基于LCA方法的秸稈沼氣發(fā)電和制備生物天然氣的環(huán)境排放評(píng)價(jià)

吳媛媛，常旭寧，張佳維

(北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)研究院，北京 100000)

由于面臨著天然氣嚴(yán)重依賴進(jìn)口的現(xiàn)實(shí)，我國(guó)政府計(jì)劃大力促進(jìn)生物天然氣行業(yè)的發(fā)展，將其納入國(guó)家能源系統(tǒng)。據(jù)測(cè)算，全國(guó)每年產(chǎn)生農(nóng)作物秸稈10.4億噸，可收集資源量約9億噸，尚有1.8億噸的秸稈未得到有效利用[1]。直接焚燒或簡(jiǎn)單處理還田等粗放處理手段直接造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題與資源浪費(fèi)。秸稈通過(guò)厭氧發(fā)酵產(chǎn)生沼氣，可以直燃發(fā)電，也可以進(jìn)一步提純制備生物天然氣，是在技術(shù)上相對(duì)成熟的秸稈能源利用方式。然而，在秸稈能源化利用的過(guò)程中，原料的收儲(chǔ)運(yùn)、發(fā)酵、凈化以及沼氣利用等過(guò)程都會(huì)直接或者間接排放污染物，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生一定的影響。

因此，文章以玉米秸稈作為原料，對(duì)秸稈沼氣發(fā)電和制備生物天然氣兩種能源化利用方式進(jìn)行生命周期環(huán)境評(píng)價(jià)以及敏感因素分析，為工藝技術(shù)路線的選擇提供參考。

1 工程規(guī)模及工藝

1.1 工程規(guī)模

從國(guó)家能源局發(fā)布的政策來(lái)看，大型沼氣工程和生物天然氣工程是未來(lái)中國(guó)沼氣工程建設(shè)的主流趨勢(shì)。故本研究設(shè)定沼氣工程的產(chǎn)沼氣規(guī)模為日產(chǎn)2萬(wàn)m3。用于沼氣直燃發(fā)電，日發(fā)電量約4萬(wàn)kWh，用于提純后制備生物天然氣，可產(chǎn)氣量約1.2萬(wàn)m3。

1.2 工藝技術(shù)及參數(shù)工藝

沼氣工程采用較成熟的全混濕式發(fā)酵工藝，發(fā)酵溫度為中溫37℃。玉米秸稈由種植區(qū)收集運(yùn)輸至進(jìn)料池，經(jīng)過(guò)揉搓機(jī)將成型秸稈破碎為細(xì)小顆粒進(jìn)行預(yù)處理，發(fā)酵結(jié)束時(shí)將沼液進(jìn)行固液分離，分離后的清液部分回流稀釋進(jìn)料，故默認(rèn)此工程無(wú)沼液排放。由于秸稈在運(yùn)輸和預(yù)處理過(guò)程中會(huì)存在物料的損失，在此以110%比例對(duì)秸稈消耗量進(jìn)行估計(jì)，故工程每天消耗秸稈干物質(zhì)量為63 t，每年所需干秸稈2.3萬(wàn)t。發(fā)酵所產(chǎn)沼氣經(jīng)過(guò)脫硫除雜后進(jìn)入沼氣發(fā)電機(jī)或經(jīng)過(guò)提純后進(jìn)入儲(chǔ)氣罐或者入管網(wǎng)。由于壓力水洗法廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程，而且能耗較低、可靠性較好，本沼氣工程提純工藝選用大型項(xiàng)目常用的壓力水洗方式，將平均甲烷含量為60%的沼氣提純制到符合天然氣二類(lèi)氣和生物天然氣二類(lèi)氣的標(biāo)準(zhǔn)，甲烷含量大于等于95%。在沼氣發(fā)電情境下，沼氣發(fā)電機(jī)余熱用于加熱發(fā)酵罐以維持中溫發(fā)酵；在沼氣提純制備生物天然氣情境下，直接燃燒沼氣產(chǎn)生熱量加熱發(fā)酵罐體。

