江靖宇,劉予涵,龐雨桐,陳禹昕,郭飛宏,姜小祥
(南京師范大學(xué)能源與機械工程學(xué)院,江蘇省物質(zhì)循環(huán)與污染控制重點實驗室,南京210023)
摘要:以秸稈和煤為原料制備復(fù)合顆粒燃料,利用全生命周期評價方法,研究顆粒燃燒取暖全生命周期過程中的能源消耗和環(huán)境影響。結(jié)果表明:顆粒燃料取暖全生命周期過程中能量投入為908MJ/t,燃燒釋放熱量15490MJ/t,能量產(chǎn)出投入比為17.1,能源轉(zhuǎn)化效率較高。顆粒燃料的能量投入主要來自玉米種植,種植過程中的氮肥使用消耗較多能量。對氣候變化(GWP)和酸化(AP)貢獻(xiàn)較大的清單數(shù)據(jù)為顆粒燃料的燃燒,其中燃燒污染物排放的直接貢獻(xiàn)最大,貢獻(xiàn)率分別為53.22%和46.08%;對水資源消耗(WU)貢獻(xiàn)較大的清單數(shù)據(jù)為顆粒燃料的壓制,貢獻(xiàn)率為71.56%;對富營養(yǎng)化潛值(EP)貢獻(xiàn)較大的清單數(shù)據(jù)為顆粒燃料燃燒后的廢渣排放,貢獻(xiàn)率為43.40%。
0引言
傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,農(nóng)作物秸稈經(jīng)濟價值低、分布廣泛,導(dǎo)致秸稈利用率低、焚燒現(xiàn)象嚴(yán)重,造成了一系列環(huán)境問題[1]。除此之外,北方冬季農(nóng)村取暖往往采用散煤燃燒的形式,散煤的大量使用也加劇了各類大氣污染物的排放,造成霧霾天氣頻發(fā)[2]。2021年,國家發(fā)展改革委印發(fā)《關(guān)于“十四五”大宗固體廢棄物綜合利用的指導(dǎo)意見》,要求擴大秸稈生物質(zhì)能的利用規(guī)模,鼓勵利用秸稈生物質(zhì)能供熱供氣供暖。可見,“秸稈代煤”勢在必行,秸稈生物質(zhì)能源的利用對污染物減排和改善大氣質(zhì)量至關(guān)重要。秸稈原料因其密度低、分布廣、不便儲存和運輸?shù)奶攸c,限制了其廣泛利用。通過機械設(shè)備壓制成顆粒燃料,可提高秸稈原料熱值、增加機械強度,是一種較好的能源化利用形式[3]。但與煤等化石能源相比,秸稈顆粒燃料的熱值偏低,考慮到顆粒燃料熱值等因素,國內(nèi)外研究多集中于木質(zhì)型顆粒燃料,缺乏對秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物顆粒燃料的研究[4-5]。顆粒燃料替代農(nóng)村散煤燃燒爐的節(jié)能減排研究也較少[6]。
全生命周期評價(whole-life cycle assessment,LCA),考慮了生物質(zhì)顆粒燃料從原料生產(chǎn)到燃燒使用的整個生命周期過程,可全面分析其能源效率和環(huán)境影響[7]。霍麗麗等[8]分析了秸稈顆粒燃料全生命周期過程中的能源投入和溫室氣體排放,結(jié)果表明:與煤相比,秸稈顆粒燃料具有較高的能源轉(zhuǎn)化率、較少的溫室氣體排放量,能源環(huán)境效益巨大;林成先等[9]對比了顆粒燃料和煤的能源消耗、環(huán)境影響和經(jīng)濟性,指出秸稈顆粒燃料的能源消耗和環(huán)境影響較小,但生命周期成本較高;Morrison等[10]利用生命周期評價方法,研究煤和木屑的混燒,結(jié)果表明燃煤電廠中摻燒木屑可減少二氧化碳的排放。
以往的生命周期評價研究中,中國學(xué)者往往關(guān)注秸稈顆粒燃料相對于煤的能源消耗、環(huán)境效益和經(jīng)濟成本[11],而國外研究則多以木質(zhì)型顆粒燃料為主,指出了混煤燃燒的可行性[10,12],但缺乏對秸稈混煤等復(fù)合顆粒燃料的全生命周期評價研究。中國是農(nóng)業(yè)大國,秸稈產(chǎn)量豐富。秸稈混煤壓制成復(fù)合顆粒燃料,一方面可彌補秸稈燃燒的熱值不足,一方面可降低純煤燃燒的污染物排放。基于此,本研究選取秸稈和煤為原料制備復(fù)合顆粒燃料,利用全生命周期評價方法,對復(fù)合顆粒燃料替代農(nóng)村散煤采暖進(jìn)行全生命周期過程研究,定量分析復(fù)合顆粒燃料的能源效率和環(huán)境影響,探討復(fù)合顆粒燃料替代農(nóng)村散煤采暖的可行性。
1生命周期評價方法
1.1系統(tǒng)邊界和功能單位
本研究的功能單位是1t的秸稈與煤復(fù)合成型顆粒燃料。擬在北方農(nóng)村地區(qū)進(jìn)行“就地取材、現(xiàn)場加工、本地使用”,區(qū)域運輸帶來的能源消耗和環(huán)境影響較小。生命周期模型建立需確定系統(tǒng)邊界,主要研究范圍包含原料(玉米)種植、煤炭開采和收集、復(fù)合顆粒燃料壓制、復(fù)合顆粒燃料燃燒等。
系統(tǒng)的能量輸入、輸出和內(nèi)部流動如圖1所示,能量輸入主要來源于原料玉米種植過程中種子、電力、化肥、農(nóng)藥、水等資源的投入,復(fù)合顆粒燃料壓制和燃燒時的電力和水消耗,能量輸出主要是復(fù)合顆粒燃燒釋放出的熱量。環(huán)境評價主要來源于原料種植過程能量投入所帶來的環(huán)境影響,復(fù)合顆粒燃料燃燒產(chǎn)生的污染物排放等。本研究不考慮生產(chǎn)設(shè)備、廠房、生活設(shè)施等的能量投入。當(dāng)原料質(zhì)量小于產(chǎn)品質(zhì)量的1%時,忽略該物料的上游生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

