生物質電轉氣技術的生命周期評價

薛 崟, 段鈺鋒, 丁衛科

(1.中通服咨詢設計研究院有限公司,南京 210018;2.東南大學 能源與環境學院,南京 210096)

生物質能是生物通過光合作用吸收太陽能而使自身具備的能量[1],是僅次于煤炭、石油、天然氣等傳統化石能源的第四大能源[2]。研究表明[3-4],相比于風能和太陽能發電,生物質發電具有強大的減排潛力,生物質發電項目全生命周期中溫室氣體(CO2)的排放量為42～85 g/(kW·h)。因此,生物質能是一種可再生、碳中和的優質清潔能源[5]。據統計,我國每年生成的生物質能約為4.6億t標準煤[6],然而截至2015年,生物質能的實際利用率低于10%[7]。如果能以高效合理的方式對生物質能進行開發利用,將其轉化為高品位能源,能夠顯著加快能源結構的轉型升級和促進環境治理體系的日益完善,故加快生物質能利用技術的革新刻不容緩。

生物質電轉氣技術是一種高效利用生物質能的技術,其將生物質作為電轉氣技術的能源輸入端,可以有效提高生物質能的利用率,并且顯著節約運行過程中的成本投入。大量研究成果[8-9]表明,生物質電轉氣技術能夠顯著改善生物質能的利用現狀,在緩解能源危機的同時,為解決一系列環境污染問題提供新方案,是一種綠色低碳、高效清潔的能源利用方式。

然而,現有的研究大多考慮綜合能源系統的經濟效益,卻沒有深入研究生物質電轉氣系統運行所帶來的環境影響。因此,有必要對其進行進一步評估,來判斷該項技術的投資價值及其帶來的環境影響。筆者選用我國生物質利用最廣泛的生物質直燃發電技術,同時選取最常見的玉米桿和稻秸2種生物質燃料,采用生命周期評價(LCA)模型全面評價2種生物質燃料電轉氣技術全生命周期過程及環境影響,為全面評估生物質電轉氣技術提供借鑒。

1 生物質電轉氣技術

生物質電轉氣技術可分為生物質的獲取、生物質直燃發電以及電轉氣等主要工藝流程,如圖1所示。生物質的獲取階段需要使用農業器具對生物質進行收集,并利用貨車運輸到生物質工廠。為了促進生物質完全燃燒,需要對生物質進行攪碎、干燥等預處理,去除生物質中的水分,干燥的生物質進入直燃發電系統進行反應。生物質發電技術涉及到的主要設備有高溫鍋爐、高壓蒸汽輪機及配套發電機。在該動力系統中,生物質作為燃料在鍋爐中燃燒,將燃燒產生的大量熱量通入加熱器中,將水加熱成高溫蒸汽并輸送到汽輪機中,帶動汽輪機做功,由汽輪機推動發電機發電,最終獲取生物質電。

圖1 生物質電轉氣技術的工藝流程圖

生物質電轉氣技術是將生物質所發出的電作為電轉氣技術的能源供應端,采用電轉氣儲能技術來消納過剩的生物質,可以將生物質能以可燃氣體的形式進行儲存,不僅實現了生物質能的高效利用,緩解生物質就地焚燒帶來的環境問題,而且顯著減少了電轉氣技術的購電成本。

2 生物質發電過程模擬

選擇生物質直燃發電技術作為研究對象,模擬結果可為生物質電轉氣技術的生命周期評價提供參考數據。

2.1 生物質直燃發電階段的建模

為便于對生物質電轉氣技術進行流程模擬,對工藝過程進行如下假設:(1)生物質燃燒過程分為熱解和燃燒,分別在產率反應器和鍋爐中進行;(2)生物質直燃發電所涉及的所有部件均處于穩定狀態,初始設置的參數條件保持不變;(3)鍋爐內燃料與氧氣充分接觸并完全反應,燃料組分在同一溫度、壓強條件下反應;(4)除去生物質電廠建設階段,不考慮其他階段因設備運行所帶來的環境污染或資源消耗。

在上述假設條件下,對生物質直燃發電技術進行工藝流程的模擬分析,如圖2所示。

圖2 生物質直燃發電技術的模擬流程圖

首先,生物質原料經產率分解器分解為C、H2、S、O2、N2等常規組分,將分解過程中釋放的熱量(Q1)通入鍋爐中,為其提供燃燒所需熱能;其次,分解產物被送進鍋爐中進行燃燒,同時,將空氣作為燃燒過程的氧化劑一起通入鍋爐中,將燃燒過程中釋放的熱量(Q2)送入加熱器中。燃燒生物質所得產物進入冷凝器中進行冷卻,將冷凝過程釋放的熱量(Q3)輸送到加熱器中。冷卻后的產物經旋風分離器進行氣固分離,將燃燒過程中形成的灰分排出,將燃燒釋放的混合氣體排出。最終,將水送入加熱器中加熱成高溫蒸汽,由高溫蒸汽帶動汽輪機做功并產生電能(W1),將剩余的水蒸氣排出。

