秸秆直燃发电供应链气体及颗粒污染物排放的生命周期评价

王培刚

（武汉工程大学管理学院，武汉 430205；湖北交通职业技术学院交通信息学院，武汉 430079）

秸秆直燃发电供应链气体及颗粒污染物排放的生命周期评价

王培刚

（武汉工程大学管理学院，武汉 430205；湖北交通职业技术学院交通信息学院，武汉 430079）

秸秆发电以其极好的环保效用和可再生能源利用引起各界关注，但是由于秸秆轻、薄、散的特性，导致在秸秆收集和运输的效率十分低下，从而会消耗大量石化燃料，排放出大量的气体及颗粒污染物，加之秸秆发电供应链的终端直燃发电也会排放一定污染物，必然会对其环保效用带来影响。该文依据生命周期评价方法，通过建立4个秸秆发电供应链场景，包含秸秆收集、打捆、运输存储、解包破碎以及最终发电等阶段，对其中机械及车辆石化燃料的消耗以及污染物的排放进行定量计算，发现4个秸秆发电供应链的污染物排放有较大差距，其中CO2相差1.2～2倍，CO相差1.4～5.4倍，NOX相差1.5～4.2倍，PM相差1.4～6.5倍。秸秆发电供应链环保效果与秸秆发电供应链中收集、预处理及运输存储模式有较大关系，预处理压缩环节、短距离农用车运输及压缩后道路运输距离是关键，这些因素的合理配置直接关系到秸秆发电供应链环保效用的高低。对秸秆发电供应链的整体排放以处理单位质量秸秆排放的污染气体和可吸入颗粒排放指数为标准，通过与秸秆露天燃烧和燃煤发电供应链对比分析，发现相对秸秆露天燃烧PM排放指数12.95 g/kg，秸秆发电供应链的PM排放指数为0.12 g/kg；相对燃煤发电供应链CO2排放指数1 010.1 g/kg，秸秆发电供应链的CO2排放指数为43.44 g/kg，在减少由露天焚烧秸秆造成的应急性雾霾天气和减少碳排放方面有积极作用。

秸秆；发电厂；排放控制；供应链；环境保护；定量分析

0 引 言

中国禁止露天焚烧农业废弃物政策（简称“禁烧”）已出台多年，取得了一定成果，但与预期仍有一定差距。另外近年我国雾霾天气频繁出现，除了工业和汽车的迅猛增长带来的污染源，雾霾出现时间与农忙时间重合也引起了研究人员的注意。通过研究，学者发现生物质能大气污染的排放量只占大气污染总量的4%左右[1]，通过对多地[2-3]雾霾的主要大气污染源进行分析结论燃煤[4]、生物质燃烧[5]、汽车尾气和扬尘等污染排放[6]是雾霾形成的主要原因。但从整体上来看，生物质燃烧尤其是秸秆的燃烧排放量并不大，将其列为雾霾治理的主要对象是由于短期集中排放的原因。根据诸多学者的研究，发现雾霾多发时间与农忙秸秆露天燃烧的时间段有相关性[7-10]，在这些时间段秸秆露天燃烧排放的大量污染物是诱发雾霾天气的主要原因。因此近两年国家大力推进禁止露天焚烧农业废弃物政策，目的是显而易见的。

