魏進(jìn)超，李俊杰，康建剛

中冶長天國際工程有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410007

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基于生命周期評(píng)價(jià)的燒結(jié)煙氣凈化技術(shù)比較

魏進(jìn)超，李俊杰，康建剛

中冶長天國際工程有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410007

燒結(jié)煙氣是鋼鐵企業(yè)主要污染源之一，活性炭同時(shí)脫硫脫硝技術(shù)和半干法脫硫+SCR脫硝組合凈化技術(shù)是目前實(shí)現(xiàn)燒結(jié)煙氣綜合凈化處理較成熟的方案。運(yùn)用生命周期評(píng)價(jià)手段，對(duì)國內(nèi)某鋼鐵企業(yè)2種煙氣凈化技術(shù)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。通過收集能源消耗、資源消耗和污染物排放清單，確定能耗分布，并計(jì)算得到相應(yīng)的資源耗竭系數(shù)和環(huán)境影響負(fù)荷。結(jié)果表明：能源消耗和資源消耗方面，活性炭法優(yōu)勢(shì)明顯，能耗和資源耗竭系數(shù)僅為半干法脫硫+SCR脫硝組合凈化技術(shù)的68.38%和59.33%；環(huán)境影響方面，二者差距較小，活性炭法環(huán)境影響負(fù)荷略小。最后，依據(jù)生命周期評(píng)價(jià)結(jié)果給出相應(yīng)建議，綜合2種煙氣凈化技術(shù)生命周期評(píng)價(jià)結(jié)果，從能耗、資源消耗和環(huán)境影響的角度來看，活性炭法在燒結(jié)煙氣凈化領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

活性炭；半干法；SCR；脫硫；脫硝；生命周期評(píng)價(jià)；能耗；資源耗竭系數(shù)；環(huán)境影響負(fù)荷

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入新常態(tài)，鋼鐵行業(yè)發(fā)展環(huán)境發(fā)生了深刻變化。在國家“十三五”綠色發(fā)展理念的指導(dǎo)下，鋼鐵行業(yè)要堅(jiān)持“創(chuàng)新、減量、協(xié)同、綠色、智能”的發(fā)展理念，繼續(xù)研發(fā)、應(yīng)用和升級(jí)環(huán)保節(jié)能新技術(shù)，不斷提高鋼鐵行業(yè)綠色發(fā)展水平。

燒結(jié)是鋼鐵冶煉中原材料處理的重要環(huán)節(jié)，為鋼鐵企業(yè)帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，而燒結(jié)煙氣具有煙氣量大、污染物成分復(fù)雜的特點(diǎn)，是整個(gè)鋼鐵生產(chǎn)污染的主要來源，已成為制約我國鋼鐵行業(yè)綠色發(fā)展的重要因素。要解決鋼鐵行業(yè)的環(huán)保問題，燒結(jié)煙氣治理首當(dāng)其沖?；钚蕴客瑫r(shí)脫硫脫硝技術(shù)和半干法脫硫+選擇性催化還原(SCR)脫硝組合凈化技術(shù)是目前實(shí)現(xiàn)燒結(jié)煙氣凈化處理較成熟的方案[1-3]。

