隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，環(huán)境和能源問題日益嚴(yán)重，人類開始加快尋找替代能源的步伐。對(duì)替代能源的需求使生物質(zhì)能成為全球熱點(diǎn)。我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，每年僅農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量達(dá)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(xué)者認(rèn)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(shù)是比較成熟的技術(shù)。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(shí)際應(yīng)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(duì)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(fèi)大量的人力、物力進(jìn)行收集、儲(chǔ)存、運(yùn)輸，在生產(chǎn)出潔凈能源的同時(shí)，也要消耗大量的能源，排放出污染物。因此應(yīng)該結(jié)合生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目的特點(diǎn)對(duì)生物質(zhì)發(fā)電的生命周期過程加以認(rèn)識(shí)、判斷、評(píng)價(jià)和控制。
生命周期評(píng)價(jià)(LCA，Life Cycle Assessment)是評(píng)價(jià)產(chǎn)品或行為過程在生命周期內(nèi)對(duì)環(huán)境所產(chǎn)生影響的一種工具。生命周期評(píng)價(jià)通過對(duì)能量和物質(zhì)的利用以及由此造成的廢物排放進(jìn)行辨識(shí)和量化，評(píng)估能量和物質(zhì)利用以及廢物排放對(duì)環(huán)境的影響，尋求改善環(huán)境影響的機(jī)會(huì)。本文基于生命周期評(píng)價(jià)方法，對(duì)秸稈直燃發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)。辨別秸稈直燃發(fā)電過程中不同的階段對(duì)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(jī)，秸稈壓塊機(jī)等專業(yè)壓制生物質(zhì)顆粒燃料。
1、研究?jī)?nèi)容與方法
1.1研究?jī)?nèi)容
本文以小麥秸稈為例，利用生命周期評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)對(duì)象是裝機(jī)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(shè)定年發(fā)電時(shí)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(jìn)行計(jì)算和分析。
1.2生命周期評(píng)價(jià)研究方法
生命周期評(píng)價(jià)的方法是丹麥技術(shù)大學(xué)開發(fā)的工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法(EDIP方法)，即采用政策目標(biāo)距離法確定標(biāo)準(zhǔn)化基準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)化基準(zhǔn)和權(quán)重因子，定義了中國的區(qū)域污染當(dāng)量因子。本文采用該生命周期評(píng)價(jià)方法，將清單分析中的結(jié)果按照環(huán)境影響類型進(jìn)行分類劃分，計(jì)算各種環(huán)境影響類型的潛值，然后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、加權(quán)網(wǎng)，據(jù)此分析和比較不同環(huán)境影響類型對(duì)環(huán)境損害的嚴(yán)重性，同時(shí)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(diǎn)。
2、秸稈直燃發(fā)電系統(tǒng)的生命周期評(píng)價(jià)
2.1確定生命周期系統(tǒng)邊界
在確定生命周期評(píng)價(jià)的邊界系統(tǒng)時(shí)，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(shè)備制造和建設(shè)時(shí)的能耗和環(huán)境排放不計(jì)入邊界系統(tǒng)內(nèi)：同時(shí)，由于生物質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)是一種新型系統(tǒng)，還未達(dá)到報(bào)廢年限，故暫未考慮生產(chǎn)設(shè)備回收?qǐng)?bào)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(yùn)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(píng)價(jià)的核心環(huán)節(jié)，生命周期清單分析中，對(duì)同時(shí)輸出多種產(chǎn)品的單元系統(tǒng)要進(jìn)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(jì)價(jià)值。基于此，按經(jīng)濟(jì)價(jià)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(jià)格，設(shè)小麥秸稈生產(chǎn)階段的能量消耗和污染物排放占整個(gè)小麥種植過程中的lO%。
2.2.2生物質(zhì)運(yùn)輸階段
假設(shè)秸稈的主要運(yùn)輸工具為柴油拖拉機(jī)．主要消耗能源為柴油(單位里程耗油為35L/100 km)．單車平均運(yùn)量為8t．柴油的熱值為44 MJ/kg。假設(shè)秸稈收集半徑為40 km，運(yùn)輸每噸麥秸所需的平均能量為65.6 MJ，則運(yùn)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(yùn)輸階段，認(rèn)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(jì)算出運(yùn)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(yùn)行發(fā)電過程主要包括秸稈的預(yù)處理和秸稈燃燒發(fā)電2個(gè)階段。
