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        燃生物質(zhì)顆粒工業(yè)鍋爐系統(tǒng)的生命周期評價

        2014-03-29 10:23:34董進寧李茂東張振頂尤智東鐘志強
        節(jié)能技術(shù) 2014年2期
        關(guān)鍵詞:工業(yè)鍋爐環(huán)境影響生物質(zhì)

        董進寧,李茂東,張振頂,尤智東,鐘志強,王 鵬

        (廣州市特種承壓設(shè)備檢測研究院,廣東 廣州 510100)

        0 引言

        目前,化石資源逐漸枯竭,而作為高耗能設(shè)備的工業(yè)鍋爐對能源及環(huán)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(yè)鍋爐占工業(yè)鍋爐總量的80%以上,工業(yè)鍋爐量大面廣,平均容量小,能耗大,污染嚴(yán)重,尋找新的環(huán)境友好的替代能源以解決高耗能燃煤工業(yè)鍋爐的污染及能耗成為我國現(xiàn)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(zhì)秸稈資源,發(fā)展生物質(zhì)鍋爐成為解決我國秸稈資源浪費及工業(yè)鍋爐高耗能、高污染問題的一種良好途徑,并為生物質(zhì)成型燃料的大規(guī)模生產(chǎn)提供了必要條件。前人[1-2]對生物質(zhì)顆粒加工制造及生物質(zhì)鍋爐的制作工藝研究較多,現(xiàn)在已經(jīng)有了比較成熟的生物質(zhì)鍋爐產(chǎn)品應(yīng)用生產(chǎn),而對其系統(tǒng)的全生命周期分析研究較少。為了掌握燃生物質(zhì)成型顆粒工業(yè)鍋爐系統(tǒng)的資源消耗和環(huán)境影響全面的數(shù)據(jù),本文就燃生物質(zhì)成型顆粒工業(yè)鍋爐系統(tǒng)進行生命周期評價。

        1 燃生物質(zhì)成型顆粒工業(yè)鍋爐系統(tǒng)的生命周期清單分析

        1.1 研究目標(biāo)與研究范圍

        本文以型號為DZL4-1.25-BMF的生物質(zhì)成型顆粒工業(yè)鍋爐系統(tǒng)為研究對象,該系統(tǒng)鍋爐設(shè)計效率為81%,額定蒸發(fā)量為4 t/h,燃料消耗量為701 kg/h。本文以系統(tǒng)每燃燒1 t生物質(zhì)成型顆粒對環(huán)境造成的影響進行分析和計算,即環(huán)境影響評價的功能單位為1 t生物質(zhì)顆粒。

        圖1 生物質(zhì)成型顆粒工業(yè)鍋爐系統(tǒng)的生命周期系統(tǒng)邊界Fig.1 The framework of the industrial boiler system burned on biomass pellet

        由于生物質(zhì)成型顆粒工業(yè)鍋爐系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)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(tǒng)運行過程中忽略秸稈收割堆積,以及工業(yè)生產(chǎn)對蒸汽品質(zhì)波動要求的影響產(chǎn)生蒸汽均為額定狀態(tài)下蒸汽 ,由于該系統(tǒng)使用年限很長,因此假設(shè)該系統(tǒng)使用運行年限為20年,忽略其他因素影響假定該系統(tǒng)建設(shè)所需要的原料制作以及報廢所造成的影響均勻分布于系統(tǒng)運行時間內(nèi),主要過程有秸稈種植、運輸階段、生物顆粒生產(chǎn)、系統(tǒng)建設(shè)及系統(tǒng)運行等5個子過程。對這5個子過程進行分析時,主要從環(huán)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CO2是從生命周期系統(tǒng)中吸收補充,生物質(zhì)成型顆粒工業(yè)鍋爐系統(tǒng)的生命周期系統(tǒng)邊界分析如圖1。

        1.2 系統(tǒng)物料計算

        表1 生物質(zhì)顆粒元素分析Table.1 The elementary analysis of biomass pellet

        表2 系統(tǒng)處理1 t生物質(zhì)顆粒的物料量Table.2 The inventory of the materials by 1 t biomass pellet treated

