陶 煒,肖 軍,楊 凱 (東南大學(xué)熱能工程研究所,能源熱轉(zhuǎn)換及其過(guò)程測(cè)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京210096)

目前,作為航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的航空煤油(一般指 C8～C16的烷烴類(lèi)),主要是使用常減壓蒸餾裝置對(duì)原油進(jìn)行初步加工[1],再將分餾產(chǎn)品進(jìn)行催化裂化等二次加工制得.但隨著能源與環(huán)境問(wèn)題的凸顯,尤其是全球溫室效應(yīng)的加劇,生物質(zhì)作為可再生資源制備液體燃料替代傳統(tǒng)石油產(chǎn)品已引起世界普遍重視.

近年來(lái),國(guó)際上已開(kāi)始研究生物質(zhì)制備航空煤油工藝.利用生物質(zhì)在氣化爐中氣化得到合成氣(CO、H2),再經(jīng)凈化、調(diào)整氫碳比后進(jìn)行費(fèi)托合成工藝,所得產(chǎn)物進(jìn)行加氫裂化和蒸餾提質(zhì)可得航空煤油[2];美國(guó) UOP公司[3]以可再生的海藻油、動(dòng)植物油脂等為原料,通過(guò)脫氧反應(yīng)和選擇性加氫裂化/異構(gòu)化反應(yīng),生成航空煤油.由于生物質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程并非完全清潔生產(chǎn),故需對(duì)生物質(zhì)航煤工藝進(jìn)行環(huán)境-資源性評(píng)價(jià),以評(píng)估該工藝的前景.

如今國(guó)外許多學(xué)者普遍采用生命周期評(píng)價(jià)(LCA)方法對(duì)生物質(zhì)轉(zhuǎn)化工藝進(jìn)行環(huán)境影響評(píng)價(jià). Fortier等[4]對(duì)藻類(lèi)水熱液化制航煤工藝進(jìn)行生命周期評(píng)價(jià),溫室氣體排放較化石航煤工藝降低55.4%～76.0%. Han等[5]對(duì)生物質(zhì)制航煤的多種工藝進(jìn)行了生命周期評(píng)價(jià),相較化石航煤工藝,溫室氣體排放可減少41%～89%.

但是目前生物質(zhì)航煤與化石航煤的比較僅限于溫室氣體排放,而對(duì)其他環(huán)境影響類(lèi)型以及資源消耗分析較少,對(duì)全生命周期清單數(shù)據(jù)進(jìn)行不確定度分析以表征誤差范圍更是鮮有評(píng)估.本文基于生命周期評(píng)價(jià)方法,對(duì)生物質(zhì)制航煤系統(tǒng)的環(huán)境影響、資源消耗進(jìn)行綜合評(píng)估.本工藝考慮了副產(chǎn)品的分?jǐn)倖?wèn)題,并與化石航煤進(jìn)行資源-環(huán)境性能比較.對(duì)評(píng)價(jià)過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行不確定度分析,從而為生物質(zhì)制航煤的技術(shù)途徑和應(yīng)用提供理論依據(jù).

1 評(píng)價(jià)對(duì)象與評(píng)價(jià)方法

1.1 評(píng)價(jià)對(duì)象——生物質(zhì)制航煤(Bio-Jet Fuel)工藝流程

生物質(zhì)氣化費(fèi)托合成制航煤系統(tǒng)工藝流程見(jiàn)圖1,該系統(tǒng)主要包括生物質(zhì)氣化、合成氣費(fèi)托合成、石蠟烴加氫裂化以及產(chǎn)品蒸餾等.生物質(zhì)氣化采用串行流化床技術(shù),兩床之間通過(guò)床料進(jìn)行熱量傳遞;氣化得到的合成氣(主要為 CO 和H2),經(jīng)凈化冷卻分離后進(jìn)入FT反應(yīng)器進(jìn)行合成反應(yīng),FT合成產(chǎn)物經(jīng)冷卻后送入閃蒸器,分離出氣相、油相和蠟相產(chǎn)物.氣相產(chǎn)物進(jìn)入變壓吸附器中,分離出加氫裂化反應(yīng)需要的 H2.蠟相產(chǎn)物則進(jìn)入氫化裂化反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng),將高碳的石蠟烴轉(zhuǎn)化成低碳鏈烷烴類(lèi),氫化裂化產(chǎn)物經(jīng)閃蒸器同樣分離得到三相產(chǎn)物.FT反應(yīng)與氫化裂化產(chǎn)生的油相產(chǎn)物混合后一起送入蒸餾裝置進(jìn)行分離.各烷烴混合物經(jīng)蒸餾裝置分離后,得到最終產(chǎn)品航空煤油(C8～C16)、汽油(C5～C7)和柴油(C17～C20),此外還有蠟副產(chǎn)品.余熱產(chǎn)生的蒸汽分別進(jìn)行直接對(duì)外供熱和進(jìn)一步加熱加壓推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電.