生命周期評(píng)價(jià)(life cycle assessment，LCA)是對(duì)產(chǎn)品、過程以及活動(dòng)的環(huán)境影響進(jìn)行評(píng)價(jià)的客觀過程，它是通過對(duì)能量和物質(zhì)利用以及由此造成的環(huán)境排放進(jìn)行辨識(shí)和量化來進(jìn)行的。其目的在于評(píng)價(jià)能量和物質(zhì)利用，以及廢物排放對(duì)環(huán)境的影響，尋求改善環(huán)境影響的機(jī)會(huì)和如何利用這種機(jī)會(huì)[4]。我國生命周期評(píng)價(jià)研究始于1997年，目前，生命周期評(píng)價(jià)已被政府管理部門、企業(yè)界以及消費(fèi)組織所采納，廣泛應(yīng)用于政府政策制定和生態(tài)設(shè)計(jì)，產(chǎn)品環(huán)境標(biāo)識(shí)，技術(shù)方案評(píng)價(jià)和改進(jìn)，綠色供應(yīng)鏈管理等領(lǐng)域[5-7]。煙氣凈化領(lǐng)域研究較多的有垃圾焚燒廠和火電廠煙氣凈化生命周期評(píng)價(jià)：如韓娟[8]將LCA方法成功應(yīng)用于垃圾焚燒廠煙氣處理技術(shù)的分析比較，從全生命周期環(huán)境整體優(yōu)化角度分析，得到半干法+干法工藝為最優(yōu)方案；韓濤等[9]將LCA方法應(yīng)用于燃煤鍋爐煙氣脫硫系統(tǒng)改造，系統(tǒng)改造前后僅增加了區(qū)域性環(huán)境影響，而顯著降低了全球性及地區(qū)性環(huán)境影響，得到較優(yōu)的綜合改造方案；張莉等[10]運(yùn)用LCA方法計(jì)算得到火力發(fā)電廠燃煤煙氣經(jīng)脫硝、除塵和脫硫處理裝置后環(huán)境影響的減小值，識(shí)別引起氣候變化損害的最主要因素是煤燃燒過程。而有關(guān)鋼鐵廠燒結(jié)煙氣處理生命周期評(píng)價(jià)鮮見報(bào)道。筆者通過生命周期評(píng)價(jià)手段對(duì)活性炭同時(shí)脫硫脫硝技術(shù)和半干法脫硫+SCR脫硝組合凈化技術(shù)能耗、資源消耗和環(huán)境影響等清單數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，確定影響類型，通過特征化、標(biāo)準(zhǔn)化和賦權(quán)評(píng)估得到定量的環(huán)境影響負(fù)荷，識(shí)別出能耗高、資源消耗大、環(huán)境影響嚴(yán)重的過程，并提出改進(jìn)建議。

1 燒結(jié)煙氣主要特征及凈化技術(shù)

1.1 主要特征

鋼鐵企業(yè)燒結(jié)煙氣中含有SO2、NOx、二英、重金屬及粉塵等污染物，具有煙氣溫度高、煙氣量大、污染物成分復(fù)雜等特點(diǎn)。本文所研究的國內(nèi)某鋼鐵企業(yè)三燒結(jié)(采用活性炭同時(shí)脫硫脫硝技術(shù))、四燒結(jié)(半干法脫硫+SCR脫硝組合凈化技術(shù))煙氣具有如下特點(diǎn)：煙氣量為180 m3/h；SO2濃度為600 mg/m3；NOx濃度為450 mg/m3；二英濃度為5 ng TEQ/m3；粉塵濃度為20 mg/m3。

1.2 凈化技術(shù)

1.2.1 活性炭同時(shí)脫硫脫硝技術(shù)

活性炭同時(shí)脫硫脫硝技術(shù)(簡稱活性炭法)工藝簡單，占地面積小，是一種多污染物同時(shí)去除的煙氣凈化技術(shù)，能同時(shí)脫除二英、重金屬等有害物質(zhì)，且副產(chǎn)物為高純硫酸，具有良好的發(fā)展前景。

活性炭法主要由吸附、解析和硫回收三部分組成。煙氣由增壓風(fēng)機(jī)引入吸附塔，在吸附塔入口前噴入氨，SO2、NOx、二英等污染物的吸附全部在吸附塔內(nèi)完成。吸收了SO2、二英、重金屬等的活性炭被送往解析塔，其作用是將活性炭吸附的SO2釋放出來，同時(shí)可以分解約70%的二英，活性炭經(jīng)篩分后重新利用，篩出物可送往高爐或燒結(jié)作為燃料使用，工藝流程如圖1所示。

圖1 活性炭同時(shí)脫硫脫硝技術(shù)工藝流程Fig.1 Process flow diagram of desulfurization and denitrification using activated carbon

1.2.2 半干法脫硫+SCR脫硝組合凈化技術(shù)

半干法脫硫是利用CaO加水制成的Ca(OH)2懸浮液與煙氣接觸反應(yīng)，去除煙氣中的SO2、HCl、HF、SO3等氣態(tài)污染物的方法；SCR脫硝是指在氧氣和非均相催化劑存在條件下，用還原劑NH3將煙氣中的NO還原為無害的氮?dú)夂退墓に嚒?/p>

采用半干法脫硫+SCR脫硝組合凈化技術(shù)(簡稱半干法+SCR)可以協(xié)同脫除SO2、NOx、二英等多種污染物，工藝流程如圖2所示。

圖2 半干法脫硫+SCR脫硝組合凈化技術(shù)工藝流程Fig.2 Process flow diagram of semi-dry+SCR combined desulfuration and denitration technology

2 2種煙氣凈化技術(shù)的LCA評(píng)價(jià)

