12MW生物質直燃發(fā)電系統(tǒng)能耗和溫室氣體排放分析

黨 樂,佟 敏,崔亞茹,劉華財,邱澤晶,胡文博

（1.國網內蒙古東部電力有限公司電力科學研究院，內蒙古 呼和浩特 010020；2.中國科學院廣州能源研究所，中國科學院可再生能源重點實驗室，廣東 廣州 510640；3.國網電力科學研究院有限公司，江蘇 南京210000；4.國網電力科學研究院武漢能效測評有限公司，湖北 武漢 430074）

0 引言

中國是世界最大的能源消費國，碳排放總量居世界第一。為了應對能源、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]。生物質能是最具發(fā)展?jié)摿Φ目稍偕茉矗墒占Y源量達4.47億t[2]。2019年，中國農林生物質發(fā)電裝機容量為9 730MW，上網電量為406億kW·h[3]。生物質尤其是農林廢棄物發(fā)電具有巨大的潛力和前景，是處理和利用農業(yè)廢棄物的最佳方式之一，但成本遠高于常規(guī)電力，對其能源和環(huán)境效益的評估和理解有助于推動產業(yè)發(fā)展。

生命周期評價（Life Cycle Assessment，LCA）是對產品或服務的環(huán)境影響進行評價的最好的工具之一。已有學者利用LCA對生物質直燃系統(tǒng)進行了評估。常規(guī)的過程式LCA方法存在著固有的系統(tǒng)邊界問題，可能會導致清單數(shù)據(jù)被嚴重低估；投入產出（I-O）法以物質產品或資金流矩陣來描述各經濟部門之間的復雜關系，能將整個國家經濟作為背景和上游納入系統(tǒng)邊界，從而避免截斷誤差[4]。陳德民[5]基于I-O法對15MW秸稈直燃熱電聯(lián)產系統(tǒng)的能耗和溫室氣體（Greenhouse Gas，GHG）排放進行了分析，利用基于物質產品平衡表得到的實物產品能耗和GHG排放因子，計算了電廠設施設備以及運行時柴油電力的能耗和GHG排放，結果顯示，電廠設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-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、減少截斷誤差[4]。劉洪濤[6]用混合LCA方法對小麥秸稈直燃發(fā)電廠進行了生命周期分析，用I-O法計算了原料運輸車輛和打包設備生產以及打包設備用電造成的間接排放，結果表明，車輛和打包設備生產所導致的GHG間接排放占總排放的19.8%。王長波[7]同時采用過程式LCA方法和混合LCA方法對30MW玉米秸稈發(fā)電系統(tǒng)的GHG排放進行了評估，發(fā)現(xiàn)采用混合LCA方法至少能避免11%的截斷誤差。

關于中國生物質直燃發(fā)電系統(tǒng)的LCA研究并不多，尤其是對系統(tǒng)能耗的研究，且在系統(tǒng)邊界、方法選用和目標結果等方面也不盡相同。本文利用混合LCA方法對中國內蒙古通遼地區(qū)某12 MW直燃發(fā)電系統(tǒng)進行分析，定量評估其替代化石能源、減少溫室氣體排放的潛力，準確評價其能源和環(huán)境可持續(xù)性，辨識不可再生能源消耗和GHG排放強度最大的環(huán)節(jié)，為進一步提高生物質直燃發(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12MW生物質直燃發(fā)電系統(tǒng)的能耗和GHG排放進行評估，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，在減少過程分析截斷誤差的同時提供詳細的過程信息。本文化肥的能耗強度和GHG排放強度取自文獻[8]，[9]的研究，柴油和電力的能耗強度和GHG排放強度取自文獻[10]，其余材料和設備設施利用2007年中國135部門核算結果來計算[11]。

對于生物質直燃發(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，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。生物質直燃發(fā)電系統(tǒng)全生命周期不可再生一次能源消耗計算式如下：

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類物質或服務，kg/（kW·h），MJ/（kW·h）或元/（kW·h）；Cj為j類物質或服務對應的不可再生一次能源強度，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，本文不將其計入最終的GHG排放。類似地，生物質直燃發(fā)電系統(tǒng)全生命周期GHG排放計算式如下：

式中：GHGlife-cycle為全生命周期GHG總排放，以CO2當量計，g/（kW·h）；分別為j類物質或服務對應的溫室氣體k的直接、間接排放強度，g/kg，g/MJ或g/元。

2 研究對象

本文的研究對象是位于內蒙古通遼的12 MW生物質直燃電廠，電廠于2007年4月開工建設，2008年12月投產發(fā)電，以玉米秸稈為原料，運行時間已超過13 a。本文以1 kW·h上網電量為功能單位對系統(tǒng)進行計算和評估。系統(tǒng)邊界見圖1。

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

2.1 農業(yè)階段

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

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

續(xù)表1

本文以經濟價值為基礎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，以經濟價值為基礎進行分配具有一定的合理性。近年，通遼當?shù)赜衩椎氖召弮r格為1 700～2 400元/t，電廠收購玉米秸稈的價格為250～290元/t，根據(jù)實地調研將玉米的草谷比取值為1?；谏鲜鰠?shù)，生產玉米秸稈的能耗和排放占整個玉米種植收獲過程的9.4%～14.6%，本文取值為12%。