本文以產(chǎn)品規(guī)模5萬(wàn)t/a的玉米稈氣化FT合成制航煤系統(tǒng)為研究對(duì)象,通過(guò)Aspen Plus軟件模擬,原料消耗率為 11.76t/t 航煤,玉米稈成分見(jiàn)表1.

1.2 評(píng)價(jià)方法

生命周期評(píng)價(jià)(LCA)是一種用于評(píng)價(jià)產(chǎn)品從原材料開(kāi)采到產(chǎn)品廢棄最終處理全生命周期內(nèi)產(chǎn)生的環(huán)境影響和資源消耗的方法,包括目標(biāo)與范圍確定、清單分析、影響評(píng)價(jià)和結(jié)果解釋等4個(gè)過(guò)程[6].

表1 玉米稈成分分析Table 1 Proximate and ultimate analysis of corn stalk

1.2.1 Bio-Jet Fuel生命周期評(píng)價(jià)范圍 生命周期評(píng)價(jià)系統(tǒng)范圍包括生物質(zhì)生長(zhǎng)、收集、運(yùn)輸、廠房建拆、產(chǎn)品生產(chǎn)、航煤配送和消費(fèi)等階段,如圖 2所示.環(huán)境影響包括各階段污染物直接排放和其他所需資源生產(chǎn)如化肥、電力等引起的間接排放;資源消耗包括各階段的水、電、原油和原煤等.本文系統(tǒng)功能單位為1t航煤.

圖2 Bio-Jet Fuel生命周期評(píng)價(jià)系統(tǒng)范圍Fig.2 Scope of LCA for Bio-Jet Fuel

1.2.2 環(huán)境資源清單分析 (1)生長(zhǎng)階段：本階段環(huán)境影響包括農(nóng)田土壤CO2、N2O等溫室氣體排放,分別排放638.12,0.479kg/t玉米[7];每畝玉米田施用的氮肥(純N)、磷肥(P2O5)、鉀肥(K2O)分別為22.9,7.6,26.3kg[8],總氮流失率為15%[9];農(nóng)藥施用量為 3.7kg/hm2,流失率為 5%[9].生長(zhǎng)階段的環(huán)境排放和資源消耗與生物質(zhì)各部分存在一定分配問(wèn)題,根據(jù)文獻(xiàn)[10]采用經(jīng)濟(jì)價(jià)值法進(jìn)行分配,分配系數(shù)Kcs計(jì)算如下：

式中：Pcs、Pcg、Pcc分別為玉米稈、玉米和玉米芯的市場(chǎng)平均價(jià)格,分別取 450,2100,450元/t;MFcs是玉米稈與玉米的質(zhì)量比,取值 1.2;MFcc是玉米芯和玉米的質(zhì)量比,取值0.33.計(jì)算Kcs=0.1614.

(2)收集階段：本階段耗電設(shè)備主要用于生物質(zhì)的破碎、打包等,總耗電量為 18.2kWh/t玉米稈[11].油耗設(shè)備主要包括抓草機(jī)、鏟車(chē)及叉車(chē),總油耗為0.67kg柴油/t玉米稈[11].

(3) 運(yùn)輸階段：本階段選用 8t中型柴油貨車(chē)公路運(yùn)輸,收集半徑即運(yùn)輸距離的計(jì)算式見(jiàn)文獻(xiàn)[12],取平均運(yùn)輸距離為 50km.柴油貨車(chē)運(yùn)輸?shù)馁Y源和環(huán)境清單取自四川大學(xué)和億科環(huán)境開(kāi)發(fā)的中國(guó)生命周期核心數(shù)據(jù)庫(kù)——CLCD數(shù)據(jù)庫(kù)[13],另考慮貨車(chē)返程空載排放.