環(huán)境毒理和環(huán)境化學(xué)學(xué)會(huì)(SETAC)在《生命周期評(píng)價(jià)綱要：使用指南》中將生命周期評(píng)價(jià)的結(jié)構(gòu)歸納為4個(gè)有機(jī)聯(lián)系的部分：即目標(biāo)定義與范圍界定、清單分析、影響評(píng)價(jià)和改善評(píng)價(jià)[11]。在SETAC框架的基礎(chǔ)上，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)于1997年頒布了ISO 14040標(biāo)準(zhǔn)，其中去掉了改善評(píng)價(jià)階段，增加了生命周期解釋環(huán)節(jié)[12]。與SETAC框架相比，ISO 14040更加細(xì)化，更有利于指導(dǎo)開展LCA方面的研究。本文依據(jù)ISO系列標(biāo)準(zhǔn)的基本概念和研究框架，按照四步法對(duì)國內(nèi)某鋼鐵企業(yè)燒結(jié)煙氣凈化活性炭同時(shí)脫硫脫硝技術(shù)和半干法脫硫+SCR脫硝組合凈化技術(shù)進(jìn)行生命周期評(píng)價(jià)比較。

圖3 活性炭法和半干法+SCR工藝系統(tǒng)范圍Fig.3 Boundary of AC method and semi-dry+SCR technology

環(huán)境影響類型劃分是生命周期影響評(píng)價(jià)(LCIA)中重要的一步，目前國際上對(duì)其分類尚未達(dá)成共識(shí)。其中，比較典型的有US EPA方案、SETAC方案和丹麥技術(shù)大學(xué)EDIP方案[11,13]。針對(duì)我國的實(shí)際情況，中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心開發(fā)了一套適用于我國資源環(huán)境狀況和工藝生產(chǎn)過程的AGP模型，該模型選取了一個(gè)相對(duì)簡單的影響類型劃分方案[14]，如表1所示。本文采用該方案進(jìn)行生命周期評(píng)價(jià)。

表1 中國環(huán)境影響類型[14]

2.1 目標(biāo)定義和范圍界定

以國內(nèi)某鋼鐵企業(yè)燒結(jié)煙氣凈化工序?yàn)檠芯繉?duì)象，對(duì)凈化工序采用活性炭法和半干法+SCR 2種工藝進(jìn)行生命周期評(píng)價(jià)和對(duì)比分析，辨識(shí)不同煙氣凈化技術(shù)對(duì)環(huán)境的影響，找出影響環(huán)境狀況的主要因子，從而找出較優(yōu)的凈化工藝。定義煙氣凈化系統(tǒng)正常運(yùn)行1年為基本功能單位，考慮到系統(tǒng)運(yùn)行階段為生命周期主要過程，建設(shè)階段數(shù)據(jù)零散難以收集且占比很小，故該生命周期評(píng)價(jià)系統(tǒng)范圍的界定僅限于系統(tǒng)運(yùn)行階段，主要包括原輔材料的生產(chǎn)、運(yùn)輸和系統(tǒng)運(yùn)行過程，其中一些重要的工藝過程如圖3所示。

本文生命周期評(píng)價(jià)涉及到的2種煙氣凈化技術(shù)系統(tǒng)輸入輸出數(shù)據(jù)均來自于鋼鐵企業(yè)實(shí)際運(yùn)行階段，在實(shí)際調(diào)研基礎(chǔ)上，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡化、取舍的同時(shí)兼顧了數(shù)據(jù)的合理性、數(shù)據(jù)獲得的難易程度以及數(shù)據(jù)對(duì)結(jié)果的影響程度。具體簡化內(nèi)容包括：

(1)假設(shè)2種煙氣凈化技術(shù)具有相同的煙氣處理能力，即具有相同的SO2、NOx和粉塵的脫除率等。

(2)假設(shè)活性炭法主要消耗物資活性炭、半干法脫硫主要消耗物資生石灰均為長距離運(yùn)輸，運(yùn)輸距離均為1 000 km，運(yùn)輸方式為鐵路運(yùn)輸；而二者次要消耗物資液氨等為短距離運(yùn)輸，運(yùn)輸距離為100 km，運(yùn)輸方式為公路運(yùn)輸。

(3)2種煙氣凈化技術(shù)均消耗高爐煤氣和焦?fàn)t煤氣，2種煤氣分別為煉鐵和煉焦的副產(chǎn)物，故假設(shè)不計(jì)算2種煤氣的生產(chǎn)資源消耗和生產(chǎn)過程對(duì)應(yīng)的污染物排放，僅考慮2種煤氣作為燃料輸入系統(tǒng)的熱值和燃燒產(chǎn)生的污染物排放。

