|
江靖宇，劉予涵，龐雨桐，陳禹昕，郭飛宏，姜小祥
（南京師范大學能源與機械工程學院，江蘇省物質循環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境影響。結果表明：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，能量產出投入比為17.1，能源轉化效率較高。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）貢獻較大的清單數據為顆粒燃料的燃燒，其中燃燒污染物排放的直接貢獻最大，貢獻率分別為53.22%和46.08%；對水資源消耗（WU）貢獻較大的清單數據為顆粒燃料的壓制，貢獻率為71.56%；對富營養化潛值（EP）貢獻較大的清單數據為顆粒燃料燃燒后的廢渣排放，貢獻率為43.40%。
0引言
傳統農業生產中，農作物秸稈經濟價值低、分布廣泛，導致秸稈利用率低、焚燒現象嚴重，造成了一系列環境問題[1]。除此之外，北方冬季農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[2]。2021年，國家發展改革委印發《關于“十四五”大宗固體廢棄物綜合利用的指導意見》，要求擴大秸稈生物質能的利用規模，鼓勵利用秸稈生物質能供熱供氣供暖。可見，“秸稈代煤”勢在必行，秸稈生物質能源的利用對污染物減排和改善大氣質量至關重要。秸稈原料因其密度低、分布廣、不便儲存和運輸的特點，限制了其廣泛利用。通過機械設備壓制成顆粒燃料，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，國內外研究多集中于木質型顆粒燃料，缺乏對秸稈等農業廢棄物顆粒燃料的研究[4-5]。顆粒燃料替代農村散煤燃燒爐的節能減排研究也較少[6]。
全生命周期評價（whole-life cycle assessment，LCA），考慮了生物質顆粒燃料從原料生產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，結果表明：與煤相比，秸稈顆粒燃料具有較高的能源轉化率、較少的溫室氣體排放量，能源環境效益巨大；林成先等[9]對比了顆粒燃料和煤的能源消耗、環境影響和經濟性，指出秸稈顆粒燃料的能源消耗和環境影響較小，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，中國學者往往關注秸稈顆粒燃料相對于煤的能源消耗、環境效益和經濟成本[11]，而國外研究則多以木質型顆粒燃料為主，指出了混煤燃燒的可行性[10，12]，但缺乏對秸稈混煤等復合顆粒燃料的全生命周期評價研究。中國是農業大國，秸稈產量豐富。秸稈混煤壓制成復合顆粒燃料，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合顆粒燃料，利用全生命周期評價方法，對復合顆粒燃料替代農村散煤采暖進行全生命周期過程研究，定量分析復合顆粒燃料的能源效率和環境影響，探討復合顆粒燃料替代農村散煤采暖的可行性。
1生命周期評價方法
1.1系統邊界和功能單位
本研究的功能單位是1t的秸稈與煤復合成型顆粒燃料。擬在北方農村地區進行“就地取材、現場加工、本地使用”，區域運輸帶來的能源消耗和環境影響較小。生命周期模型建立需確定系統邊界，主要研究范圍包含原料（玉米）種植、煤炭開采和收集、復合顆粒燃料壓制、復合顆粒燃料燃燒等。
系統的能量輸入、輸出和內部流動如圖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、農藥、水等資源的投入，復合顆粒燃料壓制和燃燒時的電力和水消耗，能量輸出主要是復合顆粒燃燒釋放出的熱量。環境評價主要來源于原料種植過程能量投入所帶來的環境影響，復合顆粒燃料燃燒產生的污染物排放等。本研究不考慮生產設備、廠房、生活設施等的能量投入。當原料質量小于產品質量的1%時，忽略該物料的上游生產數據。
1.2軟件與數據庫
eFootprint是一個分析生命周期評價數據的在線平臺，嵌入了中國生命周期基礎數據庫（CLCD）、歐盟ELCD數據庫和瑞士Ecoinvent數據庫[13]，用于開展生命周期評價研究。本文采用eFootprint軟件系統，建立復合顆粒燃料全生命周期模型，計算得到LCA結果。
2評價指標
2.1凈能量與能量產出投入比
系統中的能耗可用凈能量和能量產出投入比進行分析。凈能量為復合顆粒燃燒釋放的熱能與復合顆粒消耗的總能量之差，能量產出投入比為復合顆粒燃燒釋放的熱能與復合顆粒消耗的總能量之比[8]。
2.2環境影響指標
本研究采用CML2013（Centrumvoor Milieukunde Leiden）方法[14]，把復合顆粒燃料生命周期環境影響指標分為氣候變化（GWP）、非生物資源消耗潛值（ADP）、水資源消耗（WU）、酸化（AP）、富營養化潛值（EP）、可吸入無機物（RI）、臭氧層消耗（ODP）、光化學臭氧合成（POFP）等8種，環境影響指標計算公式[14]為：
3數據來源
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數據庫的結果。
駐馬店地區采用“冬小麥、夏玉米”的輪作方式[15]，參考《2020年河南統計年鑒》中駐馬店農業種植數據，肥料來源于尿素，折合成氮、磷、鉀肥的使用量分別為143909、80470、61291t；農用柴油消耗量為99452t；農藥施用量為7613t（2019年）。單位耕地面積農用資源消耗量分別為：氮肥15.93g/㎡、磷肥8.91g/㎡、鉀肥6.78g/㎡、農藥0.80g/㎡。柴油消耗主要用于農業機械，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/㎡。