(4)廠房建拆：廠房建筑耗材的基本數(shù)據(jù)來(lái)自文獻(xiàn)[14].以生物質(zhì)進(jìn)料量為依據(jù),通過(guò)規(guī)模指數(shù)法[15]估算得到,生產(chǎn)規(guī)模為5萬(wàn)t/a的航煤工廠所需使用的鋼、鐵、鋁和水泥等建材耗量為1308,8,17,4119t,各建材生產(chǎn)環(huán)境和資源清單取自CLCD數(shù)據(jù)庫(kù)[13].工廠退役解體的環(huán)境排放和資源消耗以廠房建設(shè)期間的 10%來(lái)估算,工廠服役期限設(shè)為15a.

(5)生產(chǎn)階段：生產(chǎn)階段預(yù)處理過(guò)程主要是生物質(zhì)切割、碾磨等,耗電為42kWh/t生物質(zhì)[16];生產(chǎn)過(guò)程環(huán)境排放和資源消耗由Aspen Plus軟件模擬所得.SO2脫硫效率為80%;PM10按煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)取 100mg/m3;根據(jù)玉米稈的灰分含量估算固體廢棄物排放,灰分中含有K、Mg、Ca等元素,可用于生產(chǎn)復(fù)合肥料和土壤修復(fù),也可以用于建筑材料等.參考電廠粉煤灰的資源利用率[17]與生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)固廢利用[18],回收利用率取90%.水體污染物根據(jù)工業(yè)廢水排放標(biāo)準(zhǔn)估算;生產(chǎn)階段還需考慮外供電生產(chǎn)引起的間接排放,電耗排放系數(shù)取自CLCD數(shù)據(jù)庫(kù)[13].

因本工藝副產(chǎn)品汽柴油、石蠟等具有工業(yè)應(yīng)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值,本文基于能源當(dāng)量折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)[19]對(duì)各產(chǎn)品的環(huán)境影響和資源消耗進(jìn)行分?jǐn)?經(jīng)Aspen Plus軟件模擬,系統(tǒng)消耗1t生物質(zhì)能生產(chǎn)航煤85.03kg、汽油43.79kg、柴油19.83kg、石蠟7.99kg,余熱蒸汽的利用分以下2種方案.

方案一：水蒸汽直接輸出用于工業(yè)用汽或城市供暖.飽和水蒸汽壓力1.55MPa,蒸汽量15.59t/t航煤,根據(jù)供熱系統(tǒng)節(jié)能改造技術(shù)規(guī)范[20],計(jì)算一二級(jí)供熱管網(wǎng)綜合輸送效率為87.4%.

方案二：利用燃燒爐余熱將水蒸汽加熱加壓至 9.8MPa,540℃.此時(shí)發(fā)電量 4221kWh/ t航煤,系統(tǒng)生產(chǎn)電耗為 2644kWh/t航煤,工業(yè)用水耗量為5292kg/t航煤.發(fā)電可滿足生產(chǎn)耗電及預(yù)處理過(guò)程耗電,并有1083kWh/t航煤的電力輸入電網(wǎng).依據(jù)中國(guó)電力年鑒[21],電網(wǎng)線損率 6.67%.兩方案分?jǐn)傁禂?shù)K計(jì)算公式如下：

式中：mk、mg、md、mw分別為航煤、汽油、柴油、石蠟烴的產(chǎn)率,kg/t生物質(zhì);qk、qg、qd、qw分別為航煤、汽油、柴油、石蠟烴的折標(biāo)系數(shù),kg-ce/kg;ms表示系統(tǒng)消耗 1t生物質(zhì)的余熱蒸汽產(chǎn)量,kg,或輸入電網(wǎng)電力,kWh;qs表示蒸汽或電力的當(dāng)量折標(biāo)系數(shù).

由公式(2)計(jì)算,上述2方案的航煤分?jǐn)傁禂?shù)分別為0.37和0.52.

(6)燃料配送：配送區(qū)間設(shè)定為煉油廠與機(jī)場(chǎng)加油站,配送距離取 50km.采用柴油車(chē)運(yùn)輸,其資源和環(huán)境清單與生物質(zhì)運(yùn)輸階段相同.