虽然“禁烧”的意义人人皆知，但通过各种媒体，仍经常能听到和看到，某处依旧狼烟四起[11-12]，这2种现象的根源在于处理秸秆等农业废弃物的数量过大、相关利益和处理时效问题。一般现有的秸秆再利用有秸秆还田、秸秆饲料化、秸秆制作培养基、秸秆制作颗粒燃料和秸秆发电等方法，其中以秸秆发电和秸秆还田的处理秸秆量最大。对于秸秆还田，有学者认为秸秆还田有利于改良土壤增加肥力[13]、同时还有固碳的效果，这也是保护性耕作的动力和目标，但还田秸秆腐化时间过长（一般秸秆腐化时间大于两周[14]），影响连作双季作物的种植（对于玉米小麦等单季作物影响不大），同时农民用户认为增肥效果不理想，因此秸秆还田在成本和效用方面农民的认可度不高[15-16]。对于秸秆直燃发电，一般一台30 MW秸秆直燃发电机组一年需消耗秸秆20万t以上，能极大的缓解秸秆数量过大的矛盾。但倪维斗院士认为对生物质能发电要因地制宜，不能一哄而上，能否达到减排环保的效果需经过详细的计算和论证，否则就是低效高污染地使用，是不合理的[17]。国外学者对生物质供应链的污染排放研究也较多，通过对供应链中各阶段的不同种类不同场景污染排放均进行细化研究[18-21]，生物质种类涵盖农、林甚至水生物的藻类，阶段分析涵盖了种植和基础设施建设的污染物排放，运输形式涵盖公路、铁路甚至于原木溪流运输，涉及面广而全，基础设施建设和机械化程度较高，最终应用集中于燃烧制备生物燃料、发电和热能供应方向。因此本文选取秸秆发电作为研究方向，依据生命周期评价LAC方法，计算秸秆发电供应链中的收集、预处理、运输、存储和最终利用5个阶段气体及颗粒污染排放指数，并与秸秆露天燃烧和燃煤发电供应链污染物排放指数对比，评价秸秆发电供应链的环保效用。

1 目标和范围

本文研究目标是通过计算秸秆发电供应链中各阶段污染物排放指数，获得秸秆发电供应链过程整体污染物排放指数，即处理单位秸秆的污染物排放量。对比秸秆露天焚烧和燃煤发电单位排放量，说明秸秆发电供应链及应用的环保效用。秸秆发电主要利用秸秆作物有水稻、油菜和小麦。

秸秆发电供应链一般由秸秆收集、预处理、运输、存储及最终直燃发电利用 5个部分组成。但每个部分的处理方法存在差异，例如预处理分为田间预处理、物流预处理，电厂预处理；运输分为农用车辆运输、物流运输，存储分为物流存储和电厂存储，不同处理方法的组合形成多种秸秆发电供应链场景，如图1所示。

图1 秸秆直燃发电供应链场景Fig.1 Scenarioes of straw supply chain for drict-fired power plant

场景说明：

1）场景一：秸秆在整个供应链过程中未做任何处理，从田间由农用运输车辆（散装）直接到秸秆发电企业；

2）场景二：秸秆在整个供应链过程中未做任何处理，从田间由农用运输车辆（散装）运输到主路或收购点，转运到物流运输车辆，然后由物流运输车辆运输到秸秆发电企业；

3）场景三：秸秆田间预处理后（移动式打捆机，圆捆），由农用运输车辆运输到主路或收购点，转运到物流运输车辆，然后运输到秸秆发电企业；

4）场景四：秸秆散装由农用运输车辆运输到物流仓库，在物流仓库进行预处理（固定式打捆机，方捆），存储在物流仓库，然后物流运输车辆运输到秸秆发电企业。

本文研究秸秆发电供应链污染物选取CO2、CO、HC、NOX、SO2、PM 6个指标，对应温室气体和雾霾相关因素的研究。由于秸秆燃烧应用产生的 CO2在农作物生长阶段会被吸收，因此研究中 CO2不包含最终秸秆直燃发电过程排放量。

2 排放清单计算分析

2.1 计算模型

2.1.1 秸秆收集量计算

秸秆收集量，通过如下公式计算，

式中N表示农民秸秆收集量，kg；R表示农作物单位产量，kg/hm2；S表示农民种植农作物面积，hm2；K表示草谷比；γ表示秸秆收集系数；ρ表示可利用系数。

2.1.2 柴油热值计算

计算柴油机或非道路移动机械的热效率，燃油热量值使用计算公式[22-23]

