基于LCA方法的秸秆沼气发电和制备生物天然气的环境排放评价

吴媛媛，常旭宁，张佳维

(北京市燃气集团研究院，北京 100000)

由于面临着天然气严重依赖进口的现实，我国政府计划大力促进生物天然气行业的发展，将其纳入国家能源系统。据测算，全国每年产生农作物秸秆10.4亿吨，可收集资源量约9亿吨，尚有1.8亿吨的秸秆未得到有效利用[1]。直接焚烧或简单处理还田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。秸秆通过厌氧发酵产生沼气，可以直燃发电，也可以进一步提纯制备生物天然气，是在技术上相对成熟的秸秆能源利用方式。然而，在秸秆能源化利用的过程中，原料的收储运、发酵、净化以及沼气利用等过程都会直接或者间接排放污染物，对环境产生一定的影响。

因此，文章以玉米秸秆作为原料，对秸秆沼气发电和制备生物天然气两种能源化利用方式进行生命周期环境评价以及敏感因素分析，为工艺技术路线的选择提供参考。

1 工程规模及工艺

1.1 工程规模

从国家能源局发布的政策来看，大型沼气工程和生物天然气工程是未来中国沼气工程建设的主流趋势。故本研究设定沼气工程的产沼气规模为日产2万m3。用于沼气直燃发电，日发电量约4万kWh，用于提纯后制备生物天然气，可产气量约1.2万m3。

1.2 工艺技术及参数工艺

沼气工程采用较成熟的全混湿式发酵工艺，发酵温度为中温37℃。玉米秸秆由种植区收集运输至进料池，经过揉搓机将成型秸秆破碎为细小颗粒进行预处理，发酵结束时将沼液进行固液分离，分离后的清液部分回流稀释进料，故默认此工程无沼液排放。由于秸秆在运输和预处理过程中会存在物料的损失，在此以110%比例对秸秆消耗量进行估计，故工程每天消耗秸秆干物质量为63 t，每年所需干秸秆2.3万t。发酵所产沼气经过脱硫除杂后进入沼气发电机或经过提纯后进入储气罐或者入管网。由于压力水洗法广泛应用于实际工程，而且能耗较低、可靠性较好，本沼气工程提纯工艺选用大型项目常用的压力水洗方式，将平均甲烷含量为60%的沼气提纯制到符合天然气二类气和生物天然气二类气的标准，甲烷含量大于等于95%。在沼气发电情境下，沼气发电机余热用于加热发酵罐以维持中温发酵；在沼气提纯制备生物天然气情境下，直接燃烧沼气产生热量加热发酵罐体。

玉米秸秆进料总固体浓度(TS)为10%，水力停留时间(HRT)为60天。秸秆单位干物质沼气产率为350 m3·t-1TS[2]，设定秸秆的干物质去除率为35%，经计算每天产生绝干沼渣量为41 t，每年产生沼渣量1.5万t。工艺流程如图1所示。

图1 沼气工程两种能源利用方式工艺流程图

2 目标与范围定义

生命周期评价方法在目标与范围定义过程中要确定研究的目的、范围及定义相应的功能单元，即确定需要计入本沼气工程环境评价系统的参数。根据沼气工程各工艺流程的特点，划定生命周期起始边界为玉米秸秆由种植区收集至沼气工程，终止边界为固液分离后，沼渣还田，系统边界内的能量流动说明如下：

(1)秸秆是农作物种植过程中所产生的副产品，作物生长过程中的能耗以及环境排放不计入系统。

(2)秸秆发酵沼气提纯制备生物天然气主要目的是替代传统燃煤；沼气发电工程主要是替代传统燃煤火力发电，所以在此将替代标准煤过程中产生的排放也计入在内，替代排放值为负值。

(3)在沼气脱硫过程中，需要使用到纯碱作为脱硫剂，而纯碱制造业属于高能耗产业，故在此将纯碱生产过程中所产生的环境排放计入系统内部。

(4)厂房基建所需材料种类多，不同工程建设建材差异性较大，建设阶段所产生的排放占系统整体排放比重高，对于最终评价结果影响的不确定性较大，不将其计入系统。

综上所述，具体边界划分见图2和图3。

图2 沼气发电情景下生命周期边界划分

图3 沼气制备生物天然气情景下生命周期边界划分

3 清单分析

3.1 秸秆原料运输阶段

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-1km-1[3]。根据秸秆经济收集半径计算公式(1)，以河北省保定市农作物种植状况为例[4-6]，计算得到：

R2=M/πM0αβ

(1)