1.2軟件與數(shù)據(jù)庫
eFootprint是一個分析生命周期評價數(shù)據(jù)的在線平臺,嵌入了中國生命周期基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(CLCD)、歐盟ELCD數(shù)據(jù)庫和瑞士Ecoinvent數(shù)據(jù)庫[13],用于開展生命周期評價研究。本文采用eFootprint軟件系統(tǒng),建立復(fù)合顆粒燃料全生命周期模型,計算得到LCA結(jié)果。
2評價指標(biāo)
2.1凈能量與能量產(chǎn)出投入比
系統(tǒng)中的能耗可用凈能量和能量產(chǎn)出投入比進(jìn)行分析。凈能量為復(fù)合顆粒燃燒釋放的熱能與復(fù)合顆粒消耗的總能量之差,能量產(chǎn)出投入比為復(fù)合顆粒燃燒釋放的熱能與復(fù)合顆粒消耗的總能量之比[8]。

2.2環(huán)境影響指標(biāo)
本研究采用CML2013(Centrumvoor Milieukunde Leiden)方法[14],把復(fù)合顆粒燃料生命周期環(huán)境影響指標(biāo)分為氣候變化(GWP)、非生物資源消耗潛值(ADP)、水資源消耗(WU)、酸化(AP)、富營養(yǎng)化潛值(EP)、可吸入無機物(RI)、臭氧層消耗(ODP)、光化學(xué)臭氧合成(POFP)等8種,環(huán)境影響指標(biāo)計算公式[14]為:

