秸秆成型燃料集中供暖工程温室气体减排效应*

冯新新, 左 涛, 孙 宁, 谢 杰, 高春雨, 毕于运, 王亚静**

(1.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所 北京 100081; 2.北京市农林科学院信息技术研究中心/农芯科技(北京)有限责任公司 北京 100097; 3.临洮县新源环保科技有限公司 临洮 730500)

碳达峰碳中和是新时期我国重要的发展战略,从日本、美国等发达国家的经验来看, 控制能源消费总量、优化消费结构是实现碳减排的最主要途径。我国北方地区冬季取暖长期以煤炭为主, 大量化石能源的燃烧造成了严重的环境污染, 加之化石能源的有限性和不可再生性, 促使人们发展新型清洁能源, 加快能源结构转型升级, 逐步推进清洁取暖。生物质能资源丰富、清洁、可持续, 其总量占可再生能源供应总量的75%。我国农作物秸秆种类多、分布广、产量大, 是农业生物质资源的重要组成部分。2018年我国秸秆量约9.8亿t (折合约4亿t标准煤),但秸秆原料松散、体积大、运输不便、燃烧特性差等缺点, 导致约2亿t秸秆得不到有效利用, 被焚烧或废弃在田间地头, 造成了极大的资源浪费, 同时污染了环境。秸秆固化成型燃料将秸秆进行粉碎干燥、挤压成型, 具有体积小、贮存运输方便、能量密度和热效率高等特性, 可显著提升秸秆的燃烧性能。秸秆成型燃料集中供暖工程可消纳大量秸秆资源, 既解决了困扰农民的秸秆处理问题, 避免秸秆废弃造成的环境污染, 同时又充分利用了生物质资源, 实现了能源结构优化。《“十四五”全国农业绿色发展规划》指出, 要促进秸秆燃料化, 有序发展以秸秆为原料的生物质能, 因地制宜发展秸秆固化、生物炭等燃料化产业, 逐步改善农村能源结构。

目前, 我国对秸秆成型燃料温室气体减排的研究侧重于秸秆成型燃料在中小型锅炉中的燃烧特性和能源环境效益分析。张双奇等基于北方地区农村采暖散煤消耗量及秸秆露天焚烧比例的实地调研结果, 从资源数量的角度验证了将露天焚烧的秸秆加工为秸秆成型燃料并用于替代北方农村地区采暖散煤使用的可行性, 并定量计算了替代后产生的能源环境影响, 得出了散煤消耗的减少量和污染物减排量。张爱祥等从清洁能源替代原煤作为小型锅炉燃料的角度, 研究了小型燃生物质锅炉的节能减排效果, 测试结果表明燃生物质锅炉的SO、NO排放浓度明显较低, 可以实现从源头上减少锅炉污染物的排放。赵航对中小燃煤工业锅炉的节能减排途径进行了细致研究和讨论, 得出用清洁燃料替代、先进的锅炉使用技术、改善煤炭质量及集中供暖4种方式都可实现减排的结论。谢小天用生命周期评价法研究了生物质成型燃料不同技术路线的环境效益, 得到了生物质成型燃料生命周期总环境影响指数以及不同技术选择对其的影响, 为生物质成型燃料生产技术路线选择与优化提供了参考。总体来看, 目前关于秸秆成型燃料温室气体减排研究还比较少, 且以简单的参数估算为主, 定量估算方法体系鲜见涉及。此外, 过去公开发表的文献主要以秸秆露天焚烧而非自然腐解为基准线计算温室气体减排量。本文重点基于秸秆自然腐解基准线, 构建秸秆成型燃料集中供暖工程温室气体减排量计量方法, 并采用该方法定量估算典型工程温室气体减排量, 为我国秸秆成型燃料集中供暖工程减排量估算提供理论依据与方法支撑。