式中燃油比能量（净热值），MJ/kg；d为288 K（15 ℃）时的密度；x为水的质量百分比，%；y为灰的质量百分比，%；s为硫的质量百分比，%。

2.1.3 污染物排放计算

1）总排放量计算公式

式中P为总排放量，Pj为各阶段排放量。

2）机械作业燃油污染物排放质量计算公式

式中Pf,i是f类燃油i类污染物排放质量，kg；F是燃油消耗量；Ef是f类燃油比能量（净热值），MJ/kg；Tf,a,i是f类燃油在a类机械中的i类污染物排放限值。

2.2 参数确定分析

由于不同机械使用过程中，不同制造工艺、不同操作方法、不同环境等因素的影响造成排放量有较大差异，为了计算数据的合理性，本文引用《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法（中国第三、四阶段）》（GB 20891-2014）[22]和《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段）》（GB 17691-2005）[23]中的国家规定排放标准，取上限值进行计算。

2.2.1 秸秆参数

秸秆相关参数有单位产量、草谷比[24-25]（residue to product ratio，RPR）、可利用系数60%（根据秸秆可能源化与生活能源比例之和取值）、收集系数75%[26]，见表1。

表1 秸秆收集相关参数Table 1 Straw collection parameters

每公顷可收集秸秆产量，根据公式（1）可得水稻秸秆4 050 kg，小麦秸秆3 996 kg，油菜秸秆3 564 kg，见表1。秸秆散装密度40 kg/m3[27]。

2.2.2 燃油及机械参数

1）燃油参数

计算使用燃油数据来自柴油，使用第三阶段基准柴油技术标准[22-23]。密度取值为840 kg/m3，硫质量分数350 mg/kg，灰分0.01%，水分0.05%。

2）农用机械污染排放参数

对于农用机械（含农用车辆），参考非道路移动机械用柴油机工作排放国家标准（GB 20891-2014）[22]进行污染物排放量。当前农机为国III标准，额定净功率Pmax＜37机组排放限值，CO取值为5.5 g/(kW·h)，HC+NOX为7.5 g/(kW·h)，PM 为 0.60 g/(kW·h)。

3）运输车辆污染排放参数

对于运输车辆，参考运输车辆（车用压燃式柴油发动机）排放（GB 17691-2005）[23]国家标准进行污染物排放量计算。当前为国 IV标准相关排放限值，取值参数CO为1.5 g/kW·h，HC为0.46 g/kW·h，NOX为3.5 g/kW·h，PM为0.02 g/kW·h。SO2排放量以柴油中硫完全燃烧计算。

4）田间预处理机械参数

田间预处理机械是用于秸秆田间打捆，根据中国家庭式农耕模式，田间机械以小型机械为主。通过阿里巴巴平台搜索秸秆打捆机，初步统计后发现当前小型秸秆打捆机主要生产厂家集中在山东，相关参数差别较大；根据在线咨询和电话问询设备用途及基本参数后，去除用于青贮和玉米等机型，筛选出9个品牌14个可处理水稻、油菜和小麦秸秆机型，统计后确定当前数值范围。

问询中发现秸秆打捆密度相差不大，且与打捆尺寸无直接关系，因此从便于搬运角度，取值小圆捆Φ0.5 m×0.8 m为例，单捆质量20 kg，油耗取统计均值7.5 L/hm2。

5）物流预处理机械参数

物流预处理主要工作是将已收集的秸秆打包，属于固定式打捆处理。调研、筛选、统计及最终取值方式同上。

参数取值：高 0.5 m、宽 0.4 m、长 0.8 m，密度200 kg/m3，能耗18.5 kW，作业速度2 000 kg/h。

6）物流存储转运机械参数

调研过程中发现秸秆收购点工作方式有人力、抓草机、传送带等。人力污染物排放为0，传送带以电力驱动，转运同质量秸秆污染物排放远小于燃油机械。按照不确定方式中取最大值原则，取值以抓草机为例进行物流存储转运的污染排放指数计算。1小时油耗1 L，处理草捆2～6 t（根据距离远近而定），以2 t计算。