預(yù)處理階段主要包括粉碎、干燥和成型階段。假設(shè)預(yù)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(biāo)準(zhǔn)煤數(shù)量，進(jìn)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(yù)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(yù)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(jì)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(gè)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(jì)算總能耗時(shí)，僅僅計(jì)算秸稈獲取、運(yùn)輸和秸稈預(yù)處理階段的能耗。
計(jì)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(yùn)輸階段和預(yù)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(gè)階段的數(shù)據(jù)進(jìn)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(jì)算C02排放量時(shí)應(yīng)該減去種植過程中的C02吸收量。
2.4影響評(píng)價(jià)
影響評(píng)價(jià)主要是對(duì)識(shí)別出的環(huán)境影響進(jìn)行定性或定量的評(píng)價(jià)．從而確定研究系統(tǒng)的資源消耗與污染物排放對(duì)其外部環(huán)境的影響。
在對(duì)環(huán)境排放清單進(jìn)行環(huán)境影響潛值的計(jì)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(jì)算
環(huán)境影響潛值指整個(gè)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(dāng)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(jì)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(dāng)量因子。各種環(huán)境影響的影響潛值如表4所示。
2.4.2標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算
標(biāo)準(zhǔn)化是將各種類型的影響潛值無量綱化。本文采用文獻(xiàn)《產(chǎn)品生命周期評(píng)價(jià)方法及應(yīng)用》中的標(biāo)準(zhǔn)化方法和基準(zhǔn)，即用1990年全社會(huì)資源消耗總量和環(huán)境潛在總影響分別作為標(biāo)準(zhǔn)化基準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)化的環(huán)境影響潛質(zhì)體現(xiàn)了相對(duì)于整個(gè)社會(huì)活動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)化后的環(huán)境影響潛值單位為：標(biāo)準(zhǔn)人當(dāng)量。
標(biāo)準(zhǔn)化的計(jì)算公式：式中：NEP(m)為第m種環(huán)境影響潛值標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)化基準(zhǔn)，是1990年全社會(huì)的第m種環(huán)境影響潛值。
2.4.3加權(quán)評(píng)估及環(huán)境影響負(fù)荷
標(biāo)準(zhǔn)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(duì)嚴(yán)重性，通過針對(duì)不同影響類型對(duì)環(huán)境的損傷程度賦予不同權(quán)重，可以更加合理地評(píng)價(jià)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(biāo)距離”方法，即某種環(huán)境影響的嚴(yán)重性用該環(huán)境影響全社會(huì)當(dāng)前水平與全社會(huì)給定的目標(biāo)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(xiàng)目的環(huán)境影響潛值標(biāo)準(zhǔn)化和加權(quán)分析后的結(jié)果如表5所示。
根據(jù)權(quán)重對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化后的環(huán)境影響潛值進(jìn)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(jì)算出其總環(huán)境影響負(fù)荷為35.18人當(dāng)量。總環(huán)境影響負(fù)荷是對(duì)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(duì)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(jìn)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(yù)處理階段的能量消耗為13 830.5 MJ，占總能耗的90%。因此應(yīng)該改進(jìn)預(yù)處理設(shè)備技術(shù)，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(jì)性。
②本文生命周期評(píng)價(jià)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(dāng)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(zhǎng)過程中所吸收的C02相平衡。同時(shí)，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(rèn)為CH4氣體的溫室效應(yīng)為C02的21倍，進(jìn)一步減少了溫室氣體的排放。所以，可以認(rèn)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(yīng)該積極制定相應(yīng)的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)制電廠完善除塵設(shè)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(píng)價(jià)對(duì)秸稈資源化利用的不同途徑進(jìn)行綜合比較評(píng)價(jià)，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(yùn)用LCA方法過程中，還應(yīng)注重通過物流、能流、人工、土地等核算秸稈資源化利用的價(jià)值流和價(jià)值驅(qū)動(dòng)力，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境影響和資源消耗的綜合生命周期評(píng)價(jià)。還應(yīng)該建立科學(xué)的基于生命周期的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、能源、決策分析模型，對(duì)生命周期評(píng)價(jià)的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步地?cái)U(kuò)充和提升，為環(huán)境管理提供有效的工具。
