1、第29卷第6期20年6月太陽能學(xué)報(bào)柵A ENERl丑AE SoIBIs SINlCA v01.29.No.6蛔.瑚8秸稈生物質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)的碳循環(huán)分析何珍,吳創(chuàng)之,陰秀麗(中國科學(xué)院廣州能源研究所,中國科學(xué)院可再生能源與天然氣水合物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州510640摘要:基于已有相關(guān)研究的數(shù)據(jù),利用簡化的生命周期分析方法,對秸稈在不同生物質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)中,從最初生產(chǎn)到最終被轉(zhuǎn)化利用的過程進(jìn)行碳循環(huán)分析。結(jié)果表明:在生物質(zhì)發(fā)電的整個生命周期過程中從大氣固定了c02;該文中所涉及的3類秸稈,在各發(fā)電過程的固碳趨勢一致,依次為稻秸>麥秸>玉米秸;在相同發(fā)電過程下,獲得單位電量的碳排放隨發(fā)電效率的提高而

2、降低,而固定單位碳量的電力產(chǎn)出則不斷增加;同等規(guī)模下,氣化發(fā)電過程產(chǎn)生單位電能的碳排放低于直接燃燒發(fā)電過程。關(guān)鍵詞:秸稈;碳循環(huán);氣化發(fā)電;直接燃燒發(fā)電中圖分類號:1X6文獻(xiàn)標(biāo)識碼:AO引言我國是一個農(nóng)業(yè)大國,各類農(nóng)作物廢棄物資源十分豐富,僅秸稈一項(xiàng)就達(dá)7億t以上,其中玉米秸(39%、小麥秸(21%和稻秸(19%是我國的三大秸稈。它們大多被用來直接燃燒,其煙霧中含大量ISP和S02,造成嚴(yán)重的大氣污染12。目前國內(nèi)外研究生物質(zhì)能主要是針對某一能量轉(zhuǎn)換過程中能量效率和物質(zhì)平衡的關(guān)系,把生物能循環(huán)系統(tǒng)分為各個相對獨(dú)立的過程來研究,很少將從植物的光合作用開始到目標(biāo)能源利用作為一個完整的系統(tǒng)來研究。本

3、研究在關(guān)鍵過程研究的基礎(chǔ)上,研究了秸稈在不同生物質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)的碳循環(huán)過程中各子系統(tǒng)的碳流平衡及各子系統(tǒng)之間的耦合關(guān)系,從而得出不同技術(shù)手段對環(huán)境和生態(tài)造成的不同程度的影響。1研究方法一簡化型生命周期評價法(Life Cycle Ass鷦sment由文獻(xiàn)3,4可知,所謂生命周期評價(LCA是對產(chǎn)品從最初的原材料采掘到原材料生產(chǎn)、產(chǎn)品制造、使用以及用后處理的全過程進(jìn)行跟蹤和定量分析(即所謂從搖籃到墳?zāi)古c定性分析。該研究包括生物質(zhì)從生長直至轉(zhuǎn)化為可利用能的全過程(即涉及全部生命周期,但由于研究主要集中在碳在整個生命周期內(nèi)的循環(huán),故采用簡化型姒。1.1分析目標(biāo)以秸稈原料在不同的能源利用方式系統(tǒng)中作碳循環(huán)

4、對比分析,主要比較在各個不同利用方式的系統(tǒng)中及其子系統(tǒng)的碳排放量,最終獲取它們的固碳能力大小。陽能生物質(zhì)種植生長大氣中的CO:生物質(zhì)收集運(yùn)輸大氣中的02生物質(zhì)轉(zhuǎn)化利用量輸出圖1生物質(zhì)能源系統(tǒng)中的CQ循環(huán)魄.1凼謝de cycle for bi(髓a鷓唧syst咖1.2相關(guān)概念及定義1系統(tǒng)邊界:考慮到分析是簡化的,所定義邊界包括了作物的生長、運(yùn)輸和轉(zhuǎn)化利用的過程,但其中不考慮作物種植生長過程中人為的能量輸入,也不考慮制造各種設(shè)備(包括運(yùn)輸設(shè)備、加工設(shè)備和發(fā)電設(shè)備的能量消耗,即研究重點(diǎn)是整個工藝中碳流的收稿日期:2006_12.20基金項(xiàng)目:國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863項(xiàng)目(010603;廣東省

