王培剛

（武漢工程大學管理學院，武漢 430205；湖北交通職業(yè)技術(shù)學院交通信息學院，武漢 430079）

秸稈直燃發(fā)電供應鏈氣體及顆粒污染物排放的生命周期評價

王培剛

（武漢工程大學管理學院，武漢 430205；湖北交通職業(yè)技術(shù)學院交通信息學院，武漢 430079）

秸稈發(fā)電以其極好的環(huán)保效用和可再生能源利用引起各界關(guān)注，但是由于秸稈輕、薄、散的特性，導致在秸稈收集和運輸?shù)男适值拖?，從而會消耗大量石化燃料，排放出大量的氣體及顆粒污染物，加之秸稈發(fā)電供應鏈的終端直燃發(fā)電也會排放一定污染物，必然會對其環(huán)保效用帶來影響。該文依據(jù)生命周期評價方法，通過建立4個秸稈發(fā)電供應鏈場景，包含秸稈收集、打捆、運輸存儲、解包破碎以及最終發(fā)電等階段，對其中機械及車輛石化燃料的消耗以及污染物的排放進行定量計算，發(fā)現(xiàn)4個秸稈發(fā)電供應鏈的污染物排放有較大差距，其中CO2相差1.2～2倍，CO相差1.4～5.4倍，NOX相差1.5～4.2倍，PM相差1.4～6.5倍。秸稈發(fā)電供應鏈環(huán)保效果與秸稈發(fā)電供應鏈中收集、預處理及運輸存儲模式有較大關(guān)系，預處理壓縮環(huán)節(jié)、短距離農(nóng)用車運輸及壓縮后道路運輸距離是關(guān)鍵，這些因素的合理配置直接關(guān)系到秸稈發(fā)電供應鏈環(huán)保效用的高低。對秸稈發(fā)電供應鏈的整體排放以處理單位質(zhì)量秸稈排放的污染氣體和可吸入顆粒排放指數(shù)為標準，通過與秸稈露天燃燒和燃煤發(fā)電供應鏈對比分析，發(fā)現(xiàn)相對秸稈露天燃燒PM排放指數(shù)12.95 g/kg，秸稈發(fā)電供應鏈的PM排放指數(shù)為0.12 g/kg；相對燃煤發(fā)電供應鏈CO2排放指數(shù)1 010.1 g/kg，秸稈發(fā)電供應鏈的CO2排放指數(shù)為43.44 g/kg，在減少由露天焚燒秸稈造成的應急性霧霾天氣和減少碳排放方面有積極作用。

秸稈；發(fā)電廠；排放控制；供應鏈；環(huán)境保護；定量分析

0 引 言

中國禁止露天焚燒農(nóng)業(yè)廢棄物政策（簡稱“禁燒”）已出臺多年，取得了一定成果，但與預期仍有一定差距。另外近年我國霧霾天氣頻繁出現(xiàn)，除了工業(yè)和汽車的迅猛增長帶來的污染源，霧霾出現(xiàn)時間與農(nóng)忙時間重合也引起了研究人員的注意。通過研究，學者發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)能大氣污染的排放量只占大氣污染總量的4%左右[1]，通過對多地[2-3]霧霾的主要大氣污染源進行分析結(jié)論燃煤[4]、生物質(zhì)燃燒[5]、汽車尾氣和揚塵等污染排放[6]是霧霾形成的主要原因。但從整體上來看，生物質(zhì)燃燒尤其是秸稈的燃燒排放量并不大，將其列為霧霾治理的主要對象是由于短期集中排放的原因。根據(jù)諸多學者的研究，發(fā)現(xiàn)霧霾多發(fā)時間與農(nóng)忙秸稈露天燃燒的時間段有相關(guān)性[7-10]，在這些時間段秸稈露天燃燒排放的大量污染物是誘發(fā)霧霾天氣的主要原因。因此近兩年國家大力推進禁止露天焚燒農(nóng)業(yè)廢棄物政策，目的是顯而易見的。

