生物质电转气技术的生命周期评价

2024-02-26段钰锋丁卫科

动力工程学报 2024年2期

薛崟, 段钰锋, 丁卫科

(1.中通服咨询设计研究院有限公司,南京 210018;2.东南大学能源与环境学院,南京 210096)

生物质能是生物通过光合作用吸收太阳能而使自身具备的能量[1],是仅次于煤炭、石油、天然气等传统化石能源的第四大能源[2]。研究表明[3-4],相比于风能和太阳能发电,生物质发电具有强大的减排潜力,生物质发电项目全生命周期中温室气体(CO2)的排放量为42～85 g/(kW·h)。因此,生物质能是一种可再生、碳中和的优质清洁能源[5]。据统计,我国每年生成的生物质能约为4.6亿t标准煤[6],然而截至2015年,生物质能的实际利用率低于10%[7]。如果能以高效合理的方式对生物质能进行开发利用,将其转化为高品位能源,能够显著加快能源结构的转型升级和促进环境治理体系的日益完善,故加快生物质能利用技术的革新刻不容缓。

生物质电转气技术是一种高效利用生物质能的技术,其将生物质作为电转气技术的能源输入端,可以有效提高生物质能的利用率,并且显著节约运行过程中的成本投入。大量研究成果[8-9]表明,生物质电转气技术能够显著改善生物质能的利用现状,在缓解能源危机的同时,为解决一系列环境污染问题提供新方案,是一种绿色低碳、高效清洁的能源利用方式。

然而,现有的研究大多考虑综合能源系统的经济效益,却没有深入研究生物质电转气系统运行所带来的环境影响。因此,有必要对其进行进一步评估,来判断该项技术的投资价值及其带来的环境影响。笔者选用我国生物质利用最广泛的生物质直燃发电技术,同时选取最常见的玉米杆和稻秸2种生物质燃料,采用生命周期评价(LCA)模型全面评价2种生物质燃料电转气技术全生命周期过程及环境影响,为全面评估生物质电转气技术提供借鉴。

1 生物质电转气技术

生物质电转气技术可分为生物质的获取、生物质直燃发电以及电转气等主要工艺流程,如图1所示。生物质的获取阶段需要使用农业器具对生物质进行收集,并利用货车运输到生物质工厂。为了促进生物质完全燃烧,需要对生物质进行搅碎、干燥等预处理,去除生物质中的水分,干燥的生物质进入直燃发电系统进行反应。生物质发电技术涉及到的主要设备有高温锅炉、高压蒸汽轮机及配套发电机。在该动力系统中,生物质作为燃料在锅炉中燃烧,将燃烧产生的大量热量通入加热器中,将水加热成高温蒸汽并输送到汽轮机中,带动汽轮机做功,由汽轮机推动发电机发电,最终获取生物质电。

图1 生物质电转气技术的工艺流程图

生物质电转气技术是将生物质所发出的电作为电转气技术的能源供应端,采用电转气储能技术来消纳过剩的生物质,可以将生物质能以可燃气体的形式进行储存,不仅实现了生物质能的高效利用,缓解生物质就地焚烧带来的环境问题,而且显著减少了电转气技术的购电成本。

2 生物质发电过程模拟

选择生物质直燃发电技术作为研究对象,模拟结果可为生物质电转气技术的生命周期评价提供参考数据。

2.1 生物质直燃发电阶段的建模

为便于对生物质电转气技术进行流程模拟,对工艺过程进行如下假设:(1)生物质燃烧过程分为热解和燃烧,分别在产率反应器和锅炉中进行;(2)生物质直燃发电所涉及的所有部件均处于稳定状态,初始设置的参数条件保持不变;(3)锅炉内燃料与氧气充分接触并完全反应,燃料组分在同一温度、压强条件下反应;(4)除去生物质电厂建设阶段,不考虑其他阶段因设备运行所带来的环境污染或资源消耗。