3數(shù)據(jù)來源
3.1原料種植和收集階段
原料種植主要指玉米種植,輸入能量主要有玉米種子、肥料(氮、磷、鉀)、殺蟲劑、除草劑、柴油等[8]。煤炭采取市場購買的方式,煤炭上游開采清單采用CLCD數(shù)據(jù)庫的結(jié)果。
駐馬店地區(qū)采用“冬小麥、夏玉米”的輪作方式[15],參考《2020年河南統(tǒng)計年鑒》中駐馬店農(nóng)業(yè)種植數(shù)據(jù),肥料來源于尿素,折合成氮、磷、鉀肥的使用量分別為143909、80470、61291t;農(nóng)用柴油消耗量為99452t;農(nóng)藥施用量為7613t(2019年)。單位耕地面積農(nóng)用資源消耗量分別為:氮肥15.93g/㎡、磷肥8.91g/㎡、鉀肥6.78g/㎡、農(nóng)藥0.80g/㎡。柴油消耗主要用于農(nóng)業(yè)機械,約為11.0mL/㎡。灌溉采用水泵灌溉[8],總用水量為4.7億m³,單位灌溉面積用水量為0.225m³/㎡,耗電量約為0.0367kWh/㎡。
考慮到種植產(chǎn)出包括玉米谷物和玉米秸稈,采用經(jīng)濟分配原則[16],研究生命周期過程中的能量消耗和環(huán)境影響。單位面積上玉米秸稈和谷物的產(chǎn)量比為1.2∶1,目前市場玉米秸稈和谷物價格分別為0.15元/kg和1.6元/kg[16]。通過計算(玉米秸稈與谷物經(jīng)濟價值之比為=1∶9),求得玉米秸稈種植階段的能耗和排放占總量的10%。
3.2復(fù)合顆粒燃料壓制階段
復(fù)合顆粒燃料壓制過程包括:1)原料烘干,選用JTSG1415型號秸稈烘干機,處理秸稈量0.8t/h,處理后水分含量小于10%,總功率為32.7kW;2)原料破碎,選用恒裕秸稈破碎機(400型),加工能力1~2t/h,電機功率2.2~3kW;3)顆粒壓制,選用恒裕秸稈顆粒機(RGKJ560),利用齒輪傳動,帶動傳動軸壓輪碾壓模具內(nèi)表面完成壓制過程。顆粒產(chǎn)量1.0~1.5t/h,環(huán)模內(nèi)徑560mm,功率93.4kW。
本階段考慮區(qū)域運輸,采取原料就地收集、附近加工的原則,運輸距離較短(設(shè)為3km),運輸車采用東風(fēng)輕卡,空載率50%,平均油消耗量約為0.15L/km(空載為0.13L/km,滿載為0.17L/km)。
3.3復(fù)合顆粒燃燒階段
考慮到農(nóng)村地區(qū)投資成本,復(fù)合顆粒燃燒選用分散型的生物質(zhì)顆粒取暖爐(80型),復(fù)合顆粒消耗量2~3kg/h,功率100~220W,適用供暖面積60~80㎡。復(fù)合顆粒主要由玉米秸稈和煙煤組成,秸稈來源于駐馬店種植區(qū),煙煤產(chǎn)于安徽淮南地區(qū)[17]。相關(guān)元素分析和工業(yè)分析如表1所示,其中氧含量利用差減法獲得。顆粒完全燃燒產(chǎn)生的理論煙氣量[18]為:

除此之外,復(fù)合顆粒燃燒后的灰渣富含氮磷等物質(zhì),可代替部分肥料還田使用,實現(xiàn)綠色循環(huán)。

基于農(nóng)作物秸稈燃燒氣態(tài)污染物排放研究[19],玉米秸稈燃燒CO、CO2、NOX、SO2、P㎡.5平均排放因子分別為114.7、1261.5、1.28、0.44、11.7g/kg。基于煙煤燃燒氣態(tài)污染物排放研究[20],煙煤燃燒CO、CO2、NOX、SO2、P㎡.5平均排放因子分別為64.1、2493、1.49、3.48、8.49g/kg。則復(fù)合顆粒燃料的氣態(tài)污染物理論排放因子Htotal為:

考慮到生物質(zhì)與煤混合燃燒時,對氣態(tài)污染物減排具有一定的協(xié)同作用,根據(jù)前期研究結(jié)果和相關(guān)實驗數(shù)據(jù)[21],對Htotal進(jìn)行修正:

4 LCA結(jié)果分析
4.1凈能量與能量產(chǎn)出投入分析
經(jīng)過計算,玉米種植階段的總能量投入為2.248MJ/㎡,駐馬店地區(qū)玉米產(chǎn)量為0.562kg/㎡,則單位能量為4000MJ/t,按玉米秸稈占能量總投入的10%,則玉米秸稈的單位能量投入為400MJ/t。混合顆粒燃料壓制階段,生產(chǎn)1t混合顆粒燃料需能量356.4MJ,主要是原料烘干、破碎和壓制過程中的電力消耗。因采取就地收集、附近加工的原則,顆粒燃料運輸過程消耗能量較少,約為6.84MJ/t。顆粒燃料燃燒階段,主要是電力消耗,約為118MJ/t。
如圖2所示,煙煤的能量投入為1149.9MJ/t[8],按煙煤與秸稈的摻混比例(1∶9),復(fù)合顆粒燃料的能量總投入為908MJ/t,燃燒釋放的熱值為15490MJ/t,能量產(chǎn)出/投入比為17.1。煤炭的總能量投入為1149.9MJ/t,燃燒釋放的熱值為20908MJ/t,能量產(chǎn)出投入比為18.2。從能量產(chǎn)出投入角度分析,煤炭優(yōu)于復(fù)合顆粒燃料。

復(fù)合顆粒燃料全生命周期過程能量投入如圖3a所示,能量投入主要用于玉米種植,占比44.05%;其次是復(fù)合顆粒燃料壓制加工階段,能量消耗356.4MJ,占比36.2%;顆粒燃料燃燒過程主要是電力投入,需消耗118MJ能量,占比13.0%。對玉米種植階段的能量投入進(jìn)一步分析,如圖3b所示,主要能量消耗排在前3位的依次為氮肥、灌溉電力、農(nóng)機油耗,分別占40.6%、19.3%、18.8%。氮肥使用量對種植階段能量消耗影響巨大,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中可通過各種有機肥代替氮肥,盡可能降低氮肥使用量。除此之外,提高農(nóng)機機械水平、優(yōu)化灌溉均能在一定程度上降低玉米種植過程中的能量消耗。

4.2環(huán)境影響指標(biāo)分析
經(jīng)過LCA計算得到環(huán)境影響指標(biāo)(見表2),其中ADP、RI、ODP和POFP較小(<1),本研究不予考慮。本文僅對氣候變化(GWP)、水資源消耗(WU)、酸化(AP)、富營養(yǎng)化潛值(EP)進(jìn)行分析。

4.2.1氣候變化(GWP)
經(jīng)計算得GWP當(dāng)量值為499.69kg,即1t復(fù)合顆粒燃燒釋放溫室氣體(CO2當(dāng)量)為499.69kg,各單元流程排放的CO2當(dāng)量如圖4所示。復(fù)合顆粒燃燒排放的溫室氣體最多,占總排放的70.41%。其中,直接燃燒貢獻(xiàn)值最大,占比53.22%,電力消耗產(chǎn)生的CO2占比17.18%。生產(chǎn)階段包括原料種植和壓制加工兩個單元流程,占溫室氣體總排放的25.02%,其中玉米秸稈和煤炭消耗產(chǎn)生的CO2所占比例較大,分別為14.81%和4.16%。燃燒廢棄階段所產(chǎn)生的灰渣代替部分肥料進(jìn)行綠色還田使用,該階段排放的溫室氣體最少,主要是運輸過程能量消耗和還田使用所帶來的CO2排放,僅占4.57%。為降低溫室氣體排放,一方面可通過燃燒條件優(yōu)化和CO2捕集等方法,減少溫室氣體的直接貢獻(xiàn)值;一方面可通過選用耗電量低的成型設(shè)備和燃燒設(shè)備,減少耗電量進(jìn)而控制溫室氣體排放量。

