北方地区生物质颗粒燃料全生命周期碳排放评价_李佳仑.pdf

DOI:10 13719/j cnki 1009 6825 202315006北方地区生物质颗粒燃料全生命周期碳排放评价收稿日期:2022 11 16基金项目:大学生创新创业训练计划项目(项目编号:X202210009055)作者简介:李佳仑(2002 )，男，在读本科生，建筑环境与能源工程专业*通信作者:苑翔(1978 )，男，博士，副教授，从事建筑节能和再生能源研究李佳仑，苑翔*(北方工业大学土木工程学院，北京100144)摘要:分析了生物质固体颗粒燃料的全产业链和特性，根据产业链划分了生物质固体颗粒燃料的全生命周期碳排放边界，通过把全生命周期划分为种植阶段、生产阶段、运输阶段和使用阶段等 4 个阶段组成，主要的碳排放阶段为生产阶段和运输阶段，建立了碳排放计算模型，通过计算得到北方地区生物质固体颗粒燃料的平均碳排放为 0 09 g CO2/kg，只占其燃烧使用阶段碳排放的 5 3%，从全生命周期来看，生物质固体颗粒燃料碳排放量很小，可看作是零碳能源。关键词:生物质固体颗粒;全生命周期;碳排放中图分类号:TU241 91文献标识码:A文章编号:1009 6825(2023)15 0022 041概述“双碳”目标提出以来，社会各行业都为目标的实现制订行之有效的技术路径和行动方案。能源领域是实现双碳目标最重要的领域，能源系统减少碳排放的基本措施是减少化石能源的应用，采用可再生能源替代化石能源。生物质燃料具有可再生和环境友好的双重特点，被认为是未来可持续能源系统的重要能源，可以看作一种绿色能源，是一种新型洁净能源。生物质能源在农村地区具有很好的应用前景。碳中和制度下，农村的清洁供暖地位会越来越重要。政府在减排的国家要求和农村供暖之间很难找到科学的平衡手段。我国建筑运行能耗一直维持在社会总能耗的 20%25%，北方城镇建筑采暖和农村生活用煤约为1 6 亿 t 标煤/a，北方城镇采暖能耗约占全国建筑总能耗的 36%，为建筑能源消耗的最大组成部分1。在采暖能源种类中，煤是主要的能源种类。民用散煤主要集中在城乡结合部和村镇，村镇、城乡结合部的散煤治理是难点。据不完全统计，在我国 1 6 亿户农村居民家庭中，采取分散采暖模式的约有 9 300 万户，其中燃煤采暖约 6 600 万户，年散煤使用量约 2 亿 t 3 亿 t，占到煤炭终端消费量的 10%左右2。作物秸秆是农作物生产系统中一项重要的生物质能源。我国是秸秆资源最为丰富的国家，每年可生产秸秆约8 2 亿 t，但是秸秆的资源化利用率不足70%。随着农作物单产的提高，农业主产区出现秸秆资源大量过剩的问题，农民直接焚烧秸秆等粗放处理手段直接造成了严重的环境污染问题与资源浪费。合理有效地利用秸秆资源，直接关系到资源的充分利用以及经济的可持续发展。根据我国 生物质能发展“十三五”规划，到 2020 年，生物质能基本实现商业化和规模化利用。生物质发电总装机容量达到 1 500 万 kW，年发电量900 亿 kW 时，其中农林生物质直燃发电 700 万 kW，生物质固体燃料年利用量3 000 万 t3 4。生物质固体燃料主要利用形式是生物质颗粒的形式。生物质颗粒采暖炉的生产技术及设备的研发已经发展成熟，系统简单，初投资少，颗粒燃烧后有灰渣，是散煤采暖炉的理想替代品，有的地区甚至直接用散煤采暖炉来燃烧生物质颗粒采暖，生物质颗粒的热值与散煤相当，价格比散煤稍贵。因此，生物质颗粒燃料在北方农村地区具有很广泛的应用前景。本文根据生物质颗粒的全产业链，提取生物质颗粒的碳排放计算边界，给出碳排放计算模型，为生物质颗粒的碳排放计算提供依据。2碳排放计算边界生物质固体燃料的全产业链如图 1 所示。全产业链包括原材料种植、固体燃料加工、农林高附加值产业、燃料设备制造等 4 个领域。原材料种植是基础的产业，所有的植物性生物质来源都是有植物种植，本文主要讨论植物源的生物质能源，不考虑有动物性生物质能源。