蘋(píng)果樹(shù)修剪枝條直燃發(fā)電系統(tǒng)生命周期評(píng)價(jià)

李翊寧， 黃夢(mèng)婷， 王 英， 陳文強(qiáng)， 王 偉

（1.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000； 2.咸陽(yáng)市新能源及微電網(wǎng)系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 咸陽(yáng) 712000； 3.第一越南蘇聯(lián)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程學(xué)院，福安 15910）

0 引言

為實(shí)現(xiàn)2030 年碳達(dá)峰、2060 年碳中和的發(fā)展目標(biāo)，我國(guó)正在積極推動(dòng)可再生能源的發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)低碳轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)[1]。而生物質(zhì)作為一種低排放、碳中性甚至負(fù)排放的可再生原料，近些年得到了迅速的發(fā)展。采用生物質(zhì)直燃發(fā)電進(jìn)行電力能源的生產(chǎn)，是較為普遍的一種做法[2]。目前生物質(zhì)直燃發(fā)電原料，基本上都來(lái)源于各類(lèi)作物秸稈[3]。我國(guó)是水果生產(chǎn)大國(guó)，其生產(chǎn)和種植面積位居世界前例[4]。在果樹(shù)的日常管理中，每年都會(huì)有大量的果樹(shù)修剪枝條產(chǎn)生。此類(lèi)生物質(zhì)通常作為農(nóng)林廢棄物堆積在田埂上，造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。因此，為了能夠?qū)⒐麡?shù)修剪枝條用于電力能源生產(chǎn)，本研究建立了基于環(huán)境影響和資源消耗的蘋(píng)果樹(shù)修剪枝條直燃發(fā)電系統(tǒng)的生命周期綜合評(píng)價(jià)模型，對(duì)其進(jìn)行了環(huán)境影響、資源消耗和綜合性能評(píng)價(jià)，并與燃煤發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比分析。隨后對(duì)蘋(píng)果樹(shù)修剪枝條直燃發(fā)電中的關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行了敏感性分析。本研究的結(jié)果能夠?yàn)榛诠麡?shù)修剪枝條的直燃發(fā)電系統(tǒng)研究提供相應(yīng)的理論依據(jù)和參考數(shù)據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究以裝機(jī)容量2×1.5 萬(wàn)kW 生物質(zhì)直燃發(fā)電系統(tǒng)為研究對(duì)象，年發(fā)電時(shí)間6 000 h，生物質(zhì)直燃發(fā)電效率18.7%。選取蘋(píng)果樹(shù)修剪枝條作為燃料，其主要特性如表1 所示。

表1 蘋(píng)果樹(shù)修剪枝條工業(yè)分析和元素分析Tab.1 Proximate analysis and ultimate analysis of pruned apple tree branches

該系統(tǒng)采用75 t/h 的循環(huán)流化床鍋爐，年發(fā)電量18 000萬(wàn)kW·h，蘋(píng)果樹(shù)修剪枝條消耗率1.004 13 kg/（kW·h）。

1.2 生命周期評(píng)價(jià)綜合模型

生命周期評(píng)價(jià)是一種用于評(píng)價(jià)產(chǎn)品從原料開(kāi)采到產(chǎn)品處置整個(gè)生命周期內(nèi)產(chǎn)生的環(huán)境影響和資源消耗的方法。用于直燃發(fā)電的蘋(píng)果樹(shù)修剪枝條，在其生長(zhǎng)、收集、運(yùn)輸及發(fā)電階段中會(huì)產(chǎn)生一定的環(huán)境排放和資源消耗。

生命周期評(píng)價(jià)包括目標(biāo)與范圍確定、清單分析、影響評(píng)價(jià)和結(jié)果解釋4 個(gè)互相聯(lián)系的有機(jī)組成部分。環(huán)境影響清單主要考慮各階段產(chǎn)生的直接排放和間接排放，其中，間接排放主要為生命周期評(píng)價(jià)范圍內(nèi)各過(guò)程資源消耗所產(chǎn)生的環(huán)境影響。

