董進寧. 李茂東, 張振頂, 尤智東, 鐘志強, 王鵬
摘要: 為了研究生物質工業鍋爐系統對環境影響和能源消耗情況, 本文採用了生命周期(LCA)的研究方法, 從該系統的原料生產製作, 到系統建立運行進行全面分析. 結果表明: 處理每1t生物質顆粒, 對環境的總影響負荷為16434.47毫人當量, 資源耗竭係數為2.547毫人當量, 燃生物質工業鍋爐系統對環境影響主要為全球變暖為95.36% , 各個過程中鍋爐系統運行影響為98.55% , 秸稈種植從環境中吸收CO 22136.24kg, 因此, 燃生物質工業鍋爐系統在減少溫室氣體排放上能起積極作用, 與燃煤鍋爐相比生物質鍋爐是一種環境友好並且減少化石燃料消耗的項目.
0引言
目前, 化石資源逐漸枯竭, 而作為高耗能設備的工業鍋爐對能源及環境有著重要的影響, 我國是一個以煤為主要能源的國家, 燃煤工業鍋爐占工業鍋爐總量的80% 以上, 工業鍋爐量大面廣, 平均容量小, 能耗大, 汙染嚴重, 尋找新的環境友好的替代能源以解決高耗能燃煤工業鍋爐的汙染及能耗成為我國現在面臨的迫切問題. 我國有著豐富的秸稈資源, 因此充分利用生物質秸稈資源, 發展生物質鍋爐成為解決我國秸稈資源浪費及工業鍋爐高耗能, 高汙染問題的一種良好途徑, 並為生物質成型燃料的大規模生產提供了必要條件. 前人對生物質顆粒加工製造及生物質鍋爐的製作工藝研究較多, 現在已經有了比較成熟的生物質鍋爐產品應用生產, 而對其系統的全生命周期分析研究較少. 為了掌握燃生物質成型顆粒工業鍋爐系統的資源消耗和環境影響全面的數據, 本文就燃生物質成型顆粒工業鍋爐系統進行生命周期評價.
1燃生物質成型顆粒工業鍋爐系統的生命周期清單分析
1.1研究目標與研究範圍
本文以型號為DZIA-1.25-BMF的生物質成型顆粒工業鍋爐系統為研究對象, 該系統鍋爐設計效率為81% , 額定蒸發量為4t/ h, 燃料消耗量為701kg/ h. 本文以系統每燃燒1t生物質成型顆粒對環境造成的影響進行分析和計算, 即環境影響評價的功能單位為1t生物質顆粒.
由於生物質成型顆粒工業鍋爐系統相當複雜, 因此在進行生命周期分析時忽略次要因素, 考慮主要因素. 在系統運行過程中忽略秸稈收割堆積, 以及工業生產對蒸汽品質波動要求的影響產生蒸汽均為額定狀態下蒸汽, 由於該系統使用年限很長, 因此假設該系統使用運行年限為20年, 忽略其他因素影響假定該系統建設所需要的原料製作以及報廢所造成的影響均勻分佈於系統運行時間內, 主要過程有秸稈種植, 運輸階段, 生物顆粒生產, 系統建設及系統運行等5個子過程. 對這5個子過程進行分析時, 主要從環境影響和能源消耗兩個方面進行分析.
其中, 秸稈種植過程中需要的CO 2是從生命周期系統中吸收補充, 生物質成型顆粒工業鍋爐系統的生命周期系統邊界分析如圖1.
1.2系統物料計算
本文以玉米秸稈製取生物質顆粒為系統原料進行分析, 生物質顆粒的元素分析如表1所示. 秸稈是一年生的作物, 玉米產量為5154kg/ hm 2·a, 玉米秸稈的產量係數為1: 1.2, 玉米C的吸收量是5.08t/ (hm 2·a)J. 假設農作物吸收的C是被穀物籽實和其秸稈均勻吸收, 秸稈製作生物質顆粒的烘乾過程中所需燃料為生物質顆粒J, 設秸稈生長需要的肥料量與土壤中養分相當, 肥料為氨水, 普鈣, 硫酸鉀, 根據生物質鍋爐設計資料知所需鋼材為28.1t, 假設系統建設所需建材, 鋼材與水泥的比為3: 1, 系統建設運行20年, 每年消耗生物質顆粒量為1000t. 通過分析計算可以得出每消耗1t生物質顆粒所需要的及產生的各種物質的量如表2所示.
1.3清單分析
玉米秸稈種植過程對環境的影響和消耗的主要過程是秸稈光合作用吸收CO 2的過程及化肥氮磷鉀的生產的過程. 運輸過程假設秸稈的產生地與生物質顆粒生產廠的距離及生物質顆粒與生物質鍋爐系統的運輸半徑均為100km, 採用25t運輸卡車, 則該系統運輸階段對環境影響主要為柴油的生產及消耗排放. 生物質顆粒製取階段為秸稈粉碎, 秸稈制粒, 顆粒烘乾等過程的排放. 系統建設階段主要為鋼材, 水泥等建材消耗. 系統運行階段包括本體燃燒及輔機運行的消耗.