        本文以玉米秸稈制取生物質(zhì)顆粒為系統(tǒng)原料進行分析,生物質(zhì)顆粒的元素分析如表1所示。秸稈是一年生的作物,玉米產(chǎn)量為5 154 kg/hm2·a[3],玉米秸稈的產(chǎn)量系數(shù)為1∶1.2[4],玉米C的吸收量是5.08 t/(hm2·a)[5]。假設(shè)農(nóng)作物吸收的C是被谷物籽實和其秸稈均勻吸收,秸稈制作生物質(zhì)顆粒的烘干過程中所需燃料為生物質(zhì)顆粒[6],設(shè)秸稈生長需要的肥料量與土壤中養(yǎng)分相當(dāng),肥料為氨水、普鈣、硫酸鉀[7],根據(jù)生物質(zhì)鍋爐設(shè)計資料知所需鋼材為28.1 t,假設(shè)系統(tǒng)建設(shè)所需建材,鋼材與水泥的比為3∶1,系統(tǒng)建設(shè)運行20年,每年消耗生物質(zhì)顆粒量為1 000 t。通過分析計算可以得出每消耗1 t生物質(zhì)顆粒所需要的及產(chǎn)生的各種物質(zhì)的量如表2所示。

        1.3 清單分析

        玉米秸稈種植過程對環(huán)境的影響和消耗的主要過程是秸稈光合作用吸收CO2的過程及化肥氮磷鉀的生產(chǎn)的過程[8]。運輸過程假設(shè)秸稈的產(chǎn)生地與生物質(zhì)顆粒生產(chǎn)廠的距離及生物質(zhì)顆粒與生物質(zhì)鍋爐系統(tǒng)的運輸半徑均為100 km,采用25 t運輸卡車,則該系統(tǒng)運輸階段對環(huán)境影響主要為柴油的生產(chǎn)及消耗排放[9-10]。生物質(zhì)顆粒制取階段為秸稈粉碎[11],秸稈制粒,顆粒烘干等過程的排放。系統(tǒng)建設(shè)階段主要為鋼材[12],水泥[13]等建材消耗。系統(tǒng)運行階段包括本體燃燒及輔機運行的消耗。

        在研究該系統(tǒng)的資源消耗與環(huán)境影響中,假設(shè)秸稈種植階段所吸收的CO2是由整個生命周期過程中提供,故系統(tǒng)消耗1 t生物質(zhì)顆粒的生命周期排放清單如表3。

        表3 消耗1 t生物質(zhì)顆粒的生命周期排放清單Table.3 The inventory of the emission to environment by 1 t biomass pellet consumed

        2 生命周期的影響評價

        2.1 環(huán)境影響評價

        環(huán)境影響評價包括定量和定性評價。按照國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的ISO14040的框架,影響評價包括三個步驟:分類、特征化和加權(quán)評估。上述清單分析結(jié)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(tài)系統(tǒng)和環(huán)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(jié)果轉(zhuǎn)化為既容易理解,又能反映環(huán)境影響潛值的指標(biāo)。

        根據(jù)1.3節(jié)清單分析的結(jié)果,生物質(zhì)鍋爐系統(tǒng)可能造成的資源耗竭和潛在環(huán)境影響,見表4。

        表4 生物質(zhì)鍋爐系統(tǒng)的生命周期影響類型Table.4 The type of the life cycle’s impact of the industrial boiler system burned on biomass pellet

        2.2 資源耗竭系數(shù)

        資源耗竭系數(shù)通過一次能源消耗來表征,在此將能源作為資源進行評價,由于表3中的消耗量只表達了資源的絕對消耗量,并沒有反映其相對大小,因此采用資源消耗基準(zhǔn)[15]進行標(biāo)準(zhǔn)化。得出煤、油等資源消耗潛值,見表5。其單位為毫人當(dāng)量,反映了生物質(zhì)工業(yè)鍋爐系統(tǒng)所耗資源占人均資源消耗量的比重(以1990年為基準(zhǔn))。標(biāo)準(zhǔn)化后的資源消耗僅僅反映各種資源消耗的相對大小,并沒有反映該資源的稀缺性。經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化于加權(quán)分析之后的資源消耗各值如表5所示。

        表5 標(biāo)準(zhǔn)化后1t生物質(zhì)顆粒的資源消耗Table.5 The normalized resource consumption of 1t biomass pellet consumed

        標(biāo)準(zhǔn)化后煤炭的消耗依然是主要部分,占96.43%,油的消耗為3.57%,考慮了資源的稀缺性,標(biāo)準(zhǔn)化加權(quán)后,煤的消耗比重降為87.24%,而油則升為12.76%。我國能源結(jié)構(gòu)中煤的消耗占據(jù)主要地位,經(jīng)過該系統(tǒng)處理污泥并對其進行資源化利用后,有效的遏制了煤炭資源的消耗。該系統(tǒng)處理1 t生物質(zhì)顆粒的資源消耗系數(shù)為2.547×10-3人當(dāng)量。該系統(tǒng)每處理1 t生物質(zhì)顆粒的資源消耗系數(shù)見圖2。