玉米秸稈進(jìn)料總固體濃度(TS)為10%，水力停留時(shí)間(HRT)為60天。秸稈單位干物質(zhì)沼氣產(chǎn)率為350 m3·t-1TS[2]，設(shè)定秸稈的干物質(zhì)去除率為35%，經(jīng)計(jì)算每天產(chǎn)生絕干沼渣量為41 t，每年產(chǎn)生沼渣量1.5萬(wàn)t。工藝流程如圖1所示。

圖1 沼氣工程兩種能源利用方式工藝流程圖

2 目標(biāo)與范圍定義

生命周期評(píng)價(jià)方法在目標(biāo)與范圍定義過(guò)程中要確定研究的目的、范圍及定義相應(yīng)的功能單元，即確定需要計(jì)入本沼氣工程環(huán)境評(píng)價(jià)系統(tǒng)的參數(shù)。根據(jù)沼氣工程各工藝流程的特點(diǎn)，劃定生命周期起始邊界為玉米秸稈由種植區(qū)收集至沼氣工程，終止邊界為固液分離后，沼渣還田，系統(tǒng)邊界內(nèi)的能量流動(dòng)說(shuō)明如下：

(1)秸稈是農(nóng)作物種植過(guò)程中所產(chǎn)生的副產(chǎn)品，作物生長(zhǎng)過(guò)程中的能耗以及環(huán)境排放不計(jì)入系統(tǒng)。

(2)秸稈發(fā)酵沼氣提純制備生物天然氣主要目的是替代傳統(tǒng)燃煤；沼氣發(fā)電工程主要是替代傳統(tǒng)燃煤火力發(fā)電，所以在此將替代標(biāo)準(zhǔn)煤過(guò)程中產(chǎn)生的排放也計(jì)入在內(nèi)，替代排放值為負(fù)值。

(3)在沼氣脫硫過(guò)程中，需要使用到純堿作為脫硫劑，而純堿制造業(yè)屬于高能耗產(chǎn)業(yè)，故在此將純堿生產(chǎn)過(guò)程中所產(chǎn)生的環(huán)境排放計(jì)入系統(tǒng)內(nèi)部。

(4)廠房基建所需材料種類(lèi)多，不同工程建設(shè)建材差異性較大，建設(shè)階段所產(chǎn)生的排放占系統(tǒng)整體排放比重高，對(duì)于最終評(píng)價(jià)結(jié)果影響的不確定性較大，不將其計(jì)入系統(tǒng)。

綜上所述，具體邊界劃分見(jiàn)圖2和圖3。

圖2 沼氣發(fā)電情景下生命周期邊界劃分

圖3 沼氣制備生物天然氣情景下生命周期邊界劃分

3 清單分析

3.1 秸稈原料運(yùn)輸階段

秸稈主要通過(guò)柴油貨車(chē)運(yùn)輸，貨車(chē)的平均耗油量為0.08 L·t-1km-1[3]。根據(jù)秸稈經(jīng)濟(jì)收集半徑計(jì)算公式(1)，以河北省保定市農(nóng)作物種植狀況為例[4-6]，計(jì)算得到：

R2=M/πM0αβ

(1)

式中：R為秸稈的收集半徑，m；M為年秸稈收集總量，kg；M0為單位面積秸稈廢棄物總量，kg·m-2；α為作物種植面積的比例；β為秸稈廢棄物用于能源的比例。

收集半徑結(jié)果約為10 km，貨車(chē)往復(fù)運(yùn)輸距離為20 km。由公式(2)可計(jì)算得出運(yùn)輸過(guò)程每年的柴油消耗量為：

23000 t·a-1×0.08 L·t-1km-1×20 km=36800 L·a-1

(2)

3.2 秸稈預(yù)處理階段

預(yù)處理階段需要3臺(tái)揉搓機(jī)將秸稈進(jìn)行粉碎，將揉搓機(jī)多消耗的電量計(jì)入總電力耗能。按每臺(tái)電機(jī)功率6 kW，生產(chǎn)效率1600 kg·h-1，設(shè)備全年運(yùn)行計(jì)算得到3臺(tái)設(shè)備全年的耗電量為8.63 ×104kWh。

