隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，環(huán)境和能源問題日益嚴重，人類開始加快尋找替代能源的步伐。對替代能源的需求使生物質(zhì)能成為全球熱點。我國是一個農(nóng)業(yè)大國，每年僅農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量達7億t以上，其中可以作為能源利用的秸稈約3.995億t。由于生物質(zhì)資源極為豐富，且生物質(zhì)能作為低碳燃料，硫、灰的含量低于目前大量使用的煤炭，很多學者認為生物質(zhì)能將是新能源中最具開發(fā)性的一種綠色可再生能源。在各種生物質(zhì)能的利用途徑中，生物質(zhì)發(fā)電技術是比較成熟的技術。加大生物質(zhì)發(fā)電的開發(fā)力度，能有效利用生物質(zhì)過剩資源，改善環(huán)境質(zhì)量，有效減少溫室氣體的排放。
生物質(zhì)發(fā)電的實際應用中也存在一些問題。以秸稈發(fā)電為例，盡管秸稈資源總量巨大，但其體積松散、能量密度低，特別是我國秸稈收購對象為單戶農(nóng)民，農(nóng)戶種植面積小，秸稈種類多樣、分布分散。在原料獲取和轉(zhuǎn)化過程中，需要耗費大量的人力、物力進行收集、儲存、運輸，在生產(chǎn)出潔凈能源的同時，也要消耗大量的能源，排放出污染物。因此應該結(jié)合生物質(zhì)發(fā)電項目的特點對生物質(zhì)發(fā)電的生命周期過程加以認識、判斷、評價和控制。
生命周期評價(LCA，Life Cycle Assessment)是評價產(chǎn)品或行為過程在生命周期內(nèi)對環(huán)境所產(chǎn)生影響的一種工具。生命周期評價通過對能量和物質(zhì)的利用以及由此造成的廢物排放進行辨識和量化，評估能量和物質(zhì)利用以及廢物排放對環(huán)境的影響，尋求改善環(huán)境影響的機會。本文基于生命周期評價方法，對秸稈直燃發(fā)電系統(tǒng)進行評價。辨別秸稈直燃發(fā)電過程中不同的階段對環(huán)境的影響，全面地分析秸稈直燃發(fā)電的環(huán)境影響和能源消耗。
三門峽富通新能源生產(chǎn)銷售的秸稈顆粒機，秸稈壓塊機等專業(yè)壓制生物質(zhì)顆粒燃料。
1、研究內(nèi)容與方法
1.1研究內(nèi)容
本文以小麥秸稈為例，利用生命周期評價法分析秸稈直燃發(fā)電過程中的能量消耗及造成的環(huán)境影響。本文選取評價對象是裝機容量25 MW的生物質(zhì)秸稈直燃發(fā)電系統(tǒng)，采用秸稈直接燃燒發(fā)電工藝，將生物質(zhì)能原料打包后直接燃燒。設定年發(fā)電時間為6 000 h，發(fā)電效率為16%。秸稈消耗量為1.4 kg/kWh。秸稈搜集半徑約為40 km。本文以系統(tǒng)每生產(chǎn)1萬kWh電能需要的能耗和所造成的環(huán)境影響進行計算和分析。
1.2生命周期評價研究方法
生命周期評價的方法是丹麥技術大學開發(fā)的工業(yè)產(chǎn)品設計方法(EDIP方法)，即采用政策目標距離法確定標準化基準和不同環(huán)境潛質(zhì)的重要性權(quán)重。國內(nèi)楊建新等人基于以上方法建立了中國的標準化基準和權(quán)重因子，定義了中國的區(qū)域污染當量因子。本文采用該生命周期評價方法，將清單分析中的結(jié)果按照環(huán)境影響類型進行分類劃分，計算各種環(huán)境影響類型的潛值，然后進行標準化、加權(quán)網(wǎng)，據(jù)此分析和比較不同環(huán)境影響類型對環(huán)境損害的嚴重性，同時分析生物質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)的不同階段產(chǎn)生的環(huán)境影響特點。