(7)消費(fèi)階段：航煤作為噴氣燃料,熱值為43.07MJ/kg,密度800kg/m3,含硫量為 0.依據(jù)美國(guó)交通部統(tǒng)計(jì)[22],民航客機(jī)STA,單次航程2804km,主要排放 NOx、CO、HC等污染物為主,計(jì)算排放量分別為13.9,2.8,0.29kg/t.

根據(jù)兩方案生命周期邊界及各產(chǎn)品分?jǐn)偳闆r,航煤各階段清單數(shù)據(jù)匯總見(jiàn)表2.

1.2.3 環(huán)境資源評(píng)價(jià)特征化及標(biāo)準(zhǔn)化 為量化各環(huán)境影響類(lèi)型指標(biāo)及資源消耗潛值,對(duì)污染物和資源消耗清單數(shù)據(jù)進(jìn)行特征化處理,計(jì)算方法如式(3).

式中：EIj為第 j種環(huán)境影響類(lèi)型(資源消耗)指標(biāo)的特征化值,kg參考物質(zhì)/功能單位;EFi為第i種污染物(資源)的特征化因子,kg參考物質(zhì)/kg;Qi為第i種污染物(資源)的排放與消耗,kg /功能單位.環(huán)境和資源特征化因子見(jiàn)CML數(shù)據(jù)庫(kù)[23].

表2 航煤環(huán)境資源匯總清單(kg/t)Table 2 Inventory results of Jet Fuel (kg/t)

依據(jù) EDIP環(huán)境影響分類(lèi)體系[24],本文考慮全球變暖(GWP)、酸化(AP)、光化學(xué)污染(POF)、富營(yíng)養(yǎng)化(EP)、健康危害(HTP)、固體廢棄物(SW)等 6種環(huán)境影響類(lèi)型.為便于各環(huán)境影響類(lèi)型及資源消耗比較,需對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,見(jiàn)式(4).

式中：EPj為第 j種環(huán)境影響類(lèi)型(資源消耗)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值,(人·a)/功能單位;RR10,j為第j種環(huán)境影響類(lèi)型(資源)人均年排放(消耗)量,kg參考物質(zhì)/(人·a),以2010年世界人均年排放量(資源消耗量)為基準(zhǔn),取自CML數(shù)據(jù)庫(kù)[23].

標(biāo)準(zhǔn)化后由 6種環(huán)境影響類(lèi)型指標(biāo)可得到總環(huán)境影響值,以總環(huán)境影響值與資源消耗潛值的總和來(lái)表示綜合性能指標(biāo).

1.3 數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估

生命周期評(píng)價(jià)過(guò)程涉及的數(shù)據(jù)眾多、來(lái)源廣泛,容易引起評(píng)價(jià)結(jié)果的誤差大,數(shù)據(jù)可靠性低等問(wèn)題,因此需對(duì)獲得的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)不確定度分析.采用的方法是：將評(píng)價(jià)對(duì)象的原始清單數(shù)據(jù)分為直接清單數(shù)據(jù)Xi,j和間接清單數(shù)據(jù)X’i,j,直接清單數(shù)據(jù)是指系統(tǒng)整個(gè)生命周期中各階段的直接資源消耗及環(huán)境排放數(shù)據(jù);間接清單數(shù)據(jù)是指系統(tǒng)全生命周期中消耗化肥、電力、建材等資源時(shí),各資源生產(chǎn)時(shí)引起的環(huán)境排放;并將原始數(shù)據(jù)視為正態(tài)分布函數(shù),根據(jù)原始數(shù)據(jù)的平均值、數(shù)據(jù)變化的上、下限范圍,通過(guò)原始數(shù)據(jù)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算直接清單、間接清單數(shù)據(jù)的不確定度σ1ij、σ2ij,見(jiàn)式(5)和式(6),進(jìn)而計(jì)算 i物質(zhì)匯總直接清單數(shù)據(jù)和匯總間接清單數(shù)據(jù)的不確定度σ1i和 σ2i,見(jiàn)式(7)和式(8);利用數(shù)據(jù)誤差傳遞理論獲得全生命周期匯總清單數(shù)據(jù)的不確定度σi,見(jiàn)式(9);最后結(jié)合污染物環(huán)境影響類(lèi)型分類(lèi)方法獲得分類(lèi)環(huán)境影響負(fù)荷的不確定度E(σp),見(jiàn)式(10).

