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废聚苯乙烯塑料共焦化过程的生命周期评价 * 王震孙德智高明 北京林业大学环境科学与工程学院，北京 100083 摘要 随着我国废塑料资源化利用技术的不断发展， 其资源化过程中的环境问题也日益显现。以生命周期评价为研究 方法， 对废聚苯乙烯共焦化过程的环境影响进行评价。研究结果表明 废聚苯乙烯共焦化过程对酸化、 烟尘和粉尘、 全 球变暖 3 类环境问题的影响较大， 分别占了总影响的 34. 0 、 27. 5 和 23. 3 。从共焦化过程的 3 个阶段来看， 入炉 炼焦阶段的环境影响最大， 其次是混合颗粒制备阶段和 PS 颗粒制备阶段， 对炼焦阶段环境污染的控制是废塑料共焦 化技术发展的关键。 关键词 循环经济; 废塑料; 共焦化; 生命周期分析; 环境负荷 LIFE CYCLE ASSESSMENT ON CO- COKING WITH WASTE POLYSTYRENE PLASTIC Wang ZhenSun DezhiGao Ming School of Environmental Sciences and Engineering，Beijing Forestry University，Beijing 100083，China AbstractWith the development of technologies for utilizing waste plastic，its environmental problems become more serious than ever. With the of life cycle assessment，this article is aimed to uate the environmental loads generated from the co-coking process with waste polystyrene. Results show that the most severe environmental loads are acidification，global warming and dust，which account respectively for 34. 0 ，27. 5 and 23. 3 of the total environmental load. In the three stages of co-coking process，the coking stage has the largest percent of environmental load，then the mix stage and the fragmentation stage. For a better environmental perance of this process，it is crucial to reduce the environmental load of the coking stage. Keywordscircular economy;waste plastic;co-coking;life cycle assessment;environment load “ 十一五” 国家科技支撑计划课题 2007BAC16B03 ;高等学校博士 学科点专项科研基金资助课题 20090014120011 ; 北京林业大学新 教师科研启动基金项目。 0引言 生命周期评价 life cycle assessment，LCA 是国 内外普遍关注的一个环境管理工具， 可用于评价产 品、 工艺过程或活动整个生命周期内的环境影响。近 年来， 我国对生命周期评价的研究也已从探索阶段进 入了发展阶段， 不仅广泛应用于各行业产品和工艺的 开发过程 ［ 1- 2］， 还逐渐拓展到对许多再生工艺环节的 环境友好性评价的应用领域 ［ 3- 4］。废旧塑料是城市固 体废物中含有能量最高的一种， 抛弃废旧塑料就等于 抛弃了有价值的能源。但是， 目前我国塑料再生利用 企业普遍存在技术水平低、 产品附加值较低、 环保措 施不到位的情况， 存在较大的污染隐患。所以， 对废 塑料资源化技术环节进行环境影响评价具有重要的 现实意义。 在各类塑料中， 聚苯乙烯塑料 polystyene，PS 用途很广， 不仅可以制造成许多家用电器、 自动化办 公设备的部件及外壳， 而且其中的聚苯乙烯泡沫塑料 由于使用寿命长、 化学性能稳定、 经济效益显著、 施工 简便等优点， 已广泛应用于道路、 桥梁、 建筑、 水利等 一系列土木工程。