12MW生物质直燃发电系统能耗和温室气体排放分析

2022-06-09崔亚茹刘华财邱泽晶胡文博

可再生能源 2022年5期

党乐,佟敏,崔亚茹,刘华财,邱泽晶,胡文博

（1.国网内蒙古东部电力有限公司电力科学研究院，内蒙古呼和浩特 010020；2.中国科学院广州能源研究所，中国科学院可再生能源重点实验室，广东广州 510640；3.国网电力科学研究院有限公司，江苏南京210000；4.国网电力科学研究院武汉能效测评有限公司，湖北武汉 430074）

0 引言

中国是世界最大的能源消费国，碳排放总量居世界第一。为了应对能源、气候和环境压力，中国将采取更加有力的政策和措施发展可再生能源[1]。生物质能是最具发展潜力的可再生能源，可收集资源量达4.47亿t[2]。2019年，中国农林生物质发电装机容量为9 730MW，上网电量为406亿kW·h[3]。生物质尤其是农林废弃物发电具有巨大的潜力和前景，是处理和利用农业废弃物的最佳方式之一，但成本远高于常规电力，对其能源和环境效益的评估和理解有助于推动产业发展。

生命周期评价（Life Cycle Assessment，LCA）是对产品或服务的环境影响进行评价的最好的工具之一。已有学者利用LCA对生物质直燃系统进行了评估。常规的过程式LCA方法存在着固有的系统边界问题，可能会导致清单数据被严重低估；投入产出（I-O）法以物质产品或资金流矩阵来描述各经济部门之间的复杂关系，能将整个国家经济作为背景和上游纳入系统边界，从而避免截断误差[4]。陈德民[5]基于I-O法对15MW秸秆直燃热电联产系统的能耗和温室气体（Greenhouse Gas，GHG）排放进行了分析，利用基于物质产品平衡表得到的实物产品能耗和GHG排放因子，计算了电厂设施设备以及运行时柴油电力的能耗和GHG排放，结果显示，电厂设备所消耗的不可再生能源和GHG排放量占系统总量的80%以上。但I-O法存在部门和商品集成度过高等问题。将过程式LCA方法和I-O法结合的混合LCA方法，既能保证单元过程数据的精确性，也能完善系统边界、减少截断误差[4]。刘洪涛[6]用混合LCA方法对小麦秸秆直燃发电厂进行了生命周期分析，用I-O法计算了原料运输车辆和打包设备生产以及打包设备用电造成的间接排放，结果表明，车辆和打包设备生产所导致的GHG间接排放占总排放的19.8%。王长波[7]同时采用过程式LCA方法和混合LCA方法对30MW玉米秸秆发电系统的GHG排放进行了评估，发现采用混合LCA方法至少能避免11%的截断误差。

关于中国生物质直燃发电系统的LCA研究并不多，尤其是对系统能耗的研究，且在系统边界、方法选用和目标结果等方面也不尽相同。本文利用混合LCA方法对中国内蒙古通辽地区某12 MW直燃发电系统进行分析，定量评估其替代化石能源、减少温室气体排放的潜力，准确评价其能源和环境可持续性，辨识不可再生能源消耗和GHG排放强度最大的环节，为进一步提高生物质直燃发电系统的环境性能提供参考。

1 方法

本文将利用混合LCA方法对12MW生物质直燃发电系统的能耗和GHG排放进行评估，利用过程式LCA方法获取单元过程的直接能耗和直接GHG排放，利用I-O法得到单元过程的间接能耗和间接GHG排放，在减少过程分析截断误差的同时提供详细的过程信息。本文化肥的能耗强度和GHG排放强度取自文献[8]，[9]的研究，柴油和电力的能耗强度和GHG排放强度取自文献[10]，其余材料和设备设施利用2007年中国135部门核算结果来计算[11]。

对于生物质直燃发电等可再生能源系统而言，不可再生一次能源消耗量是衡量其可再生性的重要指标，不可再生一次能源消耗越大，系统的可再生性和可持续性就越差。生物质直燃发电系统全生命周期不可再生一次能源消耗计算式如下：

式中：Elife-cycle为全生命周期总能耗，MJ/（kW·h）；Ei，j为单元过程i消耗的j类物质或服务，kg/（kW·h），MJ/（kW·h）或元/（kW·h）；Cj为j类物质或服务对应的不可再生一次能源强度，MJ/kg，MJ/MJ或MJ/元，不可再生一次能源包括煤、石油和天然气。

温室气体中CO2，CH4和N2O使全球变暖的潜值比为CO2∶CH4∶N2O=1∶21∶310[12]。由于生物质燃烧释放的CO2是植物生长阶段从大气吸收固定的，本文不将其计入最终的GHG排放。类似地，生物质直燃发电系统全生命周期GHG排放计算式如下：

式中：GHGlife-cycle为全生命周期GHG总排放，以CO2当量计，g/（kW·h）；分别为j类物质或服务对应的温室气体k的直接、间接排放强度，g/kg，g/MJ或g/元。