針對(duì)環(huán)境影響評(píng)價(jià)，采用EDIP 環(huán)境影響分類(lèi)體系，綜合考慮6種環(huán)境影響類(lèi)型，包括全球變暖（GWP）、酸化（AP）、富營(yíng)養(yǎng)化（EP）、光化學(xué)污染（POF）、人體毒性（HTP）和固體廢棄物（SW），并將清單內(nèi)容進(jìn)行歸類(lèi)[5]。針對(duì)資源消耗評(píng)價(jià)，主要考慮蘋(píng)果樹(shù)修剪枝條直燃發(fā)電在生命周期中的資源物質(zhì)消耗，包括標(biāo)煤、天然氣、原油、脫硫石灰石、水和電力等，并未涉及廠房設(shè)備拆建等的資源物質(zhì)消耗。

為了能夠?qū)Νh(huán)境影響類(lèi)型和資源消耗類(lèi)型進(jìn)行對(duì)比分析，并構(gòu)造綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，需要對(duì)清單數(shù)據(jù)進(jìn)行特征化處理，得到標(biāo)準(zhǔn)化的環(huán)境影響潛值和資源消耗潛值，具體計(jì)算過(guò)程參見(jiàn)文獻(xiàn)[6]。

基于生命周期評(píng)價(jià)和層次分析法，建立了生命周期綜合評(píng)價(jià)模型，提出了環(huán)境影響、資源消耗及綜合性能等評(píng)價(jià)指標(biāo)，并構(gòu)件了層次結(jié)構(gòu)圖，如圖1 所示。對(duì)于環(huán)境影響，將6 種環(huán)境影響類(lèi)型的標(biāo)準(zhǔn)化環(huán)境影響潛值作為其二級(jí)指標(biāo)層；對(duì)于資源消耗，將標(biāo)準(zhǔn)化資源消耗潛值作為其二級(jí)指標(biāo)層；對(duì)于綜合性能而言，環(huán)境影響和資源消耗為其一級(jí)指標(biāo)層。

圖1 層次結(jié)構(gòu)Fig.1 Hierarchical chart

針對(duì)環(huán)境影響中，6種環(huán)境影響類(lèi)型對(duì)總環(huán)境影響的作用不同，按照區(qū)域范圍大小，選擇了全球性、區(qū)域性、局地性和同等性4 種情況，通過(guò)層次分析法確定4 種視角下不同環(huán)境影響類(lèi)型的權(quán)重，具體如表2所示[7]。

表2 環(huán)境影響類(lèi)型權(quán)重Tab.2 Environmental impact type weight

如表3 所示，針對(duì)綜合性能，環(huán)境影響和資源消耗對(duì)其的作用也不相同，根據(jù)兩個(gè)指標(biāo)大小對(duì)比，通過(guò)層次分析法確定3 種情況下各指標(biāo)權(quán)重。

表3 環(huán)境影響和資源消耗權(quán)重Tab.3 Environmental impact and resource consumption weights

1.3 生命周期評(píng)價(jià)系統(tǒng)邊界

生命周期評(píng)價(jià)系統(tǒng)邊界從蘋(píng)果樹(shù)修剪枝條生長(zhǎng)開(kāi)始到直燃發(fā)電結(jié)束，分為生長(zhǎng)、收集、運(yùn)輸和發(fā)電4個(gè)階段。蘋(píng)果樹(shù)修剪枝條直燃發(fā)電環(huán)境影響考慮了各階段產(chǎn)生的直接排放和因資源消耗而造成的間接排放。

對(duì)評(píng)價(jià)模型做了如下假設(shè)和簡(jiǎn)化：一是不包括各階段所用設(shè)備因制造所造成的資源消耗和環(huán)境影響；二是電廠運(yùn)行階段所消耗的電由本系統(tǒng)自發(fā)電提供，除此之外所耗電均來(lái)自燃煤發(fā)電；三是發(fā)電階段的煙氣處理采用SDS+SCR 超低排放工藝。