2、秸稈直燃發(fā)電系統(tǒng)的生命周期評價
2.1確定生命周期系統(tǒng)邊界
在確定生命周期評價的邊界系統(tǒng)時，考慮到數(shù)據(jù)可獲性和數(shù)據(jù)質(zhì)量等問題，生物質(zhì)直燃發(fā)電設備制造和建設時的能耗和環(huán)境排放不計入邊界系統(tǒng)內(nèi)：同時，由于生物質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)是一種新型系統(tǒng)，還未達到報廢年限，故暫未考慮生產(chǎn)設備回收報廢單元階段，僅研究本系統(tǒng)正常生產(chǎn)階段。秸稈直燃發(fā)電系統(tǒng)的生命周期系統(tǒng)包括生物質(zhì)秸稈生產(chǎn)階段、生物質(zhì)秸稈的運輸階段和燃燒發(fā)電階段。系統(tǒng)邊界劃分如圖1所示。
2.2清單分析
清單分析是生命周期評價的核心環(huán)節(jié)，生命周期清單分析中，對同時輸出多種產(chǎn)品的單元系統(tǒng)要進行能流和污染排放物的分配。
2.2.1秸稈種植收獲階段
雖然麥秸是小麥種植過程中的副產(chǎn)物，但它可以用于造紙、堆肥、還田或作為飼料，有一定的經(jīng)濟價值。基于此，按經(jīng)濟價值將小麥種植過程中的能耗和環(huán)境排放分配給小麥秸稈的生產(chǎn)。按照此種分配方式，參照目前小麥和麥秸的銷售價格，設小麥秸稈生產(chǎn)階段的能量消耗和污染物排放占整個小麥種植過程中的lO%。
2.2.2生物質(zhì)運輸階段
假設秸稈的主要運輸工具為柴油拖拉機．主要消耗能源為柴油(單位里程耗油為35L/100 km)．單車平均運量為8t．柴油的熱值為44 MJ/kg。假設秸稈收集半徑為40 km，運輸每噸麥秸所需的平均能量為65.6 MJ，則運輸生產(chǎn)1萬kWh電能的小麥秸稈所消耗柴油的能量為918.4 MJ。在運輸階段，認為污染物排放為柴油在生產(chǎn)和燃燒的過程中的排放。根據(jù)柴油生產(chǎn)和燃燒的排放系數(shù)，可以計算出運輸過程中的污染物排放量（表1）。
2.2.3秸稈燃燒發(fā)電階段
電廠運行發(fā)電過程主要包括秸稈的預處理和秸稈燃燒發(fā)電2個階段。
預處理階段主要包括粉碎、干燥和成型階段。假設預處理階段消耗的能量完全由燃煤提供，通過產(chǎn)生C02量可推算出所消耗標準煤數(shù)量，進而推算出S02，NO，和粉塵的排放量。研究結(jié)果表明，燃燒100 kg小麥秸稈在預處理階段耗煤量為4.72 kg，在秸稈直燃發(fā)電系統(tǒng)中，燃燒發(fā)電過程的能量由系統(tǒng)自身的發(fā)電量提供，不需要耗能。在預處理階段燃燒100 kg秸稈排放CO2 11.8 kg，S020.09 kg，NO. 0.06 kg，煙塵0.59 kg。發(fā)電過程中燃燒100 kg小麥秸稈排放CO2 135.76 kg，S02 0.15kg，NO。0.57 kg，煙塵5.59 kg。由此，可以計算出，在發(fā)電過程中每發(fā)電l萬kWh．消耗燃煤660.8 kg，排放C02 20 658.46 kg,SOz 33.60 kg,NO,88.20 kg，煙塵865.20 kg。
2.3清單匯總
2.3,1秸稈直燃發(fā)電系統(tǒng)生命周期能源消耗
