第31卷第8期抓比釣孜術(shù)31No.82008年8月Environmental Science Technologyg.2008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1(1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,建立了油水煤漿燃料的評價模型通過計算分析結(jié)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)消耗能量要多,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NOx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;環(huán)境影響中圖分類號:X820.3文獻標志碼:A文章編號:10036504(2008080132-04Environment Impact Assessment of Life Cycle on Coal WaterSlurry FuelZHANG Qiang, TIAN Ying, LV Shun, REN Lan-zhul4(l School of Mechanical Engineering, Liaoning Technical University. Fuxin 123000, China2. Fuxin Mining Industry Group Company, Fuxin 123000, China3. Library, Dalian Fisheries University, Dalian 116023, China4. China Mining University, Beijing 100083, ChinaAbstract: Based on environment impact assessment of life cycle on diesel engine substitution fuel, an assessment modelwas established for oil coal water slurry fuel. Through computation analysis, results showed that besides reducing of photchemical ozone creation and potential energy, other pollutant indicators increased with the increase of coal content in coalwater slumy, 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 reduceain 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(dǎo)下,利用熱力學(xué)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(xué)和大氣污染控制等學(xué)科的原理建立評價模型。美要內(nèi)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(yīng)用的分析( from well to whells,wrw),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(chǎn)及其生產(chǎn)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(chǎn)生,因此要全面地分析替代燃料對環(huán)境究。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(jīng)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(nèi)外經(jīng)驗的基礎(chǔ)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(chǎn)、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(shù)等條件的制約。所以,汽車燃料的生命周期評價11分析參數(shù)收稿日期:2007-08-20;修回200807-10基金項目:國家重點技術(shù)創(chuàng)新項目“煤基柴油代用燃料的制備與燃用(1999213);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(yǎng)計劃作者簡介:張強(198-),男博士研究生,主要研究方向為內(nèi)燃機代用燃料(電話)418651199電子信箱zhangqiang8l196@eyou.como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(yīng)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(shù)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,CH原煤開采沈煤礦[器在榮油機和NO組成,其他溫室氣體如氟里昂,雖然其全球變暖潛( 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(nèi)的排放量非常小,所以Fig 2 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ⅴoC( volatile organiccompounds),CO,NOx,PM(直徑≤10μm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原油開采柴油生產(chǎn)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ig. 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M/kg1.4.1直接能耗計算(能耗)和g/M(排放)。過程排放和過程使用的燃料關(guān)系最為密切。水煤1.2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(wl)開始到汽燃料使用,E=1/m;式中:E是生產(chǎn)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,即一次能源開釆( 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(chǎn)(ruel)和燃料使用( vehicle operation),每個階段料,如渣油、天然氣、煤和電等,不同種類的燃料直接又包括生產(chǎn)、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(jié)構(gòu)進行分配。成了汽車燃料從開采到加注站( from well to pump)1.42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(xué)反應(yīng)、燃料叢加注站到車輪( 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(gòu)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,A·51×10-6價邊界見圖1式中:D為每生產(chǎn)1M燃料排放的污染物gMJ;一次能源燃料生產(chǎn)汽車運行加注F為燃料過程的污染物排放數(shù),g/M;S為比例系數(shù);嬈。轉(zhuǎn)換、剎車下標i是污染物種類,下標j是燃料種類,下標k是燃料技術(shù)類型。燃料過程的ⅴOC,CO,NOx,PM1,CH4上訴階段下游階段和NO的排放系數(shù)可查有關(guān)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(chǎn)和原料開采中也可分成生產(chǎn)過程(包括原料開采、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放之和。作為模型已知條件輸入。在能源生產(chǎn)過程的清單計算P=ΣE·S[1+Ipwd+pl]×10-6時,根據(jù)過程能源利用效率計算過程的直接能源消M=∑E·SD,n+[M=s,+Mlm,dl×10-](3)耗,不同類型的燃料直接消耗按照能源消費結(jié)構(gòu)(燃式中:P為階段生命周期能耗,g/MJ;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,g/M;下標fed表示燃料開采階段,下標134抓化釣壯術(shù)第31卷fuel表示燃料生產(chǎn)階段。實際物理過程是生產(chǎn)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:(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(jīng)濟性的測試結(jié)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(xué)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總貢獻;(8)熱回收。表示由系統(tǒng)引起的熱量回收。Pwm=Euse[1+Pfuel+Pfeed3環(huán)境影響后果Mwnw, =Dus, i+Euse[ Fuel, 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%2油水煤漿生命周期評價的應(yīng)用水18%%,油594%。在柴油機燃用油水煤漿試驗階段,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燃料生產(chǎn)燃料使用環(huán)境影響指標柴油生產(chǎn)水煤漿生產(chǎn)油水煤漿生產(chǎn)柴油生產(chǎn)和使用油水煤漿的生產(chǎn)和使用原油(gM13.2天然氣(g/M酸化潛能( SONg/M0.1460.5021.224光化臭氧形成潛能 CH(g/M0.117富營養(yǎng)化潛能(PogM)0011全球變暖潛能(CO2XgMD13.1熱回問收(MJMD表1中柴油機燃用油水煤漿的全球變暖潛能指為30Mkg,碳含量為20‰%。該指標值包括了燃料制備標值為250gM,是根據(jù)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150gMJ。1.55M20145西1400l800為/Nm圖4扭矩20Nm油水煤漿和柴油NO2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(shù)表示,當煤漿中M20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)),煤耗量上升(圖7(b)。同時指標POCP下降,其原因是燃用柴油時NOx的排放量遠大于燃用油水煤漿(見圖5扭矩30Nm油水煤漿和柴油NO3排放對比圖4、5),而其他幾個指標都上升(見圖6),其原因應(yīng)Fg5NO2 c emissions contrast water-coal-slurry and diesel oil at30Nm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周期評價當中。參考文獻大然氣n] Wang M Q. Fuel choice for fuel-cell vehicles: Well towhells energy and emissions impacts []. Joumal of PowerSource,2002,12:307-321.油水煤漿水煤漿[2] Wang M Q. GREETI, 5-transportation fuel cycle modellumel Methodology development, use and results IR]16光化復(fù)氧形成能Argonne: Argonne National Laboratoty, 1999.高背養(yǎng)化潛能[3]General Motors Corporation, Argonne National LaboratoryB P,, Exxon Mobil, and shell. Well-to-whell energy use酸化灑能and greenhouse gas emissions of advanced fuel/vehicle sys-個球變暖潛能tems-north.油水煤漿水煤漿4]國家環(huán)保局科技標準司.工業(yè)污染物產(chǎn)生和排放系數(shù)手冊M]北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,1998:56-112圖7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National Environmental Protection Administration. HandbookFig. 7 The relationship of diesel oil proportional in the water-coal-slurryof the industry pollutant with emission factor[M]. Beijing:with environmental effectChina Environmental Science Press, 1998: 56-112 (in4結(jié)語[5] US Environmental Protection Agency. Compilation of Air油水煤漿的生產(chǎn)和燃用對環(huán)境的影響是一個非Pollution Emission Factors, Stationary Sources, AP242(5th常復(fù)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生命周期評價表明,隨著水煤漿中柴油含量的減6]鄧南圣,王小兵.生命周期評價M]北京:化學(xué)工業(yè)出版社,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Chinese評價也有其局限性,我國是一個富煤貧油的國家,團7付曉恒,王祖訥 Giovanni Novel等精細油水煤漿制備及其在柴油機上應(yīng)用的生命周期評價煤炭學(xué)報,2005,20無論從我國的經(jīng)濟發(fā)展還是能源安全考慮,開發(fā)潔(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(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