系統(tǒng)功能單位為1 000 kW·h 電量所造成的污染物排放量和資源消耗量。生命周期系統(tǒng)邊界和物質(zhì)交換如圖2 所示。

圖2 生命周期評(píng)價(jià)系統(tǒng)邊界和物質(zhì)交換Fig.2 Life cycle assessment system boundary and material exchange

1.4 環(huán)境影響和資源消耗分析

生長(zhǎng)階段中，環(huán)境影響和資源消耗需考慮3 個(gè)方面。一是蘋(píng)果樹(shù)修剪枝條光合作用對(duì)CO2的吸收固定。二是肥料生產(chǎn)及使用造成的環(huán)境影響，蘋(píng)果樹(shù)的氮肥、磷肥和鉀肥施用量分別為450、220 和300 kg/hm2，總氮流失率15%。三是考慮農(nóng)藥施用過(guò)程中因流失所造成的環(huán)境影響，農(nóng)藥施用量1.67 kg/hm2，流失率5%。另外，采用蘋(píng)果和修剪枝條的經(jīng)濟(jì)價(jià)值進(jìn)行蘋(píng)果樹(shù)修剪枝條的分配系數(shù)計(jì)算，其值0.050 4。

收集階段中，蘋(píng)果樹(shù)修剪枝條需要經(jīng)過(guò)切割、打包、壓塊等處理，才可運(yùn)輸。所需耗電設(shè)備主要包括破碎機(jī)、打包機(jī)和抓斗起重機(jī)，總耗電量18.20 kW·h/t 修剪枝條；所需油耗設(shè)備主要包括抓草機(jī)、鏟車(chē)及叉車(chē)，總油耗0.78 L 原油/t 修剪枝條。環(huán)境影響考慮了設(shè)備電耗及油耗所產(chǎn)生的污染物排放。

運(yùn)輸階段中，蘋(píng)果樹(shù)修剪枝條來(lái)自果園，距離生物質(zhì)發(fā)電廠較近。采用8 t 中型柴油貨車(chē)運(yùn)輸，能源消耗追溯到一次能源原油和標(biāo)煤，環(huán)境影響為貨車(chē)行駛過(guò)程污染物排放。貨車(chē)運(yùn)輸距離為果樹(shù)修剪枝條收集半徑，收集半徑模型來(lái)源于文獻(xiàn)[8]，計(jì)算值28.31 km。

發(fā)電階段中，所產(chǎn)生的環(huán)境影響主要由蘋(píng)果樹(shù)修剪枝條的燃燒引起。假設(shè)未完全燃燒產(chǎn)物CO 在干煙氣中的占比為0.05%，而干煙氣中未消耗的過(guò)量O2的占比6%。采用SDS+SCR 煙氣超低排放改工藝時(shí)，NOx、SO2和PM10 的最大排放量不超過(guò)50、35 和10 mg/Nm3，并且可以通過(guò)排煙溫度回收提高3%的爐效。發(fā)電階段產(chǎn)生的固廢灰渣是灰分和未燃盡碳。

以上分析中，所需的化肥、電力、原油和貨車(chē)運(yùn)輸?shù)馁Y源消耗和環(huán)境影響清單均來(lái)源于而中國(guó)生命周期基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)（CLCD）[7,9]。

1.5 生命周期清單

根據(jù)蘋(píng)果樹(shù)修剪枝條直燃發(fā)電的生命周期邊界及物質(zhì)交換情況，將上述各階段的環(huán)境影響和資源消耗清單數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，具體如表4 所示。

為了研究蘋(píng)果樹(shù)修剪枝條直燃發(fā)電相對(duì)于燃煤發(fā)電的優(yōu)劣，引入由超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組構(gòu)成的燃煤發(fā)電系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)，給出了燃煤發(fā)電生命周期資源和環(huán)境清單[10]。該系統(tǒng)采用貧煤（含硫量0.877%）作為燃料，機(jī)組容量2×100 萬(wàn)kW，年發(fā)電時(shí)間5 000 h，發(fā)電效率42%，年煤炭消耗量362.80 萬(wàn)t。該發(fā)電系統(tǒng)的具體計(jì)算結(jié)果如表5 所示。