雖然“禁燒”的意義人人皆知，但通過各種媒體，仍經(jīng)常能聽到和看到，某處依舊狼煙四起[11-12]，這2種現(xiàn)象的根源在于處理秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物的數(shù)量過大、相關(guān)利益和處理時效問題。一般現(xiàn)有的秸稈再利用有秸稈還田、秸稈飼料化、秸稈制作培養(yǎng)基、秸稈制作顆粒燃料和秸稈發(fā)電等方法，其中以秸稈發(fā)電和秸稈還田的處理秸稈量最大。對于秸稈還田，有學者認為秸稈還田有利于改良土壤增加肥力[13]、同時還有固碳的效果，這也是保護性耕作的動力和目標，但還田秸稈腐化時間過長（一般秸稈腐化時間大于兩周[14]），影響連作雙季作物的種植（對于玉米小麥等單季作物影響不大），同時農(nóng)民用戶認為增肥效果不理想，因此秸稈還田在成本和效用方面農(nóng)民的認可度不高[15-16]。對于秸稈直燃發(fā)電，一般一臺30 MW秸稈直燃發(fā)電機組一年需消耗秸稈20萬t以上，能極大的緩解秸稈數(shù)量過大的矛盾。但倪維斗院士認為對生物質(zhì)能發(fā)電要因地制宜，不能一哄而上，能否達到減排環(huán)保的效果需經(jīng)過詳細的計算和論證，否則就是低效高污染地使用，是不合理的[17]。國外學者對生物質(zhì)供應鏈的污染排放研究也較多，通過對供應鏈中各階段的不同種類不同場景污染排放均進行細化研究[18-21]，生物質(zhì)種類涵蓋農(nóng)、林甚至水生物的藻類，階段分析涵蓋了種植和基礎設施建設的污染物排放，運輸形式涵蓋公路、鐵路甚至于原木溪流運輸，涉及面廣而全，基礎設施建設和機械化程度較高，最終應用集中于燃燒制備生物燃料、發(fā)電和熱能供應方向。因此本文選取秸稈發(fā)電作為研究方向，依據(jù)生命周期評價LAC方法，計算秸稈發(fā)電供應鏈中的收集、預處理、運輸、存儲和最終利用5個階段氣體及顆粒污染排放指數(shù)，并與秸稈露天燃燒和燃煤發(fā)電供應鏈污染物排放指數(shù)對比，評價秸稈發(fā)電供應鏈的環(huán)保效用。

1 目標和范圍

本文研究目標是通過計算秸稈發(fā)電供應鏈中各階段污染物排放指數(shù)，獲得秸稈發(fā)電供應鏈過程整體污染物排放指數(shù)，即處理單位秸稈的污染物排放量。對比秸稈露天焚燒和燃煤發(fā)電單位排放量，說明秸稈發(fā)電供應鏈及應用的環(huán)保效用。秸稈發(fā)電主要利用秸稈作物有水稻、油菜和小麥。

秸稈發(fā)電供應鏈一般由秸稈收集、預處理、運輸、存儲及最終直燃發(fā)電利用 5個部分組成。但每個部分的處理方法存在差異，例如預處理分為田間預處理、物流預處理，電廠預處理；運輸分為農(nóng)用車輛運輸、物流運輸，存儲分為物流存儲和電廠存儲，不同處理方法的組合形成多種秸稈發(fā)電供應鏈場景，如圖1所示。

圖1 秸稈直燃發(fā)電供應鏈場景Fig.1 Scenarioes of straw supply chain for drict-fired power plant

場景說明：

1）場景一：秸稈在整個供應鏈過程中未做任何處理，從田間由農(nóng)用運輸車輛（散裝）直接到秸稈發(fā)電企業(yè)；

2）場景二：秸稈在整個供應鏈過程中未做任何處理，從田間由農(nóng)用運輸車輛（散裝）運輸?shù)街髀坊蚴召忺c，轉(zhuǎn)運到物流運輸車輛，然后由物流運輸車輛運輸?shù)浇斩挵l(fā)電企業(yè)；

3）場景三：秸稈田間預處理后（移動式打捆機，圓捆），由農(nóng)用運輸車輛運輸?shù)街髀坊蚴召忺c，轉(zhuǎn)運到物流運輸車輛，然后運輸?shù)浇斩挵l(fā)電企業(yè)；

4）場景四：秸稈散裝由農(nóng)用運輸車輛運輸?shù)轿锪鱾}庫，在物流倉庫進行預處理（固定式打捆機，方捆），存儲在物流倉庫，然后物流運輸車輛運輸?shù)浇斩挵l(fā)電企業(yè)。

本文研究秸稈發(fā)電供應鏈污染物選取CO2、CO、HC、NOX、SO2、PM 6個指標，對應溫室氣體和霧霾相關(guān)因素的研究。由于秸稈燃燒應用產(chǎn)生的 CO2在農(nóng)作物生長階段會被吸收，因此研究中 CO2不包含最終秸稈直燃發(fā)電過程排放量。

2 排放清單計算分析

2.1 計算模型

2.1.1 秸稈收集量計算

秸稈收集量，通過如下公式計算，

式中N表示農(nóng)民秸稈收集量，kg；R表示農(nóng)作物單位產(chǎn)量，kg/hm2；S表示農(nóng)民種植農(nóng)作物面積，hm2；K表示草谷比；γ表示秸稈收集系數(shù)；ρ表示可利用系數(shù)。

2.1.2 柴油熱值計算

計算柴油機或非道路移動機械的熱效率，燃油熱量值使用計算公式[22-23]

式中燃油比能量（凈熱值），MJ/kg；d為288 K（15 ℃）時的密度；x為水的質(zhì)量百分比，%；y為灰的質(zhì)量百分比，%；s為硫的質(zhì)量百分比，%。

