基于采伐剩余物的生物質(zhì)固體燃料生態(tài)效益分析

周媛 鄭麗鳳 周新年 巫志龍 周成軍 羅偉 林玥霏

摘要：

以采伐剩余物為原料發(fā)展生物質(zhì)固體燃料技術(shù)，能有效緩解我國(guó)林木質(zhì)資源浪費(fèi)和能源匱乏現(xiàn)象。采用簡(jiǎn)化LCA法和IPCC法，對(duì)以采伐剩余物為原料的生物質(zhì)固體燃料技術(shù)應(yīng)用，從收集直至轉(zhuǎn)化為可利用能源的全過(guò)程生態(tài)效益進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：采伐剩余物在生物質(zhì)發(fā)電過(guò)程產(chǎn)生的總碳排放為0.82 t/hm2，碳匯為17.55 t/hm2，凈碳為16.73 t/hm2，凈固定CO2為61.38 t/hm2，表現(xiàn)出“碳匯功能”；產(chǎn)生碳排放最多的是加工成型階段，占總碳排放的68.97%；其次是燃料使用階段，占14.94%；運(yùn)輸階段受運(yùn)距影響，在原材料運(yùn)距20 km產(chǎn)生的碳排放占5.57%；成品運(yùn)距30 km，產(chǎn)生的碳排放占7.21%；人工收集階段產(chǎn)生的碳排放最少，占3.31%。能量效率為0.032，轉(zhuǎn)化效率較高。從生態(tài)效益角度來(lái)看，生物質(zhì)固體成型燃料技術(shù)具有較大的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：

環(huán)境學(xué)；采伐剩余物；生物質(zhì)固體燃料；生態(tài)效益；碳匯

中圖分類號(hào)：S 792；F326.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1001-005X（2018）01-0024-06

Abstract：

The development of biomass solid fuel technology using forest cutting residues as raw materials can effectively relieve the waste of forest resources and energy shortage in China.The ecobenefit evaluation of forest residues biomass fuels，from collecting into available energy，was conducted using simplify LCA method and IPCC method.The results indicate that，carbon emission of the utilization of biomass solid fuels is 0.82 t/hm2，carbon sequestration is 17.55 t/hm2，net carbon is 16.73 t/hm2，net carbon dioxide is 61.38 t/hm2，which reflect carbon sequestration function.The most carbon emission is the processing stage，accounting for 68.97% of the total carbon emission，followed by the fuel use stage，accounting for 14.94%.The transportation stage is affected by the distance of transportation，accounting for 5.57% of the total carbon emissions of 20km of raw materials；the distance of finished products is 30 km and the carbon emission is 7.21%.The least carbon emission appeared at the artificial collecting，with only 3.31%.The energy efficiency is 0.032，and the conversion efficiency is high.From the point of view of ecological benefit，biomass solid fuel has great advantages.

Keywords：

Environtology；cutting residues；biomass solid fuel；ecobenefit；carbon sequestration

0引言

在環(huán)境污染和能源需求的雙重驅(qū)動(dòng)下，我國(guó)林木生物質(zhì)能源利用已初具存在條件和發(fā)展空間[1]，林木生物質(zhì)能的利用，不僅可以有效緩解能源壓力，還可有效減少資源浪費(fèi)與環(huán)境污染等問(wèn)題。國(guó)際上對(duì)林木生物質(zhì)能的利用主要是將其轉(zhuǎn)化為電能、液體燃料和固體成型燃料，以期在一定范圍內(nèi)減少或替代礦物燃料的使用[2-3]。我國(guó)林木生物質(zhì)能的利用方式和轉(zhuǎn)化技術(shù)相對(duì)落后，農(nóng)村大部分地區(qū)仍將農(nóng)林廢棄物直接燃燒利用，轉(zhuǎn)化率低且利用不便。因此，從我國(guó)林業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀出發(fā)，發(fā)展林木生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)顯得尤為重要[4]。