5、自然科學(xué)基金研究團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(030045通訊作者:陰秀麗(1968一,女,博士、研究員,主要從事生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化方面的研究。由iII一.gi*.*.曲太陽能學(xué)報(bào)29卷輸入與輸出。2模塊劃分:作物生長模塊、原料運(yùn)輸模塊、秸稈轉(zhuǎn)化利用模塊。3功能單位:定義生產(chǎn)1kwe電的排放和資源消耗作為功能單位。1.3過程分析根據(jù)過程特點(diǎn),將系統(tǒng)劃分成為3個模塊,先分別設(shè)定參數(shù)進(jìn)行碳循環(huán)分析,最后匯總為一有機(jī)整體。前一模塊的輸出條件必須等同于后一模塊的輸入條件。1生長階段作物生長模塊農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳平衡包括輸入和輸出兩個過程5,輸入與輸出的差值即為生態(tài)系統(tǒng)的凈生產(chǎn)量(Net Ecosyst舢Production,

6、簡稱朋驢,朋一P為正表明生態(tài)系統(tǒng)是c02匯,為負(fù)則是C02源。EP=作物年凈固碳量+農(nóng)田凋落物碳量一土壤(非根呼吸在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中,凋落物相對作物本身少得多,故忽略不計(jì),所以農(nóng)作物本身和農(nóng)地土壤是它的兩個主要分室,這是因?yàn)樵谵r(nóng)田未被耕種時,農(nóng)田同樣進(jìn)行土壤呼吸6。由于無法獲得典型數(shù)據(jù),故假設(shè)土壤呼吸相對量為零。因此,在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中,農(nóng)作物生長環(huán)節(jié)實(shí)際上考慮的只是農(nóng)作物本身的凈碳固定量。2運(yùn)輸階段原料運(yùn)輸模塊原料在運(yùn)輸過程中,主要考慮的是其中所涉及數(shù),目的是得到運(yùn)輸一定量生物質(zhì)原料向大氣所排放的碳量。這一過程的計(jì)算比較簡單,從簡化的角度出發(fā),所考慮的C02排放量只是運(yùn)輸過程中燃料的排放。因?yàn)樯?/p>

7、物質(zhì)原料本身及其被轉(zhuǎn)化利用的特點(diǎn),其工廠一般會建在生物質(zhì)可得的附近,根據(jù)模塊選取運(yùn)輸方式,最后由相應(yīng)的參數(shù)計(jì)算得到碳排放量。3利用階段秸稈轉(zhuǎn)化利用模塊秸稈在被轉(zhuǎn)化利用的過程中,主要依據(jù)的是不同技術(shù)的工藝流程。除了秸稈被轉(zhuǎn)化利用時的碳排放,還要考慮各個設(shè)備運(yùn)行時所消耗的燃料排放或者能量耗費(fèi)。在總體計(jì)算時,應(yīng)考慮系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時的各種效率、原料耗量以及各個運(yùn)行條件。給定了各個條件,進(jìn)行計(jì)算時可以按照由前向后的順向進(jìn)行,即給定了一定秸稈量,最終可以得到多少電能,進(jìn)一步可以反向推算出要獲得多少電能所需的秸稈量;同時亦可由后向前逆向進(jìn)行,即要得到一定量的電能需要多少秸稈量。最后,選定每個模塊過程中所需的參

8、數(shù)進(jìn)行計(jì)算。在3個模塊過程中不變的通量是得到一定電量所需的秸稈質(zhì)量,分別計(jì)算它們在各個模塊過程的碳吸收或排放量,匯總即得系統(tǒng)的凈碳收支量。2不同發(fā)電方式凈碳收支量計(jì)算本文針對不同規(guī)模級別的秸稈氣化發(fā)電系統(tǒng)和秸稈直接燃燒發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行對比,各個發(fā)電過程的的運(yùn)輸方式、運(yùn)輸距離、載重量和燃料種類等各參典型參數(shù)如表1所示。表1不同生物質(zhì)發(fā)電過程的典型參數(shù)7淵e l聊cal pa腳I喊啪0f衄f葫eI吐bi嘲pw即gel舢don呻在各系統(tǒng)中,為統(tǒng)一對比標(biāo)準(zhǔn),特假定農(nóng)作物產(chǎn)量為全國平均水平,即水稻6.75t,(hma,玉米5.25t/(hma,小麥3.75t/(hma;因?qū)嶋H利用的原料為稻秸、玉米秸和麥秸,

