汽車燃料生命周期評價成果的代表,開采醇類燃料的制備、煤基燃料的獲得)等過程有大美國對該模型的汽車替代燃料進行了大量的案例研量的污染物產生,因此要全面地分析替代燃料對環(huán)境究叫。近年來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,開展汽車燃料單位已經開始對汽車燃料進行生命周期評價。本文在的生命周期評價是很有意義的。借鑒國內外經驗的基礎上,運用了生命周期評價方法汽車燃料生命周期評價涉及到能源開采、生產對水煤漿燃料環(huán)境影響進行評價。運輸、儲存、分配以及汽車使用等過程,這些過程的能耗和排放還具有明顯的地域特點受不同地區(qū)資源和1清單模型技術等條件的制約。所以汽車燃料的生命周期評價11m凵中國煤化工收稿日期:2007-08-20;修回2008-07-10CNMHG基金項目:國家重點技術創(chuàng)新項日“煤基柴油代用燃料的制備與燃用(199213);遼寧工程技術大學機械工程學院優(yōu)秀青年教師科研人選培養(yǎng)計劃作者簡介: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)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133水煤漿燃料生命周期清單模型分析參數(shù)分成能因此還要根據(jù)過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。由于汽根據(jù)不同燃料的燃燒技術和排放系數(shù)計算過程的總車主要消耗煤炭資源,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(tǒng)的能水煤漿燃料系統(tǒng)源利用效率,所以能耗參數(shù)又分成總能消耗、化石燃料消耗和石油消耗3個參數(shù)。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(tǒng)的主要階段大,但在汽車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參數(shù)。排放的主要污柴油系統(tǒng)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種污染物也是汽車排放標準中的柴油生產柴油使用主要評價參數(shù)。由于主要污染物的危害具有地域圖3柴油燃料研究系統(tǒng)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Fig 3 Main stage of diesel fuel system替代燃料的生命周期評價參數(shù)共3類16個(其中有1.4主要計算公式10個污染物參數(shù)),評價參數(shù)的功能單位是MJkg141直接能耗計算(能耗)和g/MJ(排放)。過程排放和過程使用的燃料關系最為密切。水煤12評價邊界漿燃料的燃燒是將所有被處理的能源全部作為過程評價邊界包括從一次能源開采(we)開始到汽燃料使用,E=1/;式中:E是生產單位能源需消耗的車使用( wheel)為止的整個燃料生命周期過程,分成燃料量,是過程能源利用效率定義為過程的能量輸3個主要階段,即一次能源開采( feedstock),汽車燃料出與能量輸入之比。一個過程可能同時消耗多種燃生產(fuel)和燃料使用( vehicle operation),毎個階段料,如渣油、天然氣煤和電等,不同種類的燃料直接又包括生產、運輸、儲存和分配等過程。前2個階段完消耗量按其能源消費結構進行分配。成了汽車燃料從開采到加注站( from well to pump)14.2直接排放計算的過程稱為上游階段( upstream)。燃料使用階段是燃過程的排放包括燃料燃燒、非燃燒化學反應、燃料從加注站到車輪( from pump to wheel)的過程稱料泄漏和蒸發(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:了整個燃料的生命周期過程( from well to wheel)。評D=[ΣE·S·[ΣF,,·S]]×10-6價邊界見圖1。式中:D為每生產1MJ燃料排放的污染物,gMJ;燃赫奧F為燃料過程的污染物排放數(shù),gMJ;S為比例系數(shù);下標i是污染物種類,下標j是燃料種類,下標k是燃料技術類型。燃料過程的VOC,CO,NOx,PMn,CH4仁上游階段下游階段和NO的排放系數(shù)可查有關環(huán)境排放手冊;當我國圖1汽車燃料生命周期評價邊界這方面的數(shù)據(jù)不全時,美國環(huán)境保護署的排放系數(shù)手Fig. I Boundary of mobile fuel life cycle assessment冊也可以用來參考。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模型計算得出,計算由于過程所消耗的燃料在生產和原料開采中也可分成生產過程(包括原料開采、洗精煤生產、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程)和運輸過程(包括運輸和分配等)2放是過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。在能源生產過程的清單計算中國煤化工10-](2)時,根據(jù)過程能源利用效率計算過程的直接能源消CNMH GM=,J×10-](3)耗,不同類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為階段生料類型和比例)進行分配生命周期能耗是完全能耗,命周期排放,gMJ;下標feed表示燃料開采階段,下標134抓化釣壯術第31卷fuel表示燃料生產階段。實際物理過程是生產某種燃都表示了系統(tǒng)行為的某個方面。為了判別各系統(tǒng)對環(huán)料時需要消耗該燃料,所以階段生命周期能耗和排放境引起的負荷,用工藝過程的能耗和對環(huán)境造成的后在計算時要進行迭代。果表示。本文用的簡化指標有"n:(1)原油。表示系統(tǒng)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(tǒng)消耗的總天然汽車使用階段的能耗和排放數(shù)據(jù)是按照汽車排氣量;(3)煤炭。表示系統(tǒng)消耗的總煤量;(4)酸化潛能放和燃油經濟性的測試結果計算的(AP)。表示系統(tǒng)造成酸化的總貢獻;(5)光化臭氧形成14.5汽車燃料的生命周期能耗和排放潛能(POCP)。表示系統(tǒng)對光化學臭氧層形成的總貢利用汽車使用階段的能耗和排放數(shù)據(jù)以及能源獻;(6)富營養(yǎng)化潛能(EP)。表示系統(tǒng)對富營養(yǎng)化總貢上游階段的清單計算模型,可以進一步計算汽車燃料獻;(7)全球暖化潛能(GwP)。表示系統(tǒng)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(tǒng)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本文以生產和使用1M燃料為基準,其中生產階表示汽車燃料使用階段。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的應用段,進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(shù),其中每個參數(shù)制,一些數(shù)據(jù)沒法測得,見表1,圖4-6。表1環(huán)境影響測算數(shù)據(jù)Table 1 Environmental effect reckoning data環(huán)境影響指標燃料生產燃料使用柴油生產水煤漿生產油水煤漿生產柴油生產和使用油水煤漿的牛產和使用原油(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富營養(yǎng)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(jù)化學計量法計算的,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系。圖7的指標用指數(shù)表示,當煤漿中全部為水時,指數(shù)為10。由圖7可見,隨著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共他兒個宿懷卻工升(見圖6),其原因應Fg5NO2 emissions contrast water-coal-slurmy and diesel oil at3Nm該是生產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周期評價當中。參考文獻]大然氣[] Wang M Q. 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Compilation of Air油水煤漿的生產和燃用對環(huán)境的影響是一個非Pollution Emission Factors, Stationary Sources, AP242(5th常復雜的過程。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M北京:化學工業(yè)出版生命周期評價表明,隨著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。但對于水煤漿的生命周期評價也有其局限性,我國是一個富煤貧油的國家[7]付曉恒,王祖訥, Giovanni novell等.精細油水煤漿制備及無論從我國的經濟發(fā)展還是能源安全考慮,開發(fā)潔其在柴油機上應用的生命周期評價[J煤炭學報,2005,20(4)42-48凈的煤代油技術都是必要的。特別是國際原油的持Fu Xiao-heng, Wang Zu-na, Giovanni Novelli, et al. Life續(xù)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