基于生命周期評價的生物質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)環(huán)境影響分析

摘要：以我國建設(shè)中的裝機容量為25MW的秸稈直燃發(fā)電系統(tǒng)為研究對象，采用生命周期評價的方法，系統(tǒng)、全面地評價它對生態(tài)環(huán)境的顯見和潛在的影響。對生物質(zhì)直燃發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)改善與降低環(huán)境影響的關(guān)系進行了討論。 　　O前言 　　本文對生物質(zhì)直燃發(fā)電進行全生命周期環(huán)境影響評價，其目的一是對于利用生物質(zhì)這一可再生能源發(fā)電較之燃煤發(fā)電可能帶來的環(huán)境改善進行客觀和定量的評價；--是雖然生物質(zhì)是清潔能源，但如果轉(zhuǎn)化技術(shù)不清潔、不環(huán)保，生物質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)也有可能給環(huán)境帶來影響和危害，采用生命周期評價可以全面認(rèn)識和比較生物質(zhì)發(fā)電各個環(huán)節(jié)的環(huán)境負(fù)荷和資源、能源消耗，從而考慮在生命周期內(nèi)節(jié)約資源、改進技術(shù)、保護環(huán)境，使系統(tǒng)對環(huán)境的影響降低到最低水平。 　　本文針對國內(nèi)建設(shè)中的裝機容量25MW的生物質(zhì)直燃發(fā)電廠進行生命周期評價。系統(tǒng)收集了技術(shù)數(shù)據(jù)、設(shè)備制造數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、資源數(shù)據(jù)等，建立了完整的LCA評價支撐數(shù)據(jù)庫，在此基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫上進行了生命周期評價。 　　1生命周期評價過程 　　1．1研究對象 　　本文選取評價對象是裝機容量25MW的生物質(zhì)直燃發(fā)電系統(tǒng)。按照目前的設(shè)計條件，設(shè)定發(fā)電效率16．1％，年發(fā)電6000h。原料為玉米秸稈，消耗量為1．4kg／kWh，秸稈搜集半徑約為20km，電廠壽命為20a。以系統(tǒng)每生產(chǎn)1×104kwh電所造成的環(huán)境影響進行計算和分析，即系統(tǒng)的功能單元為1×104kWh電。系統(tǒng)的工藝流程主要是生物質(zhì)搜集、粉碎后送入燃燒鍋爐，產(chǎn)生高溫高壓蒸汽進入蒸汽輪機做功發(fā)電，做功后的蒸汽經(jīng)冷卻塔冷卻循環(huán)利用。 　　1．2系統(tǒng)邊界 　　本文將生物質(zhì)直燃發(fā)電系統(tǒng)的生命周期分為4個階段，并在建立評價模型時做了如下簡化與假設(shè)： 　　①準(zhǔn)備階段，即系統(tǒng)運行前的一系列基礎(chǔ)建設(shè)，獨立于系統(tǒng)運行又與系統(tǒng)生命周期的消費和排放密不可分的階段。這個階段包含兩部分：一是化石能源的開采和常規(guī)電力的生產(chǎn)，為生物質(zhì)直燃發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)和運行系統(tǒng)提供所需的煤炭、石油、電力等；二是生物質(zhì)直燃發(fā)電電站建設(shè)。本文假設(shè)準(zhǔn)備階段所用的電力均采用煤電，電站建設(shè)過程中的物料損耗按全國平均損耗水平計算，能量消耗不計； 　?、谏镔|(zhì)獲取階段，這個階段也分為兩部分：一是秸稈的生產(chǎn)，主要是指施肥以及收割；二是秸稈的捆包?？紤]到秸稈屬于農(nóng)業(yè)廢棄物，本文計算中不記入秸稈種植和收割過程的消耗和排放； 　?