9、故按平均狀況,分別取水稻產(chǎn)量與稻殼之比為1.0:0.2,水稻產(chǎn)量與稻秸的秸稈系數(shù)為1.o:O.9,小麥產(chǎn)量與麥秸的秸稈系數(shù)為1.0:1.1,玉米產(chǎn)量與玉米秸的秸稈系數(shù)為1.o:1.207I,運(yùn)輸全程采用柴油貨運(yùn)車,因秸稈的堆積密度較小,故采用載重量較小的貨車為5t,油耗B為18L/100km,車載容積最小為20m3,柴油密度p取平均值0.85kg,L,柴油含碳量C1為85.55%,燃燒假設(shè)為完全燃燒。雖然各個系統(tǒng)在整個生命周期過程中相對于大氣的C02排放不盡相同,但就其原料作物生長的過6期何珍等:秸稈生物質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)的碳循環(huán)分析程來說,其單位原料在生長過程中的凈碳固定量是凈碳固定量及運(yùn)輸過程的碳

10、排放量(見表2,表3。不會改變的,根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù),計(jì)算可得秸稈生長過程表2秸稈生長過程的凈碳固定量計(jì)算T址Ile2(瑚cula60n 0fr_etcarb伽i幻me aIld翻:pens鶴qua嘣哆fbrtlle孕owtl pIDce鵝0fs啦Lw卷刑平均生產(chǎn)力年均凈碳固定量伸1單位原料凈碳固定量,t(1蛆.h一,tC(1蚰a。/kgc際k稻秸6.0752.78457.6玉米秸6.3002.77439.7麥秸4.1251.86450.9說明:農(nóng)作物廢棄物年均凈碳固定量的計(jì)算,是農(nóng)作物年均凈碳固定量乘以各部分對應(yīng)的比例系數(shù)所得。表3秸稈運(yùn)輸過程的碳排放量計(jì)算T齜3CalcIlla婦0fnetc抵觸

11、and叩r鰳qu枷ty for岫蜘s州岬卷刑堆積密度m1車載重量耗柴油量柴油碳排量秸稈運(yùn)輸過程碳排放量,l【gm。3/t ,Ll【Ill-1/kgCb-1,kf;C(t-kIn-1稻秸59.31.186O.180.1309O.1435玉米秸67.O 1.340O.18O.1309O.1270麥秸25.OO.500O.18O.13090.3403說明:道路曲折因子取為1.3【1¨。由于各個系統(tǒng)的運(yùn)輸半徑不同,所以它們在運(yùn)輸環(huán)節(jié)的凈碳收支量也不同,但是運(yùn)輸過程中單位質(zhì)量單位距離的碳排放應(yīng)該不會改變,這里同樣根據(jù)選取的相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算可得。生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)將是今后替代常規(guī)能源電力的主要方式之

12、一。在此,將就不同規(guī)模的氣化發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行分析比較,分別為1、3、6和10Mw,其中1Mw和3MW的系統(tǒng)是利用內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行發(fā)電,6Mw的系統(tǒng)是在內(nèi)燃機(jī)的基礎(chǔ)上增加了余熱鍋爐進(jìn)行聯(lián)合循環(huán)發(fā)電,而10M的系統(tǒng)則是燃?xì)廨啓C(jī).蒸汽輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)的IGCc發(fā)電。在發(fā)達(dá)國家,目前生物質(zhì)燃燒發(fā)電占可再生能源(不含水電發(fā)電的70%。例如,在美國與電網(wǎng)連接以木材為燃料的熱點(diǎn)聯(lián)產(chǎn)總裝機(jī)容量已經(jīng)超過了7GW,而在偏遠(yuǎn)地區(qū)也有相當(dāng)數(shù)量以木材、農(nóng)作物廢棄物為 燃料的自備熱電聯(lián)產(chǎn)。我國生物質(zhì)燃燒發(fā)電也具有了一定規(guī)模,廣東和廣西兩省共有小型發(fā)電機(jī)組300余臺,總裝機(jī)容量80DM耐引。在此,將就6、25MW直接燃燒發(fā)電系統(tǒng)分別進(jìn)行

