PDF《玉米秸秆成型燃料生命周期评价》

第26 卷第6期农业工程学报Vol.

26 No.6

262 2010 年6月Transactions of the CSAE Jun.

2010 玉米秸秆成型燃料生命周期评价 朱金陵 1,2 ,王志伟 1,2 ,师新广

1 ,杨树华 1,2 ,何晓峰 1,2 ,雷廷宙 2,3 (1.河南省科学院能源研究所有限公司,郑州 450008;

2.河南省生物质能源重点实验室,郑州 450008;

3.河南省科学院,郑州 450002) 摘要:为了定量解释以秸秆为原料的成型燃料的节能和温室气体减排潜力,从能源消耗和环境排放出发,分析了玉米秸秆 的生长、运输、压缩成型,成型燃料运输、燃烧利用等单元过程,建立了秸秆成型燃料的生命周期能源消耗、环境排放分析 模型.以5000 t/a 的秸秆成型燃料生产厂为例,评价了其生命周期能耗和环境排放.结果表明:秸秆运输、压缩成型、成型 燃料运输等环节都需要消耗能源,其中,压缩成型的能耗最大;

秸秆固定的二氧化碳量为生命周期排放出二氧化碳的 96.6%, 在很大程度上减少了温室气体的排放.利用生命周期分析秸秆成型燃料,得出其相比化石燃料具有较大的减排优势,为秸秆 成型燃料利用提供了基础性数据. 关键词:秸秆,生命周期,能源利用,成型燃料,环境排放 doi:10.3969/j.issn.1002-6819.2010.06.045 中图分类号:S216.2,X382.1 文献标识码:A 文章编号:1002-6819(2010)-06-0262-05 朱金陵,王志伟,师新广,等. 玉米秸秆成型燃料生命周期评价[J]. 农业工程学报,2010,26(6):262-266. Zhu Jinling, Wang Zhiwei, Shi Xinguang, et al. Life cycle assessment of corn straw pellet fuel[J]. Transactions of the CSAE, 2010, 26(6): 262-266. (in Chinese with English abstract)

0 引言? 生物质能是唯一可以运输和固定碳的可再生能源, 在6种可再生能源中占有重要地位.化石能源的不断消 耗和环境问题的日益严重使生物质能等可再生能源成为 重要能源.中国生物质资源较为丰富,仅农作物秸秆方 面,每年可作燃料利用折合约 1.5 亿t标准煤[1] .但农作 物秸秆具有资源分散、能量密度低、体积质量小、储运 不方便等缺点,严重制约了其大规模应用.生物质压缩 成型技术是将各类生物质原料经粉碎、高压成型等环节 使原来分散的、没有一定形状的原料压缩成具有一定几 何形状、密度较大的成型燃料.秸秆压缩成型燃料可以 提高秸秆密度,节约运输和储存费用,扩大应用范围, 提高燃烧效率,同时生物质燃料的利用可以减少替代的 煤燃烧所带来的环境污染[2-7] . 生命周期评价是一种对产品及其生产工艺活动给环 境造成的影响进行评价的方法.它通过对能量和物质消 耗以及由此造成的环境气体排放进行辨识和量化,来评 估能量和物质利用对环境的影响,以寻求改善产品或工 艺的途径.这种评价贯穿于产品生产、工艺活动的整个 生命周期[8-9] .本文讨论了玉米秸秆的生长、运输、压缩, 成型燃料运输、燃烧和排放等过程,建立了秸秆成型燃 料的生命周期能源消耗、环境排放分析模型,对模型进 收稿日期:2009-09-24 修订日期:2009-12-08 基金项目:河南省杰出人才创新基金项目(074200510007) ;

河南省重大公 益性科研招标项目(081100911700) 作者简介:朱金陵(1957-) ,女,江苏南京人,主要从事生物质能源技术 及产业化.郑州 河南省科学院能源研究所有限公司,450008 通信作者:王志伟(1980-) ,男,河南鲁山人,主要从事生物质能源技 术研究.郑州 河南省科学院能源研究所有限公司,450008. Email: [email protected] 行逐步分析,对考察指标进行量化,从数据上体现了秸 秆成型燃料这种可再生能源的环境效益,对推广成型燃 料有一定的促进作用,对其生命周期中对环境影响起主 导作用的阶段进行了识别,得出了提高成型燃料利用水 平的主要改进方向.