2.1.3 污染物排放計算

1）總排放量計算公式

式中P為總排放量，Pj為各階段排放量。

2）機械作業(yè)燃油污染物排放質(zhì)量計算公式

式中Pf,i是f類燃油i類污染物排放質(zhì)量，kg；F是燃油消耗量；Ef是f類燃油比能量（凈熱值），MJ/kg；Tf,a,i是f類燃油在a類機械中的i類污染物排放限值。

2.2 參數(shù)確定分析

由于不同機械使用過程中，不同制造工藝、不同操作方法、不同環(huán)境等因素的影響造成排放量有較大差異，為了計算數(shù)據(jù)的合理性，本文引用《非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值及測量方法（中國第三、四階段）》（GB 20891-2014）[22]和《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段）》（GB 17691-2005）[23]中的國家規(guī)定排放標準，取上限值進行計算。

2.2.1 秸稈參數(shù)

秸稈相關(guān)參數(shù)有單位產(chǎn)量、草谷比[24-25]（residue to product ratio，RPR）、可利用系數(shù)60%（根據(jù)秸稈可能源化與生活能源比例之和取值）、收集系數(shù)75%[26]，見表1。

表1 秸稈收集相關(guān)參數(shù)Table 1 Straw collection parameters

每公頃可收集秸稈產(chǎn)量，根據(jù)公式（1）可得水稻秸稈4 050 kg，小麥秸稈3 996 kg，油菜秸稈3 564 kg，見表1。秸稈散裝密度40 kg/m3[27]。

2.2.2 燃油及機械參數(shù)

1）燃油參數(shù)

計算使用燃油數(shù)據(jù)來自柴油，使用第三階段基準柴油技術(shù)標準[22-23]。密度取值為840 kg/m3，硫質(zhì)量分數(shù)350 mg/kg，灰分0.01%，水分0.05%。

2）農(nóng)用機械污染排放參數(shù)

對于農(nóng)用機械（含農(nóng)用車輛），參考非道路移動機械用柴油機工作排放國家標準（GB 20891-2014）[22]進行污染物排放量。當前農(nóng)機為國III標準，額定凈功率Pmax＜37機組排放限值，CO取值為5.5 g/(kW·h)，HC+NOX為7.5 g/(kW·h)，PM 為 0.60 g/(kW·h)。

3）運輸車輛污染排放參數(shù)

對于運輸車輛，參考運輸車輛（車用壓燃式柴油發(fā)動機）排放（GB 17691-2005）[23]國家標準進行污染物排放量計算。當前為國 IV標準相關(guān)排放限值，取值參數(shù)CO為1.5 g/kW·h，HC為0.46 g/kW·h，NOX為3.5 g/kW·h，PM為0.02 g/kW·h。SO2排放量以柴油中硫完全燃燒計算。

4）田間預處理機械參數(shù)

田間預處理機械是用于秸稈田間打捆，根據(jù)中國家庭式農(nóng)耕模式，田間機械以小型機械為主。通過阿里巴巴平臺搜索秸稈打捆機，初步統(tǒng)計后發(fā)現(xiàn)當前小型秸稈打捆機主要生產(chǎn)廠家集中在山東，相關(guān)參數(shù)差別較大；根據(jù)在線咨詢和電話問詢設備用途及基本參數(shù)后，去除用于青貯和玉米等機型，篩選出9個品牌14個可處理水稻、油菜和小麥秸稈機型，統(tǒng)計后確定當前數(shù)值范圍。

問詢中發(fā)現(xiàn)秸稈打捆密度相差不大，且與打捆尺寸無直接關(guān)系，因此從便于搬運角度，取值小圓捆Φ0.5 m×0.8 m為例，單捆質(zhì)量20 kg，油耗取統(tǒng)計均值7.5 L/hm2。

5）物流預處理機械參數(shù)

物流預處理主要工作是將已收集的秸稈打包，屬于固定式打捆處理。調(diào)研、篩選、統(tǒng)計及最終取值方式同上。

參數(shù)取值：高 0.5 m、寬 0.4 m、長 0.8 m，密度200 kg/m3，能耗18.5 kW，作業(yè)速度2 000 kg/h。

6）物流存儲轉(zhuǎn)運機械參數(shù)

調(diào)研過程中發(fā)現(xiàn)秸稈收購點工作方式有人力、抓草機、傳送帶等。人力污染物排放為0，傳送帶以電力驅(qū)動，轉(zhuǎn)運同質(zhì)量秸稈污染物排放遠小于燃油機械。按照不確定方式中取最大值原則，取值以抓草機為例進行物流存儲轉(zhuǎn)運的污染排放指數(shù)計算。1小時油耗1 L，處理草捆2～6 t（根據(jù)距離遠近而定），以2 t計算。

7）田間運輸車輛參數(shù)