2 研究对象

本文的研究对象是位于内蒙古通辽的12 MW生物质直燃电厂，电厂于2007年4月开工建设，2008年12月投产发电，以玉米秸秆为原料，运行时间已超过13 a。本文以1 kW·h上网电量为功能单位对系统进行计算和评估。系统边界见图1。

图1 生物质直燃发电系统生命周期评价边界Fig.1 System boundary of biomass power plantbased on direct combustion

2.1 农业阶段

玉米是通辽市最主要的农作物，2018年通辽市农作物播种面积为147万hm2，其中玉米播种面积为105万hm2，总产量为762万t，单位面积产量为7.2 t/hm2[13]。农业阶段的能耗和排放主要来自玉米种植收获过程中化肥、农药和农业机械的生产与使用。本文农业阶段投入数据主要来自现场调研和内蒙古地区玉米种植投入统计[14]，见表1。其中，种子生产属于农业，农药制造属于农药制造业，农膜制造属于塑料制品业，农业机械制造属于农林牧渔专用机械制造业。N肥施用导致的N2O排放因子取联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）缺省值1%[12]。

表1 农业阶段主要参数Table 1Major parameters and inputs during agricultural phase

续表1

本文以经济价值为基础将玉米种植过程中的能耗和排放分配给玉米和玉米秸秆。由于玉米不是用作能量用途，以经济价值为基础进行分配具有一定的合理性。近年，通辽当地玉米的收购价格为1 700～2 400元/t，电厂收购玉米秸秆的价格为250～290元/t，根据实地调研将玉米的草谷比取值为1。基于上述参数，生产玉米秸秆的能耗和排放占整个玉米种植收获过程的9.4%～14.6%，本文取值为12%。

2.2 收储运阶段

原料收储运包括玉米秸秆的收集、打包和运输到电厂。电厂的原料供应采用秸秆经纪人模式，一共与40多个经纪人签署了秸秆供需买卖合同。在玉米收割时，大部分玉米秸秆直接在田间联合收割、破碎打包，每个秸秆包重量约260 kg，也有小部分秸秆是由经纪人收购散料打包，本文设所有秸秆都在田间联合收割打包。50%的秸秆包从田间运至经纪人自建的分料场临时储存，其余50%直接运往电厂料场。秸秆包运至电厂料场后，50%堆垛储存，50%直接卸车送往上料区。电厂料场一般储备5万～6万t原料，满足电厂5～6个月的用量。秸秆包在田间和分料场装卸由叉车完成，运输工具为拖板车，在电厂料场的卸车和堆垛由专门改装的钩机完成，最后的炉前上料由铲车完成，均使用柴油为燃料。原料在电厂内部的转运由于路程较短，本文并未计入。收储运阶段的能耗和排放主要来自装卸和运输设备的生产与使用，主要参数见表2。其中拖板车制造属于汽车制造业，叉车、钩机和铲车制造属于起重运输设备制造业。

表2 收储运阶段主要参数Table 2 Major parameters and inputs during logistics phase

2.3 发电阶段

电厂配备一台48 t/h高温高压水冷振动炉排锅炉和一台12MW凝汽式高温高压汽轮发电机组。到厂秸秆含水量为15%～25%，秸秆包解包后用铲车上料，由于在打包前已进行破碎，长度小于20 cm，进锅炉前不需要再破碎。电厂每年运行时间均在8 000 h以上，其中2019年运行8 491 h，消耗秸秆11.46万t，发电9 785万kW·h，上网电量8 716万kW·h，综合厂用电率为11.8%。本文电厂运行主要参数见表3。

表3 电厂运行主要参数Table 3 Major parameters and inputs during power generation phase

电厂的飞灰和灰渣送至肥料厂生产有机肥料，本文未考虑飞灰、灰渣处理利用以及电厂报废和相应的废弃物处理。发电阶段的能耗和排放主要来自厂房设备的生产建造和秸秆燃烧。电厂设备设施的投入及其对应的所属部门见表4。

表4 电厂设备设施投入及所属部门Table 4 Construction inputs of power plantand related I-O sectors

3 结果与讨论

3.1 生命周期不可再生一次能源消耗

12MW生物质直燃发电系统全生命周期不可再生一次能源消耗见表5和图2。

表5 生物质直燃发电系统全生命周期能耗和GHG排放Table 5 Life-cycle energy consumption and GHG emissions of biomass power

图2 12MW生物质直燃发电系统能耗分布Fig.2 Energy consumption structure of 12 MW biomass power plant

与煤电9.50MJ/（kW·h）的能耗[10]相比，生物质直燃发电能耗仅为1.57MJ/（kW·h）。使用生物质电力替代煤电，可节约83%的化石能源消耗；如果将玉米秸秆视为废弃物，不考虑农业阶段的投入，可节约93%的化石能源消耗，表明生物质直燃发电具有较高的可再生性和良好的可持续性。