1 评价模型 玉米秸秆等生物质是一种可再生资源,理论上讲, 秸秆燃烧后,产生的二氧化碳可以在秸秆的生长中,通 过光合作用等量地返回到秸秆.但在秸秆利用过程中融 合了大量的人的行为,使环境污染物的排放量和吸收量 存在差异. 秸秆成型燃料的生命周期评价流程如图

1 所示. 图1秸秆成型燃料生命周期评价流程图 Fig.1 Sketch map for life cycle assessment of corn straw pellet fuel 在秸秆的生长过程中,耕作、施肥和收获都需要耗 能和排放环境污染物,在农药、化肥的生产和使用过程 中同样需要消耗能源和排放环境污染物.秸秆为粮食生 长的附属物和废弃物,因此这里的能耗

1 及耕作、施肥 过程中排放的环境污染物不计算到秸秆的生长过程中, 秸秆在生长过程中可以吸收大量的二氧化碳.秸秆的运 输、秸秆压缩成型燃料,成型燃料的运输等,都需要消 耗能源和存在排放环境污染物.由于秸秆成型燃料可以 直接替代煤等化石燃料,所以使用秸秆成型燃料的燃烧 第6期朱金陵等:玉米秸秆成型燃料生命周期评价

263 炉等设备在生产中的能耗

5 可以忽略不计.秸秆成型燃 料的生命周期的主要分析指标见图 2. 注:VOC 为挥发性有机化合物;

PM10 为粒径在

10 μ m 以下的颗粒物, 又称可吸入颗粒物或飘尘 图2秸秆成型燃料生命周期的主要分析指标 Fig.2 Main indicators for life cycle assessment of corn straw pellet fuel

2 数据的采集和评估 2.1 秸秆的生产 如果不考虑粮食减产和种植面积减少等因素,则可 将秸秆视为循环型能源,其二氧化碳的循环可以永久性 地进行[10] (图3) . 图3秸秆的二氧化碳循环示意图 Fig.3 Schematic of corn straw CO2 cycle in burning and using 在燃烧利用秸秆的过程中,大气中二氧化碳在一定 时期内增加,随着农作物的再一次生成,二氧化碳又被 秸秆固定起来,大气中的二氧化碳又恢复到了秸秆燃烧 前的水平.秸秆吸收二氧化碳的反应可简单表示为[11]

2 2

2 2 CO +H O (CH O) O ???? ? ? 光合作用 叶绿素 (1) 2.2 秸秆的运输 由于秸秆的能量密度较低,在确定秸秆的利用规模 时,要考虑到原料收集半径的问题.秸秆的收集包括秸 秆的购买、运输等,农作物秸秆收集过程的能耗和环境 排放主要由运输秸秆的车辆产生.关于粮食生产和收割 过程中产生的能耗和环境排放如何划分主要有

3 种说法: 一种是粮食和秸秆各被划给一半,另一种是按照粮食和 秸秆的价格比划分,还有一种就是把秸秆作为农业废弃 物,能耗和环境排放划给粮食.本文采用第

3 种方法, 是为了便于计算和阐明道理. 设L为单台机车完成一次运输的平均运程,则车辆 空载和实载的运程比为 1U1.综合反映运输机械结构特 性参数与运输条件参数的耗油量数学模型为[12-13]

1 0 en

1 0

0 en

1 1

0 [ ]

2 2 ( )

2 L L g g N v v g N g q L v v m m ? ? ? ? (2) 式中:g1――满载时的单位功率耗油量,kg/kWh;

g0―― 空载时的单位功率耗油量,kg/kWh;

v1――满载时的平 均车速,km/h;

v0――空载时的平均车速,km/h;