式中：R为秸秆的收集半径，m；M为年秸秆收集总量，kg；M0为单位面积秸秆废弃物总量，kg·m-2；α为作物种植面积的比例；β为秸秆废弃物用于能源的比例。

收集半径结果约为10 km，货车往复运输距离为20 km。由公式(2)可计算得出运输过程每年的柴油消耗量为：

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

(2)

3.2 秸秆预处理阶段

预处理阶段需要3台揉搓机将秸秆进行粉碎，将揉搓机多消耗的电量计入总电力耗能。按每台电机功率6 kW，生产效率1600 kg·h-1，设备全年运行计算得到3台设备全年的耗电量为8.63 ×104kWh。

3.3 秸秆沼气发酵阶段

3.3.1 秸秆进料

根据进料总量可计算得到，功率为7.5 kW的进料泵每天运行有效工时为12 h，计算得到进料泵年总耗电量为6.57×104kWh。

3.3.2 发酵罐搅拌

设定每个发酵罐设计容积为5000 m3，半径8 m，高25 m。单层搅拌、不通气条件下搅拌机的功率计算式如下：

P0=Kd5N3ρ

(3)

式中：P0为搅拌机功率；K为经验系数；d为搅拌器直径；N为搅拌器转速；ρ为发酵液密度。

根据计算可得到搅拌液体雷诺数(ReM)为1.6×104，查经验图可知搅拌功率准数NP为4.8。根据经验公式可计算得到搅拌器的轴直径约为0.8 m。通过公式(3)可计算得到单层搅拌器的功率P0为14 kW，发酵罐搅拌所需能量为4.9×105kWh。

3.3.3 发酵出料脱水

发酵结束后需用固液分离机将出料沉淀中的水分脱除得到绝干沼渣，工程年产干沼渣约1.5×104t，选用功率为4 kW，处理量为12 m3·h-1的机器，年耗电总量为5.0×103kWh。

3.3.4 发酵罐加热能耗计算

当沼气用于发电时，其产生的余热可以用于对发酵罐进行加热，此阶段没有外部能源消耗所产生的排放。当沼气提纯制备生物天然气时，需要利用沼气锅炉燃烧产生热量对发酵罐进行加热，以中温发酵(38℃)作为条件，参照刘建禹[7]等报道中沼气工程发酵罐加热保温过程中所需用的能耗计算方法，设定发酵液比热容近似等于纯水的比热容4.2×103J·kg-1℃，根据沼气工程的年进料量与平均所需加热温度，室外计算温度参照河北省全年各月平均温度[8]计算得到4个发酵罐体每日保温沼气消耗量为1.95×103m3，全年消耗沼气7.21×105m3。

3.3.5 沼渣运输

在沼渣运输阶段，耗能主要来自于沼渣运输过程所消耗的柴油量。经计算沼气工程所每年产生的沼渣的量为1.5×104t，设定脱水后沼渣含水量为20%，则湿沼渣总量为1.8×104t。设定沼渣处理方式为直接还田，运输半径为10 km，货车往复运输距离为20 km，故每年运输沼液沼渣过程中的柴油消耗量为：

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

(4)

3.3.6 沼渣堆放暂存

在沼渣尚未被处理时，一般会暂时堆放在厂区内，厂区内的转运机械以及卡车的耗油量以及沼渣堆放时所逸出气体如CH4，NH3，N2O计入系统。设定卡车单次的转运距离为200 m，单次装载量为5 t，耗油量为0.08 L·t-1km-1，转运机械的单次作业行动距离为20 m，额定载重量为4 t，每小时工作量为50 t，耗油量为15 L·h-1，经计算装载机总耗油量为4500 L·a-1，卡车的总耗油量为240 L·a-1。根据衣瑞建[9]等的研究报道，CH4的排放量一般为最大生产量的0.1%～8.5%，在此选取1%。NH3与N2O的排放量分别是沼渣沼液中氨氮含量的13.6%和0.1%。玉米秸秆发酵后沼渣沼液中氨氮的量约为0.20 kg·t-1。综上，本研究中沼渣沼液堆放以及生产过程中共逸出CH4约为7.3×104m3；沼液沼渣堆放过程中NH3产生量约为0.41 t；N2O产生量为0.003 t。

3.4 沼气脱硫除杂发电阶段

脱硫除杂时主要的耗能设备为脱硫塔风机。当处理速率为1200 m3·h-1时，脱硫塔风机选用功率为6 kW，根据日产沼气2×104m3的前提条件，设定脱硫设备运转净工时为8 h·d-1，故脱硫设备的耗电量为3.5×104kWh·a-1。脱硫工艺中使用的脱硫剂为纯碱，按每吨轻质纯碱综合能耗为360 kg标准煤[10]，根据此标准，本研究中生产纯碱耗能折合电力后为2.56×105kWh。