式中：Zα/2為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布表中顯著水平為α=0.05所對(duì)應(yīng)的位置值;為直接清單數(shù)據(jù)的平均值.

式中：σWk,j和σYk,i分別為間接清單數(shù)據(jù)參量Wk,j和Yk,i的不確定度.Wk,j參量表示功能單位下輸入物質(zhì)k在j子過(guò)程的消耗數(shù)量;Yk,i表示k間接排放i物質(zhì)的生命周期清單數(shù)據(jù).

式中：系數(shù)Ai,j為直接清單數(shù)據(jù)平均值占匯總直接清單數(shù)據(jù)平均值的權(quán)重;Bi,j為間接清單數(shù)據(jù)平均值占匯總間接清單數(shù)據(jù)平均值的權(quán)重.

式中：系數(shù)C1,i和C2,i分別為i物質(zhì)匯總直接清單數(shù)據(jù)平均值和匯總間接清單數(shù)據(jù)平均值的權(quán)重;M為生命周期評(píng)價(jià)中j子過(guò)程總數(shù).

式中：N為生命周期評(píng)價(jià)中i物質(zhì)的總數(shù);系數(shù)Cpi為匯總清單數(shù)據(jù)p種環(huán)境影響類(lèi)型中i物質(zhì)清單數(shù)據(jù)的權(quán)重.

2 結(jié)果與討論

2.1 不同方案環(huán)境性能分析

圖3是本系統(tǒng)2種方案以及化石航煤的環(huán)境影響指標(biāo)比較.原油常減壓生產(chǎn)煤油的生產(chǎn)排放數(shù)據(jù)(從資源開(kāi)采至出廠)取自 CLCD 數(shù)據(jù)庫(kù),煤油進(jìn)一步加氫精制可得航空煤油.航煤精制階段的資源消耗根據(jù) Wang等[25]研究的煉油廠各燃料產(chǎn)品的生產(chǎn)能耗可得,并考慮相關(guān)資源生產(chǎn)引起的間接排放;因加氫精制環(huán)境直接排放污染較少,本文沒(méi)有計(jì)入.化石航煤的消費(fèi)排放,根據(jù)美國(guó)交通部統(tǒng)計(jì)[22]計(jì)算.

如圖 3所示,3種系統(tǒng)方案主要的環(huán)境影響類(lèi)型是GWP、AP和POF.2種Bio-Jet Fuel方案比較可見(jiàn)方案二的環(huán)境性能占優(yōu),除 EP指標(biāo)外,方案二的各環(huán)境影響指標(biāo)均低于方案一,減少幅度在 11.7%～40.8%.其中,GWP優(yōu)勢(shì)最明顯,主要原因是方案二可通過(guò)余熱水蒸氣自發(fā)電用于生產(chǎn)階段,消除了外供電生產(chǎn)引起的間接環(huán)境排放.

與化石航煤相比,生物質(zhì)航煤在減少溫室效應(yīng)方面占有優(yōu)勢(shì).方案一和方案二的 GWP比化石航煤分別降低52.6%和71.9%.對(duì)于AP和POF環(huán)境影響,方案二的環(huán)境性能仍?xún)?yōu)于化石航煤.相比減少了17.0%和8.1%,而方案一比化石航煤分別高出17.1%和15.7%,原因是方案一中因外供電生產(chǎn)引起的污染物排放如NOx、SO2等較多.因生物質(zhì)生長(zhǎng)階段需消耗化肥,在EP指標(biāo)上化石航煤低于生物質(zhì)航煤.

利用本文質(zhì)量評(píng)估方法對(duì)各方案評(píng)價(jià)過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估,表3顯示了Bio-Jet Fuel各物質(zhì)匯總直接清單數(shù)據(jù)和匯總間接清單數(shù)據(jù)的不確定度σ1i和σ2i,進(jìn)而得到全生命周期總清單數(shù)據(jù)的不確定度 σi,化石航煤評(píng)價(jià)過(guò)程數(shù)據(jù)同采用此評(píng)估方法.結(jié)合污染物環(huán)境影響類(lèi)型分類(lèi)方法獲得了各環(huán)境影響指標(biāo)在目前原始數(shù)據(jù)質(zhì)量水平上的不確定度E(σp).圖3顯示了3種系統(tǒng)各環(huán)境影響指標(biāo)由不確定度引起的上下限值變化,由圖 3可知,方案一與方案二的EP不確定度為12.1%,化石航煤的 EP不確定度為 12.5%,兩者相近;除EP的不確定度大于 10%以外,各系統(tǒng)其余環(huán)境影響類(lèi)型的不確定度處于5.0%～9.8%,均在10%以?xún)?nèi).