考慮到種植產出包括玉米谷物和玉米秸稈，采用經濟分配原則[16]，研究生命周期過程中的能量消耗和環境影響。單位面積上玉米秸稈和谷物的產量比為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復合顆粒燃料壓制階段
復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表面完成壓制過程。顆粒產量1.0~1.5t/h，環模內徑560mm，功率93.4kW。
本階段考慮區域運輸，采取原料就地收集、附近加工的原則，運輸距離較短（設為3km），運輸車采用東風輕卡，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復合顆粒燃燒階段
考慮到農村地區投資成本，復合顆粒燃燒選用分散型的生物質顆粒取暖爐（80型），復合顆粒消耗量2~3kg/h，功率100~220W，適用供暖面積60~80㎡。復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，煙煤產于安徽淮南地區[17]。相關元素分析和工業分析如表1所示，其中氧含量利用差減法獲得。顆粒完全燃燒產生的理論煙氣量[18]為：
除此之外，復合顆粒燃燒后的灰渣富含氮磷等物質，可代替部分肥料還田使用，實現綠色循環。
基于農作物秸稈燃燒氣態污染物排放研究[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。則復合顆粒燃料的氣態污染物理論排放因子Htotal為：
考慮到生物質與煤混合燃燒時，對氣態污染物減排具有一定的協同作用，根據前期研究結果和相關實驗數據[21]，對Htotal進行修正：
4 LCA結果分析
4.1凈能量與能量產出投入分析
經過計算，玉米種植階段的總能量投入為2.248MJ/㎡，駐馬店地區玉米產量為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，能量產出投入比為18.2。從能量產出投入角度分析，煤炭優于復合顆粒燃料。
復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，在農業生產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，提高農機機械水平、優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環境影響指標分析
經過LCA計算得到環境影響指標（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）、富營養化潛值（EP）進行分析。
4.2.1氣候變化（GWP）
經計算得GWP當量值為499.69kg，即1t復合顆粒燃燒釋放溫室氣體（CO2當量）為499.69kg，各單元流程排放的CO2當量如圖4所示。復合顆粒燃燒排放的溫室氣體最多，占總排放的70.41%。其中，直接燃燒貢獻值最大，占比53.22%，電力消耗產生的CO2占比17.18%。生產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%。燃燒廢棄階段所產生的灰渣代替部分肥料進行綠色還田使用，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化和CO2捕集等方法，減少溫室氣體的直接貢獻值；一方面可通過選用耗電量低的成型設備和燃燒設備，減少耗電量進而控制溫室氣體排放量。
4.2.2水資源消耗（WU）
經計算得WU當量值為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重要。
4.2.3酸化（AP）
經計算得AP當量值為2.73kg，即酸化潛值（SO2當量）為2.73kg。如圖6所示，復合顆粒燃燒使用階段排放的酸性污染物最多，占比達到62.76%，其中直接貢獻燃燒污染物排放占比最高達到46.08%，電力消耗帶來的酸性污染物占比16.53%；生產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富營養化潛值（EP）
經計算得EP當量值為2.44kg，即富營養化潛值（PO3-4當量）為2.44kg。如圖7所示，復合顆粒燃燒使用階段所排放的植物營養物質最少，僅占總排放植物營養物質的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物質占比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物質。對于燃燒廢棄階段產生的灰渣，應做好灰渣還田，使資源得到循環利用，同時注意盡量避免被雨水帶入江河中，造成水體富營養化。
5結論與展望
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境影響。
1）對玉米秸稈和煤復合顆粒燃料進行能量平衡分析，復合顆粒燃料能量投入908MJ/t，燃燒釋放熱值15490MJ/t，能量產出投入比為17.1，能源轉化效率較高。復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）復合顆粒生產階段，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）主要受到復合顆粒燃燒的影響，其中直接燃燒污染物排放的貢獻率分別為53.22%和46.08%。富營養化潛值（EP）與燃燒灰渣中氮磷等營養物質有關，燃燒廢棄階段植物營養物質排放占總量的43.40%。
 |