沼气脱硫除杂后直接加压进入发电机发电，在此选用SWR-175罗茨鼓风机进行沼气增压，选用颜巴赫-4系列沼气发电机，发电产能及罗茨风机的具体工作参数如表1和表2。经计算，全年沼气增压机共耗电1.24×105kWh。

表1 沼气工程日发电产能计算

表2 SWR-175罗茨鼓风机技术参数

3.5 沼气制备生物天然气提纯净化阶段

选用压力水洗法进行提纯，耗电量为0.25 kWh·m-3[11]，年耗电量为1.8×106kWh·a-1。去除罐体保温加热所耗沼气之外，工程的沼气产量为6.58×106m3·a-1，提纯后全年可生产生物天然气3.95×106m3·a-1。通过表3与表4的对比，可以看出秸秆发酵制生物天然气过程中由于需要额外的能耗用于发酵罐的保温和提纯，使得秸秆发酵制生物天然气的总能耗大于秸秆发酵沼气发电。

表3 秸秆发酵制沼气发电各阶段能耗量

表4 秸秆发酵制生物天然气各阶段能耗量

4 环境排放计算及分析

4.1 各阶段环境排放量

最终的污染物总排放是根据不同能源消耗量和其排放系数而计算得出的，具体见公式(5)。主要的能源包括电力、柴油、沼气。发电和提纯制生物天然气各阶段能耗量分别见表5和表6所示。

M=q×a

(5)

式中：M为污染物排放总量，t;q为不同能源消耗量，kWh，MJ，m3，kg;a为不同能源燃烧后的排放系数，g·kWh-1，g·MJ-1，g·m-3，g·kg-1。

各种能量来源在产生的过程中直接或者间接产生环境排放的排放系数见表5所示。

表5 各种能源污染物排放系数

根据秸秆发酵沼气能源化过程能耗结果以及表5中各能源污染物排放系数计算得到，秸秆沼气发电环境排放如表6所示，秸秆沼气提纯生物天然气环境排放如表7所示。

表7 秸秆沼气提纯生物天然气污染物总排放 (kg·a-1)

4.2 特征化计算

4.3 标准化及加权

将特征化计算后得到的影响潜值进行标准化和加权赋值计算。本研究主要采用中国1990年的环境影响负荷作为加权计算的基准值，环境影响标准化潜值计算如公式(6)[16]:

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

(6)

式中：NEP(M)为第M种环境影响潜值标准化后的值；EP(M)为系统中第M种环境影响潜值；ER(M)为第M种环境影响潜值加权计算基准值。

秸杆沼气发电的环境排放影响潜值如表8所示，秸秆沼气提纯制生物天然气的环境排放影响潜值见表9所示。可见，秸秆沼气发电代替燃煤发电对环境的影响大于秸杆沼气提纯制生物天然气替代民用散煤。

表8 秸杆沼气发电标准化后各环境影响潜值

表9 秸杆沼气提纯制生物天然气标准化后各环境影响潜值

4.4 环境排放影响因素的敏感性

对秸秆制沼气发电和沼气提纯制备生物天然气两种情景下的敏感性进行分析，改变各工艺阶段数据进行生命周期环境排放潜值计算，结果如表10和表11所示。

表10 沼气发电情景下参数变化前后环境影响变化

表11 沼气集中供气参数变化前后环境影响变化

可以看出，沼气发电过程中单位干物质沼气产率是最敏感因素，要通过工艺过程改进和过程控制，提高产气率；沼气提纯生物天然气过程，沼气提纯技术工艺的选择最敏感的因素，需要根据场地、规模、经济、运行要求等条件尽量选择能耗较低的提纯工艺，进而减少对环境的影响。

5 结语

(1)根据两种秸秆处理方式所计算得到的环境影响值的对比发现，沼气提纯生物天然气替代民用散煤相较于沼气代替燃煤火力发电对环境的影响更小。说明从环境排放的角度，畜禽粪污、秸秆等发酵制生物天然气更适合通过管网供给周围居民替代散煤。

(2) 对于沼气发电过程，其中对环境排放影响最大的单元是秸秆发酵阶段。

(3) 对于沼气提纯制备生物天然气过程，对环境排放影响最大的单元是沼气的提纯过程。

(4) 通过敏感性计算发现，对于沼气发电过程，单位干物质沼气产率是最敏感因素；对于沼气提纯生物天然气过程，最敏感因素为沼气提纯技术工艺的选择。