13、碳循環(huán)分析計(jì)算。根據(jù)表1所列參數(shù)以及表2、表3的相關(guān)數(shù)據(jù),進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果如列表4所示。3計(jì)算結(jié)果比較分析3.1不同發(fā)電過程(運(yùn)輸、轉(zhuǎn)化碳排放比較分析在不考慮秸稈生長過程的固碳量情況下,僅僅考察運(yùn)輸和轉(zhuǎn)化利用過程的碳排放,由圖2可以看出:不同的發(fā)電技術(shù),不同的規(guī)模級別,其獲得單位電量的碳排量不同。這是因?yàn)?在同樣的發(fā)電技術(shù)下,隨著氣化發(fā)電系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)張,其系統(tǒng)的總發(fā)電效率不斷提高,單位發(fā)電量的原料耗量不斷減少,則轉(zhuǎn)化過程的碳排量勢必不斷減少;雖然規(guī)模的擴(kuò)張使得運(yùn)輸半徑不斷增大,從而導(dǎo)致運(yùn)輸環(huán)節(jié)的碳排量有所增加,但其增加量遠(yuǎn)小于轉(zhuǎn)化過程的減少量,故整體仍呈現(xiàn)降低趨勢。而在同樣6Mw的發(fā)電規(guī)模下

14、,氣化.余熱發(fā)電的效率要高于直接燃燒發(fā)電,而且氣化.余熱發(fā)電的碳轉(zhuǎn)化率要略低于直接燃燒發(fā)電,所以最終單位發(fā)電量的碳排量前者要低于后者。值得注意的是,盡管這里選取的IGcC技術(shù)的規(guī)模僅為10Mw,但相比起25MW的直接燃燒技術(shù),由于其效率高出很多,所以其碳排量就小得多,圖2不同秸稈發(fā)電過程的碳排放對比心.2C0曲戚0f伽Ib踟lis8ion訪di能rempow盱gen啪五加碑Dcess鷦708太陽能學(xué)報(bào)29卷從而體現(xiàn)了IGCc更能使生物質(zhì)得到高效、清潔利用的特點(diǎn)與優(yōu)勢。3.2不同發(fā)電過程凈碳收支量和固定單位碳量的電力產(chǎn)出比較分析當(dāng)發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時,不同技術(shù)規(guī)模的秸稈發(fā)電過程,其整個LCA中相對

15、于大氣的凈碳收支量也不盡相同,從圖3a可以看出,不同種類的秸稈在碳,是碳匯。在所分析比較的相同技術(shù)的不同規(guī)模當(dāng)中,隨著發(fā)電系統(tǒng)規(guī)模不斷增大,其整個m過程相對于大氣的凈碳收支量卻逐步降低,反之,即固定單位碳量的電力產(chǎn)出逐步提高,由圖3b可以看到這一變化趨勢。在1Mw氣化發(fā)電的規(guī)模下,固定單位碳量,用玉米秸作為原料可以發(fā)電10k礬;而在10Mw IGcc發(fā)電規(guī)模下,固定單位碳量用玉米秸稈各個級別規(guī)模的LCA發(fā)電過程都是從大氣中固定作為原料,則可以發(fā)電28k礬。表4不同規(guī)模類型的秸稈發(fā)電系統(tǒng)凈碳收支量計(jì)算Thble4C“culatjon0f Tlet carbon抽come粕d expense刪ti

16、ty fbr tlle di往毛rem scales g曬缶cation sy劬舢在同等規(guī)模級別的發(fā)電過程中,稻秸、玉米秸和麥秸獲得單位電量時相對大氣的凈碳收支量也都各不相同。如圖3a所示,盡管級別不同,但它們的固碳能力大小的趨勢是一致的,依次為稻秸>麥秸>玉米秸。究其原因,主要是秸稈平均生產(chǎn)力、作物年均凈碳固定量、堆積密度和本身性質(zhì)(熱值、含碳量等綜合因素影響的結(jié)果。就稻秸和麥秸相比來說,在生長過程中,稻秸的單位凈碳固定量高于麥秸;而在運(yùn)輸過程中,稻秸的堆積密度大于麥秸,所以運(yùn)輸單位稻秸的碳排量要低于麥秸;最后在轉(zhuǎn)化發(fā)電過程中,稻秸的含碳量低于麥秸,其碳排量亦低于麥秸;盡管因?yàn)辂?/p>