Nen―― 车辆的额定功率,kW;

m――机车载质量,103 kg;

L―― 单台机车完成一次运输的平均运程,km;

q――机车单位 质量千米耗油量,kg/(kg・ km). 在式(2)中的机车载质量 m 与额定功率具有某种正 比关系,即m越大,要求配备的 Nen 也要越大,故可设功 载比 kn=Nen/m,单位为 kW/kg.则完成一次秸秆运输所消 耗柴油的热量为 o o Q qLmE ? (3) 式中:Qo――完成一次运输所消耗柴油的热量,MJ;

Eo――柴油的热值,MJ/kg,柴油平均低位发热量为

39 MJ/kg. 运输秸秆的货车选用农用柴油车,由于秸秆密度较 低,每次平均载质量

500 kg.以农村运输典型沙砾路面 为运输条件,对应的参数见表 1. 表1秸秆运输车辆在沙砾路面的基础参数值 Table

1 Basic parameters of corn straw transport machineries on sand road 满载车速/ (km・h-1 ) 空载车速/ (km・h-1 ) 满载耗油率/ (kg・kWh-1 ) 空载耗油率/ (kg・kWh-1 ) 功载比/ (kW・kg-1 )

25 35 0.382 0.310 7.2* 10-3 2.3 秸秆的压缩成型 农作物秸秆的堆积密度小,运输和储存占用空间大, 这个缺点严重制约了秸秆的大规模利用.秸秆成型燃料 的密度是原秸秆密度的近

10 倍,因此,可以节约大量的 运输和储存费用[14-15] .玉米秸秆颗粒成型机组的电耗见 表2. 表2玉米秸秆颗粒燃料成型机组电耗 Table

2 Electricity consumption of corn straw pellet machine unit kWh・t-1 粉碎机 制粒机 冷却机 其他 32.0 62.8 3.5 3.0 以河南郑州地区玉米秸秆颗粒为例,其物性分析如 表3所示. 表3玉米秸秆颗粒的工业分析和元素分析 Table

3 Properties and ultimate analysis data of corn straw pellet 工业分析/% 元素分析/% 挥发分 固定碳 灰分 水分 碳氢氧氮硫低位热值/ (MJ・kg-1 ) 71.45 17.75 5.93 4.87 39.04 6.16 42.76 1.05 0.19 16.80 注:表3中数据为空气干燥基分析.

264 农业工程学报

2010 年2.4 成型燃料的运输 秸秆颗粒运输工具采用农用柴油车,每次满载运输 成型颗粒燃料

1 500 kg.柴油车的温室气体排放因子见 表4[16] . 表4运输工具温室气体排放因子 Table

4 Emission factors of transportation tools g・MJ-1 温室气体 标准排放物 N2O CH4 CO2 VOC CO NOX PM10 SO2 0.0019 0.0042 74.0371 0.0853 0.4739 0.2843 0.0413 0.0160 2.5 成型燃料的燃烧利用 农作物秸秆成型燃料可以提高燃烧效率,稳定燃烧 火焰和温度[17-20] .常用的秸秆颗粒燃烧类型有固定式燃 烧和流化式燃烧,设备有户用生物质燃烧炉、生物质流 化床燃烧炉、生物质沸腾气化燃烧炉等.秸秆颗粒的燃 烧效率和排放与其利用设备有关,同时还与设备的功率 有关.这里采用应用前景较好的生物质沸腾气化燃烧炉 为例, 结合国家标准[21] ,

1 MW 的生物质沸腾气化燃烧炉 燃烧秸秆颗粒时的排放因子见表 5. 表51MW 生物质沸腾气化燃烧炉的排放因子 Table

5 Emission factors of

1 MW biomass fluidized-bed gasification and combustion stove g・MJ-1 温室气体 标准排放物 N2O CH4 CO2 VOC CO NOX PM10 SO2 - - 83.2600 - 0.0200 0.0231 0.0150 0.0016

