董進(jìn)寧，李茂東，張振頂，尤智東，鐘志強(qiáng)，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(fèi)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(jìn)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(jì)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(jìn)行分析和計(jì)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(jìn)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(yùn)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(yùn)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(bào)廢所造成的影響均勻分布于系統(tǒng)運(yùn)行時間內(nèi)，主要過程有秸稈種植、運(yùn)輸階段、生物顆粒生產(chǎn)、系統(tǒng)建設(shè)及系統(tǒng)運(yùn)行等5個子過程。對這5個子過程進(jìn)行分析時，主要從環(huán)境影響和能源消耗兩個方面進(jìn)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(bǔ)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(jì)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(jìn)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(shí)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(jì)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(yùn)行20年，每年消耗生物質(zhì)顆粒量為1 000 t。通過分析計(jì)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(yùn)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(yùn)輸半徑均為100 km，采用25 t運(yùn)輸卡車，則該系統(tǒng)運(yùn)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(yùn)行階段包括本體燃燒及輔機(jī)運(yùn)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(dá)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(xiàn)不同，所以需要進(jìn)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(jìn)行評價，由于表3中的消耗量只表達(dá)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(jìn)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(jìn)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(fù)荷評價

2.3.1 環(huán)境影響潛值計(jì)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(jì)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(jì)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(jìn)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(xiàn)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(fù)荷

對上述標(biāo)準(zhǔn)化后的影響潛值進(jìn)行加權(quán)，并計(jì)算其總環(huán)境影響負(fù)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(jìn)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(yùn)行過程對整個生命周期環(huán)境影響的貢獻(xiàn)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(xiàn)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(xiàng)目。

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