3.3 秸稈沼氣發(fā)酵階段

3.3.1 秸稈進(jìn)料

根據(jù)進(jìn)料總量可計(jì)算得到，功率為7.5 kW的進(jìn)料泵每天運(yùn)行有效工時(shí)為12 h，計(jì)算得到進(jìn)料泵年總耗電量為6.57×104kWh。

3.3.2 發(fā)酵罐攪拌

設(shè)定每個(gè)發(fā)酵罐設(shè)計(jì)容積為5000 m3，半徑8 m，高25 m。單層攪拌、不通氣條件下攪拌機(jī)的功率計(jì)算式如下：

P0=Kd5N3ρ

(3)

式中：P0為攪拌機(jī)功率；K為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；d為攪拌器直徑；N為攪拌器轉(zhuǎn)速；ρ為發(fā)酵液密度。

根據(jù)計(jì)算可得到攪拌液體雷諾數(shù)(ReM)為1.6×104，查經(jīng)驗(yàn)圖可知攪拌功率準(zhǔn)數(shù)NP為4.8。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式可計(jì)算得到攪拌器的軸直徑約為0.8 m。通過(guò)公式(3)可計(jì)算得到單層攪拌器的功率P0為14 kW，發(fā)酵罐攪拌所需能量為4.9×105kWh。

3.3.3 發(fā)酵出料脫水

發(fā)酵結(jié)束后需用固液分離機(jī)將出料沉淀中的水分脫除得到絕干沼渣，工程年產(chǎn)干沼渣約1.5×104t，選用功率為4 kW，處理量為12 m3·h-1的機(jī)器，年耗電總量為5.0×103kWh。

3.3.4 發(fā)酵罐加熱能耗計(jì)算

當(dāng)沼氣用于發(fā)電時(shí)，其產(chǎn)生的余熱可以用于對(duì)發(fā)酵罐進(jìn)行加熱，此階段沒(méi)有外部能源消耗所產(chǎn)生的排放。當(dāng)沼氣提純制備生物天然氣時(shí)，需要利用沼氣鍋爐燃燒產(chǎn)生熱量對(duì)發(fā)酵罐進(jìn)行加熱，以中溫發(fā)酵(38℃)作為條件，參照劉建禹[7]等報(bào)道中沼氣工程發(fā)酵罐加熱保溫過(guò)程中所需用的能耗計(jì)算方法，設(shè)定發(fā)酵液比熱容近似等于純水的比熱容4.2×103J·kg-1℃，根據(jù)沼氣工程的年進(jìn)料量與平均所需加熱溫度，室外計(jì)算溫度參照河北省全年各月平均溫度[8]計(jì)算得到4個(gè)發(fā)酵罐體每日保溫沼氣消耗量為1.95×103m3，全年消耗沼氣7.21×105m3。

3.3.5 沼渣運(yùn)輸

在沼渣運(yùn)輸階段，耗能主要來(lái)自于沼渣運(yùn)輸過(guò)程所消耗的柴油量。經(jīng)計(jì)算沼氣工程所每年產(chǎn)生的沼渣的量為1.5×104t，設(shè)定脫水后沼渣含水量為20%，則濕沼渣總量為1.8×104t。設(shè)定沼渣處理方式為直接還田，運(yùn)輸半徑為10 km，貨車(chē)往復(fù)運(yùn)輸距離為20 km，故每年運(yùn)輸沼液沼渣過(guò)程中的柴油消耗量為：

18000 t·a-1×20 km×0.08 L·t-1km-1=28800 L·a-1

(4)