2.2 參數設定與模擬結果

生物質直燃發電階段的參數設置如表1所示。其中,汽輪機選型為Turbine,類型為Isentropic,等熵效率為0.9,發電效率為0.95。

表1 生物質直燃發電階段的參數設置

生物質原料選擇稻秸和玉米稈,其工業分析和元素分析結果分別參考文獻[11]和文獻[12]。在Calculate計算模塊中添加Fortran子程序來計算物流的組成成分[9],模擬結果如表2和表3所示。

表2 生產1 kW·h電能生物質的消耗量

表3 生產1 kW·h電能污染物排放量

3 生命周期評價

生命周期評價的基本步驟分別為目標與范圍確定、清單分析、影響評價和結果解釋。

3.1 目標與范圍確定

生物質電轉氣技術生命周期評價的目標是獲得該技術整個生命周期內的環境影響和資源消耗,分析其經濟效益和環境效益。將1 kg CH4作為功能單位。生物質電轉氣系統邊界是指生物質的獲取、生物質直燃發電、CH4和H2的生產、CH4的運輸及利用等主要過程。生物質電轉氣技術的生命周期框圖如圖3所示。

圖3 生物質電轉氣技術生命周期的系統邊界

生物質電轉氣技術生命周期評價的影響因素較多,筆者對生物質電轉氣技術的系統邊界進行以下假設:(1)產品CH4均作為燃料使用且完全燃燒,產物僅為CO2和水蒸氣;(2)不考慮碳捕集系統及加壓裝置的運行能耗;農藥的使用量遠低于化肥的用量,且缺乏與該部分相關的參考數據,故農藥的環境影響忽略不計;(3)在生物質燃燒時CO2的排放量與生物質進行光合作用時的CO2吸收量相等,以1 kg CH4為功能單位,凈CO2吸收量為0 g。

3.2 清單分析

生物質電轉氣技術生命周期的環境影響清單由各階段直接排放和間接排放的污染物構成。資源消耗需考慮整個生命周期過程中能源和礦物質的投入。筆者選取了玉米稈和稻秸2種生物質進行分析。

3.2.1 生物質的獲取階段

生物質的獲取階段包括生物質生長、收割、包裝、運輸以及預處理等階段。

(1) 生物質生長階段

生物質生長階段的直接排放包含農田的排放和生物質在進行呼吸作用與光合作用時所排放的污染物。農田自身會排放N2O和CO2,每噸玉米在生長階段的N2O排放量為0.4 kg,CO2排放量為600 kg[12]。稻田中每平方米稻谷在生長階段的CH4、N2O排放量分別為0.017 kg、0.000 565 kg[11]。

生物質生長階段的間接排放一方面包括進行種植、灌溉、收割時農業器具消耗電能和柴油所引起的環境排放,另一方面,包括化肥和農藥在生產階段的污染物排放。每噸玉米在生長階段的電能和柴油消耗量分別為61.1 kW·h、9.2 kg[12-13],每公頃稻谷在生長階段的電能和柴油消耗量分別為1 322.2 kW·h、145.5 kg[11]。稻谷的產量設為0.68 kg/m2[11]。從Ecoinvent3.5數據庫中獲取在生產和運輸過程中柴油、潤滑劑、化肥的相關數據。種植1 t玉米時氮肥、鉀肥和磷肥的投入量分別為17.4 kg、20.9 kg和5.3 kg,種植1 ha稻谷時氮肥、鉀肥和磷肥的投入量分別為195.9 kg、71 kg和45.9 kg,化肥的流失率為16.3%[11],忽略農藥生產階段的間接排放。

分析玉米稈和稻秸的環境影響時,需要利用經濟價值法,計算秸稈和稻秸的分配系數Kcs[13]。

(1)

式中:MMF,cs為玉米稈與玉米的質量比,取1.2;MMF,cc為玉米芯與玉米的質量比,取0.35;Pcc為玉米芯的市場平均售價,取450元/t;Pcg為玉米的市場平均售價,取2 100元/t;Pcs為玉米稈的市場平均售價,取450元/t。

計算可得,玉米稈和稻秸的分配系數分別為0.160 9和0.120 5。

(2) 生物質收集階段

該階段的環境影響主要考慮農業器械消耗燃料和電能時所引起的污染物排放,鏟車及叉車是主要的油耗設備,每噸玉米稈和稻秸在收集階段的消耗量分別為0.67 kg、2 kg[12],打包機、破碎機、抓斗起重機是主要能耗設備,每噸玉米稈和稻秸收集階段的總耗電量分別為18.2 kW·h[14]、18 kW·h[12]。