在上述假设条件下,对生物质直燃发电技术进行工艺流程的模拟分析,如图2所示。

图2 生物质直燃发电技术的模拟流程图

首先,生物质原料经产率分解器分解为C、H2、S、O2、N2等常规组分,将分解过程中释放的热量(Q1)通入锅炉中,为其提供燃烧所需热能;其次,分解产物被送进锅炉中进行燃烧,同时,将空气作为燃烧过程的氧化剂一起通入锅炉中,将燃烧过程中释放的热量(Q2)送入加热器中。燃烧生物质所得产物进入冷凝器中进行冷却,将冷凝过程释放的热量(Q3)输送到加热器中。冷却后的产物经旋风分离器进行气固分离,将燃烧过程中形成的灰分排出,将燃烧释放的混合气体排出。最终,将水送入加热器中加热成高温蒸汽,由高温蒸汽带动汽轮机做功并产生电能(W1),将剩余的水蒸气排出。

2.2 参数设定与模拟结果

生物质直燃发电阶段的参数设置如表1所示。其中,汽轮机选型为Turbine,类型为Isentropic,等熵效率为0.9,发电效率为0.95。

表1 生物质直燃发电阶段的参数设置

生物质原料选择稻秸和玉米秆,其工业分析和元素分析结果分别参考文献[11]和文献[12]。在Calculate计算模块中添加Fortran子程序来计算物流的组成成分[9],模拟结果如表2和表3所示。

表2 生产1 kW·h电能生物质的消耗量

表3 生产1 kW·h电能污染物排放量

3 生命周期评价

生命周期评价的基本步骤分别为目标与范围确定、清单分析、影响评价和结果解释。

3.1 目标与范围确定

生物质电转气技术生命周期评价的目标是获得该技术整个生命周期内的环境影响和资源消耗,分析其经济效益和环境效益。将1 kg CH4作为功能单位。生物质电转气系统边界是指生物质的获取、生物质直燃发电、CH4和H2的生产、CH4的运输及利用等主要过程。生物质电转气技术的生命周期框图如图3所示。

图3 生物质电转气技术生命周期的系统边界

生物质电转气技术生命周期评价的影响因素较多,笔者对生物质电转气技术的系统边界进行以下假设:(1)产品CH4均作为燃料使用且完全燃烧,产物仅为CO2和水蒸气;(2)不考虑碳捕集系统及加压装置的运行能耗;农药的使用量远低于化肥的用量,且缺乏与该部分相关的参考数据,故农药的环境影响忽略不计;(3)在生物质燃烧时CO2的排放量与生物质进行光合作用时的CO2吸收量相等,以1 kg CH4为功能单位,净CO2吸收量为0 g。

3.2 清单分析

生物质电转气技术生命周期的环境影响清单由各阶段直接排放和间接排放的污染物构成。资源消耗需考虑整个生命周期过程中能源和矿物质的投入。笔者选取了玉米秆和稻秸2种生物质进行分析。

3.2.1 生物质的获取阶段

生物质的获取阶段包括生物质生长、收割、包装、运输以及预处理等阶段。

(1) 生物质生长阶段

生物质生长阶段的直接排放包含农田的排放和生物质在进行呼吸作用与光合作用时所排放的污染物。农田自身会排放N2O和CO2,每吨玉米在生长阶段的N2O排放量为0.4 kg,CO2排放量为600 kg[12]。稻田中每平方米稻谷在生长阶段的CH4、N2O排放量分别为0.017 kg、0.000 565 kg[11]。

生物质生长阶段的间接排放一方面包括进行种植、灌溉、收割时农业器具消耗电能和柴油所引起的环境排放,另一方面,包括化肥和农药在生产阶段的污染物排放。每吨玉米在生长阶段的电能和柴油消耗量分别为61.1 kW·h、9.2 kg[12-13],每公顷稻谷在生长阶段的电能和柴油消耗量分别为1 322.2 kW·h、145.5 kg[11]。稻谷的产量设为0.68 kg/m2[11]。从Ecoinvent3.5数据库中获取在生产和运输过程中柴油、润滑剂、化肥的相关数据。种植1 t玉米时氮肥、钾肥和磷肥的投入量分别为17.4 kg、20.9 kg和5.3 kg,种植1 ha稻谷时氮肥、钾肥和磷肥的投入量分别为195.9 kg、71 kg和45.9 kg,化肥的流失率为16.3%[11],忽略农药生产阶段的间接排放。

分析玉米秆和稻秸的环境影响时,需要利用经济价值法,计算秸秆和稻秸的分配系数Kcs[13]。

(1)

