黨 樂,佟 敏,崔亞茹,劉華財(cái),邱澤晶,胡文博

（1.國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司電力科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020；2.中國科學(xué)院廣州能源研究所，中國科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640；3.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司，江蘇 南京210000；4.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢能效測評(píng)有限公司，湖北 武漢 430074）

0 引言

中國是世界最大的能源消費(fèi)國，碳排放總量居世界第一。為了應(yīng)對(duì)能源、氣候和環(huán)境壓力，中國將采取更加有力的政策和措施發(fā)展可再生能源[1]。生物質(zhì)能是最具發(fā)展?jié)摿Φ目稍偕茉矗墒占Y源量達(dá)4.47億t[2]。2019年，中國農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)容量為9 730MW，上網(wǎng)電量為406億kW·h[3]。生物質(zhì)尤其是農(nóng)林廢棄物發(fā)電具有巨大的潛力和前景，是處理和利用農(nóng)業(yè)廢棄物的最佳方式之一，但成本遠(yuǎn)高于常規(guī)電力，對(duì)其能源和環(huán)境效益的評(píng)估和理解有助于推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

生命周期評(píng)價(jià)（Life Cycle Assessment，LCA）是對(duì)產(chǎn)品或服務(wù)的環(huán)境影響進(jìn)行評(píng)價(jià)的最好的工具之一。已有學(xué)者利用LCA對(duì)生物質(zhì)直燃系統(tǒng)進(jìn)行了評(píng)估。常規(guī)的過程式LCA方法存在著固有的系統(tǒng)邊界問題，可能會(huì)導(dǎo)致清單數(shù)據(jù)被嚴(yán)重低估；投入產(chǎn)出（I-O）法以物質(zhì)產(chǎn)品或資金流矩陣來描述各經(jīng)濟(jì)部門之間的復(fù)雜關(guān)系，能將整個(gè)國家經(jīng)濟(jì)作為背景和上游納入系統(tǒng)邊界，從而避免截?cái)嗾`差[4]。陳德民[5]基于I-O法對(duì)15MW秸稈直燃熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的能耗和溫室氣體（Greenhouse Gas，GHG）排放進(jìn)行了分析，利用基于物質(zhì)產(chǎn)品平衡表得到的實(shí)物產(chǎn)品能耗和GHG排放因子，計(jì)算了電廠設(shè)施設(shè)備以及運(yùn)行時(shí)柴油電力的能耗和GHG排放，結(jié)果顯示，電廠設(shè)備所消耗的不可再生能源和GHG排放量占系統(tǒng)總量的80%以上。但I(xiàn)-O法存在部門和商品集成度過高等問題。將過程式LCA方法和I-O法結(jié)合的混合LCA方法，既能保證單元過程數(shù)據(jù)的精確性，也能完善系統(tǒng)邊界、減少截?cái)嗾`差[4]。劉洪濤[6]用混合LCA方法對(duì)小麥秸稈直燃發(fā)電廠進(jìn)行了生命周期分析，用I-O法計(jì)算了原料運(yùn)輸車輛和打包設(shè)備生產(chǎn)以及打包設(shè)備用電造成的間接排放，結(jié)果表明，車輛和打包設(shè)備生產(chǎn)所導(dǎo)致的GHG間接排放占總排放的19.8%。王長波[7]同時(shí)采用過程式LCA方法和混合LCA方法對(duì)30MW玉米秸稈發(fā)電系統(tǒng)的GHG排放進(jìn)行了評(píng)估，發(fā)現(xiàn)采用混合LCA方法至少能避免11%的截?cái)嗾`差。

關(guān)于中國生物質(zhì)直燃發(fā)電系統(tǒng)的LCA研究并不多，尤其是對(duì)系統(tǒng)能耗的研究，且在系統(tǒng)邊界、方法選用和目標(biāo)結(jié)果等方面也不盡相同。本文利用混合LCA方法對(duì)中國內(nèi)蒙古通遼地區(qū)某12 MW直燃發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行分析，定量評(píng)估其替代化石能源、減少溫室氣體排放的潛力，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)其能源和環(huán)境可持續(xù)性，辨識(shí)不可再生能源消耗和GHG排放強(qiáng)度最大的環(huán)節(jié)，為進(jìn)一步提高生物質(zhì)直燃發(fā)電系統(tǒng)的環(huán)境性能提供參考。