农业阶段的能耗最高，其次是收储运阶段和发电阶段，占总能耗的比例分别为58.3%，24.1%和17.6%。N肥生产能耗占农业阶段的59.8%，占总能耗的34.9%，高于收储运阶段和发电阶段。大部分国家以天然气为原料生产氮肥，而我国的主要原料是无烟煤，生产过程中所需要的电力和蒸汽也主要由燃煤提供，且合成氨-氮肥的生产企业仍有大部分是中小企业[17]，技术水平相对较低，以上原因造成我国N肥生产能耗居高不下，Yang Q[9]计算得出为126.89MJ/kg，美国为57.74 MJ/kg[16]。随着N肥企业的大型化和产业技术水平提升，N肥的生产能耗有望快速降低；科学配方施肥指导下的化肥施用，能减少化肥施用量、降低农业阶段能耗。通辽属于半干旱气候，农地灌溉大多使用地下水，玉米属于需水量较大的根系需水作物，当地玉米地用水量为200m3/667m2左右，因此排灌电力能耗不可忽视。

收储运阶段主要能耗为柴油能耗0.35 MJ/（kW·h），占总能耗的22.2%。由于玉米秸秆是和玉米一起联合收割，其破碎打包能耗计入了农业阶段，收储运阶段的柴油是运输和装卸消耗。值得注意的是，尽管玉米秸秆的运输距离长达80 km，但运输油耗折合2.5 L/t，低于3.2 L/t的装卸油耗。优化原料供应链条、减少中间装卸环节，是降低收储运能耗的关键。

发电阶段的能耗来自电厂设施设备的制造、运输和安装，占总能耗的比例高达17.6%。本文并未考虑电厂设施设备的维修保养，假设每年的维修保养费用为初始投入的1%，则电厂设施设备能耗将增加至0.32MJ/（kW·h），约占总能耗的20%。本文还计算了农业机械、种子和农膜的生产能耗，三者之和与农业阶段的柴油能耗相等[0.09 MJ/（kW·h）]，占农业阶段能耗的9.8%，占总能耗的5.7%。另外，收储运设备制造能耗占收储运阶段的8.0%，占总能耗的1.9%。上述物资和服务投入的能耗不容忽视，但在过程式LCA方法研究中容易被忽略。

3.2 生命周期GHG排放

12MW生物质直燃发电系统全生命周期不可再生一次能源消耗见表5和图3。与煤电792 g/（kW·h）的GHG排放[8]相比，生物质直燃发电仅为223.91 g/（kW·h）。本研究的结果与文献[7]相差不大。

图3 12MW生物质直燃发电系统GHG排放分布Fig.3 Distribution of GHG emissions of 12 MW biomass power plant

使用生物质电力替代煤电，可减少72%的GHG排放；不考虑农业阶段的投入时，可减少85%的GHG排放，减排效果显著。农业阶段的GHG排放最高，其次是发电阶段和收储运阶段，占总排放的比例分别为46.7%，39.5%和13.8%。发电阶段的能耗是收储运阶段的71%，但GHG排放是其2.8倍。

N肥相关的排放包括N肥生产排放和N肥施用导致的N2O排放，两者之和占农业阶段排放的67.3%，占总排放的31.4%。N肥施用后，土壤中发生的硝化和反硝化过程自然产生N2O。对于旱地，IPCC给出的N2O直接排放因子为0.3%～3%（0.003～0.03 kg N2O-N/kg N），本文取其缺省值1%（0.01 kg N2O-N/kg N）[12]进行计算。N肥施用导致的N2O排放取决于当地具体情况，如土壤类型、气候条件和田间管理措施等。添加抑制剂、施加缓（控）释肥、减少施氮量等措施能降低N2O排放，添加抑制剂对N2O减排作用最显著，而减少施氮量是降低农田N2O排放最直接和有效的措施[18]。种子能耗是农业阶段柴油消耗的30%，但GHG排放比其高9%，可见种子培育加工所造成的能耗和排放也不容忽视。由于缺乏数据，本文采用I-O法农业部门的能耗和排放因子对种子的能耗和GHG排放进行估算，有待进一步细化。

电厂设施设备的制造、运输和安装所造成的GHG排放，占总排放的14.1%；农业机械和农膜制造GHG排放占农业阶段的5.9%，占总排放的2.8%；收储运设备制造排放占收储运阶段的10.7%，占总排放的1.5%。在不考虑农业阶段投入时，收储运阶段和发电阶段设备设施排放在总排放中所占比重增大1倍。这些物资和服务投入所蕴含的GHG排放不容忽视。

与煤电相比，12MW生物质直燃发电项目每年可节约一次化石能源6.7×108MJ，折合标煤2.3万t；减少GHG排放4.8万t。生物质发电是处理农林废弃物的最佳方式之一，将在实现节约/替代化石能源、降低GHG排放和发展绿色循环经济中发挥更重要的作用。