式中:MMF,cs为玉米秆与玉米的质量比,取1.2;MMF,cc为玉米芯与玉米的质量比,取0.35;Pcc为玉米芯的市场平均售价,取450元/t;Pcg为玉米的市场平均售价,取2 100元/t;Pcs为玉米秆的市场平均售价,取450元/t。

计算可得,玉米秆和稻秸的分配系数分别为0.160 9和0.120 5。

(2) 生物质收集阶段

该阶段的环境影响主要考虑农业器械消耗燃料和电能时所引起的污染物排放,铲车及叉车是主要的油耗设备,每吨玉米秆和稻秸在收集阶段的消耗量分别为0.67 kg、2 kg[12],打包机、破碎机、抓斗起重机是主要能耗设备,每吨玉米秆和稻秸收集阶段的总耗电量分别为18.2 kW·h[14]、18 kW·h[12]。

(3) 生物质运输阶段

生物质运输阶段的环境影响只考虑载具的污染物排放。运载工具为载重8 t的中型货车[15],燃料消耗量为0.02 kg/(t·km)[16],道路曲折因子为1.3,油耗为1 L/km,柴油密度取为0.9 kg/L。假定柴油完全燃烧,运输过程中的污染物排放参照国家标准[17]。N2O和CH4的排放因子依据欧洲第Ⅲ号排放标准中规定的柴油中型货车主要排放物排放因子获得[18]。将货车返程中的空载排放纳入考虑范围。假定玉米秆和稻秸的收集半径均为34.5 km[19-22]。

3.2.2 生物质直燃发电阶段

生物质直燃发电阶段包括电厂的建设和运行,其中运行阶段包括生物质燃烧、汽轮机做功、发电机发电等主要过程。假设生物质电厂的装机容量为12.5 MW,工作时长为10 h/d,一年中有300 d正常运行,发电效率为22%,服役年限为25 a,生物质直燃发电厂建设阶段的清单数据参照文献[23]。在生物质燃烧时,锅炉中会排放CO2、SO2、NOx等污染物。生物质直燃发电阶段的模拟结果如表2和表3所示。

3.2.3 CH4和H2的生产

CH4和H2的生产为电转气过程,将生物质直燃发电所获得的电能作为电转气技术的电能供应端,促使反应的发生并生成H2,H2在甲烷化装置中与CO2进一步反应生成甲烷。采用碱性水电解技术(AWE),整个电转气过程的排放物只有O2和H2O。根据文献[24]可知,生产1 kg CH4需消耗电量20.11 kW·h;根据模拟结果,得出生产1 kg CH4需消耗4.492 kg的H2O和2.743 kg的CO2。假设H2与CO2反应时所需的高温环境由甲烷化过程中产生的余热来满足,且不考虑金属催化剂生产所需的能源、设备及催化剂材料的处理。

3.2.4 CH4的运输及利用

甲烷的运输及使用阶段主要考虑甲烷从生产源到用户使用端的运输过程和甲烷的燃烧过程。通过电转气技术生成的合成甲烷(SNG)经加压装置压缩后形成液化天然气(LNG),液化天然气以存放在储存罐中的形式被输送到用户端,生产源到用户使用端的运输距离取200 km[25],运输全程所用的交通工具为载重8 t的中型货车[15],燃料是柴油。污染物为由CH4完全燃烧生成的CO2以及柴油燃烧所释放的污染物。以1 kg CH4为功能单位的生物质电转气技术整个生命周期内的资源消耗和污染物排放分别见表4和表5。

表4 以1 kg CH4为功能单位的生物质电转气技术全生命周期中资源消耗清单

表5 以1 kg CH4为功能单位的生物质电转气技术全生命周期中污染物排放清单

3.3 生物质电转气技术的环境影响评价

采用SimaPro软件对生物质电转气技术全生命周期进行环境影响评价,厂建阶段的资源消耗及污染物排放数据来自相关文献、Ecoinvent 3.5、ELCD数据库,生物质直燃发电阶段输入和输出的相关数据来自Aspen Plus,CH4和H2的生产阶段、CH4运输和利用阶段的输入和输出情况参考文献[24]中的相关数据。基于CML-IA baseline 3.05分析方法对2种生物质电转气技术的环境影响潜值进行计算,结果如表6和表7所示。