1 秸秆成型燃料集中供暖工程温室气体减排量估算方法

秸秆成型燃料集中供暖工程是通过对废弃秸秆进行收集打包运输到秸秆成型加工点进行粉碎干燥、挤压成型, 然后将加工后的秸秆成型燃料运输到项目发生现场(供暖点)投放到锅炉中进行燃烧供暖,最终将燃烧产物灰渣作为钾肥用于还田的过程。本研究计算方法参考和借鉴《联合国气候变化框架公约》(UNFCCC)方法学、政府间气候变化专门委员会(IPCC)《国家温室气体清单编制指南》、清洁发展机制(CDM)方法学以及生命周期评价(LCA)法,在明确秸秆成型燃料集中供暖工程项目边界的前提下, 以废弃秸秆自然腐解为基准线, 依次计算无项目实施背景下的基准线排放量、因项目运行导致的排放量以及工程泄漏排放量, 最终得到秸秆成型燃料集中供暖工程的温室气体净减排量。

1.1 项目边界

该工程项目边界主要包括: 本工程不存在时废弃秸秆的弃置点; 将废弃秸秆运输到秸秆成型加工厂的路径; 成型过程所用的粉碎机、压块机以及集中供暖过程所用的锅炉等产生化石燃料消耗和电力消耗的设施; 将成型燃料运输到供暖点的路径; 成型燃料用于供暖的地点。项目边界范围内的主要温室气体排放源和排放气体如表1所示。

表1 秸秆成型燃料集中供暖工程项目边界内主要温室气体排放源Table 1 Major greenhouse gas emission sources within the straw briquette central heating project boundary

1.2 基准线排放量计算方法

基准线代表在没有拟议的项目活动发生时的背景情况。本文中基准线排放指的是不实施秸秆成型燃料集中供暖工程项目情景下的背景排放，计算公式为:

式中: G E为秸秆成型燃料集中供暖工程基准线排放量; G E为农作物秸秆自然腐解产生的温室气体排放; G E为秸秆成型燃料集中供暖工程提供的净热量等值消耗的煤炭产生的温室气体排放;GE为秸秆成型燃料供暖燃烧产生的灰渣还田替代的钾肥生产耗能产生的温室气体排放。以上均以CO当量计, t。

1.2.1 秸秆自然腐解基准线排放

本文将农作物秸秆自然腐解情景下的温室气体排放量作为秸秆成型燃料集中供暖工程的原料基准线排放量, 计算公式为:

式中: E F为秸秆自然腐解时的温室气体排放系数(t·t); W为 秸秆原料含水率(%); N为秸秆原料数量(t); G WP为CH的全球增温潜势值; E F为秸秆自然腐解产生的CH排放因子(t·t); G WP为NO的全球增温潜势值; E F为秸秆自然腐解产生的NO排放因子(t·t)。

全球增温潜势(GWP)是指在一定时间尺度上,将CO、CH和NO 3种温室气体排放对全球形成的温室效应折算为CO当量进行统一计量。根据IPCC第五次最新报告, 在过去的100年增温尺度上, CH与NO的增温系数分别为CO的28倍和265倍。

1.2.2 秸秆成型燃料替代排放

秸秆成型燃料替代排放量是指假设未实施秸秆成型燃料集中供暖工程时, 与秸秆成型燃料燃烧供暖提供同等热量所耗化石燃料产生的温室气体排放。计算公式为:

式中: H G为工程实施过程中秸秆成型燃料燃烧产生的供热量(GJ); E F为替代的煤炭(以标煤计)的CO当量排放因子(t·GJ); η为燃煤锅炉的平均净供热效率(%); FB为消耗的秸秆成型燃料数量(t);NCV为消耗的秸秆成型燃料的平均净热值(GJ·t);η为燃烧秸秆成型燃料的锅炉平均净供热效率(%)。