(4)假設(shè)環(huán)境影響評(píng)價(jià)分類中，環(huán)境干擾因子與環(huán)境影響類型為線性關(guān)系，且涉及到某種污染物與多種環(huán)境影響類型相關(guān)時(shí)，采用“對(duì)等分配原則”，即并聯(lián)機(jī)制(按0.5∶0.5分配)。

2.2 清單分析

數(shù)據(jù)采集自國內(nèi)某鋼鐵企業(yè)不同燒結(jié)煙氣凈化系統(tǒng)，二者具有相同的煙氣量以及煙氣特征，根據(jù)系統(tǒng)正常運(yùn)行1年匯總得到相應(yīng)的原料、電量等消耗量，從而得到能耗、資源消耗和污染物排放清單。表2為2種技術(shù)相應(yīng)的年物資消耗量清單。

煙氣凈化系統(tǒng)全周期工藝過程可分為生產(chǎn)過程、運(yùn)輸過程和運(yùn)行過程，包括活性炭、生石灰、液氨和催化劑等的生產(chǎn)、運(yùn)輸過程，系統(tǒng)運(yùn)行過程包括原材料的輸入、焦?fàn)t煤氣和高爐煤氣燃燒提供的熱以及系統(tǒng)運(yùn)行電耗等。

產(chǎn)品生產(chǎn)能耗的計(jì)算方法為產(chǎn)品總量乘以相應(yīng)的單位生產(chǎn)能耗，活性炭、液氨、生石灰和金屬催化劑的單位生產(chǎn)能耗分別為45.237、36.86、0.019 215和3 516 MJ/m3；

產(chǎn)品長距離運(yùn)輸采用鐵路運(yùn)輸方式，短距離運(yùn)輸采用公路運(yùn)輸計(jì)算，2種運(yùn)輸方式的單位綜合能耗分別為242.41和319.42 kJ/(t·km)，結(jié)合相應(yīng)的運(yùn)輸距離計(jì)算得到運(yùn)輸能耗；設(shè)備運(yùn)行耗電以火力發(fā)電方式作為能源消耗計(jì)算的基礎(chǔ)，1 kW·h相當(dāng)于9.319 626 MJ；高爐煤氣和焦?fàn)t煤氣的熱值分別為3.23和17.355 MJ/m3[15-17]。2種煙氣凈化系統(tǒng)生命周期年能耗清單如表3所示。

表2 活性炭法和半干法+SCR的能源介質(zhì)消耗量

表3 活性炭法和半干法+SCR的年能耗清單

Table 3 Annual energy consumption inventory of AC method and semi-dry+SCR technology 103 MJa

表3 活性炭法和半干法+SCR的年能耗清單

凈化技術(shù)活性炭生產(chǎn)催化劑生產(chǎn)氧化鈣生產(chǎn)液氨生產(chǎn)煤氣燃燒設(shè)備運(yùn)行運(yùn)輸總計(jì)活性炭法189995——15112620661479310011491341984半干法+SCR—299317048182910354358441164721993855

在整個(gè)煙氣凈化過程中，活性炭法消耗12種原材料，半干法+SCR消耗16種原材料。2種煙氣凈化系統(tǒng)資源消耗清單如表4所示。

表4 活性炭法和半干法+SCR的年資源消耗清單

Table 4 Annual resource consumption inventory of AC method and semi-dry+SCR technology kga

表4 活性炭法和半干法+SCR的年資源消耗清單

資源活性炭法半干法+SCR資源活性炭法半干法+SCR油19161282761291水資源38149501975399243326煤137552327189505288空氣16742836132402561474褐煤17875052488364煤焦油840000天然氣554370712788995玄武巖21重金石124786757鋁土礦270惰性巖石492229816716473972銅金銀礦79鐵礦石46074247錳礦石233石灰石437219435734202石英砂1000氯化鈉152568260

運(yùn)行階段排放的污染物包括液氨、活性炭、催化劑等生產(chǎn)過程和運(yùn)輸過程產(chǎn)生的污染物，經(jīng)脫硫脫硝后排向大氣的少量SO2和NOx等污染物及煤氣燃燒產(chǎn)生的CO2等。污染物排放數(shù)據(jù)參考實(shí)際調(diào)研的數(shù)據(jù)以及文獻(xiàn)報(bào)道的Gabi軟件數(shù)據(jù)[16]，2種凈化工藝污染物排放清單如表5所示。