3.3.6 沼渣堆放暫存

在沼渣尚未被處理時(shí)，一般會(huì)暫時(shí)堆放在廠區(qū)內(nèi)，廠區(qū)內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械以及卡車(chē)的耗油量以及沼渣堆放時(shí)所逸出氣體如CH4，NH3，N2O計(jì)入系統(tǒng)。設(shè)定卡車(chē)單次的轉(zhuǎn)運(yùn)距離為200 m，單次裝載量為5 t，耗油量為0.08 L·t-1km-1，轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械的單次作業(yè)行動(dòng)距離為20 m，額定載重量為4 t，每小時(shí)工作量為50 t，耗油量為15 L·h-1，經(jīng)計(jì)算裝載機(jī)總耗油量為4500 L·a-1，卡車(chē)的總耗油量為240 L·a-1。根據(jù)衣瑞建[9]等的研究報(bào)道，CH4的排放量一般為最大生產(chǎn)量的0.1%～8.5%，在此選取1%。NH3與N2O的排放量分別是沼渣沼液中氨氮含量的13.6%和0.1%。玉米秸稈發(fā)酵后沼渣沼液中氨氮的量約為0.20 kg·t-1。綜上，本研究中沼渣沼液堆放以及生產(chǎn)過(guò)程中共逸出CH4約為7.3×104m3；沼液沼渣堆放過(guò)程中NH3產(chǎn)生量約為0.41 t；N2O產(chǎn)生量為0.003 t。

3.4 沼氣脫硫除雜發(fā)電階段

脫硫除雜時(shí)主要的耗能設(shè)備為脫硫塔風(fēng)機(jī)。當(dāng)處理速率為1200 m3·h-1時(shí)，脫硫塔風(fēng)機(jī)選用功率為6 kW，根據(jù)日產(chǎn)沼氣2×104m3的前提條件，設(shè)定脫硫設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)凈工時(shí)為8 h·d-1，故脫硫設(shè)備的耗電量為3.5×104kWh·a-1。脫硫工藝中使用的脫硫劑為純堿，按每噸輕質(zhì)純堿綜合能耗為360 kg標(biāo)準(zhǔn)煤[10]，根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)，本研究中生產(chǎn)純堿耗能折合電力后為2.56×105kWh。

沼氣脫硫除雜后直接加壓進(jìn)入發(fā)電機(jī)發(fā)電，在此選用SWR-175羅茨鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行沼氣增壓，選用顏巴赫-4系列沼氣發(fā)電機(jī)，發(fā)電產(chǎn)能及羅茨風(fēng)機(jī)的具體工作參數(shù)如表1和表2。經(jīng)計(jì)算，全年沼氣增壓機(jī)共耗電1.24×105kWh。

表1 沼氣工程日發(fā)電產(chǎn)能計(jì)算

表2 SWR-175羅茨鼓風(fēng)機(jī)技術(shù)參數(shù)

3.5 沼氣制備生物天然氣提純凈化階段

選用壓力水洗法進(jìn)行提純，耗電量為0.25 kWh·m-3[11]，年耗電量為1.8×106kWh·a-1。去除罐體保溫加熱所耗沼氣之外，工程的沼氣產(chǎn)量為6.58×106m3·a-1，提純后全年可生產(chǎn)生物天然氣3.95×106m3·a-1。通過(guò)表3與表4的對(duì)比，可以看出秸稈發(fā)酵制生物天然氣過(guò)程中由于需要額外的能耗用于發(fā)酵罐的保溫和提純，使得秸稈發(fā)酵制生物天然氣的總能耗大于秸稈發(fā)酵沼氣發(fā)電。

表3 秸稈發(fā)酵制沼氣發(fā)電各階段能耗量

表4 秸稈發(fā)酵制生物天然氣各階段能耗量

4 環(huán)境排放計(jì)算及分析

4.1 各階段環(huán)境排放量

最終的污染物總排放是根據(jù)不同能源消耗量和其排放系數(shù)而計(jì)算得出的，具體見(jiàn)公式(5)。主要的能源包括電力、柴油、沼氣。發(fā)電和提純制生物天然氣各階段能耗量分別見(jiàn)表5和表6所示。

M=q×a

(5)

式中：M為污染物排放總量，t;q為不同能源消耗量，kWh，MJ，m3，kg;a為不同能源燃燒后的排放系數(shù)，g·kWh-1，g·MJ-1，g·m-3，g·kg-1。

各種能量來(lái)源在產(chǎn)生的過(guò)程中直接或者間接產(chǎn)生環(huán)境排放的排放系數(shù)見(jiàn)表5所示。

表5 各種能源污染物排放系數(shù)