表5 燃煤發(fā)電系統(tǒng)生命周期清單Tab.5 Life cycle inventory of coal-fired power generation system

2 結(jié)果和討論

2.1 環(huán)境影響評(píng)價(jià)分析

2.1.1 不同發(fā)電系統(tǒng)環(huán)境影響類(lèi)型分布

兩種發(fā)電系統(tǒng)的環(huán)境影響潛值對(duì)比如圖3 所示，圖中橫坐標(biāo)單位含義為每生產(chǎn)1 萬(wàn)kW·h 電量，每人每年對(duì)環(huán)境所產(chǎn)生影響的特征化潛值。與燃煤發(fā)電相比，蘋(píng)果樹(shù)修剪枝條直燃發(fā)電在GWP、AP、EP、HTP 和SW 這5 種環(huán)境影響類(lèi)型中具有較為明顯的優(yōu)勢(shì)，其環(huán)境影響潛值分別僅占燃煤發(fā)電的3.47%、81.05%、86.41%、1.83%和89.94%。而對(duì)于POF，蘋(píng)果樹(shù)修剪枝條直燃發(fā)電為燃煤發(fā)電的183.85%，是唯一負(fù)面作用較大的指標(biāo)。綜合對(duì)比表明，采用蘋(píng)果樹(shù)修剪枝條直燃發(fā)電比燃煤發(fā)電對(duì)環(huán)境更加友好，尤其體現(xiàn)在GWP、EP 和HTP。

圖3 兩種發(fā)電系統(tǒng)環(huán)境影響潛值對(duì)比Fig.3 Comparison of environmental impact potential of two power generation systems

2.1.2 不同視角下各環(huán)境影響類(lèi)型分布

圖4 為蘋(píng)果樹(shù)修剪枝條直燃發(fā)電在不同視角下的環(huán)境影響程度，其總環(huán)境影響潛值最低為全球性視角下的0.138 （人·年）/（萬(wàn)kW·h），最高為局地性視角下的0.329 （人·年） /（萬(wàn)kW·h），主要是因?yàn)镾W 對(duì)局地性的影響顯著。綜合4 個(gè)視角，蘋(píng)果樹(shù)修剪枝條直燃發(fā)電對(duì)環(huán)境的主要影響總體為SW>AP>POF。

圖4 不同視角下環(huán)境影響類(lèi)型分布Fig.4 Distribution of environmental impact types from different perspectives

2.1.3 不同階段中各環(huán)境影響類(lèi)型分布

圖5 給出了蘋(píng)果樹(shù)修剪枝條直燃發(fā)電生命周期內(nèi)各階段環(huán)境影響類(lèi)型的分布情況，用以進(jìn)一步分析污染物排放的作用大小及其產(chǎn)生的原因。

圖5 不同環(huán)境影響類(lèi)型在各階段的分布Fig.5 Distribution of different environmental impact types at different stages

在GWP 方面，蘋(píng)果樹(shù)修剪枝條直燃發(fā)電在發(fā)電階段因燃燒所排放的溫室氣體，幾乎全部來(lái)源于蘋(píng)果樹(shù)生長(zhǎng)階段通過(guò)光合作用固定的碳量，其值1.74 t CO2/t修剪枝條。相對(duì)于燃煤發(fā)電，蘋(píng)果樹(shù)修剪枝條直燃發(fā)電對(duì)GWP 的影響可以忽略不計(jì)。作為唯一的可再生碳源，生物質(zhì)可以成為煤炭的有效替代能源，用于火力發(fā)電系統(tǒng)。

在EP 方面，蘋(píng)果樹(shù)修剪枝條直燃發(fā)電在生長(zhǎng)階段的占比高達(dá)99.82%，其主要原因在于果樹(shù)在生長(zhǎng)階段時(shí)氮肥施用后的總氮流失。過(guò)量的氮肥施用可能會(huì)導(dǎo)致向大氣排放的N2O 增加，以及對(duì)地下水和地表水的潛在污染。因此，優(yōu)化氮肥管理可以在盡可能減少環(huán)境問(wèn)題的同時(shí)，提高水果產(chǎn)量。