在研究該系統的資源消耗與環境影響中, 假設秸稈種植階段所吸收的CO 2是由整個生命周期過程中提供, 故系統消耗1t生物質顆粒的生命周期排放清單如表3.
2生命周期的影響評價
2.1環境影響評價
環境影響評價包括定量和定性評價. 按照國際標準化組織的IS014040的框架, 影響評價包括三個步驟: 分類, 特徵化和加權評估. 上述清單分析結果, 只表達了各種輸入和輸出的相對值大小, 因各種排放因子對生態系統和環境變化的貢獻不同, 所以需要進行生命周期影響評價, 將清單分析的結果轉化為既容易理解, 又能反映環境影響潛值的指標.
根據1.3節清單分析的結果, 生物質鍋爐系統可能造成的資源耗竭和潛在環境影響, 見表4.
2.2資源耗竭係數
資源耗竭係數通過一次能源消耗來表徵, 在此將能源作為資源進行評價, 由於表3中的消耗量只表達了資源的絕對消耗量, 並沒有反映其相對大小, 因此採用資源消耗基準¨進行標準化. 得出煤, 油等資源消耗潛值, 見表5. 其單位為毫人當量, 反映了生物質工業鍋爐系統所耗資源占人均資源消耗量的比重(以1990年為基準). 標準化後的資源消耗僅僅反映各種資源消耗的相對大小, 並沒有反映該資源的稀缺性. 經標準化於加權分析之後的資源消耗各值如表5所示.
標準化後煤炭的消耗依然是主要部分, 佔96.43% , 油的消耗為3.57% , 考慮了資源的稀缺性, 標準化加權後, 煤的消耗比重降為87.24% , 而油則升為12.76% . 我國能源結構中煤的消耗佔據主要地位, 經過該系統處理汙泥並對其進行資源化利用後, 有效的遏制了煤炭資源的消耗. 該系統處理1t生物質顆粒的資源消耗係數為2.547×10-3人當量. 該系統每處理1t生物質顆粒的資源消耗係數見圖2.
2.3環境影響負荷評價
2.3.1環境影響潛值計算
為了方便直觀的表示出各種環境影響類型的影響潛值, 全球變暖以CO 2為參考物, 同理酸化, 富營養化, 光化學臭氧分別以SO 2, NO 3-, C2H4為參考物. 根據各種排放物的效應當量因子可以計算出各種物質在各個過程中的環境影響潛值, 如表6所示.
2.3.2環境影響潛值的標準化
對以上所計算的各類環境影響潛值(全球, 地區和局地)採用其相應的標準化基準進行標準化, 比較其相對大小. 因標準化是以1990年為基準, 因此利用權重因子加權將標準化值轉換為2000年為基準. 各種環境影響類型的標準化值和權重因子見表7.
故各種環境影響潛值標準化並加權的值如表8所示.
2.3.3加權評估及環境影響負荷
對上述標準化後的影響潛值進行加權, 並計算其總環境影響負荷每處理1t生物質顆粒為16434.47毫人當量. 系統各個過程中的相對貢獻如圖3所示. 結果表明生物質鍋爐系統過程對環境影響的貢獻最大為98.55% , 秸稈種植過程為-0.57% , 表明該過程可以優化改良環境影響. 由各種環境影響類型的相對貢獻可知, 生物質鍋爐系統在整個生命周期中對環境的主要影響為全球變暖(95.36% ).
即說明, 燃生物質鍋爐系統中, 全球性影響佔據首位, 其次是局地性影響, 而地區性影響則最小.
3結論
本文用生命周期的方法對燃生物質顆粒工業鍋爐系統進行了環境影響和資源消耗的全面分析, 通過分析可知以下結果:
(1)以玉米秸稈製取1t生物質顆粒為例的燃生物質工業鍋爐系統的資源消耗係數為2.547×10-3人當量, 折算後加權資源消耗煤佔87.24% , 油為12.76% , 可知我國能源結構中煤的消耗佔據主要地位;
(2)生物質鍋爐系統運行過程對整個生命周期環境影響的貢獻最大, 為98.55% , 各種環境類型的影響中全球變暖對環境影響貢獻最大為95.36% .
(3)雖然燃生物質工業鍋爐系統的全球性影響大於局地性影響, 地區性影響最小, 但是其影響小於燃煤工業鍋爐系統環境的影響, 並且該系統從環境中吸收CO 22136.24kg, 有效的抑制全球變暖的加劇, 因此該系統環境性完善, 是一種環境友好的系統項目.