、圻\輸階段，指將秸稈用柴油拖拉機運輸?shù)诫姀S； 　?、馨l(fā)電階段，秸稈預(yù)處理后進行燃燒發(fā)電。本文未考慮電站報廢和相應(yīng)的廢棄物處理。設(shè)定發(fā)電系統(tǒng)各環(huán)節(jié)產(chǎn)生的污染物直接排放環(huán)境，不進行后處理和再利用，電廠自消耗電用本系統(tǒng)自發(fā)電。系統(tǒng)邊界如圖1所示。 　　1．3生命周期評價方法 　　本文采用的LCA評價方法為丹麥技術(shù)大學(xué)開發(fā)的工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計方法(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，并對國內(nèi)鋼鐵、煤炭等國家基礎(chǔ)行業(yè)進行了分析。本文作者采用這一方法已做了生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)的生命周期評價。 　　表1和表2分別為生物質(zhì)直燃發(fā)電系統(tǒng)的部分原始輸入、輸出數(shù)據(jù)。由于此系統(tǒng)涉及很多產(chǎn)業(yè)如鋼鐵、煤炭、農(nóng)業(yè)、運輸?shù)?，所以?shù)據(jù)采集來源廣泛。 　　1．4環(huán)境影響指數(shù) 　　通過對以上數(shù)據(jù)進行分類、無量綱化、標(biāo)準(zhǔn)化，最后加權(quán)評估，最終得到了環(huán)境影響指數(shù)，本文對于生物質(zhì)直燃發(fā)電系統(tǒng)計算了8種環(huán)境影響指數(shù)。表3為各類環(huán)境影響類型中所包含的主要污染排放物及污染物的換算當(dāng)量因子。 　　2結(jié)果與討論 　　2．1全生命周期的環(huán)境影響 　　生物質(zhì)直燃發(fā)電系統(tǒng)的生命周期評價的加權(quán)環(huán)境影響潛值如圖2所示。由于生物質(zhì)獲取階段消耗以柴油打捆機為主，與運輸階段的消耗原料是一樣的，所以在進行環(huán)境影響計算時，將打捆機消耗并入運輸階段。 　　在生物質(zhì)直燃發(fā)電系統(tǒng)的各類環(huán)境影響類型中，固體廢棄物潛值最大，處于第二位的是工業(yè)煙塵及灰塵形成的潛值，這兩項排放來源于生物質(zhì)發(fā)電電站中的鋼筋混凝土制循環(huán)水冷卻塔建設(shè)。混凝土的固化過程中以及水泥的生產(chǎn)會造成大量的固體廢棄物和煙塵污染，此評價中設(shè)定水泥生產(chǎn)采用目前使用較多的干法工藝。還有少部分的固體廢棄物污染是在電廠運行階段秸稈燃燒后的灰分，但由于灰分可以再循環(huán)利用，造肥還田，這部分排放沒有記人。 　　從圖2我們可以看出，固體廢棄物潛值及工業(yè)煙塵及灰塵潛值與其它指標(biāo)相比存在量級上的差異，在同一圖其他指標(biāo)的大小不能反映出來，因而在圖3表示了其他6種環(huán)境影響潛值分析結(jié)果，在剩余的環(huán)境影響潛值中人體毒性潛值較嚴(yán)重，這部分污染主要發(fā)生在捆包和運輸階段消耗化石燃料，產(chǎn)生S02、C02、NOx。溫室效應(yīng)影響主要在電廠運行部分燃燒生物質(zhì)所排放的c02，如果考慮到生物質(zhì)的碳循環(huán)特點，不記入生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的c02，則生物質(zhì)直燃發(fā)電全生命周期的溫室氣體排放主要來源于運輸階段。 　　2．2混凝土生產(chǎn)方式對評價的影響 　　由2．