        圖2 加權(quán)后1 t生物質(zhì)顆粒的資源消耗Fig.2 The valued resource consumption of 1t biomass pellet consumed in the system

        2.3 環(huán)境影響負荷評價

        2.3.1 環(huán)境影響潛值計算

        為了方便直觀的表示出各種環(huán)境影響類型的影響潛值,全球變暖以CO2為參考物,同理酸化,富營養(yǎng)化,光化學(xué)臭氧分別以SO2,NO-3,C2H4為參考物。根據(jù)各種排放物的效應(yīng)當(dāng)量因子[15]可以計算出各種物質(zhì)在各個過程中的環(huán)境影響潛值,如表6所示。

        表6 各種排放物的環(huán)境影響潛值Table.6 The valued environmental potential of the emissions

        2.3.2 環(huán)境影響潛值的標(biāo)準(zhǔn)化

        對以上所計算的各類環(huán)境影響潛值(全球、地區(qū)和局地)采用其相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化基準(zhǔn)進行標(biāo)準(zhǔn)化,比較其相對大小。因標(biāo)準(zhǔn)化是以1990年為基準(zhǔn),因此利用權(quán)重因子加權(quán)將標(biāo)準(zhǔn)化值轉(zhuǎn)換為2000年為基準(zhǔn)。各種環(huán)境影響類型的標(biāo)準(zhǔn)化值和權(quán)重因子見表7。

        表7 各種環(huán)境影響類型的標(biāo)準(zhǔn)化值和權(quán)重因子Table.7 The standardization and weighted environmental potential factors of the category of environmental impact.

        故各種環(huán)境影響潛值標(biāo)準(zhǔn)化并加權(quán)的值如表8所示。

        圖3 燃生物質(zhì)工業(yè)鍋爐系統(tǒng)生命周期中各過程對環(huán)境影響的貢獻Fig.3 The valued analysis of the LCA process of 1t biomass pellet consumed by the system

        表8 1 t生物質(zhì)顆粒環(huán)境影響潛值標(biāo)準(zhǔn)化并加權(quán)(mPET2000)Table.8 The standardization and valued EP of 1t biomass pellet consumed by the system

        2.3.3 加權(quán)評估及環(huán)境影響負荷

        對上述標(biāo)準(zhǔn)化后的影響潛值進行加權(quán),并計算其總環(huán)境影響負荷每處理1 t生物質(zhì)顆粒為16 434.47毫人當(dāng)量。系統(tǒng)各個過程中的相對貢獻如圖3所示。結(jié)果表明生物質(zhì)鍋爐系統(tǒng)過程對環(huán)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(yōu)化改良環(huán)境影響。由各種環(huán)境影響類型的相對貢獻可知,生物質(zhì)鍋爐系統(tǒng)在整個生命周期中對環(huán)境的主要影響為全球變暖(95.36%)。即說明,燃生物質(zhì)鍋爐系統(tǒng)中,全球性影響占據(jù)首位,其次是局地性影響,而地區(qū)性影響則最小。

        3 結(jié)論

        本文用生命周期的方法對燃生物質(zhì)顆粒工業(yè)鍋爐系統(tǒng)進行了環(huán)境影響和資源消耗的全面分析,通過分析可知以下結(jié)果:

        (1)以玉米秸稈制取1 t生物質(zhì)顆粒為例的燃生物質(zhì)工業(yè)鍋爐系統(tǒng)的資源消耗系數(shù)為2.547× 10-3人當(dāng)量,折算后加權(quán)資源消耗煤占87.24%,油為12.76%,可知我國能源結(jié)構(gòu)中煤的消耗占據(jù)主要地位;

        (2)生物質(zhì)鍋爐系統(tǒng)運行過程對整個生命周期環(huán)境影響的貢獻最大,為98.55%,各種環(huán)境類型的影響中全球變暖對環(huán)境影響貢獻最大為95.36%。

        (3)雖然燃生物質(zhì)工業(yè)鍋爐系統(tǒng)的全球性影響大于局地性影響,地區(qū)性影響最小,但是其影響小于燃煤工業(yè)鍋爐系統(tǒng)環(huán)境的影響,并且該系統(tǒng)從環(huán)境中吸收CO22 136.24 kg,有效的抑制全球變暖的加劇,因此該系統(tǒng)環(huán)境性完善,是一種環(huán)境友好的系統(tǒng)項目。

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