在整個秸稈直燃發(fā)電系統(tǒng)中，燃燒發(fā)電過程的能量由系統(tǒng)自身的發(fā)電量提供，在計算總能耗時，僅僅計算秸稈獲取、運輸和秸稈預處理階段的能耗。
計算結(jié)果如下：秸稈直燃發(fā)電系統(tǒng)每發(fā)電1萬kWh，秸稈在獲取階段、運輸階段和預處理階段能量的輸入分別為791.5 MJ，918.4 MJ，13 830.5 MJ。總能量輸入為l5 340.2 MJ。
2.3.2秸稈直燃發(fā)電系統(tǒng)生命周期環(huán)境污染物排放
將秸稈直燃發(fā)電各個階段的數(shù)據(jù)進行匯總，得到小麥秸稈直燃發(fā)電系統(tǒng)全生命周期污染物的輸出數(shù)據(jù)（表2）。發(fā)電l萬kWh的小麥秸稈，在秸稈的種植過程中可以吸收C02 24 101 kg，因此在計算C02排放量時應該減去種植過程中的C02吸收量。
2.4影響評價
影響評價主要是對識別出的環(huán)境影響進行定性或定量的評價．從而確定研究系統(tǒng)的資源消耗與污染物排放對其外部環(huán)境的影響。
在對環(huán)境排放清單進行環(huán)境影響潛值的計算過程中，本研究主要考慮全球變暖，環(huán)境酸化和富營養(yǎng)化及煙塵這4種環(huán)境影響。
2.4.1環(huán)境影響潛值計算
環(huán)境影響潛值指整個系統(tǒng)中所有同類環(huán)境排放影響的總和。同類污染物通過當量系數(shù)轉(zhuǎn)換為參照物的環(huán)境影響潛值（表3），氣候變化以C02為參照物轉(zhuǎn)化為全球變暖潛力，環(huán)境酸化以S02為參照物．富營養(yǎng)化以N03-為參照物分別計算。式中：EP(m)為產(chǎn)品生命周期中第m種環(huán)境影響潛值；EP (m)n為第n種排放物的第m種環(huán)境影響潛值；Q (m)n為第n種物質(zhì)的排放量；EF(m)n為第n種排放物的第m種環(huán)境影響的當量因子。各種環(huán)境影響的影響潛值如表4所示。
2.4.2標準化計算
標準化是將各種類型的影響潛值無量綱化。本文采用文獻《產(chǎn)品生命周期評價方法及應用》中的標準化方法和基準，即用1990年全社會資源消耗總量和環(huán)境潛在總影響分別作為標準化基準。標準化的環(huán)境影響潛質(zhì)體現(xiàn)了相對于整個社會活動所造成總的環(huán)境影響而言。生物質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)的資源消耗、環(huán)境污染潛值究竟有多大。標準化后的環(huán)境影響潛值單位為：標準人當量。
標準化的計算公式：式中：NEP(m)為第m種環(huán)境影響潛值標準化后的值；EP(m)為生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)中的第，，1種環(huán)境影響潛值；職(m)為標準化基準，是1990年全社會的第m種環(huán)境影響潛值。
2.4.3加權(quán)評估及環(huán)境影響負荷
標準化的影響潛值可以反映潛在環(huán)境影響量的大小，但還不能比較不同環(huán)境影響類型的相對嚴重性，通過針對不同影響類型對環(huán)境的損傷程度賦予不同權(quán)重，可以更加合理地評價生物質(zhì)直燃發(fā)電系統(tǒng)的環(huán)境影響。權(quán)重的確定采用“目標距離”方法，即某種環(huán)境影響的嚴重性用該環(huán)境影響全社會當前水平與全社會給定的目標水平之間的比值來表示權(quán)重。