生物質(zhì)固體燃料便于運(yùn)輸和存儲(chǔ)，節(jié)能環(huán)保，燃燒效率高，是生物質(zhì)能源開(kāi)發(fā)利用的主要方向之一[5-6]。國(guó)外生物質(zhì)固體燃料技術(shù)始于20世紀(jì)初，德國(guó)、丹麥、芬蘭等歐盟國(guó)家十分重視林木生物質(zhì)能源的轉(zhuǎn)化利用，將各類林業(yè)廢棄物加工成生物質(zhì)固體燃料，用作能源，廣泛應(yīng)用于供電、供熱及熱電聯(lián)產(chǎn)等[1，7-9]。近年來(lái)，越來(lái)越多的學(xué)者展開(kāi)了對(duì)其環(huán)境減排效應(yīng)的研究。Madlener[10]、Asep[11]、Guest[12]、Jppinen[13]、Gustavsson[14]等對(duì)國(guó)外生物質(zhì)固體燃料利用及碳減排能力進(jìn)行探討，指出了生物質(zhì)固體燃料利用具有很大的發(fā)展?jié)摿?。李平[15]、劉媛[16]、魏文[17]、張寶心[18]、李運(yùn)泉[19]等從環(huán)境效益等方面分析了生物質(zhì)固體燃料利用的可行性和風(fēng)險(xiǎn)性，結(jié)果表明：生物質(zhì)固體燃料技術(shù)具有一定的節(jié)能減排、優(yōu)化環(huán)境和提高生態(tài)效益等優(yōu)勢(shì)。但這些研究主要以秸稈、果殼及甘蔗渣為對(duì)象，以采伐剩余物為對(duì)象進(jìn)行生物質(zhì)固體燃料的環(huán)境效益評(píng)價(jià)的研究較少。

（4）成品運(yùn)輸階段。

成品燃料的運(yùn)輸一般采用柴油貨車，在運(yùn)輸過(guò)程中能源強(qiáng)度與原材料基本相同（表7），假設(shè)平均運(yùn)距為30 km[26]，計(jì)算成品運(yùn)輸過(guò)程的碳排放，見(jiàn)表8。

從對(duì)固體成型燃料生命周期中的成品運(yùn)輸過(guò)程中，能源消耗和碳排放的研究和分析可以看出，在采用柴油貨運(yùn)車運(yùn)輸?shù)那闆r下，一次能源消耗65.05 MJ/t，電力能源消耗10.80 MJ/t，共計(jì)造成7.08 kg/t碳排放。

（5）燃料使用階段。

我國(guó)生物質(zhì)固體成型燃料的應(yīng)用主要在工農(nóng)業(yè)用能和生活用能兩方面。生活用能主要是取暖和炊事，工農(nóng)業(yè)用能目前主要應(yīng)用在設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)供熱、利用生物質(zhì)鍋爐對(duì)辦公區(qū)域供熱和工業(yè)發(fā)電[15，38]。我國(guó)南方地區(qū)生物質(zhì)燃料主要用于工農(nóng)業(yè)用能，由于生物質(zhì)發(fā)電已具有一定規(guī)模，故以生物質(zhì)固體成型燃料發(fā)電為例，計(jì)算燃料使用過(guò)程投入的能源量和產(chǎn)生的碳排放見(jiàn)表9和表10。

在生物質(zhì)固體燃料發(fā)電階段，能源的總消耗量為6.053 g/kWh，產(chǎn)生的污染氣體排放量為17.3 g/kWh，其中碳排放量高達(dá)17.08 g/kWh，占總污染氣體排放的98.7%。據(jù)現(xiàn)有研究分析[39-41]，每噸固體燃料可發(fā)電860 kWh，因此，生物質(zhì)固體燃料使用階段產(chǎn)生的碳排放為14.68 kg/t。

（6）總碳排放。

經(jīng)計(jì)算，生物質(zhì)固體成型燃料在整個(gè)生命周期內(nèi)產(chǎn)生的總碳排放為98.29 kg/t，各階段產(chǎn)生的碳排放如圖2所示。

由圖2可知，在整個(gè)生命周期中，加工成型階段產(chǎn)生的碳排放最多，為67.79 kg/t，約占總碳排放的68.97%；其次是燃料使用階段，占14.94%；在剩余物收集階段，由于是人工收集作業(yè)，未直接消耗一次能源，產(chǎn)生的碳排放最少，約占總碳排放的3.31%。

2.3碳平衡分析

據(jù)公式（6）計(jì)算碳平衡結(jié)果，見(jiàn)表11。

由表11可知，剩余物壓縮成固體燃料過(guò)程產(chǎn)生的凈碳匯為16.73 t/hm2，可凈固定CO2為61.38 t/hm2，表現(xiàn)出“碳匯功能”。