田間運輸車主要工作是將田間打包的秸稈運送到企業(yè)、物流收集點或主要道路后由物流運輸車輛轉(zhuǎn)運。當前田間運輸大多使用農(nóng)用車輛。

實際操作會將車斗加寬加長，堆高（以地面起）一般3.5～4 m。取值車斗長2.5 m、寬2 m、高2.5 m，油耗0.04 L/km。

8）物流運輸車輛參數(shù)

主要工作是將秸稈通過主要道路運送到發(fā)電企業(yè)。當前物流運輸大多使用大型運輸車輛，此類車輛無法進入中國大部分田間道路，只能運行于主要道路。

由于秸稈的低密度特性，因此運送秸稈車輛多為平板式或欄式，便于充分利用空間。實際操作會將車斗加寬加長，堆高（以地面起）一般 3.5～4 m。秸稈運輸由于密度過低，因此多選用較大車輛進行運輸，因此取車斗尺寸長13 m，寬2.5 m，高度以裝載秸稈高度計算，取2.5 m，油耗0.25 L/km。

9）電廠預處理機械參數(shù)

電廠預處理主要是將收集來的秸稈進行解包破碎工作。根據(jù)問詢調(diào)研秸稈發(fā)電廠，秸稈破碎一般為整套設備：含破碎機、傳送器和除塵器。根據(jù)調(diào)研30 MW秸稈直燃發(fā)電機組一年需消耗秸稈20萬t，年工作6 000 h計算，每小時消耗秸稈33.3 t，因此破碎機能耗取值500 kW，產(chǎn)量 25～35 t/h，附屬膠帶傳送器能耗 5.5 kW，除塵器11 kW。

10）燃煤火電供應鏈參數(shù)

燃煤火電供應鏈包括開采、預處理（洗煤）、運輸存儲、發(fā)電等階段。實際可分為開采洗、運輸存儲和發(fā)電3個部分。相關(guān)參數(shù)見表2。

2.2.3 排放參數(shù)

1）柴油熱能值

根據(jù)公式（2）及燃油參數(shù)計算可知：第三階段基準柴油比能量（凈熱值）為 42.843 MJ/kg，換算為35.989 MJ/L。

2）農(nóng)用機械單位排放參數(shù)

根據(jù)公式（4）農(nóng)用機械排放參數(shù)及 1L柴油能量值數(shù)據(jù)（國III）計算，可得污染物排放量見表3。

3）物流運輸車輛單位排放參數(shù)

根據(jù)公式（4）運輸車輛排放參數(shù)及 1L柴油能量值數(shù)據(jù)（國IV）計算，可得污染物排放量見表3。

4）燃煤發(fā)電供應鏈排放參數(shù)

燃煤開采洗主要能耗為電力，根據(jù)表 2數(shù)據(jù)，計算結(jié)果為單位消耗225.03 kW·h/t。燃煤運輸消耗為計算結(jié)果為消耗電力5.773 kW·h/t和柴油0.576 kg/t。全國6 000 kW及以上火電廠機組平均供電標準煤耗315 g/kW·h[31]?？傻梦廴疚锱欧帕浚姳?。

表2 燃煤發(fā)電供應鏈相關(guān)參數(shù)Table 2 Main parameters in coal-fired power generation supply chain

表3 農(nóng)用機械及物流運輸車輛工作排放量Table 3 Emission from farm machinery and heavy-duty vehicles g·L-1

表4 燃煤發(fā)電（含供應鏈）排放量Table 4 Emission from coal-fired power generation supply chain g·kW·h-1

表中燃煤發(fā)電 CO2排放系數(shù)，是通過熱量計算法計算所得。從《綜合能耗計算通則》獲取原煤平均低位發(fā)熱量和《省級溫室氣體清單編制指南》中獲取單位熱值含碳量與碳氧化率參數(shù)進行熱轉(zhuǎn)化計算，得到原煤的單位排放量為 1 900 g，然后通過《中國統(tǒng)計年鑒》獲取2012?2014年火電消耗原煤量及《中國電力行業(yè)年度發(fā)展報告》獲取 2012?2014年火電發(fā)電量，得到火電發(fā)電每千瓦小時消耗原煤452.02、440.07和421.98 g，可推算火電發(fā)電每千瓦小時排放CO2量為858.83、836.14和801.77 g。數(shù)值來源于國家級行業(yè)報告具有較高可信度，因此燃煤發(fā)電CO2排放系數(shù)取值801.77 g。

2.3 樣本設置及各階段定量計算

在秸稈發(fā)電供應鏈中，涉及污染排放的機械包括田間預處理、物流預處理、田間運輸和物流運輸?shù)炔煌A段。

1）田間預處理排放指數(shù)