1.2.3 灰渣替代化肥生产耗能排放

化肥生产需要消耗化石能源。秸秆成型燃料燃烧供暖后的产物灰渣可用于还田替代钾肥, 因此减少了化肥生产耗能产生的温室气体排放。工程产物灰渣的替代排放量是指生产等量的钾肥需要消耗的化石能源的温室气体排放量, 计算公式为:

式中: FB为工程产物灰渣中钾肥(KO)总质量(t),EF为钾肥生产耗能的CO当量排放因子(t·t)。

1.3 项目排放量计算方法

秸秆成型燃料集中供暖工程的项目排放量是指将秸秆原料运输到项目现场点的运输环节所耗化石燃料、秸秆成型燃料生产环节所耗电能以及燃料利用环节燃烧供暖产生的温室气体排放。计算公式为:

式中: PE为秸秆成型燃料集中供暖工程项目排放总量, G E为从场外运输秸秆到项目现场供暖燃烧的运输过程消耗的化石燃料产生的温室气体排放, G E为项目实施导致的电力消耗产生的温室气体排放,GE为利用秸秆成型燃料燃烧供暖产生的温室气体排放。以上均以CO当量计, t。

1.3.1 运输过程消耗化石燃料产生温室气体排放

参考CDM方法学中的国家温室气体自愿减排方法学《CM-073-V01供热锅炉使用生物质成型燃料替代化石燃料》, 该项目运输过程的排放量(GE)主要包括: 将废弃的秸秆原料运输至秸秆成型加工点以及将加工完的秸秆成型燃料运输至供暖点两个阶段消耗的化石燃料产生的温室气体排放。计算公式如下:

式中: A T为将秸秆原料由田间地头运输至成型加工点的农用车辆的平均载荷(t); D为将秸秆原料由田间地头运输至成型加工点的平均往返距离(km);EF为运输秸秆原料的农用车辆的CO排放因子,以CO当量计, t·km; A T为将成型燃料由成型加工点运输至供暖点的中重型货车的平均载荷(t); D为将成型燃料由成型加工点运输至供暖点的平均往返距离(km); EF为运输成型燃料的中重型货车的CO排放因子, 以CO当量计, t·km。

1.3.2 工程运行消耗电能温室气体排放

秸秆成型燃料加工成型需要消耗一定的电能(主要为秸秆压缩成型过程使用的破碎机和压块机的耗电)。工程运行消耗电能温室气体排放(GE)是指该区域所在电网生产同等电能产生的温室气体排放。借鉴CDM方法学可知, 该值即为该工程消耗的电量乘以所在区域相应的电网排放因子。计算公式为:

式中: N为 工程运行消耗的电量总量(MWh),EF为工程运行所在区域电网的CO排放因子(t·MWh)。

1.3.3 产品利用排放

产品利用排放量(GE)指秸秆成型燃料燃烧供暖产生的温室气体排放。计算公式为:

式中: E F为锅炉燃烧秸秆成型燃料的CO当量排放因子(t·t); EF为锅炉燃烧秸秆成型燃料的CH排放因子(t·t); E F为锅炉燃烧秸秆成型燃料的NO排放因子(t·t)。

1.4 工程泄漏排放量计算方法

根据CDM方法学可知, 工程泄漏排放量指因工程活动实施导致的化石燃料额外消耗的排放, 或生物质废弃物从其他用途转为工程活动所用而产生的排放。本研究在项目活动中已考虑过锅炉的热效率, 不考虑供暖管道的热量损失情况, 因此泄漏量LE为0。

1.5 工程温室气体净减排量计算方法

根据上文构建的估算方法, 秸秆成型燃料集中供暖工程温室气体净减排量等于工程基准线排放量减去项目排放量及泄漏量。计算公式为:

2 甘肃临洮县秸秆成型燃料集中供暖工程简介及数据获取

2.1 研究对象简介

临洮县新源环保科技有限公司先后投资建设生物质清洁集中供暖示范点5处, 分别位于甘肃省临洮县新添镇、八里铺镇、峡口镇、漫湾乡、康家集乡政府办公楼。项目总投资160余万元, 5个供暖示范点均采用玉米秸秆成型燃料替代燃煤进行集中供暖, 从2019年10月7日到2020年4月20日一个供暖季期间大约消耗玉米秸秆成型燃料1130 t, 可解决5处政府办公楼共2.17万m的供暖问题, 具体如表2所示。

表2 甘肃省临洮县5个秸秆成型燃料集中供暖试点具体情况Table 2 Specific situation of five straw briquette fuel based central heating pilot projects in Lintao County, Gansu Province

整个工艺流程包括秸秆原料获取阶段、压缩加工成型阶段和燃料燃烧利用3个阶段, 项目针对生物质锅炉配有专门除尘脱硝系统。具体技术利用过程如图1所示。

图1 临洮县秸秆成型燃料集中供暖工程工艺流程Fig.1 Process flow of Lintao straw briquette fuel central heating project

2.2 工程数据获取

计算过程中所需的参数和数据主要通过试验测定、项目实测、文献总结与公式计算等途径获取。具体数据来源如表3所示。

表3 秸秆成型燃料集中供暖工程温室气体减排量估算涉及参数及说明Table 3 Parameters and description of greenhouse gas emission reduction of straw briquette fuel central heating project

3 计算结果与分析

以临洮县的秸秆成型燃料集中供暖工程为例,对该工程2019年10月7日到2020年4月20日供暖期间的温室气体减排量进行分析, 分别计算该工程的基准线排放量、项目排放量, 最终得到该工程温室气体的净减排量。

3.1 工程基准线排放量

1)秸秆自然腐解基准线排放量

该基准线数据是由作者课题组模拟玉米秸秆堆放在田间空地情景的周年试验, 对露天堆放的玉米秸秆发生自然腐解产生的主要温室气体进行周年排放量的测定, 并进行计算分析得到的。玉米(干基)秸秆自然腐解产生的CH和NO排放因子分别为2.32×10t·t和1.36×10t·t。根据实地调研, 本文研究的废弃在地头、沟渠、路边的玉米秸秆含水率(W)在30%左右, 因此消耗1130 t玉米秸秆成型燃料(包含水分及其他杂质合计约20%)相当于消耗了秸秆原料1291 t。根据式(2)可计算得到, 5个秸秆成型燃料集中供暖试点自然腐解基准线的温室气体排放总量为38.45 t CO(表4)。

2)秸秆成型燃料替代排放量

根据实地调研可得, 燃烧秸秆成型燃料的供热设备的净供热效率(η)约为75%。经查阅文献可得, 替代的燃烧煤炭的供热设备的平均净供热效率(η)为72%。由库丽霞等可知, 风干后的玉米秸秆的热值为17183 kJ·kg, 即17.183 GJ·t。结合实地调研,该项目所用秸秆成型燃料大约含杂质(水分、土分等)约20%, 可得该项目玉米秸秆成型燃料热值实际约为13.746 GJ·t。结合玉米秸秆成型燃料热值以及《综合能耗计算通则》GB/T 2589-2020中标煤的热值29.3076 GJ·t, 根据式(4)可计算得到, 5个秸秆成型燃料集中供暖试点玉米秸秆成型燃料替代煤炭的总数量为552.08 t, 替代煤炭所减少的排放量为1569.76 t CO(表4)。

3)灰渣替代化肥生产耗能排放量

通过调研和查阅文献可知, 玉米秸秆成型燃料燃烬率通常在96%左右, 则其燃烧产生的草木灰大约为总质量的4%。生物质锅炉灰渣中KO含量为10%左右。根据式(6)可计算得到, 5个试点供暖季产生的灰渣替代钾肥数量为4.57 t KO, 替代钾肥所减少的化肥生产耗能排放量为1.87 t CO。具体如表4所示。