17、秸的熱值高于稻秸,單位發(fā)電量的麥秸用量要小于稻秸,但幾個環(huán)節(jié)綜合影響,最終在整個過程中,獲得單位電量時,稻秸從大氣中固定的碳量要高于麥秸。對于麥秸和玉米秸來說,雖然在運(yùn)輸過程中由于麥秸的堆積密度小于玉米秸而使得運(yùn)輸單位麥秸的碳排量大于玉米秸,但在生長過程中,單位麥秸的凈碳固定量要高于玉米秸,在轉(zhuǎn)化發(fā)電過程中,麥秸的碳排量也低于玉米秸,而二者的熱值大致相同,則幾個環(huán)節(jié)的影響此消彼長,最終使玉米秸在整個過程中單位發(fā)電量從大氣中固定碳量最少。6期何珍等:秸稈生物質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)的碳循環(huán)分析叮霰喜垂300200100a.凈碳收支量圖3不同秸稈發(fā)電過程對比F培.3cI111paIis0f di妊.er|enl

18、珥Fw既geIIeratipIDc鵝s在生產(chǎn)條件、運(yùn)輸條件和發(fā)電條件相同的情況下,相同技術(shù)下不同規(guī)模的系統(tǒng)發(fā)電過程,獲得單位電量的凈碳收支量和固定單位碳量的電力產(chǎn)出不盡相同。究其原因,主要是受系統(tǒng)總發(fā)電效率和運(yùn)輸半徑的影響,而系統(tǒng)發(fā)電總發(fā)電效率的影響起主導(dǎo)作用。隨著發(fā)電系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,系統(tǒng)的總發(fā)電效率也隨之不斷提高,獲得單位電量所消耗的原料也越少,換言之,即單位原料能夠發(fā)出的電量就越多。對于單位質(zhì)量的原料來說,它在生長過程中的凈碳固定量是定值;而在運(yùn)輸過程中,因?yàn)橐?guī)模的擴(kuò)張會使運(yùn)輸半徑增大,從而運(yùn)輸單位原料的碳排量會有所增加;就氣化發(fā)電過程而言,3、6、10Mw級別的單位原料的碳排量相同但

19、都稍高于lMw;那么,最終隨著系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大,單位質(zhì)量原料的凈碳收支量實(shí)際上是不斷減少,即整個L(A過程中單位質(zhì)量的原料從大氣中固定的碳量也在逐步變少。這樣看來,單位原料的發(fā)電量在不斷提高,而單位原料的碳固定量卻不斷降低,二者相比可得,隨著規(guī)模的擴(kuò)大,固定單位碳的電力產(chǎn)出將不斷增加。直接燃燒發(fā)電的原因分析亦同。4結(jié)論1利用生物質(zhì)進(jìn)行發(fā)電利用時,整個生命周期過程從大氣中固定了碳即吸收了c02,將起到很好的清潔利用的目的:2不同類型的秸稈,被轉(zhuǎn)化發(fā)電時相對于大氣的凈碳收支量也不盡相同。本文所比較的3種秸稈,其固碳能力在各過程中趨勢一致,依次為:稻秸>麥秸>玉米秸;3相同發(fā)電過程,隨著規(guī)

20、模的不斷擴(kuò)大、發(fā)電效率的不斷提高,其獲得單位碳量的碳排放(運(yùn)輸、轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)將不斷降低,單位發(fā)電量的凈碳收支量也不斷減少,而固定單位碳量的電力產(chǎn)出則不斷增加;4相同發(fā)電規(guī)模下,氣化發(fā)電過程產(chǎn)生單位電量的碳排放低于直接燃燒發(fā)電過程。而IGcC技術(shù)以其高效、清潔的特性,將成為今后生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)的主流發(fā)展方向。【參考文獻(xiàn)】1吳創(chuàng)之,馬隆龍,等.生物質(zhì)能現(xiàn)代化利用技術(shù)M.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003.2孫健,陳礪,王紅林.纖維索原料生產(chǎn)燃料酒精的技術(shù)現(xiàn)狀J.可再生能源,2003,(6:5_-9.3孫啟宏,萬年青,范與華.國外生命周期評價L【A研究綜述J.世界標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量管理,2000,(12:孔笱.4王壽兵,楊建新,胡聃.生命周期評價方法及其進(jìn)展J.上海環(huán)境科學(xué),1998,17(