根據(jù)秸稈發(fā)酵沼氣能源化過(guò)程能耗結(jié)果以及表5中各能源污染物排放系數(shù)計(jì)算得到，秸稈沼氣發(fā)電環(huán)境排放如表6所示，秸稈沼氣提純生物天然氣環(huán)境排放如表7所示。

表7 秸稈沼氣提純生物天然氣污染物總排放 (kg·a-1)

4.2 特征化計(jì)算

4.3 標(biāo)準(zhǔn)化及加權(quán)

將特征化計(jì)算后得到的影響潛值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和加權(quán)賦值計(jì)算。本研究主要采用中國(guó)1990年的環(huán)境影響負(fù)荷作為加權(quán)計(jì)算的基準(zhǔn)值，環(huán)境影響標(biāo)準(zhǔn)化潛值計(jì)算如公式(6)[16]:

NEP(M)=EP(M)/ER(M)

(6)

式中：NEP(M)為第M種環(huán)境影響潛值標(biāo)準(zhǔn)化后的值；EP(M)為系統(tǒng)中第M種環(huán)境影響潛值；ER(M)為第M種環(huán)境影響潛值加權(quán)計(jì)算基準(zhǔn)值。

秸桿沼氣發(fā)電的環(huán)境排放影響潛值如表8所示，秸稈沼氣提純制生物天然氣的環(huán)境排放影響潛值見(jiàn)表9所示。可見(jiàn)，秸稈沼氣發(fā)電代替燃煤發(fā)電對(duì)環(huán)境的影響大于秸桿沼氣提純制生物天然氣替代民用散煤。

表8 秸桿沼氣發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)化后各環(huán)境影響潛值

表9 秸桿沼氣提純制生物天然氣標(biāo)準(zhǔn)化后各環(huán)境影響潛值

4.4 環(huán)境排放影響因素的敏感性

對(duì)秸稈制沼氣發(fā)電和沼氣提純制備生物天然氣兩種情景下的敏感性進(jìn)行分析，改變各工藝階段數(shù)據(jù)進(jìn)行生命周期環(huán)境排放潛值計(jì)算，結(jié)果如表10和表11所示。

表10 沼氣發(fā)電情景下參數(shù)變化前后環(huán)境影響變化

表11 沼氣集中供氣參數(shù)變化前后環(huán)境影響變化

可以看出，沼氣發(fā)電過(guò)程中單位干物質(zhì)沼氣產(chǎn)率是最敏感因素，要通過(guò)工藝過(guò)程改進(jìn)和過(guò)程控制，提高產(chǎn)氣率；沼氣提純生物天然氣過(guò)程，沼氣提純技術(shù)工藝的選擇最敏感的因素，需要根據(jù)場(chǎng)地、規(guī)模、經(jīng)濟(jì)、運(yùn)行要求等條件盡量選擇能耗較低的提純工藝，進(jìn)而減少對(duì)環(huán)境的影響。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)根據(jù)兩種秸稈處理方式所計(jì)算得到的環(huán)境影響值的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，沼氣提純生物天然氣替代民用散煤相較于沼氣代替燃煤火力發(fā)電對(duì)環(huán)境的影響更小。說(shuō)明從環(huán)境排放的角度，畜禽糞污、秸稈等發(fā)酵制生物天然氣更適合通過(guò)管網(wǎng)供給周?chē)用裉娲⒚骸?/p>

(2) 對(duì)于沼氣發(fā)電過(guò)程，其中對(duì)環(huán)境排放影響最大的單元是秸稈發(fā)酵階段。

(3) 對(duì)于沼氣提純制備生物天然氣過(guò)程，對(duì)環(huán)境排放影響最大的單元是沼氣的提純過(guò)程。

(4) 通過(guò)敏感性計(jì)算發(fā)現(xiàn)，對(duì)于沼氣發(fā)電過(guò)程，單位干物質(zhì)沼氣產(chǎn)率是最敏感因素；對(duì)于沼氣提純生物天然氣過(guò)程，最敏感因素為沼氣提純技術(shù)工藝的選擇。