1 方法

本文將利用混合LCA方法對(duì)12MW生物質(zhì)直燃發(fā)電系統(tǒng)的能耗和GHG排放進(jìn)行評(píng)估，利用過程式LCA方法獲取單元過程的直接能耗和直接GHG排放，利用I-O法得到單元過程的間接能耗和間接GHG排放，在減少過程分析截?cái)嗾`差的同時(shí)提供詳細(xì)的過程信息。本文化肥的能耗強(qiáng)度和GHG排放強(qiáng)度取自文獻(xiàn)[8]，[9]的研究，柴油和電力的能耗強(qiáng)度和GHG排放強(qiáng)度取自文獻(xiàn)[10]，其余材料和設(shè)備設(shè)施利用2007年中國135部門核算結(jié)果來計(jì)算[11]。

對(duì)于生物質(zhì)直燃發(fā)電等可再生能源系統(tǒng)而言，不可再生一次能源消耗量是衡量其可再生性的重要指標(biāo)，不可再生一次能源消耗越大，系統(tǒng)的可再生性和可持續(xù)性就越差。生物質(zhì)直燃發(fā)電系統(tǒng)全生命周期不可再生一次能源消耗計(jì)算式如下：

式中：Elife-cycle為全生命周期總能耗，MJ/（kW·h）；Ei，j為單元過程i消耗的j類物質(zhì)或服務(wù)，kg/（kW·h），MJ/（kW·h）或元/（kW·h）；Cj為j類物質(zhì)或服務(wù)對(duì)應(yīng)的不可再生一次能源強(qiáng)度，MJ/kg，MJ/MJ或MJ/元，不可再生一次能源包括煤、石油和天然氣。

溫室氣體中CO2，CH4和N2O使全球變暖的潛值比為CO2∶CH4∶N2O=1∶21∶310[12]。由于生物質(zhì)燃燒釋放的CO2是植物生長階段從大氣吸收固定的，本文不將其計(jì)入最終的GHG排放。類似地，生物質(zhì)直燃發(fā)電系統(tǒng)全生命周期GHG排放計(jì)算式如下：

式中：GHGlife-cycle為全生命周期GHG總排放，以CO2當(dāng)量計(jì)，g/（kW·h）；分別為j類物質(zhì)或服務(wù)對(duì)應(yīng)的溫室氣體k的直接、間接排放強(qiáng)度，g/kg，g/MJ或g/元。

2 研究對(duì)象

本文的研究對(duì)象是位于內(nèi)蒙古通遼的12 MW生物質(zhì)直燃電廠，電廠于2007年4月開工建設(shè)，2008年12月投產(chǎn)發(fā)電，以玉米秸稈為原料，運(yùn)行時(shí)間已超過13 a。本文以1 kW·h上網(wǎng)電量為功能單位對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算和評(píng)估。系統(tǒng)邊界見圖1。

圖1 生物質(zhì)直燃發(fā)電系統(tǒng)生命周期評(píng)價(jià)邊界Fig.1 System boundary of biomass power plantbased on direct combustion

2.1 農(nóng)業(yè)階段

玉米是通遼市最主要的農(nóng)作物，2018年通遼市農(nóng)作物播種面積為147萬hm2，其中玉米播種面積為105萬hm2，總產(chǎn)量為762萬t，單位面積產(chǎn)量為7.2 t/hm2[13]。農(nóng)業(yè)階段的能耗和排放主要來自玉米種植收獲過程中化肥、農(nóng)藥和農(nóng)業(yè)機(jī)械的生產(chǎn)與使用。本文農(nóng)業(yè)階段投入數(shù)據(jù)主要來自現(xiàn)場調(diào)研和內(nèi)蒙古地區(qū)玉米種植投入統(tǒng)計(jì)[14]，見表1。其中，種子生產(chǎn)屬于農(nóng)業(yè)，農(nóng)藥制造屬于農(nóng)藥制造業(yè)，農(nóng)膜制造屬于塑料制品業(yè)，農(nóng)業(yè)機(jī)械制造屬于農(nóng)林牧漁專用機(jī)械制造業(yè)。N肥施用導(dǎo)致的N2O排放因子取聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）缺省值1%[12]。

表1 農(nóng)業(yè)階段主要參數(shù)Table 1Major parameters and inputs during agricultural phase