Han等[5]研究了玉米稈氣化FT合成制航煤工藝的溫室效應(yīng),系統(tǒng)余熱自發(fā)電.相比化石航煤可降低89%,而本文方案二可降低71.9%,這是由于前者系統(tǒng)進(jìn)行了碳的捕集,進(jìn)一步降低溫室氣體排放.

圖3 各系統(tǒng)環(huán)境影響類(lèi)型指標(biāo)比較Fig.3 Comparison of environmental impact index for different systems

表3 Bio-Jet Fuel不同污染物的數(shù)據(jù)不確定度Table 3 Data uncertainty of different pollutants for Bio-Jet Fuel

2.2 不同方案資源性能分析

由表4可知,方案二的資源消耗潛值最小,化石航煤最高.生物質(zhì)航煤具有顯著的資源優(yōu)勢(shì),相比化石航煤減少不可再生資源消耗 84.4%～93.6%.方案二因系統(tǒng)水蒸氣自發(fā)電,電力消耗顯著降低,所占份額低于方案一,原油所占份額升高至 74.8%,但原油消耗量并無(wú)明顯增加;化石航煤所需原油所占比重最大,為95.6%.

2.3 不同階段環(huán)境影響分析比較

圖4給出了兩種方案各階段環(huán)境影響類(lèi)型分布情況.由圖4可知,對(duì)于EP,生長(zhǎng)階段影響所占份額達(dá)到 96.3%～96.5%;SW 的產(chǎn)生主要來(lái)自生產(chǎn)階段,所占份額達(dá)到51.5%～74.5%.方案一生長(zhǎng)階段和生產(chǎn)階段對(duì) GWP作用最大,所占份額分別為 31%和58%,而方案二因采用余熱水蒸氣自發(fā)電,消除了外供電生產(chǎn)的間接排放,生長(zhǎng)階段對(duì) GWP影響占 74.2%;圖 4(a)顯示方案一生產(chǎn)階段和消費(fèi)階段對(duì)AP、POF、HTP3種環(huán)境影響類(lèi)型作用最大,其中生產(chǎn)階段分別占 40.4%、33.0%、26.8%,消費(fèi)階段所占份額分別為52.7%、50.7%和67.5%;相較于圖4(b)對(duì)于AP、POF、HTP而言,消費(fèi)階段所占份額分別為74.4%、63.8%和76.5%,生產(chǎn)階段份額明顯降低,分別僅占 12.0%、7.6%、14.5%.

表4 各系統(tǒng)方案資源消耗比較Table 4 Comparison of resource consumption for different systems

圖4 不同階段環(huán)境影響分析Fig.4 Analysis of environmental impact categories on different stages

2.4 不同因素的敏感性分析

為進(jìn)一步分析系統(tǒng)工藝對(duì)資源、環(huán)境的影響因素,利用方案二對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行敏感性分析.

2.4.1 生長(zhǎng)階段資源-環(huán)境分配方法的影響 生物質(zhì)生長(zhǎng)階段的環(huán)境排放和資源消耗分配除的經(jīng)濟(jì)價(jià)值法之外,還有基于農(nóng)作物各部分熱值分配的能量法和基于各部分質(zhì)量分配的重量法,計(jì)算如式(11)和(12).為了分析不同分配方法帶來(lái)的環(huán)境、資源指標(biāo)的影響,比較了各分配方法獲得的影響指標(biāo).

式中：Qcs、Qcg、Qcc分別為玉米稈(干基)、玉米和玉米芯的低位熱值,分別取 15.09,12.48,16.38MJ/kg.由式(11)和式(12)計(jì)算可得,分配系數(shù)為0.4192,為0.3953.可見(jiàn)熱值分配和質(zhì)量分配方法將增加生長(zhǎng)階段的環(huán)境影響.