根據(jù)2.2.2田間預處理數(shù)據(jù)，可計算1 kg秸稈田間運輸排放指數(shù)，記做P圓捆，見表5。

表5 秸稈運輸排放指數(shù)Table 5 Emission index from transportation 10-3g·kg-1·km-1

2）物流預處理排放指數(shù)

根據(jù)2.2.2物流預處理數(shù)據(jù)，可計算1 kg秸稈物流預處理能耗為0.009 4 kW·h，排放指數(shù)記做P方捆（表5），詳細排放指數(shù)清單見表6。

表6 秸稈預處理排放指數(shù)Table 6 Emission index from machineries in straw pretreatment 10-3g·kg-1

3）農(nóng)用車輛運輸排放指數(shù)

根據(jù)2.2.1數(shù)據(jù)，散裝密度40 kg/m3，運輸1 kg秸稈1 km油耗0.08×10-3L，可得秸稈農(nóng)用車輛運輸排放指數(shù)，記做P農(nóng)車散裝，見表5。

根據(jù)2.2.2數(shù)據(jù)，田間預處理（圓捆）后，圓捆密度127 kg/m3，運輸1 kg秸稈1 km油耗0.025×10-3L，可得秸稈農(nóng)用車輛運輸圓捆排放指數(shù)，記做P農(nóng)車圓捆，見表5。

4）物流運輸排放指數(shù)

物流車輛散裝運輸，運輸 1 kg秸稈 1km油耗0.077×10-3L，可得秸稈物流運輸排放指數(shù)，記做P物流散裝，見表5。

田間預處理（圓捆）后，運輸1 kg秸稈1 km油耗0.024×10-3L，可得秸稈物流運輸排放指數(shù)，記做P物流圓捆，見表5。

物流預處理（方捆）后，秸稈密度取值200 kg/m3，運輸1 kg秸稈1 km油耗0.015×10-3L，可得秸稈物流運輸排放指數(shù)，記做P物流方捆，見表5。

5）物流存儲轉(zhuǎn)運排放指數(shù)

根據(jù)2.2.2中物流存儲轉(zhuǎn)運數(shù)據(jù)，處理1 kg秸稈油耗0.5×10-3L。其排放指數(shù)為 CO21 308.31 mg/kg、CO 7.498 mg/kg、HC+NOX19.794 mg/kg、SO20.294 mg/kg以及PM 0.099 mg/kg。

6）電廠預處理排放指數(shù)

根據(jù)2.2.2中電廠預處理數(shù)據(jù)，處理1 kg秸稈能耗0.021 kW·h。其排放指數(shù)為 CO210 919.36 mg/kg、HC+NOX5.856 mg/kg、SO26.401 mg/kg以及 PM 1.226 mg/kg。

7）生物質(zhì)能電廠排放指數(shù)

調(diào)研多個生物質(zhì)能電廠數(shù)據(jù)，見表7。

表7 生物質(zhì)（秸稈）發(fā)電排放指數(shù)Table 7 Exhaust pollutants from crop straw power plant

由于生物質(zhì)發(fā)電廠使用的發(fā)電設備及年發(fā)電時間不同，數(shù)據(jù)有一定差距，本文選取平均的方法減少差異性對研究的影響。另生物質(zhì)發(fā)電廠資料中無CO排放數(shù)據(jù)，故表中無法列出。

8）露天燃燒秸稈排放

根據(jù)多位學者的研究[9,32-34]數(shù)據(jù)，露天燃燒秸稈排放指數(shù)，記做P露天，見表8。

表8 露天燃燒排放指數(shù)Table 8 Emission index from burning in field g·kg-1

表中SO2排放量相差巨大，根據(jù)參考文獻[34]中SO2試驗數(shù)據(jù)差異的解釋，造成數(shù)據(jù)巨大差異的原因是中國土壤中硫供應失衡，各地區(qū)土壤硫含量差異較大。因此，最終選用研究與本文研究地區(qū)相同的參考文獻[33]的數(shù)據(jù)。

除SO2，其他數(shù)據(jù)本文選取平均的方法減少差異性對研究的影響。對于 SO2則采用加權(quán)平均法，利用湖北省2015年水稻、小麥和油菜的產(chǎn)量比例為權(quán)值，計算 SO2排放量。根據(jù) 2016湖北省統(tǒng)計年鑒，2015年水稻產(chǎn)量1 810.69×104t，小麥產(chǎn)量 420.93×104t，油菜產(chǎn)量255.19×104t進行計算。

2.4 整體排放指數(shù)

對文中各供應鏈場景進行定量計算，根據(jù)借鑒其他研究成果[35-38]和調(diào)研數(shù)據(jù)，假設田間運輸距離D10 km，物流運輸距離70 km。