2.3 影響評(píng)價(jià)

燒結(jié)煙氣凈化系統(tǒng)的資源耗竭通過一次性能源消耗及主要資源消耗來表征，油、煤、天然氣、鐵礦石、錳礦石、鋁土礦、水資源等認(rèn)為存在資源耗竭問題，而空氣、石灰石等不存在資源耗竭問題，資源耗竭系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表6所示。

表5 活性炭法和半干法+SCR年污染物排放清單

Table 5 Annual pollution emission inventory of AC method and semi-dry+SCR technology kga

表5 活性炭法和半干法+SCR年污染物排放清單

污染物活性炭法半干法+SCR污染物活性炭法半干法+SCRNH34302244091亞硫酸鹽215313HCl29564305氨鹽74724610HF631919硝酸鹽1081215778H2S7461磷酸鹽1716NOx18420522006144甲醇77514536SO2632487770952苯酚811CO223189504942781484536二甲苯45NMVOC2327232151BOD6948CH413940062018214AOX1326CO122105719122133786COD138675201826粉塵367197389923廢料61645779硫酸鹽283125412351

表6 資源耗竭系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化及加權(quán)后結(jié)果

注：PEW15為2015年人均當(dāng)量；PR2015為2015年生態(tài)人均當(dāng)量。

在LCA中，影響評(píng)價(jià)(LCIA)是將清單分析所得的結(jié)果以技術(shù)定量或定性的方式評(píng)估重要且具有潛在性的環(huán)境影響，一般包括分類、特征化和比較評(píng)估3個(gè)步驟[11]：分類是將清單分析的結(jié)果劃分到影響類型的過程，關(guān)于環(huán)境影響類型的選擇，國際上有很多不同的標(biāo)準(zhǔn)，本文采用中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心對(duì)生命周期評(píng)價(jià)中的影響類型所做的劃分[14]，考慮鋼鐵企業(yè)燒結(jié)煙氣污染物排放的特點(diǎn)，選擇溫室效應(yīng)、酸化、富營養(yǎng)化、光化學(xué)臭氧合成、煙塵和粉塵、固體廢物6種環(huán)境影響類型；特征化即針對(duì)所確定的環(huán)境影響類型，以某種物質(zhì)作為基準(zhǔn)，根據(jù)各環(huán)境影響因子與參照物間的當(dāng)量關(guān)系[16]，計(jì)算出每種影響類型的環(huán)境影響潛力；比較評(píng)估即對(duì)不同環(huán)境影響類型的貢獻(xiàn)進(jìn)行比較，目的是進(jìn)一步對(duì)環(huán)境影響評(píng)價(jià)的數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋和分析[18]。

潛在環(huán)境影響的計(jì)算過程中需要結(jié)合影響類型分類結(jié)果考慮數(shù)據(jù)分配的問題，分析可知：CH4、二英、CO可以分別同時(shí)對(duì)溫室效應(yīng)和光化學(xué)臭氧合成2種類型產(chǎn)生影響，屬于環(huán)境影響的串聯(lián)機(jī)制；NOx可能造成溫室效應(yīng)、酸化和富營養(yǎng)化；氨可以同時(shí)導(dǎo)致酸化和富營養(yǎng)化。而溫室效應(yīng)與酸化和富營養(yǎng)化屬于環(huán)境影響的并聯(lián)機(jī)制，酸化和富營養(yǎng)化屬于環(huán)境影響的串聯(lián)機(jī)制。本文中并聯(lián)機(jī)制按0.5∶0.5進(jìn)行分配，串聯(lián)機(jī)制按1∶1進(jìn)行分配[19]。環(huán)境影響參數(shù)與參照物間的當(dāng)量關(guān)系[16]見表7，環(huán)境影響潛值計(jì)算結(jié)果見表8。

表7 環(huán)境影響參數(shù)與效應(yīng)當(dāng)量因子

表8 活性炭法和半干法+SCR工藝系統(tǒng)環(huán)境影響潛值

Table 8 Environmental impact potential results of AC method and semi-dry+SCR technology t(人·a)

表8 活性炭法和半干法+SCR工藝系統(tǒng)環(huán)境影響潛值

凈化技術(shù)溫室效應(yīng)(CO2-eq.)酸化(SO2-eq.)富營養(yǎng)化(NO3-eq.)光化學(xué)臭氧合成(C2H4-eq.)煙塵和灰塵固體廢物活性炭法31875481546147036833670.62半干法+SCR371828318301594369139045.78