(3) 生物質運輸階段

生物質運輸階段的環境影響只考慮載具的污染物排放。運載工具為載重8 t的中型貨車[15],燃料消耗量為0.02 kg/(t·km)[16],道路曲折因子為1.3,油耗為1 L/km,柴油密度取為0.9 kg/L。假定柴油完全燃燒,運輸過程中的污染物排放參照國家標準[17]。N2O和CH4的排放因子依據歐洲第Ⅲ號排放標準中規定的柴油中型貨車主要排放物排放因子獲得[18]。將貨車返程中的空載排放納入考慮范圍。假定玉米稈和稻秸的收集半徑均為34.5 km[19-22]。

3.2.2 生物質直燃發電階段

生物質直燃發電階段包括電廠的建設和運行,其中運行階段包括生物質燃燒、汽輪機做功、發電機發電等主要過程。假設生物質電廠的裝機容量為12.5 MW,工作時長為10 h/d,一年中有300 d正常運行,發電效率為22%,服役年限為25 a,生物質直燃發電廠建設階段的清單數據參照文獻[23]。在生物質燃燒時,鍋爐中會排放CO2、SO2、NOx等污染物。生物質直燃發電階段的模擬結果如表2和表3所示。

3.2.3 CH4和H2的生產

CH4和H2的生產為電轉氣過程,將生物質直燃發電所獲得的電能作為電轉氣技術的電能供應端,促使反應的發生并生成H2,H2在甲烷化裝置中與CO2進一步反應生成甲烷。采用堿性水電解技術(AWE),整個電轉氣過程的排放物只有O2和H2O。根據文獻[24]可知,生產1 kg CH4需消耗電量20.11 kW·h;根據模擬結果,得出生產1 kg CH4需消耗4.492 kg的H2O和2.743 kg的CO2。假設H2與CO2反應時所需的高溫環境由甲烷化過程中產生的余熱來滿足,且不考慮金屬催化劑生產所需的能源、設備及催化劑材料的處理。

3.2.4 CH4的運輸及利用

甲烷的運輸及使用階段主要考慮甲烷從生產源到用戶使用端的運輸過程和甲烷的燃燒過程。通過電轉氣技術生成的合成甲烷(SNG)經加壓裝置壓縮后形成液化天然氣(LNG),液化天然氣以存放在儲存罐中的形式被輸送到用戶端,生產源到用戶使用端的運輸距離取200 km[25],運輸全程所用的交通工具為載重8 t的中型貨車[15],燃料是柴油。污染物為由CH4完全燃燒生成的CO2以及柴油燃燒所釋放的污染物。以1 kg CH4為功能單位的生物質電轉氣技術整個生命周期內的資源消耗和污染物排放分別見表4和表5。

表4 以1 kg CH4為功能單位的生物質電轉氣技術全生命周期中資源消耗清單

表5 以1 kg CH4為功能單位的生物質電轉氣技術全生命周期中污染物排放清單

3.3 生物質電轉氣技術的環境影響評價

采用SimaPro軟件對生物質電轉氣技術全生命周期進行環境影響評價,廠建階段的資源消耗及污染物排放數據來自相關文獻、Ecoinvent 3.5、ELCD數據庫,生物質直燃發電階段輸入和輸出的相關數據來自Aspen Plus,CH4和H2的生產階段、CH4運輸和利用階段的輸入和輸出情況參考文獻[24]中的相關數據。基于CML-IA baseline 3.05分析方法對2種生物質電轉氣技術的環境影響潛值進行計算,結果如表6和表7所示。

表6 以1 kg CH4為功能單位的生物質(玉米稈)電轉氣技術環境影響評價結果

表7 以1 kg CH4為功能單位的生物質(稻秸)電轉氣技術環境影響評價結果

3.4 結果分析與討論

將2種生物質電轉氣技術各環境影響類型的標準值進行匯總,結果如表8所示。2種生物質電轉氣技術的環境影響標準化值對比如圖4所示。由圖4可知,海洋水生毒性、全球暖化、淡水水生毒性以及酸化是表現較為突出的環境影響類型。在全球暖化、人體毒性、酸化等環境影響類型上,2種生物質的影響程度較為相似。然而,在海洋水生毒性這一環境指標上,兩者表現差異較大,以1 kg CH4為功能單位,生物質(稻秸)電轉氣技術的影響潛值高達5 450 kg(以1,4-DB的質量計),其中生物質獲取階段的貢獻占比達97.2%。稻秸的海洋水生毒性潛值是玉米桿相應潛值的2.8倍,這是因為在水稻的生長階段,農藥和化肥的投入量較大,造成水體中的有害物質含量較高。在人體毒性、光化學污染、富營養化、化石燃料消耗等環境指標上,這2種生物質的影響程度較小,具有良好的環境效益。