7）田间运输车辆参数

田间运输车主要工作是将田间打包的秸秆运送到企业、物流收集点或主要道路后由物流运输车辆转运。当前田间运输大多使用农用车辆。

实际操作会将车斗加宽加长，堆高（以地面起）一般3.5～4 m。取值车斗长2.5 m、宽2 m、高2.5 m，油耗0.04 L/km。

8）物流运输车辆参数

主要工作是将秸秆通过主要道路运送到发电企业。当前物流运输大多使用大型运输车辆，此类车辆无法进入中国大部分田间道路，只能运行于主要道路。

由于秸秆的低密度特性，因此运送秸秆车辆多为平板式或栏式，便于充分利用空间。实际操作会将车斗加宽加长，堆高（以地面起）一般 3.5～4 m。秸秆运输由于密度过低，因此多选用较大车辆进行运输，因此取车斗尺寸长13 m，宽2.5 m，高度以装载秸秆高度计算，取2.5 m，油耗0.25 L/km。

9）电厂预处理机械参数

电厂预处理主要是将收集来的秸秆进行解包破碎工作。根据问询调研秸秆发电厂，秸秆破碎一般为整套设备：含破碎机、传送器和除尘器。根据调研30 MW秸秆直燃发电机组一年需消耗秸秆20万t，年工作6 000 h计算，每小时消耗秸秆33.3 t，因此破碎机能耗取值500 kW，产量 25～35 t/h，附属胶带传送器能耗 5.5 kW，除尘器11 kW。

10）燃煤火电供应链参数

燃煤火电供应链包括开采、预处理（洗煤）、运输存储、发电等阶段。实际可分为开采洗、运输存储和发电3个部分。相关参数见表2。

2.2.3 排放参数

1）柴油热能值

根据公式（2）及燃油参数计算可知：第三阶段基准柴油比能量（净热值）为 42.843 MJ/kg，换算为35.989 MJ/L。

2）农用机械单位排放参数

根据公式（4）农用机械排放参数及 1L柴油能量值数据（国III）计算，可得污染物排放量见表3。

3）物流运输车辆单位排放参数

根据公式（4）运输车辆排放参数及 1L柴油能量值数据（国IV）计算，可得污染物排放量见表3。

4）燃煤发电供应链排放参数

燃煤开采洗主要能耗为电力，根据表 2数据，计算结果为单位消耗225.03 kW·h/t。燃煤运输消耗为计算结果为消耗电力5.773 kW·h/t和柴油0.576 kg/t。全国6 000 kW及以上火电厂机组平均供电标准煤耗315 g/kW·h[31]。可得污染物排放量，见表4。

表2 燃煤发电供应链相关参数Table 2 Main parameters in coal-fired power generation supply chain

表3 农用机械及物流运输车辆工作排放量Table 3 Emission from farm machinery and heavy-duty vehicles g·L-1

表4 燃煤发电（含供应链）排放量Table 4 Emission from coal-fired power generation supply chain g·kW·h-1

表中燃煤发电 CO2排放系数，是通过热量计算法计算所得。从《综合能耗计算通则》获取原煤平均低位发热量和《省级温室气体清单编制指南》中获取单位热值含碳量与碳氧化率参数进行热转化计算，得到原煤的单位排放量为 1 900 g，然后通过《中国统计年鉴》获取2012−2014年火电消耗原煤量及《中国电力行业年度发展报告》获取 2012−2014年火电发电量，得到火电发电每千瓦小时消耗原煤452.02、440.07和421.98 g，可推算火电发电每千瓦小时排放CO2量为858.83、836.14和801.77 g。数值来源于国家级行业报告具有较高可信度，因此燃煤发电CO2排放系数取值801.77 g。

2.3 样本设置及各阶段定量计算

在秸秆发电供应链中，涉及污染排放的机械包括田间预处理、物流预处理、田间运输和物流运输等不同阶段。

1）田间预处理排放指数

根据2.2.2田间预处理数据，可计算1 kg秸秆田间运输排放指数，记做P圆捆，见表5。

表5 秸秆运输排放指数Table 5 Emission index from transportation 10-3g·kg-1·km-1

2）物流预处理排放指数

根据2.2.2物流预处理数据，可计算1 kg秸秆物流预处理能耗为0.009 4 kW·h，排放指数记做P方捆（表5），详细排放指数清单见表6。

表6 秸秆预处理排放指数Table 6 Emission index from machineries in straw pretreatment 10-3g·kg-1