特征描述需要進(jìn)一步對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，得到潛在影響的相對(duì)大小。對(duì)活性炭法和半干法+SCR工藝的各種環(huán)境影響潛值采用其相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化基準(zhǔn)得到標(biāo)準(zhǔn)化后的影響潛值，對(duì)得到的環(huán)境影響類型的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)需要進(jìn)行進(jìn)一步排序，即賦予不同影響類型不同的權(quán)重，然后才能進(jìn)行比較。本文權(quán)重的確定采用目標(biāo)距離法的思想，即某種環(huán)境效應(yīng)的嚴(yán)重性用該效應(yīng)當(dāng)前水平和目標(biāo)水平(標(biāo)準(zhǔn)或容量)之間的距離來表征[18]。2種煙氣凈化技術(shù)量化結(jié)果見表9。

表9 環(huán)境影響量化結(jié)果

2.4 生命周期解釋

2.4.1 能耗

由表3可知，處理相同煙氣量且脫硫脫硝能力相當(dāng)，活性炭法總能耗較低，為半干法+SCR總能耗的68.38%。圖4為活性炭法和半干法+SCR能耗組成。由圖4可見，2種燒結(jié)煙氣凈化技術(shù)運(yùn)行階段能耗占比較大的環(huán)節(jié)均為設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的能耗，分別為59.10%和43.01%，值得注意的是，半干法+SCR需要大量的煤氣燃燒提供熱值，占比達(dá)52.76%，結(jié)合其煙氣凈化的特點(diǎn)可知，煤氣燃燒提供的熱值是用來加熱煙氣以提高到催化劑脫硝的活性溫度。

圖4 活性炭法和半干法+SCR能耗分布Fig.4 Proportion of energy consumption of AC method and semi-dry+SCR technology

依據(jù)活性炭法和半干法+SCR實(shí)際運(yùn)行情況提出降低能耗的改進(jìn)建議：

(1)對(duì)于活性炭法，由表3可知，設(shè)備運(yùn)行能耗和原材料生產(chǎn)能耗分別占總能耗的59.10%和25.42%，因此，應(yīng)該從降低設(shè)備能耗和減少原材料使用量并合理提高利用率兩方面著手。結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)可知，煙氣由增壓風(fēng)機(jī)引入吸附塔是高耗能過程，主要是由煙氣通過活性炭吸附床層時(shí)阻力較大導(dǎo)致的，故降低煙氣通過阻力意義重大，具體可以通過合理設(shè)計(jì)活性炭煤層厚度和活性炭下料速度，優(yōu)化吸附塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增大吸附塔床層多孔板流通面積等措施來實(shí)現(xiàn)；活性炭易損耗、液氨易逃逸是造成原材料利用率較低的主要原因，因此，開發(fā)強(qiáng)度高、催化活性好、吸附能力強(qiáng)的活性炭意義重大，而針對(duì)氨逃逸現(xiàn)象，合理控制噴氨率，及時(shí)檢測(cè)氨濃度可以有效減少氨逃逸問題。

(2)對(duì)于半干法+SCR，由表3可知，煤氣燃燒產(chǎn)生的熱和設(shè)備運(yùn)行能耗分別占總能耗的52.76%和43.01%，煙氣加熱耗能較高的主要原因在于為保證脫硝催化劑不受飛灰的影響，SCR反應(yīng)器前需要布置電除塵器，而電除塵器在300～400 ℃高溫下無法正常工作，需將高溫?zé)煔?300～400 ℃)降至低溫(50～60 ℃)后除塵，再升至高溫(300～400 ℃)脫硝，增加了能源消耗和運(yùn)行費(fèi)用，所以預(yù)除塵階段可以考慮采用能夠?qū)崿F(xiàn)高溫?zé)煔膺^濾的金屬間化合物多孔膜分離技術(shù)[20]，采用該方法可以實(shí)現(xiàn)高溫?zé)煔庵苯舆^濾除塵，避免了降溫再升溫帶來的不必要的能耗；設(shè)備運(yùn)行能耗較高，是因?yàn)樵摲椒ú捎妹摿蚝兔撓踅M合凈化技術(shù)，凈化工序長、設(shè)備龐大，因此較好的解決方法是開發(fā)設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)脫硫脫硝的單套裝置。