續(xù)表1

本文以經(jīng)濟(jì)價(jià)值為基礎(chǔ)將玉米種植過程中的能耗和排放分配給玉米和玉米秸稈。由于玉米不是用作能量用途，以經(jīng)濟(jì)價(jià)值為基礎(chǔ)進(jìn)行分配具有一定的合理性。近年，通遼當(dāng)?shù)赜衩椎氖召弮r(jià)格為1 700～2 400元/t，電廠收購玉米秸稈的價(jià)格為250～290元/t，根據(jù)實(shí)地調(diào)研將玉米的草谷比取值為1?；谏鲜鰠?shù)，生產(chǎn)玉米秸稈的能耗和排放占整個(gè)玉米種植收獲過程的9.4%～14.6%，本文取值為12%。

2.2 收儲(chǔ)運(yùn)階段

原料收儲(chǔ)運(yùn)包括玉米秸稈的收集、打包和運(yùn)輸?shù)诫姀S。電廠的原料供應(yīng)采用秸稈經(jīng)紀(jì)人模式，一共與40多個(gè)經(jīng)紀(jì)人簽署了秸稈供需買賣合同。在玉米收割時(shí)，大部分玉米秸稈直接在田間聯(lián)合收割、破碎打包，每個(gè)秸稈包重量約260 kg，也有小部分秸稈是由經(jīng)紀(jì)人收購散料打包，本文設(shè)所有秸稈都在田間聯(lián)合收割打包。50%的秸稈包從田間運(yùn)至經(jīng)紀(jì)人自建的分料場臨時(shí)儲(chǔ)存，其余50%直接運(yùn)往電廠料場。秸稈包運(yùn)至電廠料場后，50%堆垛儲(chǔ)存，50%直接卸車送往上料區(qū)。電廠料場一般儲(chǔ)備5萬～6萬t原料，滿足電廠5～6個(gè)月的用量。秸稈包在田間和分料場裝卸由叉車完成，運(yùn)輸工具為拖板車，在電廠料場的卸車和堆垛由專門改裝的鉤機(jī)完成，最后的爐前上料由鏟車完成，均使用柴油為燃料。原料在電廠內(nèi)部的轉(zhuǎn)運(yùn)由于路程較短，本文并未計(jì)入。收儲(chǔ)運(yùn)階段的能耗和排放主要來自裝卸和運(yùn)輸設(shè)備的生產(chǎn)與使用，主要參數(shù)見表2。其中拖板車制造屬于汽車制造業(yè)，叉車、鉤機(jī)和鏟車制造屬于起重運(yùn)輸設(shè)備制造業(yè)。

表2 收儲(chǔ)運(yùn)階段主要參數(shù)Table 2 Major parameters and inputs during logistics phase

2.3 發(fā)電階段

電廠配備一臺(tái)48 t/h高溫高壓水冷振動(dòng)爐排鍋爐和一臺(tái)12MW凝汽式高溫高壓汽輪發(fā)電機(jī)組。到廠秸稈含水量為15%～25%，秸稈包解包后用鏟車上料，由于在打包前已進(jìn)行破碎，長度小于20 cm，進(jìn)鍋爐前不需要再破碎。電廠每年運(yùn)行時(shí)間均在8 000 h以上，其中2019年運(yùn)行8 491 h，消耗秸稈11.46萬t，發(fā)電9 785萬kW·h，上網(wǎng)電量8 716萬kW·h，綜合廠用電率為11.8%。本文電廠運(yùn)行主要參數(shù)見表3。

表3 電廠運(yùn)行主要參數(shù)Table 3 Major parameters and inputs during power generation phase

電廠的飛灰和灰渣送至肥料廠生產(chǎn)有機(jī)肥料，本文未考慮飛灰、灰渣處理利用以及電廠報(bào)廢和相應(yīng)的廢棄物處理。發(fā)電階段的能耗和排放主要來自廠房設(shè)備的生產(chǎn)建造和秸稈燃燒。電廠設(shè) 備設(shè)施的投入及其對(duì)應(yīng)的所屬部門見表4。

表4 電廠設(shè)備設(shè)施投入及所屬部門Table 4 Construction inputs of power plantand related I-O sectors

3 結(jié)果與討論

3.1 生命周期不可再生一次能源消耗

12MW生物質(zhì)直燃發(fā)電系統(tǒng)全生命周期不可再生一次能源消耗見表5和圖2。

表5 生物質(zhì)直燃發(fā)電系統(tǒng)全生命周期能耗和GHG排放Table 5 Life-cycle energy consumption and GHG emissions of biomass power