废聚苯乙烯塑料的资源化途径有 很多， 其中， 利用焦化工艺处理废塑料技术是一种可 以大规模处理混合废塑料的工业实用型技术 ［ 5- 6］。该 技术基于现有炼焦炉的高温干馏技术， 将废塑料转化 为焦炭、 焦油和煤气， 实现废塑料的资源化利用和无 害化处理， 是为我国治理白色污染的首选技术 ［ 7- 8］。 但是， 到目前为止， 该技术在使用过程中的环境排放 及其重点控制环节目前还不十分清楚， 这种情况不利 于能源回收技术的进一步开发和推广应用。 201 环境工程 2010 年 10 月第 28 卷第 5 期 本论文以 ISO14040 提供的生命周期分析技术框 架为依据 ［ 9］， 包括 “目的与范围的确定、 清单分析、 影响 评价和结果解释 结果与讨论 ” 4 大部分， 探讨该能源 回收过程中的环境影响负荷， 辨识其主要的环境影响 因子， 并分析其中的重点污染排放环节， 为废塑料资源 化技术的改进以及相关政策的制定提供科学依据。 1研究目标与范围 本研究旨在考察废塑料共焦化工艺过程的环境 负荷， 将每处理 1t 废聚苯乙烯定义为一个功能单位， 所有数据以该功能单位为准进行换算。研究范围包 括废塑料原料进厂后的预处理、 混合颗粒制备与炼焦 阶段在内的 3 个环节， 如图 1 所示。 图 1共焦化工艺系统边界 2清单分析 数据来源于某工厂数据、 工业污染物产生和排放 系数手册、 中国能源统计年鉴， 同时参考了相关文献 资料 ［ 7- 8， 10- 11］， 确定了 3 个生产阶段的资源消耗与环 境排放数据见表 1 所示。 表 1处理 1t 废 PS 的共焦化工艺物质清单 物质输入 /输出 项目名称 工艺阶段 PS 颗粒制备阶段混合颗粒制备阶段入炉炼焦阶段 总计 资源与能源输入 原煤 /kg 49 00049 000 废 PS/kg1 000 1 000 水 /kg 1. 7361 1061. 7361 106 电能 / kWh75 902104. 22 269. 2 污染物排放 /kg CO293. 375112. 053 301. 783 507. 205 CO0. 009750. 01170. 680. 70145 N2O0. 00750. 0090. 210. 2265 SO20. 871. 00426. 3128. 184 NOX0. 38550. 462611. 2912. 1381 H2S0. 270. 27 CH40. 317250. 38078. 99. 59795 HC0. 008250. 00990. 230. 24815 烟尘0. 46050. 552615. 7516. 7631 COD0. 023250. 02790. 650. 70115 SS0. 0240. 02880. 670. 7228 酚1. 000360. 00136 氰化物0. 000680. 00068 氨0. 1360. 136 氨氮238. 73 10 － 6 238. 73 10 － 6 废渣13. 687516. 425393. 07423. 1825 废水4. 554. 55 301 环境工程 2010 年 10 月第 28 卷第 5 期 其中， 在 PS 颗粒制备阶段， 每小时可以破碎 400 kg PS， 按破碎机比能耗为 0. 03 kWh /kg 计算， 1t PS 破碎需要的总能耗为 75 kWh ， 进而按照能源统 计年鉴相关数据， 得到此阶段的环境排放清单。在混 合颗粒制备阶段， PS 颗粒与原煤的比例为 1∶ 49， 也就 是 1 t PS 颗粒可以制成 50 t 的混合颗粒， 此阶段工艺 按每小时压缩 10 t 型煤计算， 50 t 混合颗粒需要 5 h， 如果机器功率为 18 kW， 则此阶段的耗能为 90 kW h ， 再按照能源统计年鉴相关数据， 得到此阶段的环境 排放清单。在入炉炼焦阶段， 炼焦过程的本身的环境 排放数据由相关文献资料获得， 炼焦过程所需的电力 按输入 50 t 混合物消耗 2 104. 2 kWh 计算。 需要说明的是， 在入炉炼焦阶段， 每输入 1 t 原材 料， 炼焦过程会消耗水 34. 7 m3， 故输入 50 t 混合物 时消耗 1 736. 1 m3水， 以此比例输入原料时， 产生焦 炭占 69. 6 、 焦油占 10. 15 、 水 占 9. 1 、 气 体占 11. 13 。由于本研究以处理 1 t PS 为研究单元， 所 以不涉及产品对污染排放贡献分配的问题。 