2.4.2 資源消耗

2種燒結(jié)煙氣凈化技術(shù)資源消耗量經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化得到標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)，考慮資源稀缺性得到資源耗竭系數(shù)，如圖5所示。由圖5可見，2種煙氣治理技術(shù)資源耗竭系數(shù)最大的為天然氣和水資源，分別占2種煙氣凈化技術(shù)總資源耗竭系數(shù)的87.68%和89.61%，而礦石資源的消耗占比很小。追溯天然氣消耗來源，可以發(fā)現(xiàn)除活性炭法主要消耗介質(zhì)活性炭和液氨的生產(chǎn)帶來的天然氣消耗占總消耗的35.27%外，占比最大的項(xiàng)目為能源生產(chǎn)帶來的天然氣消耗，占比為30.91%；半干法+SCR主要消耗介質(zhì)消石灰和液氨生產(chǎn)帶來的天然氣消耗占總消耗量的74.75%，能源生產(chǎn)帶來的天然氣消耗占比為24.96%。而追溯水資源消耗來源可以發(fā)現(xiàn)，2種煙氣凈化技術(shù)水資源消耗大戶均為能源生產(chǎn)帶來的水消耗，分別占各自資源耗竭系數(shù)總值的93.90%和96.57%。對(duì)比2種方法，活性炭法具有較低的資源耗竭系數(shù)，為半干法+SCR的59.33%。

圖5 活性炭法和半干法+SCR資源消耗分布Fig.5 Proportion of resource depletion of AC method and semi-dry+SCR technology

通過以上分析可知，除系統(tǒng)本身必要介質(zhì)(如活性炭、液氨和消石灰)生產(chǎn)所需的資源消耗，2種煙氣凈化技術(shù)資源消耗大戶均為維持整個(gè)凈化系統(tǒng)運(yùn)行的能源生產(chǎn)環(huán)節(jié)?；钚蕴糠ㄙY源消耗較半干法+SCR優(yōu)勢(shì)明顯，原因是半干法+SCR工序較復(fù)雜，能耗較高，另外，脫硫過程需要大量的消石灰，而消石灰制備過程需要消耗大量的水。我國水資源的供給能力與需求之間存在缺口，水資源理論計(jì)算可供應(yīng)期為1年[17]，所以水資源在資源耗竭評(píng)價(jià)方面占比較大，這也是導(dǎo)致半干法+SCR資源耗竭系數(shù)計(jì)算結(jié)果較大的一方面原因。因此，僅就降低資源消耗來說，結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)凈化系統(tǒng)運(yùn)行情況提出如下改進(jìn)建議：

(1)活性炭脫硫脫硝系統(tǒng)中活性炭和液氨是脫硫脫硝主要載體，因此制備高強(qiáng)度、耐磨損、高催化活性的活性炭，以及合理布局噴氨位置、優(yōu)化噴氨量、防止氨逃逸等措施可以減少二者的消耗量，從而減少資源消耗。

(2)對(duì)于半干法+SCR，開發(fā)新型催化劑，提高NOx轉(zhuǎn)化率，以及合理控制煙氣溫度、優(yōu)化氣固兩相流體反應(yīng)過程，提高消石灰利用率，從而減少資源消耗。

(3)對(duì)于2種煙氣凈化技術(shù)資源消耗較高的核心問題是高能耗的問題，應(yīng)盡可能降低能耗。

2.4.3 環(huán)境影響

量化后的各類環(huán)境影響類型具有了可比性，而且也反映了其相對(duì)重要性?；钚蕴糠偔h(huán)境影響負(fù)荷為1 045 171.30，半干法+SCR總環(huán)境影響負(fù)荷為1 071 239.62，后者環(huán)境影響略大。2種煙氣凈化技術(shù)環(huán)境影響類型的相對(duì)貢獻(xiàn)見圖6。由圖6可見，二者環(huán)境影響的主要類型相同，其中，光化學(xué)臭氧合成影響最大(活性炭法和半干法+SCR占比分別為85.82%和83.92%)，其次是溫室效應(yīng)(占比分別為13.14%和14.95%)，固體廢物的環(huán)境影響最小。

圖6 活性炭法和半干法+SCR環(huán)境影響的加權(quán)分析Fig.6 Weighed analysis results of AC method and semi-dry+SCR technology