圖2 12MW生物質(zhì)直燃發(fā)電系統(tǒng)能耗分布Fig.2 Energy consumption structure of 12 MW biomass power plant

與煤電9.50MJ/（kW·h）的能耗[10]相比，生物質(zhì)直燃發(fā)電能耗僅為1.57MJ/（kW·h）。使用生物質(zhì)電力替代煤電，可節(jié)約83%的化石能源消耗；如果將玉米秸稈視為廢棄物，不考慮農(nóng)業(yè)階段的投入，可節(jié)約93%的化石能源消耗，表明生物質(zhì)直燃發(fā)電具有較高的可再生性和良好的可持續(xù)性。

農(nóng)業(yè)階段的能耗最高，其次是收儲(chǔ)運(yùn)階段和發(fā)電階段，占總能耗的比例分別為58.3%，24.1%和17.6%。N肥生產(chǎn)能耗占農(nóng)業(yè)階段的59.8%，占總能耗的34.9%，高于收儲(chǔ)運(yùn)階段和發(fā)電階段。大部分國家以天然氣為原料生產(chǎn)氮肥，而我國的主要原料是無煙煤，生產(chǎn)過程中所需要的電力和蒸汽也主要由燃煤提供，且合成氨-氮肥的生產(chǎn)企業(yè)仍有大部分是中小企業(yè)[17]，技術(shù)水平相對(duì)較低，以上原因造成我國N肥生產(chǎn)能耗居高不下，Yang Q[9]計(jì)算得出為126.89MJ/kg，美國為57.74 MJ/kg[16]。隨著N肥企業(yè)的大型化和產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平提升，N肥的生產(chǎn)能耗有望快速降低；科學(xué)配方施肥指導(dǎo)下的化肥施用，能減少化肥施用量、降低農(nóng)業(yè)階段能耗。通遼屬于半干旱氣候，農(nóng)地灌溉大多使用地下水，玉米屬于需水量較大的根系需水作物，當(dāng)?shù)赜衩椎赜盟繛?00m3/667m2左右，因此排灌電力能耗不可忽視。

收儲(chǔ)運(yùn)階段主要能耗為柴油能耗0.35 MJ/（kW·h），占總能耗的22.2%。由于玉米秸稈是和玉米一起聯(lián)合收割，其破碎打包能耗計(jì)入了農(nóng)業(yè)階段，收儲(chǔ)運(yùn)階段的柴油是運(yùn)輸和裝卸消耗。值得注意的是，盡管玉米秸稈的運(yùn)輸距離長達(dá)80 km，但運(yùn)輸油耗折合2.5 L/t，低于3.2 L/t的裝卸油耗。優(yōu)化原料供應(yīng)鏈條、減少中間裝卸環(huán)節(jié)，是降低收儲(chǔ)運(yùn)能耗的關(guān)鍵。

發(fā)電階段的能耗來自電廠設(shè)施設(shè)備的制造、運(yùn)輸和安裝，占總能耗的比例高達(dá)17.6%。本文并未考慮電廠設(shè)施設(shè)備的維修保養(yǎng)，假設(shè)每年的維修保養(yǎng)費(fèi)用為初始投入的1%，則電廠設(shè)施設(shè)備能耗將增加至0.32MJ/（kW·h），約占總能耗的20%。本文還計(jì)算了農(nóng)業(yè)機(jī)械、種子和農(nóng)膜的生產(chǎn)能耗，三者之和與農(nóng)業(yè)階段的柴油能耗相等[0.09 MJ/（kW·h）]，占農(nóng)業(yè)階段能耗的9.8%，占總能耗的5.7%。另外，收儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備制造能耗占收儲(chǔ)運(yùn)階段的8.0%，占總能耗的1.9%。上述物資和服務(wù)投入的能耗不容忽視，但在過程式LCA方法研究中容易被忽略。

3.2 生命周期GHG排放

12MW生物質(zhì)直燃發(fā)電系統(tǒng)全生命周期不可再生一次能源消耗見表5和圖3。與煤電792 g/（kW·h）的GHG排放[8]相比，生物質(zhì)直燃發(fā)電僅為223.91 g/（kW·h）。本研究的結(jié)果與文獻(xiàn)[7]相差不大。

圖3 12MW生物質(zhì)直燃發(fā)電系統(tǒng)GHG排放分布Fig.3 Distribution of GHG emissions of 12 MW biomass power plant