图 1生物质固体燃料全产业链示意图供暖设备制造农林高附加值产业原材料种植固体燃料加工集中装运循环农业:种植生物质:原料种植原料收割原料集中破碎粉碎农林生物质:原料收集原料集中破碎粉碎设备设计材料锻造设备组装安装服务供暖设备畜牧养殖林木加工中草药加工食品材料加工物料输送筛分破碎粉碎干燥筛分原料运输制粒冷却筛分成品装袋/入仓成品运输原材料种植以后，生物质固体燃料的难点就是原料的收集和集中，原材料种植包括两种情况:一种是能源植22第 49 卷 第 15 期2 0 2 3 年 8 月山西建筑SHANXIACHITECTUEVol 49 No 15Aug2023物，即专门生产生物质燃料的种植物，另一种是农林作物的废弃物，两种原材料的生产过程区别不大，主要的区别在收集难度上，在本文中不做严格区分。生物质燃料设备的制造产业属于工业设备制造，设备制造的过程属于工业领域的碳排放，在计算生物质燃料的碳排放过程中，可以不考虑设备制造的碳排放。根据以上分析，可以列出生物质固体燃料的碳排放边界，如图 2 所示。生物质固体燃料的全生命周期碳排放由种植阶段、生产阶段、运输阶段和使用阶段等 4 个阶段组成，主要的碳排放阶段为生产阶段和运输阶段，包括运输阶段柴油车的碳排放，生产阶段主要包括原料筛分、干燥、破碎粉碎、秸秆输送、制粒、颗粒输送、颗粒冷却、颗粒筛分等阶段5 6。图 2生物质颗粒燃料碳排放边界秸秆运输筛分干燥筛分破碎粉碎物料输送筛分冷却制粒成品装袋/入仓颗粒输送成品运输在生物质固体燃料碳排放边界划定中，做以下规定:1)对于大型生物质固体成型燃料，由于农作物秸秆量大分散、发酵后沼渣需要还田等问题，故将秸秆收运以及沼渣运输过程划入系统边界。2)秸秆是农作物种植过程中所产生的副产品，农业种植的目的是为了生产粮食而不是为了得到生物质原料，所以在此作物生长过程中的能耗以及环境排放不计入系统。3)厂房基建所需材料种类多、不同工程建设建材差异性较大，工程建设能耗数据获取较为困难;另外，工程建设阶段所产生的排放占系统整体的排放比重较大，对于最终评价结果的影响较大，并且大部分文献在探讨时未将其计入边界内，故在此不将其计入系统。3碳排放计算模型以“联合国政府间气候变化专门委员会”(Intergov-ernmental Panel on Climate Change，以下简称 IPCC)所提出的碳排放计算模型最为广泛认可，其具体形式如下:排放量=活动水平 活动因子。根据 IPCC 的碳排放计算模型，生物质颗粒全生命周期碳排放量可以表示为式(1):C=Q EF(1)其中，C 为生物质颗粒全生命周期碳排放量，kgCO2;Q 为全生命周期能源消耗量，能耗单位;EF 为对应能源的碳排放因子。对应全生命周期的碳排放，包含有多个阶段，因此碳排放量又可以表示为式(2):C=Ci=Qi EFi(2)即碳排放可以表示为各阶段各类能源碳排放的总和7 8。1)原料运输阶段。生物质颗粒碳排放的重要阶段是原料运输阶段，原料主要通过柴油货车运输，计算方法如下:C1=Qi EFi=qy G EFi(3)其中，qy为运输工具平均油耗量，L/(tkm);G 为生物质原料收集量，t;为生物质原料运输半径，km。生物质原料主要通过柴油货车运输，货车的平均耗油量为 0 08 L/(tkm)。单车运输距离通过收集半径模型计算，单车运输距离可按式(4)计算:2=M/M0(4)其中，为秸秆的收集半径，km;G 为年秸秆收集总量，t;M0为单位面积秸秆废弃物总量，kg/m2;为作物种植面积的比例;为秸秆废弃物用于能源的比例。2)原料生产阶段。原料生产阶段包括原料筛分、干燥、破碎粉碎、秸秆输送、制粒、颗粒输送、颗粒冷却、颗粒筛分等环节，每个环节的生产工艺相类似，都是由电动设备来操作，消耗的能源主要是电力，其碳排放计算可按式(5)计算:C2=Qi EFi=qs t EFi(5)其中，qs为生产设备电机功率，kW;t 为生产时间，s。生产设备主要有磁板除铁器、斗式提升机、高效破碎机、烘干机、输送机、制粒机、冷却机和筛分机等。