表6 以1 kg CH4为功能单位的生物质(玉米秆)电转气技术环境影响评价结果

表7 以1 kg CH4为功能单位的生物质(稻秸)电转气技术环境影响评价结果

3.4 结果分析与讨论

将2种生物质电转气技术各环境影响类型的标准值进行汇总,结果如表8所示。2种生物质电转气技术的环境影响标准化值对比如图4所示。由图4可知,海洋水生毒性、全球暖化、淡水水生毒性以及酸化是表现较为突出的环境影响类型。在全球暖化、人体毒性、酸化等环境影响类型上,2种生物质的影响程度较为相似。然而,在海洋水生毒性这一环境指标上,两者表现差异较大,以1 kg CH4为功能单位,生物质(稻秸)电转气技术的影响潜值高达5 450 kg(以1,4-DB的质量计),其中生物质获取阶段的贡献占比达97.2%。稻秸的海洋水生毒性潜值是玉米杆相应潜值的2.8倍,这是因为在水稻的生长阶段,农药和化肥的投入量较大,造成水体中的有害物质含量较高。在人体毒性、光化学污染、富营养化、化石燃料消耗等环境指标上,这2种生物质的影响程度较小,具有良好的环境效益。

由表8可知,玉米秆电转气的环境影响程度低于稻秸电转气。这是由于稻秸中的灰分含量较高,在生物质直燃发电阶段,灰分会转化成多种环境污染物,造成严重的环境污染。其中,编号1～编号11下玉米秆与稻秸电转气技术环境影响潜值的比值分别为34.74%、86.21%、88.77%、67.97%、63.15%、53.53%、35.76%、44.22%、37.30%、62.01%和15.78%。

2种生物质各阶段对不同环境影响类型的贡献程度分别如图5和图6所示。在整个生命周期过程中,除酸化和全球暖化这2种环境影响类型外,甲烷和氢气生产阶段的环境影响潜值始终为负。这是由于进行甲烷化反应时吸收了大量CO2,且生成物中只有CH4和H2O,这对于温室效应、臭氧层耗竭、富营养化等环境问题有显著的缓解作用。对比图5和图6可知,生物质直燃发电阶段和生物质获取阶段对环境影响类型的贡献程度均较大。这是因为生物质获取阶段对柴油、电能等资源的需求量较大,柴油燃烧和电能生产过程中会排出较多污染物,农药、化肥的投入也是加重环境污染的重要原因;生物质直燃发电阶段会释放大量CO2、SO2等环境污染物,促使环境影响潜值维持在较高水平。

图5 生物质(玉米秆)生命周期各阶段对环境影响类型的贡献程度

图6 生物质(稻秸)生命周期各阶段对环境影响类型的贡献程度

3.5 2种生物质的环境影响程度对比

对海洋水生毒性、全球暖化这2种表现较为突出的环境影响类型进行分析,探索造成这2种环境污染问题的主要原因,并提出相应的解决方案。

3.5.1 全球暖化

图7(a)和图7(b)分别给出了玉米秆电转气与稻秸电转气的全球暖化潜值(GWP)的占比情况。可以发现,生物质直燃发电阶段所占比重均最大,分别为46%和41%。该阶段对全球暖化贡献值较大的原因是碳元素含量在生物质元素中占比较大,当生物质在高温锅炉中燃烧时会产生大量CO2,这是导致温室效应的最主要原因。甲烷、氢气的生产阶段对全球暖化潜值的贡献程度仅次于生物质直燃发电阶段,分别为35%和32%。这是由于生物质电是作为电转气技术的能源供应端,需要将产生生物质电时所带来的环境污染纳入环境影响评价的考虑范围,正是这一因素促使全球暖化潜值处于较高水平。

(a) 玉米秆

3.5.2 海洋水生毒性

以1 kg CH4为功能单位,2种生物质在各阶段的海洋水生毒性潜值的对比如图8所示。可以发现,稻秸电转气技术在生物质获取阶段的海洋水生毒性潜值很大,远超玉米秆电转气技术的生物质获取阶段。造成这种现象的原因是在水稻的生长阶段,农药和化肥的投入量较大,造成水体中的有害物质含量较高。在其余的3个阶段,海洋水生毒性潜值差别较小,并且甲烷和氢气生产阶段的影响潜值为负,再次证明电转气技术是一项环境友好型的储能技术。