使用生物質(zhì)電力替代煤電，可減少72%的GHG排放；不考慮農(nóng)業(yè)階段的投入時(shí)，可減少85%的GHG排放，減排效果顯著。農(nóng)業(yè)階段的GHG排放最高，其次是發(fā)電階段和收儲(chǔ)運(yùn)階段，占總排放的比例分別為46.7%，39.5%和13.8%。發(fā)電階段的能耗是收儲(chǔ)運(yùn)階段的71%，但GHG排放是其2.8倍。

N肥相關(guān)的排放包括N肥生產(chǎn)排放和N肥施用導(dǎo)致的N2O排放，兩者之和占農(nóng)業(yè)階段排放的67.3%，占總排放的31.4%。N肥施用后，土壤中發(fā)生的硝化和反硝化過程自然產(chǎn)生N2O。對(duì)于旱地，IPCC給出的N2O直接排放因子為0.3%～3%（0.003～0.03 kg N2O-N/kg N），本文取其缺省值1%（0.01 kg N2O-N/kg N）[12]進(jìn)行計(jì)算。N肥施用導(dǎo)致的N2O排放取決于當(dāng)?shù)鼐唧w情況，如土壤類型、氣候條件和田間管理措施等。添加抑制劑、施加緩（控）釋肥、減少施氮量等措施能降低N2O排放，添加抑制劑對(duì)N2O減排作用最顯著，而減少施氮量是降低農(nóng)田N2O排放最直接和有效的措施[18]。種子能耗是農(nóng)業(yè)階段柴油消耗的30%，但GHG排放比其高9%，可見種子培育加工所造成的能耗和排放也不容忽視。由于缺乏數(shù)據(jù)，本文采用I-O法農(nóng)業(yè)部門的能耗和排放因子對(duì)種子的能耗和GHG排放進(jìn)行估算，有待進(jìn)一步細(xì)化。

電廠設(shè)施設(shè)備的制造、運(yùn)輸和安裝所造成的GHG排放，占總排放的14.1%；農(nóng)業(yè)機(jī)械和農(nóng)膜制造GHG排放占農(nóng)業(yè)階段的5.9%，占總排放的2.8%；收儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備制造排放占收儲(chǔ)運(yùn)階段的10.7%，占總排放的1.5%。在不考慮農(nóng)業(yè)階段投入時(shí)，收儲(chǔ)運(yùn)階段和發(fā)電階段設(shè)備設(shè)施排放在總排放中所占比重增大1倍。這些物資和服務(wù)投入所蘊(yùn)含的GHG排放不容忽視。

與煤電相比，12MW生物質(zhì)直燃發(fā)電項(xiàng)目每年可節(jié)約一次化石能源6.7×108MJ，折合標(biāo)煤2.3萬t；減少GHG排放4.8萬t。生物質(zhì)發(fā)電是處理農(nóng)林廢棄物的最佳方式之一，將在實(shí)現(xiàn)節(jié)約/替代化石能源、降低GHG排放和發(fā)展綠色循環(huán)經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮更重要的作用。

4 結(jié)論

本文旨在對(duì)生物質(zhì)直燃發(fā)電的可持續(xù)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，利用結(jié)合過程分析和投入產(chǎn)出分析的混合LCA方法，對(duì)內(nèi)蒙古通遼某12MW直燃發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：

①系統(tǒng)全生命周期不可再生一次能源消耗為1.57MJ/（kW·h），農(nóng)業(yè)階段的能耗最高，主要原因是N肥相關(guān)能耗較高；系統(tǒng)全生命周期GHG排放為223.91 g/（kW·h），N肥生產(chǎn)和施用造成的排放占比最高，其次是秸稈在電廠鍋爐的燃燒；

②電廠設(shè)施設(shè)備的制造、運(yùn)輸和安裝的能耗和GHG排放分別占系統(tǒng)總額的17.6%和14.1%；農(nóng)業(yè)機(jī)械、種子和農(nóng)膜的能耗和GHG排放之和分別占系統(tǒng)總額的5.7%和6.3%。這些物資和服務(wù)的投入對(duì)結(jié)果的影響不容忽視；

③與傳統(tǒng)煤電相比，12MW生物質(zhì)直燃發(fā)電項(xiàng)目每年可節(jié)約一次化石能源折合標(biāo)煤2.3萬t，減少GHG排放4.8萬t，節(jié)能減排效果顯著。