在AP、POF、HTP 和SW 方面，蘋(píng)果樹(shù)修剪枝條直燃發(fā)電在發(fā)電階段都占據(jù)了主導(dǎo)地位，其占比分別為71.02%、84.85%、74.11%和97.71%。蘋(píng)果樹(shù)修剪枝條在燃燒過(guò)程中，除了大量溫室氣體的排放外，還會(huì)釋放NOx、SO2和PM10，這些都是引起AP、POF和HTP 的主要因素。另外，發(fā)電階段產(chǎn)生的SW 主要為燃燒后留下的生物質(zhì)灰和煙氣處理后的煙氣脫硫石膏。

發(fā)電階段是蘋(píng)果樹(shù)修剪枝條直燃發(fā)電對(duì)環(huán)境造成負(fù)面影響的最主要階段。蘋(píng)果樹(shù)修剪枝條的燃燒，不可避免的會(huì)引起污染物的排放。目前，我國(guó)在對(duì)大氣污染物排放方面，已經(jīng)擁有了較為完善的政策和實(shí)施方案。但是對(duì)于固體廢棄物的處理，還需要進(jìn)一步探索[11-12]。

2.2 資源消耗評(píng)價(jià)分析

對(duì)蘋(píng)果樹(shù)修剪枝條直燃發(fā)電生命周期中的資源消耗數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，其中不同類(lèi)別和不同階段的資源消耗占比分別如表6 和表7 所示。蘋(píng)果樹(shù)修剪枝條直燃發(fā)電的資源消耗潛值0.014 6 （人·年） /（萬(wàn)kW·h） ，僅為燃煤發(fā)電的3.01%。由表5 可知，在蘋(píng)果樹(shù)修剪枝條直燃發(fā)電中，脫硫石灰石占比最大（47.00%） ， 其 次 是 電 力（ 38.68%） 和 原 油（13.66%）。由表6 可知，對(duì)于蘋(píng)果樹(shù)修剪枝條直燃發(fā)電而言，資源消耗主要集中在收集階段和發(fā)電階段，占比分別為38.68%和47.04%，在收集階段主要為蘋(píng)果樹(shù)修剪枝條在果園處理和收集時(shí)機(jī)械設(shè)備的電耗和油耗，而在發(fā)電階段主要為脫硫石灰石的消耗。

表6 不同類(lèi)別資源消耗占比Tab.6 Proportion of resource consumption in different types單位：%

表7 不同階段資源消耗占比Tab.7 Proportion of resource consumption in different stages單位：%

2.3 綜合性能評(píng)價(jià)分析

采用層次分析法將環(huán)境影響和資源消耗加權(quán)合并，可以得到蘋(píng)果樹(shù)修剪枝條直燃發(fā)電和燃煤發(fā)電兩種發(fā)電系統(tǒng)的各12 種情況下的份額和綜合性能指標(biāo)，圖6顯示了兩種發(fā)電系統(tǒng)在其中的上下限。

圖6 不同權(quán)重下占比分布及綜合性能指標(biāo)Fig.6 Proportion distribution and comprehensive performance index under different weights

由圖6 可知，對(duì)于蘋(píng)果樹(shù)修剪枝條直燃發(fā)電，不論資源消耗的權(quán)重值大小如何，環(huán)境影響都起到了主導(dǎo)作用，其最小占比82.35%。如前所述，蘋(píng)果樹(shù)修剪枝條直燃發(fā)電因SW 而對(duì)局地環(huán)境的影響較大。另外，蘋(píng)果樹(shù)修剪枝條直燃發(fā)電的綜合性能指標(biāo)最大值僅為燃煤發(fā)電最小值的57.25%，說(shuō)明蘋(píng)果樹(shù)修剪枝條這一類(lèi)生物質(zhì)，相對(duì)于不可再生的煤炭，在燃燒發(fā)電方面有較為明顯的優(yōu)勢(shì)。