2.2 收儲運階段

原料收儲運包括玉米秸稈的收集、打包和運輸?shù)诫姀S。電廠的原料供應采用秸稈經紀人模式，一共與40多個經紀人簽署了秸稈供需買賣合同。在玉米收割時，大部分玉米秸稈直接在田間聯(lián)合收割、破碎打包，每個秸稈包重量約260 kg，也有小部分秸稈是由經紀人收購散料打包，本文設所有秸稈都在田間聯(lián)合收割打包。50%的秸稈包從田間運至經紀人自建的分料場臨時儲存，其余50%直接運往電廠料場。秸稈包運至電廠料場后，50%堆垛儲存，50%直接卸車送往上料區(qū)。電廠料場一般儲備5萬～6萬t原料，滿足電廠5～6個月的用量。秸稈包在田間和分料場裝卸由叉車完成，運輸工具為拖板車，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。原料在電廠內部的轉運由于路程較短，本文并未計入。收儲運階段的能耗和排放主要來自裝卸和運輸設備的生產與使用，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、鉤機和鏟車制造屬于起重運輸設備制造業(yè)。

表2 收儲運階段主要參數(shù)Table 2 Major parameters and inputs during logistics phase

2.3 發(fā)電階段

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

表3 電廠運行主要參數(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有機肥料，本文未考慮飛灰、灰渣處理利用以及電廠報廢和相應的廢棄物處理。發(fā)電階段的能耗和排放主要來自廠房設備的生產建造和秸稈燃燒。電廠設 備設施的投入及其對應的所屬部門見表4。

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

3 結果與討論

3.1 生命周期不可再生一次能源消耗

12MW生物質直燃發(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，生物質直燃發(fā)電能耗僅為1.57MJ/（kW·h）。使用生物質電力替代煤電，可節(jié)約83%的化石能源消耗；如果將玉米秸稈視為廢棄物，不考慮農業(yè)階段的投入，可節(jié)約93%的化石能源消耗，表明生物質直燃發(fā)電具有較高的可再生性和良好的可持續(xù)性。

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

收儲運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，其破碎打包能耗計入了農業(yè)階段，收儲運階段的柴油是運輸和裝卸消耗。值得注意的是，盡管玉米秸稈的運輸距離長達80 km，但運輸油耗折合2.5 L/t，低于3.2 L/t的裝卸油耗。優(yōu)化原料供應鏈條、減少中間裝卸環(huán)節(jié)，是降低收儲運能耗的關鍵。

發(fā)電階段的能耗來自電廠設施設備的制造、運輸和安裝，占總能耗的比例高達17.6%。本文并未考慮電廠設施設備的維修保養(yǎng)，假設每年的維修保養(yǎng)費用為初始投入的1%，則電廠設施設備能耗將增加至0.32MJ/（kW·h），約占總能耗的20%。本文還計算了農業(yè)機械、種子和農膜的生產能耗，三者之和與農業(yè)階段的柴油能耗相等[0.09 MJ/（kW·h）]，占農業(yè)階段能耗的9.8%，占總能耗的5.7%。另外，收儲運設備制造能耗占收儲運階段的8.0%，占總能耗的1.9%。上述物資和服務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，生物質直燃發(fā)電僅為223.91 g/（kW·h）。本研究的結果與文獻[7]相差不大。

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

使用生物質電力替代煤電，可減少72%的GHG排放；不考慮農業(yè)階段的投入時，可減少85%的GHG排放，減排效果顯著。農業(yè)階段的GHG排放最高，其次是發(fā)電階段和收儲運階段，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運階段的71%，但GHG排放是其2.8倍。

N肥相關的排放包括N肥生產排放和N肥施用導致的N2O排放，兩者之和占農業(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生N2O。對于旱地，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]進行計算。N肥施用導致的N2O排放取決于當?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N2O減排作用最顯著，而減少施氮量是降低農田N2O排放最直接和有效的措施[18]。種子能耗是農業(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法農業(yè)部門的能耗和排放因子對種子的能耗和GHG排放進行估算，有待進一步細化。

電廠設施設備的制造、運輸和安裝所造成的GHG排放，占總排放的14.1%；農業(yè)機械和農膜制造GHG排放占農業(yè)階段的5.9%，占總排放的2.8%；收儲運設備制造排放占收儲運階段的10.7%，占總排放的1.5%。在不考慮農業(yè)階段投入時，收儲運階段和發(fā)電階段設備設施排放在總排放中所占比重增大1倍。這些物資和服務投入所蘊含的GHG排放不容忽視。

與煤電相比，12MW生物質直燃發(fā)電項目每年可節(jié)約一次化石能源6.7×108MJ，折合標煤2.3萬t；減少GHG排放4.8萬t。生物質發(fā)電是處理農林廢棄物的最佳方式之一，將在實現(xiàn)節(jié)約/替代化石能源、降低GHG排放和發(fā)展綠色循環(huán)經濟中發(fā)揮更重要的作用。

4 結論

本文旨在對生物質直燃發(fā)電的可持續(xù)性進行評價，利用結合過程分析和投入產出分析的混合LCA方法，對內蒙古通遼某12MW直燃發(fā)電系統(tǒng)進行了分析，結果表明：

①系統(tǒng)全生命周期不可再生一次能源消耗為1.57MJ/（kW·h），農業(yè)階段的能耗最高，主要原因是N肥相關能耗較高；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電廠設施設備的制造、運輸和安裝的能耗和GHG排放分別占系統(tǒng)總額的17.6%和14.1%；農業(yè)機械、種子和農膜的能耗和GHG排放之和分別占系統(tǒng)總額的5.7%和6.3%。這些物資和服務的投入對結果的影響不容忽視；

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