場景一，秸稈通過農(nóng)用車輛散裝運輸?shù)綉闷髽I(yè)。農(nóng)用車往返距離160 km，排放指數(shù)P1見表9。

場景二，秸稈散裝通過農(nóng)用車輛散裝運輸?shù)街髀坊蚴召忺c，然后轉(zhuǎn)運到物流運輸車輛運輸?shù)綉闷髽I(yè)。農(nóng)用車輛運輸往返距離20 km，物流車輛運輸往返距離140 km，排放指數(shù)P2見表9。

場景三，秸稈田間預處理后（圓捆），由農(nóng)用運輸車輛運送到主路轉(zhuǎn)運到物流運輸車輛，然后運輸?shù)綉闷髽I(yè)。農(nóng)用車輛運輸往返距離20 km，物流車輛運輸往返距離140 km，排放指數(shù)P3見表9。

場景四，秸稈散裝由農(nóng)用運輸車輛運輸?shù)轿锪鱾}庫，在物流倉庫進行預處理（方捆），然后物流運輸車輛運輸?shù)綉闷髽I(yè)。農(nóng)用車運輸往返20 km，物流車輛運輸往返140 km，排放指數(shù)P4見表9。

P4=P方捆+P農(nóng)車散裝×D農(nóng)車距離+p物流方捆×D物流距離（8）

其中場景一是最初的使用方式，現(xiàn)逐步淘汰；場景二是當前主流；場景三和場景四正在逐步推廣。

表9 各供應鏈場景（不含發(fā)電）排放指數(shù)Table 9 Emission index from straw power plant supply Chain (exclude straw power generation) 10-3g·kg-1

3 影響評價及分析

3.1 預處理和運輸階段排放評價及分析

秸稈發(fā)電供應鏈中預處理和運輸階段排放數(shù)據(jù)，不同種類秸稈數(shù)據(jù)以均值計算，可得到預處理和運輸階段排放數(shù)據(jù)，見表10。從表中可以看到：

1）運輸階段，散裝物流運輸排放指數(shù)較高。從 2.3計算過程中發(fā)現(xiàn)，農(nóng)用車輛運輸秸稈的密度是 40和127 kg/m3時，單位油耗分別為0.08×10-3和 0.025×10-3L；物流車輛運輸秸稈的密度是40、127和200 kg/m3時，單位油耗分別為 0.077×10-3、0.024×10-3和 0.015×10-3L；可見運輸?shù)膯挝挥秃呐c運輸秸稈打捆密度成反比，對應的排放指數(shù)也與運輸秸稈打捆密度成反比。而散裝物流運輸?shù)慕斩捗芏鹊停瑢е聠挝唤斩掃\輸排放指數(shù)較高。另一方面從2.4中式（5）～式（8）可以看到總排放量與運輸距離成正比，散裝物流運輸?shù)倪\輸距離過長，導致總排放量增加。后期改善需增加運輸密度和減少運輸距離。

表10 預處理和運輸階段排放指數(shù)對比Table 10 Comparison of emission index between crop strawpretreatment and transportation period

2）預處理階段，電廠預處理CO2排放指數(shù)較高，而田間預處理的NOX和PM排放指數(shù)較高。電廠預處理的CO2排放高是由于其拆包和破碎的高能耗，單位能耗達到0.021 kW·h和火力發(fā)電的高碳排放所導致；而田間預處理的NOX和PM排放高則是由于農(nóng)業(yè)機械排放限值高所導致的。后期改善依賴于機械制造技術(shù)的提以及燃煤發(fā)電比例降低。

3.2 四種場景（不含發(fā)電）及整體排放評價和分析

以 4種供應鏈場景為基礎，不同種類秸稈數(shù)據(jù)以均值計算，4種供應鏈場景中不含發(fā)電部分排放指數(shù)與秸稈發(fā)電排放指數(shù)對比，見圖2。

1）秸稈發(fā)電供應鏈污染排放主要污染排放在秸稈發(fā)電階段，但不合理的秸稈收集和運輸方式也會造成較大污染，例如場景一和場景二，即散裝秸稈運輸，如果散裝秸稈農(nóng)用車運輸里程每增加10 km，其PM和NOX的排放相對于發(fā)電階段的排放指數(shù)增加4%～5%，因此合理的秸稈收集和運輸模式是必要的。

2）從場景一到場景四，污染物排放逐步降低。其中排放最高的場景一和最低的場景四相比，CO2高 1倍，CO高4.3倍，NOX高3.2倍，PM高5.5倍。較高的秸稈打捆密度和遠距離運輸過程中使用排放指數(shù)較低的大型車輛的秸稈收集和運輸模式對于降低單位秸稈運輸過程中的污染排放指數(shù)有明顯效果。

圖2 四種供應鏈場景（不含發(fā)電）和發(fā)電排放指數(shù)對比Fig.2 Comparison of emission between four scenarios (exclude straw power generation) and crop straw power generation