4)基准线排放量计算结果汇总

根据式(1) 计算可知, 临洮县玉米秸秆成型燃料集中供暖工程的基准线排放总量为1610.08 t CO(表4)。其中, 秸秆自然腐解基准线排放量为38.45 t CO, 占基准线排放的2.39%; 秸秆成型燃料替代排放量为1569.76 t CO, 占基准线排放的97.50%; 钾肥替代排放量为1.87 t CO, 占基准线排放的0.11%。

表4 甘肃临洮县5个秸秆成型燃料集中供暖试点基准线温室气体排放量汇总Table 4 Summary of baseline greenhouse gas emissions of 5 straw briquette fuel central heating pilot projects in Lintao County,Gansu Province

3.2 工程运行排放量

1)运输过程消耗化石燃料温室气体排放量

玉米秸秆原料运输阶段采用的是农用运输车,平均载荷(A T)约为2 t, 秸秆加工后成型燃料运输阶段, 采用中重型货车, 平均载荷(A T)约为5 t, 根据式(8)计算可以得到, 运输环节的温室气体总排放量为10.01 t CO, 具体如表5所示。

2)工程运行消耗电力温室气体排放量

通过实地调研可知, 生产1 t秸秆成型燃料大约需耗电60 kWh, 因此工程运行过程总的耗电量( N)为67.8 MWh。根据式(9)计算可以得到项目运行消耗电力的温室气体排放总量为63.16 t CO, 具体如表5所示。

3)产品利用排放量

经文献数据库查找和检索, 未能找到利用锅炉燃烧秸秆成型燃料产生CH的排放因子(E F)和NO的排放因子(E F), 故采用IPCC中固体生物质燃料的CH排放因子和NO排放因子结合其热值进行估算。针对 E F, 为保守估计减排量, 根据《CM-073-V01供热锅炉使用生物质废弃物替代化石燃料》方法学, 在上述基础上还需乘以CH排放因子的保守系数1.37, 因此得到 EF为6.41×10t·t; 针对 E F, 供暖点为使生物质锅炉的烟气排放达标, 会采用“脱硝除尘”方式进行烟气除尘,因此本文在IPCC给出的值的基础上排除生物质锅炉脱销部分。现阶段, 我国主要采用低氮燃烧方式降低生物质锅炉NO排放。通过实地调研与文献分析可知, NO控制效率一般在40%左右, 则最终可得E F为3.74×10t·t。结合CH和NO的增温潜势, 根据式(11)计算可以得到, 锅炉燃烧秸秆成型燃料的CO当量排放因子E F为0.027 87 t·t。

结合式(10)和(11)计算可以得到, 5个项目点的产品利用排放总量为31.50 t CO, 具体如表5所示。

4)项目总排放量

综上, 根据式(7)计算可以得到, 临洮县5个秸秆成型燃料集中供暖试点项目过程能耗的总排放量约为104.67 t CO, 5个供暖项目点的具体情况可见表5。其中, 项目运输过程消耗化石燃料的排放量为10.01 t CO, 占项目排放量的9.56%; 项目运行消耗电力的排放量为63.16 t CO, 占项目排放量的60.34%; 产品利用排放量为31.50 t CO, 占项目排放量的30.10%。

表5 甘肃省临洮县5个秸秆成型燃料集中供暖试点项目温室气体排放量汇总Table 5 Summary of project greenhouse gas emissions of five straw briquette central heating pilot projects in Lintao County, Gansu Province t(CO2)

3.3 工程温室气体净减排量

根据式(12), 可得2019年10月到2020年4月一个供暖季, 临洮县5个秸秆成型燃料集中供暖试点的净减排总量为1505.41 t CO, 其中新添镇政府办公楼净减排量最高, 为481.23 t CO, 八里铺镇政府办公楼净减排量最低, 为187.36 t CO(表6)。

表6 甘肃省临洮县5个秸秆成型燃料集中供暖试点净温室气体减排量Table 6 Net greenhouse gas emissions reduction of five straw briquette central heating pilot projects in Lintao County, Gansu Province t(CO2)