由生命周期清單分析可知GWP和EP的環(huán)境影響主要發(fā)生在生物質(zhì)生長(zhǎng)階段.圖 5為采用經(jīng)濟(jì)價(jià)值、熱值和質(zhì)量分配時(shí),生長(zhǎng)階段的各環(huán)境影響類(lèi)型及資源消耗指標(biāo).可見(jiàn) GWP從0.124(人?a)/t提高到 0.303～0.322(人?a)/t,EP 指標(biāo)則由 0.070(人?a)/t 提高到 0.171～0.181(人?a)/t,二者變化明顯,增長(zhǎng) 144%～160%,其余類(lèi)型指標(biāo)在生長(zhǎng)階段作用較小,影響有限(圖 3).從系統(tǒng)全生命周期角度來(lái)看,采用經(jīng)濟(jì)價(jià)值分配時(shí),方案二GWP 指標(biāo)為 0.167(人?a)/t,EP 為 0.072(人?a)/t,而采用熱值和質(zhì)量分配時(shí)可分別提高1.07～1.18倍和1.4～1.54倍,其他類(lèi)型指標(biāo)最高增長(zhǎng)不足40%.

圖5 生長(zhǎng)階段各分配方法比較Fig.5 Comparison of different allocation methods in growth stage

2.4.2 生產(chǎn)階段資源-環(huán)境分配方法的影響 系統(tǒng)生產(chǎn)階段產(chǎn)品的收益價(jià)格均根據(jù) 2014年市場(chǎng)平均售價(jià)計(jì)算,得到航空煤油、汽油、柴油、電力等預(yù)估價(jià)格分別為6820,8050,7030元/t以及0.66元/kWh,石蠟烴缺乏標(biāo)準(zhǔn)的市場(chǎng)價(jià)格數(shù)據(jù),根據(jù)廠家售價(jià)取6200元/t,產(chǎn)品按以下公式進(jìn)行價(jià)格分配計(jì)算：

式中： pk、pg、pd、pw分別為航煤、汽油、柴油、石蠟烴的市場(chǎng)價(jià)格,元/t;ms表示系統(tǒng)輸出電力,kWh/t生物質(zhì),ps表示電力的市場(chǎng)價(jià)格,元/kWh.由公式(13)計(jì)算得到,各產(chǎn)品按經(jīng)濟(jì)價(jià)值分配時(shí),航煤的分?jǐn)傁禂?shù)為0.49;若按熱值法分配時(shí),根據(jù)文中公式(2)可得航煤的分?jǐn)傁禂?shù)為0.52.

系統(tǒng)全生命周期中生長(zhǎng)階段至生產(chǎn)階段的資源消耗-環(huán)境排放均乘以這一分?jǐn)傁禂?shù).圖6分析了在生物質(zhì)生長(zhǎng)階段采用經(jīng)濟(jì)價(jià)值分配時(shí),方案二產(chǎn)品生產(chǎn)階段采用不同分配方法對(duì)系統(tǒng)全生命周期資源-環(huán)境性的影響.如圖所示,產(chǎn)品按熱值分配時(shí)系統(tǒng)全生命周期各類(lèi)型指標(biāo)比按經(jīng)濟(jì)價(jià)值分配時(shí)高 1.4%～6.3%.比較生長(zhǎng)階段分配方法帶來(lái)的影響可見(jiàn),生產(chǎn)階段兩種分配方法的影響較小.

圖6 生產(chǎn)階段各分配方法比較Fig.6 Comparison of different allocation methods in production stage

圖7 系統(tǒng)綜合性能敏感性分析Fig.7 Sensitivity analysis of system integrated performance

2.4.3 系統(tǒng)綜合性能的影響 結(jié)合系統(tǒng)總環(huán)境影響、資源消耗獲得綜合指標(biāo),選取圖 7中各指標(biāo)因素對(duì)方案二進(jìn)行敏感性分析.由圖7可知,當(dāng)上述因素變化±30%時(shí),綜合性能對(duì)原料消耗率敏感性最大,變化幅度為-16.6%～+17.3%;原料運(yùn)輸距離、總氮流失率、氮肥施用量對(duì)綜合性能作用相當(dāng),變化±3%左右.因方案二余熱水蒸氣自發(fā)電,電耗對(duì)綜合性能的影響幾乎可以忽略.收集階段秸稈含水率變化±30%(相當(dāng)于含水率 6.6%～12.2%)時(shí),系統(tǒng)綜合性能指標(biāo)變化幅度為-0.2%～+0.1%,敏感性較小.