3）場景三和場景四均為壓縮運輸模式，雖然物流預處理成方捆秸稈密度是200 kg/m3高于田間預處理成圓捆秸稈的密度是127 kg/m3，但如果其中農(nóng)用機運輸距離超過20 km，則場景四污染物排放指數(shù)就會超過場景三的污染物排放指數(shù)。其原因是固定式打捆機不適于田間運作，只能由農(nóng)用車散裝將秸稈運輸?shù)绞占c或物流倉庫，從而導致整體污染物排放指數(shù)上升。因此在秸稈發(fā)電供應鏈中使用移動式打捆機還是使用固定式打捆機進行秸稈壓縮處理需要根據(jù)到廠距離以及收集點或物流倉庫的配置計算決定。

3.3 秸稈發(fā)電供應鏈與露天燃燒和燃煤發(fā)電供應鏈排放評價和分析

當前主流的秸稈發(fā)電供應鏈場景是場景二，選用場景二的排放數(shù)據(jù)，可得到秸稈發(fā)電供應鏈排放指數(shù)。通過表7和表4計算出秸稈發(fā)電供應鏈、燃煤火電供應鏈和露天燃燒秸稈排放指數(shù)對比數(shù)據(jù)，見圖3。

由于秸稈發(fā)電的碳排放可視作零排放，因此秸稈發(fā)電供應鏈中碳排放主要來源于預處理、運輸?shù)入A段。從圖中可看到：

1）相對露天燃燒，秸稈發(fā)電供應鏈最大優(yōu)勢在于減少PM的排放，減少100倍左右；

2）相對露天燃燒，秸稈發(fā)電供應鏈NOX排放相對較低，SO2排放基本相等，但高出燃煤發(fā)電2～3倍。秸稈發(fā)電供應鏈中NOX排放較低是由于秸稈發(fā)電選用的流化床鍋爐采用低溫燃燒方式，抑制了氮氧化物的產(chǎn)生。SO2排放受秸稈中硫含量影響較大，同區(qū)域秸稈露天焚燒和發(fā)電燃燒的 SO2排放基本相同；另一方面秸稈發(fā)電供應鏈中石化燃料消耗產(chǎn)生的 SO2屬于污染范疇，但單位污染排放極低，大約只占秸稈發(fā)電供應鏈排放量的0.7%。相對于燃煤發(fā)電供應鏈，秸稈發(fā)電供應鏈排放的NOX和SO2指標均偏高1～2倍，主要是由于絕大多數(shù)生物質(zhì)（秸稈）發(fā)電建廠時是執(zhí)行火力發(fā)電2003排放標準，生物質(zhì)（含秸稈）中 S元素含量很低，而且燃燒溫度較低產(chǎn)生的NOX量較少，秸稈發(fā)電排放遠低于火力發(fā)電2003標準，因此未加裝脫硫脫硝設備即符合排放。當前最嚴格火電標準出臺，燃煤發(fā)電廠逐步在升級改造，而生物質(zhì)發(fā)電廠排放標準和改造存在一定爭議而推進較慢。

圖3 秸稈發(fā)電供應鏈與露天燃燒及燃煤發(fā)電供應鏈排放指數(shù)對比Fig.3 Comparison exhaust pollutants with straw power generation supply chain, burning in field and coal-fired power generation supply chain

3）秸稈發(fā)電供應鏈碳排放只有燃煤發(fā)電碳排放指數(shù)的4.3%；

4）CO排放僅僅是運輸過程中石化燃料的排放量，無發(fā)電過程的數(shù)據(jù)，因此不做比較。

3.4 不確定性因數(shù)評價分析

本研究計算過程中，糧食產(chǎn)量、機械、車輛、火力發(fā)電排放參數(shù)來源于國家標準和統(tǒng)計年鑒，可信度較高。秸稈發(fā)電參數(shù)來源于調(diào)研，也具有較高的可信度。收集比例、草谷比，露天燃燒排放指數(shù)來源于相關(guān)文獻，不確定性較大。供應鏈過程中各種燃油機械和電力機械混合在一起，能量消耗差異巨大，不確定性大，故對同類型數(shù)據(jù)采用均值法，例如生物質(zhì)能電廠數(shù)據(jù)，盡量減小偏差；對同一操作不同方法采用取較大排放量方法進行計算，例如傳送器和機械轉(zhuǎn)運，結(jié)果會高于實際情況，但不影響最終結(jié)果評價分析。