2.4 敏感性分析

為進(jìn)一步分析蘋(píng)果樹(shù)修剪枝條直燃發(fā)電對(duì)環(huán)境影響、資源消耗和綜合性能的影響因素，針對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行了敏感性分析。

根據(jù)圖6 的數(shù)據(jù)，選擇最不利的情況對(duì)綜合性能指標(biāo)進(jìn)行分析（局地性，環(huán)境影響>資源消耗）。選取原料消耗率、固體廢棄物總量、CO 排放、電力消耗、原油消耗和脫硫石灰石消耗等因素進(jìn)行敏感性分析，具體如圖7 所示。

圖7 綜合性能敏感性分析Fig.7 Sensitivity analysis of comprehensive performance

由圖7 可知，綜合性能對(duì)固體廢棄物總量和原料消耗率的敏感性較大，對(duì)CO 排放的敏感性較小，而對(duì)脫硫石灰石、原油和電力的消耗基本不敏感。表明對(duì)SW 的管理與再利用，是有效降低環(huán)境負(fù)荷的手段之一。另外，原料消耗率與生物質(zhì)鍋爐的效率和生物質(zhì)原料的燃料品質(zhì)直接正相關(guān)。目前，生物質(zhì)鍋爐的效率（18.7%）相對(duì)于成熟的超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組的效率（42%），還有非常大的提升空間。同時(shí)，對(duì)生物質(zhì)原料的多種預(yù)處理工藝也能提升其燃料品質(zhì)。

3 結(jié)束語(yǔ)

將生命周期評(píng)價(jià)和層次分析法相結(jié)合，建立了基于環(huán)境影響和資源消耗的蘋(píng)果樹(shù)修剪枝條直燃發(fā)電的生命周期綜合評(píng)價(jià)模型，對(duì)其進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)。同時(shí)，將評(píng)價(jià)結(jié)果與燃煤發(fā)電對(duì)比，并就其中的關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行了敏感性分析。

（1）蘋(píng)果樹(shù)修剪枝條直燃發(fā)電的總環(huán)境影響潛值0.013 8～0.032 9（人·年） /（萬(wàn)kW·h） ，并呈現(xiàn)局地性>同等性>區(qū)域性>全球性的特征。SW 是蘋(píng)果樹(shù)修剪枝條直燃發(fā)電的主要環(huán)境影響類(lèi)型，其次為AP 和POF。從生命周期各階段來(lái)看，環(huán)境影響主要來(lái)自生長(zhǎng)階段和發(fā)電階段。

（2）蘋(píng)果樹(shù)修剪枝條直燃發(fā)電的資源消耗潛值0.014 6（人·年） /（萬(wàn)kW·h）。從階段和資源種類(lèi)占比情況來(lái)看，蘋(píng)果樹(shù)修剪枝條直燃發(fā)電資源消耗主要來(lái)源于發(fā)電階段的脫硫石灰石消耗；其次為收集階段的電力消耗和原油消耗。

（3）蘋(píng)果樹(shù)修剪枝條直燃發(fā)電的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)0.055～0.022 5（人·年） /（萬(wàn)kW·h）。其環(huán)境影響對(duì)綜合性能的作用要遠(yuǎn)大于資源消耗。另外，蘋(píng)果樹(shù)修剪枝條直燃發(fā)電的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)最大值僅為燃煤發(fā)電最小值的57.25%，表現(xiàn)出較好的優(yōu)越性。

（4）敏感性分析表明，蘋(píng)果樹(shù)修剪枝條直燃發(fā)電的綜合性能對(duì)固體廢棄物總量和原料消耗率最為敏感，資源消耗帶來(lái)的影響可忽略不計(jì)。對(duì)固體廢棄物的有效管理和處置，以及對(duì)生物質(zhì)鍋爐和燃料品質(zhì)的改進(jìn)，能進(jìn)一步提升蘋(píng)果樹(shù)修剪枝條直燃發(fā)電的環(huán)境效益。