3）农用车辆运输排放指数

根据2.2.1数据，散装密度40 kg/m3，运输1 kg秸秆1 km油耗0.08×10-3L，可得秸秆农用车辆运输排放指数，记做P农车散装，见表5。

根据2.2.2数据，田间预处理（圆捆）后，圆捆密度127 kg/m3，运输1 kg秸秆1 km油耗0.025×10-3L，可得秸秆农用车辆运输圆捆排放指数，记做P农车圆捆，见表5。

4）物流运输排放指数

物流车辆散装运输，运输 1 kg秸秆 1km油耗0.077×10-3L，可得秸秆物流运输排放指数，记做P物流散装，见表5。

田间预处理（圆捆）后，运输1 kg秸秆1 km油耗0.024×10-3L，可得秸秆物流运输排放指数，记做P物流圆捆，见表5。

物流预处理（方捆）后，秸秆密度取值200 kg/m3，运输1 kg秸秆1 km油耗0.015×10-3L，可得秸秆物流运输排放指数，记做P物流方捆，见表5。

5）物流存储转运排放指数

根据2.2.2中物流存储转运数据，处理1 kg秸秆油耗0.5×10-3L。其排放指数为 CO21 308.31 mg/kg、CO 7.498 mg/kg、HC+NOX19.794 mg/kg、SO20.294 mg/kg以及PM 0.099 mg/kg。

6）电厂预处理排放指数

根据2.2.2中电厂预处理数据，处理1 kg秸秆能耗0.021 kW·h。其排放指数为 CO210 919.36 mg/kg、HC+NOX5.856 mg/kg、SO26.401 mg/kg以及 PM 1.226 mg/kg。

7）生物质能电厂排放指数

调研多个生物质能电厂数据，见表7。

表7 生物质（秸秆）发电排放指数Table 7 Exhaust pollutants from crop straw power plant

由于生物质发电厂使用的发电设备及年发电时间不同，数据有一定差距，本文选取平均的方法减少差异性对研究的影响。另生物质发电厂资料中无CO排放数据，故表中无法列出。

8）露天燃烧秸秆排放

根据多位学者的研究[9,32-34]数据，露天燃烧秸秆排放指数，记做P露天，见表8。

表8 露天燃烧排放指数Table 8 Emission index from burning in field g·kg-1

表中SO2排放量相差巨大，根据参考文献[34]中SO2试验数据差异的解释，造成数据巨大差异的原因是中国土壤中硫供应失衡，各地区土壤硫含量差异较大。因此，最终选用研究与本文研究地区相同的参考文献[33]的数据。

除SO2，其他数据本文选取平均的方法减少差异性对研究的影响。对于 SO2则采用加权平均法，利用湖北省2015年水稻、小麦和油菜的产量比例为权值，计算 SO2排放量。根据 2016湖北省统计年鉴，2015年水稻产量1 810.69×104t，小麦产量 420.93×104t，油菜产量255.19×104t进行计算。

2.4 整体排放指数

对文中各供应链场景进行定量计算，根据借鉴其他研究成果[35-38]和调研数据，假设田间运输距离D10 km，物流运输距离70 km。

场景一，秸秆通过农用车辆散装运输到应用企业。农用车往返距离160 km，排放指数P1见表9。

场景二，秸秆散装通过农用车辆散装运输到主路或收购点，然后转运到物流运输车辆运输到应用企业。农用车辆运输往返距离20 km，物流车辆运输往返距离140 km，排放指数P2见表9。

场景三，秸秆田间预处理后（圆捆），由农用运输车辆运送到主路转运到物流运输车辆，然后运输到应用企业。农用车辆运输往返距离20 km，物流车辆运输往返距离140 km，排放指数P3见表9。

场景四，秸秆散装由农用运输车辆运输到物流仓库，在物流仓库进行预处理（方捆），然后物流运输车辆运输到应用企业。农用车运输往返20 km，物流车辆运输往返140 km，排放指数P4见表9。