分析發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致光化學(xué)臭氧合成影響潛值大的原因主要來自于CO排放的貢獻(xiàn)，CO對(duì)2種煙氣凈化技術(shù)光化學(xué)臭氧合成的貢獻(xiàn)率分別為99.47%和99.27%，追溯其來源可知CO主要來自于煙氣經(jīng)凈化后的排放，而溫室效應(yīng)潛值較大的原因來自于CO2排放的貢獻(xiàn)，2種煙氣凈化技術(shù)中CO2對(duì)溫室效應(yīng)潛值的貢獻(xiàn)率分別為72.75%和74.81%，CO2的來源主要是煙氣經(jīng)凈化后排放和能源生產(chǎn)過程中的CO2排放。

鋼鐵企業(yè)燒結(jié)煙氣排放前雖然經(jīng)過嚴(yán)格的凈化，完全能滿足相關(guān)排放指標(biāo)，但政府并未對(duì)CO2和CO的排放指標(biāo)作出具體規(guī)定，因此，采取如下減排措施是解決此類問題的關(guān)鍵：1)制定相應(yīng)的CO2和CO排放指標(biāo)，加大政策宣傳，鼓勵(lì)支持企業(yè)在CO2和CO減排方面的探索；加大科研投入，使CO2和CO收集、轉(zhuǎn)化新技術(shù)盡快成熟商用；2)企業(yè)積極響應(yīng)國家號(hào)召，勇于創(chuàng)新，并研發(fā)新技術(shù)、新設(shè)備，加大余熱余能的再利用，做綠色環(huán)保的科技型企業(yè)。

3 結(jié)論

(1)能耗方面，處理相同煙氣量且脫硫脫硝能力相當(dāng)時(shí)，活性炭法總能耗較低，為半干法+SCR總能耗的68.38%，其中，活性炭法能耗占比較大的環(huán)節(jié)為設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的能耗，半干法+SCR能耗占比最大的環(huán)節(jié)為煙氣加熱消耗的熱值。

(2)資源消耗方面，活性炭法具有較低的資源耗竭系數(shù)，為半干法+SCR的59.33%。

(3)環(huán)境影響方面，半干法+SCR環(huán)境影響較活性炭法影響略大，二者環(huán)境影響類型中光化學(xué)臭氧合成占比最大，其次是溫室效應(yīng)。

(4)綜合2種煙氣凈化技術(shù)生命周期評(píng)價(jià)結(jié)果，從能耗、資源消耗和環(huán)境影響的角度來看，活性炭法在燒結(jié)煙氣凈化領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

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Comparison on different sintering flue gas purification technologies based on life cycle assessment

WEI Jinchao, LI Junjie, KANG Jiangang

Zhongye Changtian International Engineering Co., Ltd, Changsha 410007, China

Emission of sintering process is one of the main sources in iron and steel enterprises. Simultaneous desulfurization and denitrification technologies of activated carbon and combination of purification technologies of semi-dry desulfurization and SCR denitrification are two mature solutions to the comprehensive purification of sintering flue gas. The method of life cycle assessment (LCA) was used to synthetically evaluate the two kinds of flue gas purification technologies employed by one steel enterprise. The distribution of energy consumption, resource depletion index and environmental impact load were obtained by collecting energy consumption, resource consumption and pollution emission inventory of the both methods. The results showed that the activated carbon method has more obvious advantages than semi-dry + SCR method, with its energy consumption and resource consuming indicators accounting for 68.38% and 59.33% of the latter. The two methods had little gap in the aspect of environmental impact, and the environmental impact load of the activated carbon method is slightly less than semi-dry + SCR method. Finally, based on the results of LCA, some suggestions were put forward to provide a reference for the flue gas purification engineering of iron and steel enterprises. Comprehensively considering the LCA results of two kinds of technologies, activated carbon method had greater advantages than semi-dry + SCR method in term of energy consumption, material consumption and environmental impact.

activated carbon; semi-dry; SCR; desulfuration; denitration; life cycle assessment; energy consumption; resource consuming indicators; environmental impact load

2016-11-26

湖南省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2016RS3012)；湖南省重大科技成果轉(zhuǎn)化類項(xiàng)目(2016GL4002)

魏進(jìn)超(1981—)，男，高級(jí)工程師，博士，長期從事燒結(jié)煙氣凈化技術(shù)研究，csukjg@126.com

X820.3

1674-991X(2017)04-0424-09

10.3969/j.issn.1674-991X.2017.04.058

魏進(jìn)超，李俊杰，康建剛.基于生命周期評(píng)價(jià)的燒結(jié)煙氣凈化技術(shù)比較[J].環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào),2017,7(4):424-432.

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