1小節(jié)的研究可知，由于混凝土生產(chǎn)過程的排放對生物質(zhì)直燃發(fā)電的全生命周期評價影響很大，混凝土生產(chǎn)工業(yè)的改進將可以改善生物質(zhì)發(fā)電整體產(chǎn)生的環(huán)境負(fù)荷，據(jù)文獻介紹，在混凝土生產(chǎn)過程中，摻入適量的粉煤灰是一種新的工藝，不僅可以降低能耗和污染排放，而且可以將燃燒排放的粉煤灰回收利用。本文討論了如果電站建設(shè)使用的混凝土為采用先進技術(shù)生產(chǎn)時能夠給生物質(zhì)直燃發(fā)電生命周期的環(huán)境影響帶來的改善。 　　新的混凝土中，摻人的粉煤灰的品級越高，摻混粉煤灰廢棄物排放量也相應(yīng)減少，其能耗和環(huán)境影響越小；但隨著摻人粉煤灰的增加，混凝土的綜合性能如混凝土的強度、耐久性以及可再生循環(huán)性等性能就越差。表3表示了在達到混凝土綜合性能要求的前提下，不同的粉煤灰摻入量時的混凝土生產(chǎn)排放情況，同時也列出了對整個生物質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)的環(huán)境評價的影響。如表可見，改善混凝土生產(chǎn)工藝后，生物質(zhì)直燃發(fā)電全生命周期的固體廢棄物排放可以比原排放約降低25％，提升了生物質(zhì)直燃發(fā)電系統(tǒng)的整體環(huán)境優(yōu)勢。 　　2．3生物質(zhì)直燃發(fā)電、生物質(zhì)氣化發(fā)電和常規(guī)火電的比較 　　表4列出了3種發(fā)電方式主要污染物的排放數(shù)據(jù)，圖中生物質(zhì)發(fā)電的C02排放量中沒有記人生物質(zhì)燃燒排放的C02。結(jié)果表明，生物質(zhì)發(fā)電的溫室氣體和污染物排放遠低于常規(guī)電力。兩種生物質(zhì)發(fā)電相比，直燃發(fā)電在C02的排放上低于生物質(zhì)氣化發(fā)電，在S02、NOz的排放高于生物質(zhì)氣化發(fā)電。 　　圖4比較了兩種生物質(zhì)發(fā)電的全生命周期環(huán)境排放，生物質(zhì)氣化發(fā)電在不考慮焦油處理時，會排放一定量的化學(xué)污染物，造成光化學(xué)臭氧形成潛值和水體富營養(yǎng)化潛質(zhì)的增大；直燃發(fā)電的固體廢棄物及煙塵是主要污染物，這兩項污染比生物質(zhì)氣化發(fā)電嚴(yán)重。 　　3結(jié)論 　　本文通過對生物質(zhì)直燃發(fā)電系統(tǒng)準(zhǔn)備與運行兩大階段的各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)進行生命周期清單分析，得出整個系統(tǒng)的環(huán)境影響。生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電系統(tǒng)對環(huán)境的污染主要來自電站建設(shè)中消耗的混凝土，混凝土生產(chǎn)帶來固體廢棄物及粉塵排放，通過改善混凝土的生產(chǎn)工藝可以降低發(fā)電系統(tǒng)的環(huán)境排放。通過評價可知建材生產(chǎn)和化石能源消費的排放都會從生物質(zhì)發(fā)電的全生命周期評價中反映出來，影響可再生能源利用的環(huán)境友好。 　　本文基于國內(nèi)正在建設(shè)的生物質(zhì)直燃發(fā)電系統(tǒng)進行了全生命周期評價，所得結(jié)果定量的表明了生物質(zhì)發(fā)電優(yōu)越的環(huán)境效益，生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電和氣化發(fā)電兩種系統(tǒng)的環(huán)境排放都顯著優(yōu)于火電廠，但兩種發(fā)電系統(tǒng)對環(huán)境的影響重點不同，前者主要發(fā)生在建設(shè)階段，后者主要發(fā)生在電站運行中的污染物排放，評價結(jié)果討論了生物質(zhì)發(fā)電過程中產(chǎn)生環(huán)境影響的主要排放環(huán)節(jié)藝r及有效控制對策。（林琳，趙黛青，李莉）