由表8可知,玉米稈電轉氣的環境影響程度低于稻秸電轉氣。這是由于稻秸中的灰分含量較高,在生物質直燃發電階段,灰分會轉化成多種環境污染物,造成嚴重的環境污染。其中,編號1～編號11下玉米稈與稻秸電轉氣技術環境影響潛值的比值分別為34.74%、86.21%、88.77%、67.97%、63.15%、53.53%、35.76%、44.22%、37.30%、62.01%和15.78%。

2種生物質各階段對不同環境影響類型的貢獻程度分別如圖5和圖6所示。在整個生命周期過程中,除酸化和全球暖化這2種環境影響類型外,甲烷和氫氣生產階段的環境影響潛值始終為負。這是由于進行甲烷化反應時吸收了大量CO2,且生成物中只有CH4和H2O,這對于溫室效應、臭氧層耗竭、富營養化等環境問題有顯著的緩解作用。對比圖5和圖6可知,生物質直燃發電階段和生物質獲取階段對環境影響類型的貢獻程度均較大。這是因為生物質獲取階段對柴油、電能等資源的需求量較大,柴油燃燒和電能生產過程中會排出較多污染物,農藥、化肥的投入也是加重環境污染的重要原因;生物質直燃發電階段會釋放大量CO2、SO2等環境污染物,促使環境影響潛值維持在較高水平。

圖5 生物質(玉米稈)生命周期各階段對環境影響類型的貢獻程度

圖6 生物質(稻秸)生命周期各階段對環境影響類型的貢獻程度

3.5 2種生物質的環境影響程度對比

對海洋水生毒性、全球暖化這2種表現較為突出的環境影響類型進行分析,探索造成這2種環境污染問題的主要原因,并提出相應的解決方案。

3.5.1 全球暖化

圖7(a)和圖7(b)分別給出了玉米稈電轉氣與稻秸電轉氣的全球暖化潛值(GWP)的占比情況。可以發現,生物質直燃發電階段所占比重均最大,分別為46%和41%。該階段對全球暖化貢獻值較大的原因是碳元素含量在生物質元素中占比較大,當生物質在高溫鍋爐中燃燒時會產生大量CO2,這是導致溫室效應的最主要原因。甲烷、氫氣的生產階段對全球暖化潛值的貢獻程度僅次于生物質直燃發電階段,分別為35%和32%。這是由于生物質電是作為電轉氣技術的能源供應端,需要將產生生物質電時所帶來的環境污染納入環境影響評價的考慮范圍,正是這一因素促使全球暖化潛值處于較高水平。

(a) 玉米稈

3.5.2 海洋水生毒性

以1 kg CH4為功能單位,2種生物質在各階段的海洋水生毒性潛值的對比如圖8所示。可以發現,稻秸電轉氣技術在生物質獲取階段的海洋水生毒性潛值很大,遠超玉米稈電轉氣技術的生物質獲取階段。造成這種現象的原因是在水稻的生長階段,農藥和化肥的投入量較大,造成水體中的有害物質含量較高。在其余的3個階段,海洋水生毒性潛值差別較小,并且甲烷和氫氣生產階段的影響潛值為負,再次證明電轉氣技術是一項環境友好型的儲能技術。

圖8 2種生物質的海洋水生毒性潛值

4 結論

(1) 海洋水生毒性、全球暖化、淡水水生毒性以及酸化是表現較為突出的環境影響類型。在全球暖化、人體毒性、酸化等環境影響類型上,玉米稈電轉氣技術和稻秸電轉氣技術的影響程度較為相似。在海洋水生毒性這一環境指標上,兩者表現差異較大。

(2) 玉米稈電轉氣的環境影響程度均低于稻秸電轉氣。在人體毒性、光化學污染、富營養化、化石燃料消耗等環境指標上,這2種生物質的影響程度較小。

(3) 在主要環境影響類型中,生物質直燃發電階段和生物質獲取階段的比重均較大。在整個生命周期過程中,除酸化和全球暖化這2種環境影響類型外,甲烷和氫氣生產階段的環境影響潛值始終為負。

(4) 生物質直燃發電階段占據玉米稈電轉氣和稻秸電轉氣全球暖化潛值的最大比重,分別為46%和41%。甲烷、氫氣的生產階段對全球暖化潛值的貢獻程度僅次于生物質直燃發電階段,分別為35%和32%。