4.2.2水資源消耗(WU)
經(jīng)計算得WU當(dāng)量值為1112kg,即水資源消耗潛值為1112kg。各單元流程消耗的水資源如圖5所示,其中生產(chǎn)階段所消耗的水資源最多,占全部水資源消耗量的71.56%,氮肥、磷肥生產(chǎn)需要的水資源較多,分別為38.76%和21.43%;燃燒使用階段的水資源消耗,主要來源于電力消耗過程,占比25.56%。氮肥和磷肥的使用是水資源消耗的主要影響因素,因此合理施用氮磷肥對控制水資源消耗至關(guān)重要。

4.2.3酸化(AP)
經(jīng)計算得AP當(dāng)量值為2.73kg,即酸化潛值(SO2當(dāng)量)為2.73kg。如圖6所示,復(fù)合顆粒燃燒使用階段排放的酸性污染物最多,占比達(dá)到62.76%,其中直接貢獻(xiàn)燃燒污染物排放占比最高達(dá)到46.08%,電力消耗帶來的酸性污染物占比16.53%;生產(chǎn)階段排放的酸性污染物占比32.87%,其中主要是玉米秸稈消耗占比20.91%。減少酸性污染物排放,主要可通過燃燒過程中氮硫污染物的控制,減少硫氧化物和氮氧化物的排放量。

4.2.4富營養(yǎng)化潛值(EP)
經(jīng)計算得EP當(dāng)量值為2.44kg,即富營養(yǎng)化潛值(PO3-4當(dāng)量)為2.44kg。如圖7所示,復(fù)合顆粒燃燒使用階段所排放的植物營養(yǎng)物質(zhì)最少,僅占總排放植物營養(yǎng)物質(zhì)的8.15%,且大部分屬于直接燃燒排放;壓制加工階段排放的植物營養(yǎng)物質(zhì)占比48.45%,其中玉米秸稈消耗占比最大,為46.16%;廢含較多氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)。對于燃燒廢棄階段產(chǎn)生的灰渣,應(yīng)做好灰渣還田,使資源得到循環(huán)利用,同時注意盡量避免被雨水帶入江河中,造成水體富營養(yǎng)化。

5結(jié)論與展望
基于全生命周期評價,本文利用eFootprint軟件定量分析了復(fù)合顆粒燃料從種植到燃燒完成整個生命周期的能量投入和環(huán)境影響。
1)對玉米秸稈和煤復(fù)合顆粒燃料進(jìn)行能量平衡分析,復(fù)合顆粒燃料能量投入908MJ/t,燃燒釋放熱值15490MJ/t,能量產(chǎn)出投入比為17.1,能源轉(zhuǎn)化效率較高。復(fù)合顆粒燃料能量投入主要用于玉米種植,占總能量的44.05%,氮肥使用量對玉米種植能量消耗影響巨大,應(yīng)盡可能地通過各種有機肥代替氮肥,從而減少化肥使用量,降低能量消耗。
2)復(fù)合顆粒生產(chǎn)階段,水資源消耗(WU)較大,消耗量占到總量的71.56%。氣候變化(GWP)和酸化(AP)主要受到復(fù)合顆粒燃燒的影響,其中直接燃燒污染物排放的貢獻(xiàn)率分別為53.22%和46.08%。富營養(yǎng)化潛值(EP)與燃燒灰渣中氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)有關(guān),燃燒廢棄階段植物營養(yǎng)物質(zhì)排放占總量的43.40%。

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