P4=P方捆+P农车散装×D农车距离+p物流方捆×D物流距离（8）

其中场景一是最初的使用方式，现逐步淘汰；场景二是当前主流；场景三和场景四正在逐步推广。

表9 各供应链场景（不含发电）排放指数Table 9 Emission index from straw power plant supply Chain (exclude straw power generation) 10-3g·kg-1

3 影响评价及分析

3.1 预处理和运输阶段排放评价及分析

秸秆发电供应链中预处理和运输阶段排放数据，不同种类秸秆数据以均值计算，可得到预处理和运输阶段排放数据，见表10。从表中可以看到：

1）运输阶段，散装物流运输排放指数较高。从 2.3计算过程中发现，农用车辆运输秸秆的密度是 40和127 kg/m3时，单位油耗分别为0.08×10-3和 0.025×10-3L；物流车辆运输秸秆的密度是40、127和200 kg/m3时，单位油耗分别为 0.077×10-3、0.024×10-3和 0.015×10-3L；可见运输的单位油耗与运输秸秆打捆密度成反比，对应的排放指数也与运输秸秆打捆密度成反比。而散装物流运输的秸秆密度低，导致单位秸秆运输排放指数较高。另一方面从2.4中式（5）～式（8）可以看到总排放量与运输距离成正比，散装物流运输的运输距离过长，导致总排放量增加。后期改善需增加运输密度和减少运输距离。

表10 预处理和运输阶段排放指数对比Table 10 Comparison of emission index between crop strawpretreatment and transportation period

2）预处理阶段，电厂预处理CO2排放指数较高，而田间预处理的NOX和PM排放指数较高。电厂预处理的CO2排放高是由于其拆包和破碎的高能耗，单位能耗达到0.021 kW·h和火力发电的高碳排放所导致；而田间预处理的NOX和PM排放高则是由于农业机械排放限值高所导致的。后期改善依赖于机械制造技术的提以及燃煤发电比例降低。

3.2 四种场景（不含发电）及整体排放评价和分析

以 4种供应链场景为基础，不同种类秸秆数据以均值计算，4种供应链场景中不含发电部分排放指数与秸秆发电排放指数对比，见图2。

1）秸秆发电供应链污染排放主要污染排放在秸秆发电阶段，但不合理的秸秆收集和运输方式也会造成较大污染，例如场景一和场景二，即散装秸秆运输，如果散装秸秆农用车运输里程每增加10 km，其PM和NOX的排放相对于发电阶段的排放指数增加4%～5%，因此合理的秸秆收集和运输模式是必要的。

2）从场景一到场景四，污染物排放逐步降低。其中排放最高的场景一和最低的场景四相比，CO2高 1倍，CO高4.3倍，NOX高3.2倍，PM高5.5倍。较高的秸秆打捆密度和远距离运输过程中使用排放指数较低的大型车辆的秸秆收集和运输模式对于降低单位秸秆运输过程中的污染排放指数有明显效果。

图2 四种供应链场景（不含发电）和发电排放指数对比Fig.2 Comparison of emission between four scenarios (exclude straw power generation) and crop straw power generation

3）场景三和场景四均为压缩运输模式，虽然物流预处理成方捆秸秆密度是200 kg/m3高于田间预处理成圆捆秸秆的密度是127 kg/m3，但如果其中农用机运输距离超过20 km，则场景四污染物排放指数就会超过场景三的污染物排放指数。其原因是固定式打捆机不适于田间运作，只能由农用车散装将秸秆运输到收集点或物流仓库，从而导致整体污染物排放指数上升。因此在秸秆发电供应链中使用移动式打捆机还是使用固定式打捆机进行秸秆压缩处理需要根据到厂距离以及收集点或物流仓库的配置计算决定。

3.3 秸秆发电供应链与露天燃烧和燃煤发电供应链排放评价和分析

当前主流的秸秆发电供应链场景是场景二，选用场景二的排放数据，可得到秸秆发电供应链排放指数。通过表7和表4计算出秸秆发电供应链、燃煤火电供应链和露天燃烧秸秆排放指数对比数据，见图3。