由表6和表7可知, 临洮县秸秆成型燃料集中供暖工程基准线排放量为1610.08 t CO, 项目排放量为104.67 t CO, 净减排量为1505.41 t CO, 约相当于529.45 t标准煤的CO排放量, 是项目运行排放量的14.4倍。计算表明, 每消耗1 t秸秆原料, 将会减少1.17 t CO排放, 每生产利用1 t秸秆成型燃料, 将会减少1.33 t CO排放。

表7 临洮县秸秆成型燃料集中供暖工程温室气体减排量Table 7 Greenhouse gas emission reduction of central heating project with straw briquette fuel in Lintao County t(CO2)

4 结论与讨论

本研究参考UNFCCC方法学、IPCC清单法和CDM方法学, 以农作物秸秆自然腐解为基准线, 建立了秸秆成型燃料集中供暖工程温室气体减排量计量方法。该计量方法包括项目边界、基准线排放、项目排放、泄漏排放等方面。基准线排放包括秸秆自然腐解、替代化石燃料供暖产生的排放以及燃烧产物灰渣还田替代的钾肥生产耗能排放; 项目排放包括工程运输活动、秸秆加工成型电力能耗和成型燃料供暖产生的排放。该方法丰富了秸秆成型燃料集中供暖工程温室气体减排估算方法学体系, 对其他秸秆综合利用方式的温室气体减排估算具有一定参考价值, 对推广生物质清洁取暖、推动秸秆资源的综合利用以及响应国家节能减排政策号召等意义重大。

以甘肃省临洮县新源环保科技有限公司秸秆成型燃料集中供暖工程案例为对象, 利用构建的方法学体系, 计算得出基准线排放量为1610.08 t CO, 其中秸秆成型燃料替代化石燃料排放占97.50%; 项目排放量为104.67 t CO, 其中秸秆加工成型的电力能耗排放最多, 占项目排放的60.34%以上。工程净减排量为1505.41 t CO, 约相当于529.45 t标煤的CO排放量, 表明实施秸秆成型燃料集中供暖工程具有明显减排效果。这也与已有的研究结果基本相符, 充分说明了利用秸秆成型燃料等生物质能源替代燃煤用于清洁供暖、减少温室气体排放的可行性。

在我国秸秆禁烧力度不断加强的政策背景下,秸秆露天焚烧现象已显著减少, 但秸秆被随意废弃于道路两侧、晒场等场所的现象却相对较为严重。相比于现有以秸秆无控焚烧为基准线的研究, 本文以秸秆露天堆放自然腐解为基准线更能够对实际情境下秸秆成型燃料利用的减排效果进行准确评估。同时, 集中供暖是我国北方地区冬季采暖的主要方式, 以秸秆成型燃料为代表的生物质能源集中供暖已成为北方地区清洁供暖的重要途径之一。本文构建了以废弃秸秆为原料的秸秆成型燃料集中供暖温室气体减排潜力估算方法体系, 并通过典型案例开展了定量评估, 为以秸秆为主要原料的生物质清洁供暖技术的推广及其政策制定和产业发展提供了理论依据和方法支撑。此外, 通过专家咨询和相关文献查阅, 本文对甘肃省临洮县秸秆成型燃料集中供暖工程案例的部分参数进行了适当的优化调整, 力求估算过程尽可能反映实际情况。

秸秆成型燃料集中供暖温室气体减排量估算涉及参数众多, 个别参数取值缺少标准数据来源。本文在构建减排量估算方法体系时, 相关的温室气体排放因子等关键参数通过试验或权威文献数据考证获取。后续需要进一步对相关参数开展更深入和系统的研究。此外, 在我国承诺实现碳达峰、碳中和的背景下, 未来还应加强在秸秆综合利用碳减排政策及其制度体系等方面的研究。