權(quán)重因子的確定公式：
WF(m)=ER(m)baseIER(m)aim (3)式中：W“m）為第m種環(huán)境影響類型的權(quán)重因子；E (m)base為1990年第J種環(huán)境影響潛值；ER(m)aim為2000年第m種環(huán)境影響潛值。
秸稈直燃發(fā)電項目的環(huán)境影響潛值標準化和加權(quán)分析后的結(jié)果如表5所示。
根據(jù)權(quán)重對標準化后的環(huán)境影響潛值進行加權(quán)分析，得出在秸稈直燃發(fā)電過程中的主要環(huán)境影響加權(quán)后的環(huán)境影響潛值。加權(quán)后結(jié)果表明，在秸稈直燃發(fā)電過程中，產(chǎn)生的主要環(huán)境影響為煙塵的排放，其次為NO，排放產(chǎn)生的富營養(yǎng)化。
將各種影響潛值相加可以計算出其總環(huán)境影響負荷為35.18人當量。總環(huán)境影響負荷是對系統(tǒng)全生命周期產(chǎn)生的環(huán)境影響的一種量化結(jié)果。利用該量化結(jié)果可以對不同生產(chǎn)原料或系統(tǒng)生產(chǎn)等量產(chǎn)品產(chǎn)生的環(huán)境影響進行比較，確定可利用的最佳原料、工藝及途徑。
3、結(jié)論
①在秸稈直燃發(fā)電系統(tǒng)中，每發(fā)電l萬kWh消耗的總能耗為15 340 MJ，其中預處理階段的能量消耗為13 830.5 MJ，占總能耗的90%。因此應該改進預處理設備技術，提高系統(tǒng)效率，減少資源的消耗，提高秸稈直燃發(fā)電的經(jīng)濟性。
②本文生命周期評價的秸稈直燃發(fā)電系統(tǒng)每發(fā)電1萬kWh向大氣排放S02 37.39 kg，NO.90.37 kg。我國當前火力發(fā)電每發(fā)電1萬kWh向大氣排放C02 10 t．S02 80 kg，NO；50 kg，雖然秸稈直燃發(fā)電系統(tǒng)氮氧化物的排放量有所增加，但其他有害氣體比常規(guī)的火力發(fā)電少得多。此外，生物質(zhì)在燃燒過程中排放出的C02與其生長過程中所吸收的C02相平衡。同時，由于燃燒生物質(zhì)剩余物減少了其自然腐爛所產(chǎn)生的CH4，通常認為CH4氣體的溫室效應為C02的21倍，進一步減少了溫室氣體的排放。所以，可以認為生物質(zhì)直燃發(fā)電是目前電力發(fā)展中可行的減排溫室氣體的手段。
③秸稈直燃發(fā)電的全球變暖的影響潛值為0.71．富營養(yǎng)化影響潛值為4.95，酸化的影響潛值為0.2．煙塵的影響潛值為23.92。煙塵的影響潛值大于全球變暖、酸化和富營養(yǎng)化的影響潛值，說明在秸稈直燃發(fā)電過程中產(chǎn)生較多的煙塵。國家應該積極制定相應的環(huán)境標準，強制電廠完善除塵設備，減少煙塵的排放量。
④秸稈是重要的生物質(zhì)能源，用途廣泛，可以利用生命周期評價對秸稈資源化利用的不同途徑進行綜合比較評價，確定秸稈的最佳利用途徑和轉(zhuǎn)化工藝。目前的LCA主要側(cè)重環(huán)境影響和資源消耗潛值。今后在運用LCA方法過程中，還應注重通過物流、能流、人工、土地等核算秸稈資源化利用的價值流和價值驅(qū)動力，進行經(jīng)濟性、環(huán)境影響和資源消耗的綜合生命周期評價。還應該建立科學的基于生命周期的經(jīng)濟、環(huán)境、能源、決策分析模型，對生命周期評價的應用領域進一步地擴充和提升，為環(huán)境管理提供有效的工具。