各设备的功率可由生产企业提供，也可以采用平均值。3)原料种植和使用阶段。由于生物质原料在种植过程中是吸收碳，而使用过程中排出碳，因此，可以把原料种植和使用阶段两个阶段的碳排放相互抵消，认为这两个阶段的碳排放总和为零，原料种植过程中的一些农机设备能源消耗所排碳忽略不计。4计算案例北方某地区有一生物质固体成型燃料工程，设计每天制粒 2 000 t(含水率中水的质量分数为 9 91%)，全年制粒 50 万 t。秋季的秸秆含水率中水的质量分数为30%70%(本工程取50%)。在2 000 t 的调节下，每天所需秸秆 4 000 t，每年所需 100 万 t。由于在实际生产预处理阶段会折耗一定量秸秆，在此以 110%比例对秸秆消耗量进行估计(基于生命周期评价的生物质能源工程环境影响评价)，得到每天秸秆的消耗量为 4 400 t，每年所需秸秆为 110 万 t。1)运输阶段。秸秆主要通过柴油货车运输，货车的平均 耗 油 量 为 0 08 L/(t km)。运 输 总 面 积 为22 100 km2;全区玉米种植面积为 4 613 km2;工程所需秸秆收集总量为110 万 t;秸秆用于能源的比例为43%。由式(4)计算可得收集半径约为 78 1 km。由式(6)可计算得出运输过程每年的柴油消耗量为:1 100 000 t/a 0 08 L/(tkm)781 km=6 872 800 L/a(6)32第 49 卷 第 15 期2 0 2 3 年 8 月李佳仑，等:北方地区生物质颗粒燃料全生命周期碳排放评价2)生产阶段。生产阶段各机电设备的性能参数见表1。表 1机电设备性能参数设备名称磁板除铁器滚筒烘干机高效破碎机木糠机震动分级筛板链输送机制粒机板链输送机逆流式冷却机滚筒筛电机功率/kW158052201500251535903546512台数/台2222222222生产效率20 t/h 16 t/h5 t/h9 t/h15 t/h3 t/h(8 m)900 kg/h 3 t/h(8 m)45 t2 t/h根据计算模型和各设备的性能参数，总体的能耗数据计算见表 2。3)碳排放因子。最终的污染物总排放是根据不同物料的排放系数而计算得出的。本研究中主要涉及的物料能源污染物排放系数如表 3 所示9。根据表 3，可根据表 4 计算出污染物的总排放。根据生产企业的年产量为 50 万 t，则由表 4 中的碳排放数据可以得出，生物质固体颗粒的碳排放数据为0 09 g CO2/kg，从全生命周期来看，生物质固体燃料的碳排放量还是很小的，与生物质固体燃料在燃烧时的碳排放数据168 g CO2/kg(按照生物质颗粒热值4 000 kcal/kg 计算)相比较来看，生产阶段和运输阶段的 CO2总和仅为燃烧时排出 CO2量的 5 3%，又因为生物质原料在生长过程中吸收 CO2，因此，总体上看，生物质固体颗粒燃料全生命周期碳排放量很小10 11。表 2各阶段能耗计算表秸秆原料运输阶段能耗/(La1)秸秆原料筛分阶段能耗/(kWh)秸秆干燥阶段能耗/(kWh)秸秆破碎粉碎阶段能耗/(kWh)秸秆筛分阶段能耗/(kWh)秸秆输送阶段能耗/(kWh)秸秆制粒阶段能耗/(kWh)颗粒输送阶段能耗/(kWh)颗粒冷却阶段能耗/(kWh)颗粒筛分阶段能耗/(kWh)成品装袋/入仓阶段能耗/(kWh)6 872 800(柴油)375 105164 1052263 105054 105380 105325 105291 105381 10525 10515 105表 3碳排放和污染物排放因子项目CO2SO2CH4NOxCOVOCPM10N2O电/(gkWh1)6109 932 66 461 550 48720 2柴油/(gMJ1)74 030 0160 004 180 2840 4740 085 30 041 20 001 9表 4污染物和碳排放表g项目CO2SO2CH4NOxCOVOCPM10N2O秸秆原料运输阶段1 39 10550 01