由于秸秆发电的碳排放可视作零排放，因此秸秆发电供应链中碳排放主要来源于预处理、运输等阶段。从图中可看到：

1）相对露天燃烧，秸秆发电供应链最大优势在于减少PM的排放，减少100倍左右；

2）相对露天燃烧，秸秆发电供应链NOX排放相对较低，SO2排放基本相等，但高出燃煤发电2～3倍。秸秆发电供应链中NOX排放较低是由于秸秆发电选用的流化床锅炉采用低温燃烧方式，抑制了氮氧化物的产生。SO2排放受秸秆中硫含量影响较大，同区域秸秆露天焚烧和发电燃烧的 SO2排放基本相同；另一方面秸秆发电供应链中石化燃料消耗产生的 SO2属于污染范畴，但单位污染排放极低，大约只占秸秆发电供应链排放量的0.7%。相对于燃煤发电供应链，秸秆发电供应链排放的NOX和SO2指标均偏高1～2倍，主要是由于绝大多数生物质（秸秆）发电建厂时是执行火力发电2003排放标准，生物质（含秸秆）中 S元素含量很低，而且燃烧温度较低产生的NOX量较少，秸秆发电排放远低于火力发电2003标准，因此未加装脱硫脱硝设备即符合排放。当前最严格火电标准出台，燃煤发电厂逐步在升级改造，而生物质发电厂排放标准和改造存在一定争议而推进较慢。

图3 秸秆发电供应链与露天燃烧及燃煤发电供应链排放指数对比Fig.3 Comparison exhaust pollutants with straw power generation supply chain, burning in field and coal-fired power generation supply chain

3）秸秆发电供应链碳排放只有燃煤发电碳排放指数的4.3%；

4）CO排放仅仅是运输过程中石化燃料的排放量，无发电过程的数据，因此不做比较。

3.4 不确定性因数评价分析

本研究计算过程中，粮食产量、机械、车辆、火力发电排放参数来源于国家标准和统计年鉴，可信度较高。秸秆发电参数来源于调研，也具有较高的可信度。收集比例、草谷比，露天燃烧排放指数来源于相关文献，不确定性较大。供应链过程中各种燃油机械和电力机械混合在一起，能量消耗差异巨大，不确定性大，故对同类型数据采用均值法，例如生物质能电厂数据，尽量减小偏差；对同一操作不同方法采用取较大排放量方法进行计算，例如传送器和机械转运，结果会高于实际情况，但不影响最终结果评价分析。

4 结 论

通过秸秆发电供应链的生命周期评价及分析，以及与露天燃烧和燃煤发电供应链污染物排放对比，发现相对秸秆露天燃烧的PM排放指数12.95 g/kg，秸秆发电供应链PM排放指数为0.12 g/kg，秸秆发电供应链能极大的缓解由秸秆露天焚烧带来的应急性雾霾天气。相对燃煤发电供应链CO2排放指数1 010.1 g/kg，秸秆发电供应链CO2排放指数为43.44 g/kg，秸秆发电供应链在低碳环保方面的效果是毋庸置疑的。尽管当前秸秆发电供应链发展还不成熟，但其在环境保护方面，尤其是雾霾治理和碳减排方面有着比较好的效果。当前执行最严火电标准前提下，秸秆发电的污染物排放指数会进一步下降，而且随着农机和道路运输车辆排放标准（GB 20891-2014国家标准和GB 17691-2005国家标准）第四、第五阶段的实施，以及秸秆打捆机械和解包破碎作业机械的研发，会进一步减少秸秆收集和运输过程的污染物排放指数。

另外从不同场景数据分析也可以看到，场景四污染物CO2、CO、NOX和PM排放指数分别是场景一的50%、18.9%、23.8%和 15.4%。因此根据实际环境和资源合理的构建供应链组织模式也会提高秸秆发电供应链的环保效果，尤其在减少碳排放和 PM 排放控制方面有极大的推动作用，对于农忙时节雾霾天气的抑制以及国家“禁烧”和低碳政策的推广和落实有积极的意义。