3影响评价 本研究将废塑料资源化技术过程中的环境影响 划分为 6 大类， 相关污染物质见表 2 所示。影响评价 部分由 3 个环节组成， 分别是特征化、 标准化、 加权。 表 2环境影响分类及其污染物质 环境影响类型环境影响物质 全球变暖 CO2、 CH4、 N2O、 HC 臭氧耗竭HC 酸化 SO2、 NOX 、 氨 富营养化 NOX、 COD、 氨、 氨氮 光化学氧化 CO、 CH4 烟尘和粉尘烟尘 3. 1特征化 特征化的目的是对清单分析结果进行统一单位 换算， 并在一种影响类型内对换算结果进行合并， 目 前最常见的方法是当量系数法 ［ 12］。在本论文中， 全 球变暖影响类型当量系数最新数据来源于世界气象 组织 WMO 和 IPCC 第三次评估报告 ［ 13］; 臭氧耗竭 影响类型当量系数来源于 WMO; 酸化影响类型当量 系数选用欧洲平均值 ［ 14］; 富营养化影响类型当量系 数来源于 Heijungs 的研究成果 ［ 15］; 光化学氧化影响 类型当量系数来源于 Derwent 的研究成果 ［ 16］， 相关数 据见表 3 所示。聚苯乙烯共焦化过程 3 个生产阶段 的环境排放特征化后的结果见表 4 所示。 表 3各种物质环境负荷当量系数 环境影响类型环境负荷项目单位当量系数 全球变暖CO2 CH4 HC N2O kgCO2eq/kg 1 23 1 700 296 臭氧耗竭HC kgCFC － 11 eq/kg 0. 034 酸化SO2 N0 x kgSO2eq/kg 1. 2 1. 5 富营养化 COD N0 x kgPO3 － 4 eq/kg0. 022 0. 13 光化学氧化 CO CH4 kgC2H4eq/kg 0. 027 0. 006 烟尘和粉尘烟尘kg以排放量计 表 4共焦化技术 3 阶段特征化结果 环境影响类型 PS 颗粒制备阶段混合颗粒制备阶段 入炉炼焦阶段 全球变暖116. 92140. 33 959. 64 臭氧耗竭0. 00028050. 00033660. 0078 酸化1. 241. 4437. 44 富营养化0. 050. 061. 48 光化学氧化0. 00220. 0030. 072 烟尘和粉尘0. 460. 5515. 75 3. 2标准化 标准化的目的是更好的认识研究对象系统中各 种环境影响类型参数之间的相对大小 无量纲 ， 这 需要通过一个选定的基准值 即“标准人当量基准 值” 做除数对影响类型参数结果进行转化 ［ 17］。本研 究以 1995 年中国的环境排放为时空范围， 计算影响 类型标准化基准体系 如表 5 所示 。数据来源于官 方文件或权威机构提供的数据， 包括中国统计年鉴、 国家环保局工业污染物排放因子手册 ， IPCC 国 家温室气体清单编制指南 1996 及其排放因子数据 库 emission factor database，EFDB ［ 18］， 欧盟环境署 CORNAIR 大气排放编制指南 ［ 19］。聚苯乙烯共焦 化过程 3 个生产阶段的环境排放标准化后的结果见 表 6 所示。 3. 3加权 经过标准化的处理， 各类环境影响潜值还需要合 并成一个环境负荷值， 以方便不同产品或工艺之间的 401 环境工程 2010 年 10 月第 28 卷第 5 期 表 51995 年中国标准人当量基准值 影响类型基准单位标准化基准值 全球变暖 kg CO2eq 3. 59 103 臭氧耗竭kg CFC － 11eq1. 03 10 － 1 酸化 kg SO2eq 4. 19 10 富营养化kg PO3 － 4 eq8. 35 光化学氧化 kg C2H4eq 6. 05 烟尘和粉尘kg Dust2. 90 10 表 6共焦化 3 阶段标准化结果 环境影响类型 PS 颗粒制 备阶段 混合颗粒制 备阶段 入炉炼焦 阶段 共计 全球变暖3. 26 10 － 2 3. 91 10 － 2 1. 101. 1717 臭氧耗竭2. 72 10 － 3 3. 27 10 － 3 7. 57 10 －2 0. 08169 酸化2. 96 10 － 2 3. 44 10 － 2 8. 94 10 － 1 0. 958 富营养化5. 99 10 － 3 7. 19 10 － 3 1. 77 10 － 1 0. 19018 光化学氧化3. 64 10 － 4 4. 96 10 － 4 1. 19 10 － 2 0. 01276 烟尘和粉尘1. 59 10 － 2 1. 90 10 － 2 5. 43 10 －1 0. 5779 总体比较。