3 结果与分析 3.1 能耗计算与分析 以规模为

5 000 t/a 的秸秆成型燃料生产厂为例,成 型燃料供应给周边用户,平均距离为

5 km,秸秆收集半 径计算公式为

2 π (1 ) y Q S R ? ? ? ? ? (4) 式中:S ――秸秆收集面积,km2 ;

R ――秸秆收集半径, km;

Qy ――年消耗秸秆量,t/a;

θ ――单位耕地面积秸 秆产量,t/(km2 ・ a);

μ――秸秆减量系数,实际用于成型 的秸秆资源必须考虑剔除各种用途和消耗的部分,将其 在当地秸秆资源总量中所占百分比表示为减量系数. 由于要考虑成型燃料生产厂所在地区的耕地面积占 当地总面积的比例,故实际最佳秸秆收集半径为

2 2 ( ) R R ? ? ? (5) 式中:R'

――实际秸秆收集半径,km;

ξ――耕地面积 系数,即所计算区域耕地面积占当地总面积的比例. 秸秆成型燃料厂的秸秆收集相关数据见表 6. 表6中,消耗的秸秆量考虑了秸秆压缩为成型燃料 的成型率等因素,生产损耗按 3%计算,秸秆运输和秸秆 成型过程按

5 155 t/a 计算,成型燃料的运输和燃烧使用 按5000 t/a 计算.秸秆资源的可获得量必须剔除秸秆的 各种用途部分,确定恰当的减量系数是测算秸秆资源可 获得量的基础[22] . 表6秸秆成型燃料厂秸秆收集相关数据 Table

6 Related data of collecting straw for pellet fuel plant 规模/ (t・ a-1 ) 秸秆耗量/ (t・ a-1 ) 秸秆产量/ (t・ km-2 ・ a-1 ) 秸秆减量 系数 耕地面积 系数 收集半径/ km

5 000

5155 525 0.50 0.70 2.99 生产秸秆成型燃料的能源消耗量折合为原煤或原油 进行计算,其中消耗的电力折合的原煤热量为 3.6 e c e grid E Q ? ? ? ? (6) 式中:η e ――电厂平均发电效率,%;

η grid ――电网输配 效率,%;

Ee ――消耗的电量,kWh;

Qc ――折算原煤的 热量,MJ. 目前,中国常规电厂平均发电效率为 37%,电网输配 效率为 93%.玉米秸秆压缩成型机组电耗为 101.3 kWh/t. 根据式(2) 、 (3) 、 (6) ,表

1、

2、

3、6 计算秸秆成型燃 料的能源消耗见表 7. 表75000 t 玉米秸秆成型燃料的能耗及含有能量 Table7 Energy consumption and self-energy of

5 000 t corn straw pellet fuel

106 MJ・a-1 秸秆运输 压缩成型 成型燃料运输 成型燃料能量 0.1048 5.4633 0.1694 84.0000 由表

7 可以看出,玉米秸秆成型过程消耗的能源最 多,占总能耗的 95.2%;

虽然压缩成型的能耗较大,但压 缩后的颗粒燃料的密度为 1.2 t/m3 左右, 便于存储和运输. 3.2 环境排放计算与分析 秸秆压缩为成型燃料消耗的电力由燃煤电厂提供, 燃煤电站锅炉排放因子见表 8. 表8燃煤电站锅炉排放因子 Table

8 Emission factors of coal burning boiler in power plant g・MJ-1 温室气体 标准排放物 N2O CH4 CO2 VOC CO NOX PM10 SO2 0.0003 0.0007 105.0870 0.0014 0.0119 0.2702 0.0120 3.2490 用温室气体 N2O、CH4 和CO2 的排放因子分别乘以 各自的地球变暖指数(表9) ,便可折算为基于 CO2 的温 室气体排放量. 表9地球变暖指数 Table

9 Indexes of earth climatic change 温室气体 地球变暖指数 N2O 310.0 CH4 24.5 CO2 1.0 第6期朱金陵等:玉米秸秆成型........