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Emission analysis of air and PM pollution on straw power plant supply chain based on life cycle assessment

Wang Peigang
(School of Management, Wuhan Institute of Technology, Wuhan430205,China；School of Transportation & Information, Hubei Communications Technical College, Wuhan430079,China)

Crop straw power plant is environmental-friendly, but crop straw collection and transportation will cause pollution.Crop straw has low density, so the efficiency of the collection and transportation is very low, and per unit of weight crop straw reutilization will make more pollution. In this paper, based on LCA (life cycle assessment), the data of pollution in the crop straw power plant supply chain are analyzed through quantitative calculation of exhaust pollution of per unit weight and per unit power generation. Straw power plant supply chain contains straw collection, compression and baling, transportation,uncompression and crash and straw power generation. The compression of straw is divided into 3 types, i.e. not baled, the compression in the field and compression in the warehouse; the transportation is also divided into 2 types, the transportation by farm vehicle on the narrow road and heavy-duty vehicle on the highway. There are 4 scenarios and each one is composed of 3 or more parts in straw power plant supply chain, as transport of straw uncompressed, or transport of straw compressed.Because of the difference from agricultural machinery and vehicle, we use the limits for exhaust pollution from diesel engines of non-road mobile machinery (China III) and the limits for exhaust pollutants from compression ignition and gas fuelled positive ignition engines of vehicles (III, IV, V) as emission factors of agricultural machinery and vehicle, and by survey data,calculate the exhaust pollutants that include CO2, CO, NOX, SO2and PM (particulate matter) in each section. Sections in the straw power plant supply chain are crop straw pretreatment in the field, crop straw pretreatment in the stockhouse, carrying uncompress bale by farm machinery, carrying by farm machinery after pretreatment in the field, carrying uncompress bale by heavy-duty vehicle, carrying by heavy-duty vehicle after pretreating straw in the field, carrying by heavy-duty vehicle after pretreating straw in the stockhouse, transfering in the stockhouse, pretreatment in the straw power plant and crop straw direct-fired generation. After that, through key factor analysis for exhaust pollutants from each section, the density of the straw bale and distance of transportation are very important for exhaust pollutants in the straw power plant supply chain, and reasonable allocation model of straw power plant supply chain can decline the exhaust pollutants. Then comparison to exhaust pollutants from burning in the field and coal-fired power generagtion supply chain that includes coal mining and processing,coal transportation, stock and coal-fired power generation. We find PM pollutant of straw power plant is 100 times less than burning in the field, and carbon emission is about 23 times less than coal-fired power generation supply chain. As desulfurization and denitrification equipment are not installed, NOXand SO2pollutions are just over the limits of the newest emission standard of air pollutants for thermal power plants. On the other hand we conclude that the effect of environment protection from straw power plant supply chain depends on the model of collection and transportation in the supply chain, and keys are the pretreatment of crop straw compression, the distance of transportation by farm vehicles and the distance of transport trucks. Reasonable deployment of these factors may improve the effect of environmental protection from straw power plant supply chain.

straw; power plant; emission control; supply chain; environmental protection; quantitative analysis

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.14.032

S210.3；S216

A

1002-6819(2017)-14-0229-09

王培刚. 秸秆直燃发电供应链气体及颗粒污染物排放的生命周期评价[J]. 农业工程学报，2017，33(14)：229－237.

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.14.032 http://www.tcsae.org

Wang Peigang. Emission analysis of air and PM pollution on straw power plant supply chain based on life cycle assessment[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(14): 229－237. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.14.032 http://www.tcsae.org

2017-01-19

2017-06-25

湖北省高等学校人文与社会科学重点研究基地企业与环境协调发展研究中心研究项目（2015QY1505）

王培刚，男，湖北汉川人，博士，讲师，研究方向：供应链管理，项目管理，软件工程。武汉 武汉工程大学管理学院 430205。

Email：wpgmumu@163.com