2.4能量效率

能量效率比是用來(lái)表示輸出的生物質(zhì)能源與輸入能源之間的關(guān)系，是反映能源利用的有效性指標(biāo)。能量效率比值越小，則能源的轉(zhuǎn)化效率越高。根據(jù)公式（7）計(jì)算可得，生物質(zhì)固體成型燃料的燃料熱值為14 600 MJ/t，總能量投入為475.85 MJ/t，能量效率為0.032。燃煤發(fā)電能量總投入為1 149.94 MJ/t，總產(chǎn)出為20 908 MJ/t，能量效率為0.055[26]?？梢?jiàn)，相比與燃煤發(fā)電（生物質(zhì)固體成型燃料的能量效率0.032低于燃煤發(fā)電0.055，能量效率比值越小，能源的轉(zhuǎn)化效率越高），生物質(zhì)固體燃料發(fā)電的能源轉(zhuǎn)化效率較高。

3結(jié)論與討論

從整個(gè)生命周期入手，對(duì)基于采伐剩余物的林木生物質(zhì)固體燃料壓縮成型工藝的生態(tài)效益評(píng)估，結(jié)果表明以采伐剩余物為原料的生物質(zhì)固體燃料若發(fā)電利用，產(chǎn)生的總碳排放為0.82 t/hm2，碳匯為17.55 t/hm2，凈碳為16.73 t/hm2，凈固定CO2為61.38 t/hm2，表現(xiàn)出“碳匯功能”。其中，加工成型階段（使用環(huán)模式成型機(jī)進(jìn)行壓塊和制粒），產(chǎn)生的碳排放最多，占總碳排放的68.97%；其次是燃料使用階段（即發(fā)電階段），占總碳排放的14.94%；原材料運(yùn)輸階段（運(yùn)距20 km）產(chǎn)生的碳排放占總碳排放的5.57%；成品運(yùn)輸階段（運(yùn)距30 km），產(chǎn)生的碳排放占總碳排放的7.21%；人工收集階段產(chǎn)生的碳排放最少，占3.31%。與燃煤發(fā)電（0.055）相比，該種利用方式的能量效率為0.032，能量效率比值越小，能源的轉(zhuǎn)化效率越高越表現(xiàn)出較高的能量轉(zhuǎn)化率。相關(guān)研究表明[15，26]，不僅僅是生物質(zhì)發(fā)電，生物質(zhì)固體燃料在取暖、炊事及供熱等方面也能表現(xiàn)出一定的生態(tài)效益。

從對(duì)生物質(zhì)固體燃料壓縮成型整個(gè)生命周期的能量與碳排放研究分析來(lái)看，產(chǎn)生碳排放最多的是加工成型階段，其次是燃料使用階段，這兩階段產(chǎn)生的碳排放主要是電力消耗產(chǎn)生的。因此，如何有效降低生產(chǎn)設(shè)備的能耗，是控制加工過(guò)程能量投入的關(guān)鍵。若要降低整個(gè)過(guò)程的碳排放，最主要的是控制這兩個(gè)階段的能量投入，優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程。在運(yùn)輸階段，運(yùn)距對(duì)碳排放密切相關(guān)。文中通過(guò)建立相關(guān)模型（公式（8）），借鑒已有研究的參數(shù)設(shè)定[24，35]，確定原料的運(yùn)輸距離為20 km，并假定成品的運(yùn)輸距離為30 km，若運(yùn)輸距離增加，此過(guò)程的碳排放隨之增加，反之，則減少。運(yùn)輸階段碳排放還受剩余物可移出比例、運(yùn)輸費(fèi)率及原料價(jià)格、國(guó)家補(bǔ)貼等影響[21-22]。剩余物可移出比、運(yùn)輸費(fèi)率及成本的減少都會(huì)使原料運(yùn)輸距離的增加，從而增加此過(guò)程的碳排放。

在我國(guó)利用采伐剩余物為原料發(fā)展生物質(zhì)固體燃料技術(shù)，可以解決長(zhǎng)期火燒跡地引起的環(huán)境污染，減少化石燃料的排放量，有利于節(jié)能減排和遏制氣候環(huán)境惡變，具有一定的環(huán)境可行性。但目前，生物質(zhì)固體燃料仍處示范階段，缺少具體的數(shù)據(jù)資料和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的支撐，文中更多的是進(jìn)行理論性探討，評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)只是表示全國(guó)平均水平，希望后期隨著項(xiàng)目實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累以及人們對(duì)生物質(zhì)能源的認(rèn)識(shí)程度的增強(qiáng)，能夠更加完善和充實(shí)研究?jī)?nèi)容。為了更全面分析利用的可行性，進(jìn)一步擴(kuò)展利用方式，進(jìn)行全面的生物質(zhì)固體燃料綜合評(píng)價(jià)。

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