4 結(jié) 論

通過秸稈發(fā)電供應鏈的生命周期評價及分析，以及與露天燃燒和燃煤發(fā)電供應鏈污染物排放對比，發(fā)現(xiàn)相對秸稈露天燃燒的PM排放指數(shù)12.95 g/kg，秸稈發(fā)電供應鏈PM排放指數(shù)為0.12 g/kg，秸稈發(fā)電供應鏈能極大的緩解由秸稈露天焚燒帶來的應急性霧霾天氣。相對燃煤發(fā)電供應鏈CO2排放指數(shù)1 010.1 g/kg，秸稈發(fā)電供應鏈CO2排放指數(shù)為43.44 g/kg，秸稈發(fā)電供應鏈在低碳環(huán)保方面的效果是毋庸置疑的。盡管當前秸稈發(fā)電供應鏈發(fā)展還不成熟，但其在環(huán)境保護方面，尤其是霧霾治理和碳減排方面有著比較好的效果。當前執(zhí)行最嚴火電標準前提下，秸稈發(fā)電的污染物排放指數(shù)會進一步下降，而且隨著農(nóng)機和道路運輸車輛排放標準（GB 20891-2014國家標準和GB 17691-2005國家標準）第四、第五階段的實施，以及秸稈打捆機械和解包破碎作業(yè)機械的研發(fā)，會進一步減少秸稈收集和運輸過程的污染物排放指數(shù)。

另外從不同場景數(shù)據(jù)分析也可以看到，場景四污染物CO2、CO、NOX和PM排放指數(shù)分別是場景一的50%、18.9%、23.8%和 15.4%。因此根據(jù)實際環(huán)境和資源合理的構(gòu)建供應鏈組織模式也會提高秸稈發(fā)電供應鏈的環(huán)保效果，尤其在減少碳排放和 PM 排放控制方面有極大的推動作用，對于農(nóng)忙時節(jié)霧霾天氣的抑制以及國家“禁燒”和低碳政策的推廣和落實有積極的意義。

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Emission analysis of air and PM pollution on straw power plant supply chain based on life cycle assessment

Wang Peigang
(School of Management, Wuhan Institute of Technology, Wuhan430205,China；School of Transportation & Information, Hubei Communications Technical College, Wuhan430079,China)

Crop straw power plant is environmental-friendly, but crop straw collection and transportation will cause pollution.Crop straw has low density, so the efficiency of the collection and transportation is very low, and per unit of weight crop straw reutilization will make more pollution. In this paper, based on LCA (life cycle assessment), the data of pollution in the crop straw power plant supply chain are analyzed through quantitative calculation of exhaust pollution of per unit weight and per unit power generation. Straw power plant supply chain contains straw collection, compression and baling, transportation,uncompression and crash and straw power generation. The compression of straw is divided into 3 types, i.e. not baled, the compression in the field and compression in the warehouse; the transportation is also divided into 2 types, the transportation by farm vehicle on the narrow road and heavy-duty vehicle on the highway. There are 4 scenarios and each one is composed of 3 or more parts in straw power plant supply chain, as transport of straw uncompressed, or transport of straw compressed.Because of the difference from agricultural machinery and vehicle, we use the limits for exhaust pollution from diesel engines of non-road mobile machinery (China III) and the limits for exhaust pollutants from compression ignition and gas fuelled positive ignition engines of vehicles (III, IV, V) as emission factors of agricultural machinery and vehicle, and by survey data,calculate the exhaust pollutants that include CO2, CO, NOX, SO2and PM (particulate matter) in each section. Sections in the straw power plant supply chain are crop straw pretreatment in the field, crop straw pretreatment in the stockhouse, carrying uncompress bale by farm machinery, carrying by farm machinery after pretreatment in the field, carrying uncompress bale by heavy-duty vehicle, carrying by heavy-duty vehicle after pretreating straw in the field, carrying by heavy-duty vehicle after pretreating straw in the stockhouse, transfering in the stockhouse, pretreatment in the straw power plant and crop straw direct-fired generation. After that, through key factor analysis for exhaust pollutants from each section, the density of the straw bale and distance of transportation are very important for exhaust pollutants in the straw power plant supply chain, and reasonable allocation model of straw power plant supply chain can decline the exhaust pollutants. Then comparison to exhaust pollutants from burning in the field and coal-fired power generagtion supply chain that includes coal mining and processing,coal transportation, stock and coal-fired power generation. We find PM pollutant of straw power plant is 100 times less than burning in the field, and carbon emission is about 23 times less than coal-fired power generation supply chain. As desulfurization and denitrification equipment are not installed, NOXand SO2pollutions are just over the limits of the newest emission standard of air pollutants for thermal power plants. On the other hand we conclude that the effect of environment protection from straw power plant supply chain depends on the model of collection and transportation in the supply chain, and keys are the pretreatment of crop straw compression, the distance of transportation by farm vehicles and the distance of transport trucks. Reasonable deployment of these factors may improve the effect of environmental protection from straw power plant supply chain.

straw; power plant; emission control; supply chain; environmental protection; quantitative analysis

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.14.032

S210.3；S216

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2017-01-19

2017-06-25

湖北省高等學校人文與社會科學重點研究基地企業(yè)與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展研究中心研究項目（2015QY1505）

王培剛，男，湖北漢川人，博士，講師，研究方向：供應鏈管理，項目管理，軟件工程。武漢 武漢工程大學管理學院 430205。

Email：wpgmumu@163.com