本文采用 “政策目标距离” 法计算各类环 境问题的权重 ［ 17］， 根据 2005 年相对于 1995 年的总 量控制目标确定的权重因子， 权重因子及各类环境影 响加权后的计算结果见表 7 所示。 表 7环境影响权重因子及加权结果 环境影响类型权重因子加权结果 全球变暖0. 740. 8671 臭氧耗竭3. 740. 3055 酸化1. 321. 2645 富营养化1. 280. 2434 光化学氧化1. 180. 01505 烟尘和粉尘1. 771. 0228 4结果与讨论 由以上计算可以得出， 在经过权重处理之后， 聚 苯乙烯共焦化过程总的环境影响负荷为 3. 72。其 6 个环境影响类型中， 酸化、 烟尘和粉尘、 全球变暖所占 比例较大， 分别为 34. 0 、 27. 5 、 23. 3 ， 主要原因 是煤参与反应产生大量 CO2、 SO2以及氮氧化物所 致。其他 3 种环境影响所占比例较小， 臭氧损耗、 富 营养化和光化学氧化总共只占 15. 1 ， 如图 2 a 所 示。未考虑权重计算结果见图 2 b 。 由于学术界对权重的计算方法争议比较大， 主观 性较强， 所以为了表现这种差异， 对比了不考虑权重 处理时的数据 或视为等权重处理， 即 6 种环境影响 图 2共焦化整个过程的各种环境影响负荷所占比例 类型的权重皆为 1 ， 得出图 2 b 的结果。由图 2 b 可见， 排在前 3 位的环境影响类型分别变成了全 球 变 暖 39. 2 、酸 化 32 、烟 尘 和 粉 尘 19. 3 ， 有别于加权之后的情况; 同时， 其他的 3 项类型总环境影响缩小到了 9. 5 。可见， 不同的加 权方式对最后的评价结果有一定的影响。 从共焦化过程的 3 个阶段来看， 入炉炼焦阶段对 6 大环境影响类型的贡献最大 如图 3 所示 ， 其次是 混合颗粒制备阶段、 PS 颗粒制备阶段。其中， 入炉炼 焦阶段对环境影响的贡献分别占到了全球变暖影响 的 93. 9 、 臭 氧 耗 竭 影 响 的 92. 7 、 酸 化 影 响 的 93. 3 、 富营养化影响的 93. 1 、 光化学氧化影响的 93. 3 、 烟尘粉尘影响的 94. 0 。所以， 对此阶段环 境污染的控制将成为废塑料共焦化技术环境管理的 重点和关键。今后， 可以考虑采用含硫量较低的煤或 在预处理阶段对煤进行脱硫处理， 以降低 SO2的排 放， 此外还要在尾气处理阶段实施严格的控制措施， 将碳氢化合物、 CO 和粉尘等的含量减到最小。 图 3共焦化 3 个阶段的标准化后的环境影响潜值 未加权 此外， 还需要说明的是， 由于我国废塑料大规模 再利用技术发展刚刚起步， 正规厂家较少， 工厂操作 与数据记录没有规范化， 所以第一手数据获得十分困 501 环境工程 2010 年 10 月第 28 卷第 5 期 难， 本课题的研究建立在利用多种间接性数据， 并给 予了一定假设的基础上 例如， 不考虑现实中工厂原 料多为混合塑料并且其成分随时变化的情况 ， 以上 问题给研究结果造成了一定的不确定性， 希望随着将 来我国塑料分类化工作的逐步完善和对再利用工厂 管理的不断加强， 这些不足能够在将来的研究中得到 完善。 参考文献 ［1 ］ 刘颖昊，沙高原，黄志甲， 等. 产品生命周期评价在钢铁行业 中的应用和前景［J］ . 环境工程，2008，26 1 81- 84. ［2 ］ 王京芳，王露. 材料和能源流导向的环境影响评价模型探讨 ［J］ . 环境工程， 2008，26 1 75- 77. ［3 ］ 张承龙， 郭翠香， 赵由才， 等. 含锌危险废物碱法再生锌的生命 周期评价［J］ . 环境工程，2008， 26 2 97- 98， 57. ［4 ］ 李英顺， 路迈西， 胡华龙， 等. 温雪峰. 生命周期评价在铜渣回 收工艺中的应用前景［J］ . 环境工程，2009， 27 1 81- 84. ［5 ］ 刘均科. 塑料废弃物的回收与利用技术［M］ . 北京 中国石化 出版社， 2000. ［6 ］ 江镇海. 废塑料综合利用简述［J ］ . 中国资源综合利用， 2003 10 37- 39. ［7 ］ 李东涛，李文，李保庆. 焦煤与不同种类废塑料共焦化的研究 ［J］ ，燃料化学学报， 2001，29 1 19- 23. ［8 ］ 张振国， 廖洪强， 刘泽常， 等. 废塑料配煤炼焦实验研究［J］ . 煤 炭转化， 2006， 29 1 45- 48. ［9 ］ International Organization for Standardization ISO . 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