3 結(jié)論

3.1 發(fā)電方案的環(huán)境負(fù)荷比供熱方案低,其各環(huán)境影響指標(biāo)減少幅度在 11.7%～40.8%.相比化石航煤,生物質(zhì)航煤 GWP降低 52.6%～71.9%,不可再生資源消耗減少84.4%～93.6%.

3.2 在生物質(zhì)生長(zhǎng)階段采用經(jīng)濟(jì)價(jià)值、熱值和質(zhì)量分配時(shí),資源消耗潛值差異較小,但是對(duì)GWP、EP環(huán)境影響負(fù)荷產(chǎn)生較大差異;且生物質(zhì)航煤綜合性能對(duì)原料消耗率敏感性最大,變化幅度為-16.6%～+17.3%.

3.3 不確定度分析方法可表征生命周期評(píng)價(jià)結(jié)果的誤差范圍,各系統(tǒng)環(huán)境影響類(lèi)型的不確定度處于5.0%～12.5%.

[1]馬丹竹,賈馮睿,李志遠(yuǎn),等.煉油企業(yè)常減壓蒸餾系統(tǒng)碳素流動(dòng)分析及CO2減排 [J]. 化工進(jìn)展, 2016,35(9)：2960-2966.

[2]Hanaoka T, Miyazawa T, Shimura K, et al．Jet fuel synthesis from Fischer—Tropsch product under mild hydrocracking conditions using Pt-loaded catalysts [J]. Chemical Engineering Journal,2015,263：178-185.

[3]Liu G, Yan B, Chen G. Technical review on jet fuel production [J].Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2013,25(5)：59—70.

[4]Fortier M O P, Roberts G W, Staggwilliams S M, et al. Life cycle assessment of bio-jet fuel from hydrothermal liquefaction of microalgae [J]. Applied Energy, 2014,122(5)：73-82.

[5]Han J, Elgowainy A, Cai H, et al. Life-cycle analysis of biobased aviation fuels [J]. Bioresource Technology, 2013,150(4)：447.

[6]Finnveden G, Hauschild M Z, Ekvall T, et al. Recent developments in life cycle assessment [J]. Journal of environmental management, 2009,91(1)：1-21.

[7]郭耀東,鄔 剛,武小平,等.不同施肥方式對(duì)玉米產(chǎn)量和溫室氣體排放的影響 [J]. 山西農(nóng)業(yè)科學(xué), 2012,40(10)：1067-1070.

[8]胡志遠(yuǎn).車(chē)用生物柴油生命周期評(píng)價(jià)及多目標(biāo)化 [R]. 上海：同濟(jì)大學(xué), 2006.

[9]Yang Q, Chen B, Ji X, et al. Exergetic evaluation of corn-ethanol production in China [J]. Communication in Nonlinear Science and Numerical Simulation, 2009,14(5)：2450-2461.

[10]瞿婷婷.生物質(zhì)熱解提質(zhì)制備高品位液體燃料的生命周期評(píng)價(jià)[D]. 南京：東南大學(xué), 2012.

[11]曹 溢,沈 輝.秸稈發(fā)電過(guò)程中原料收集的成本分析 [J]. 電力與能源, 2012,32(5)：463-466.

[12]卜壽珍,肖 軍,沈來(lái)宏,等.生物質(zhì)制二甲醚系統(tǒng)的綜合性能評(píng)價(jià) [J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2014,34(20)：3332-3340.

[13]IKE.eBlance－CLCD Database [Z].

[14]宋國(guó)輝.生物質(zhì)熱化學(xué)法制取合成天然氣的技術(shù)分析和系統(tǒng)評(píng)價(jià)研究 [D]. 南京：東南大學(xué), 2013.

[15]江宏玲.生物質(zhì)制取高品位液體燃料的經(jīng)濟(jì)性分析 [D]. 南京：東南大學(xué), 2012.

[16]李海燕.基于□理論的生物質(zhì)熱解制取高品位液體燃料綜合性能評(píng)價(jià) [D]. 南京：東南大學(xué), 2015.

[17]雷 瑞,付東升,李國(guó)法,等.粉煤灰綜合利用研究進(jìn)展 [J]. 潔凈煤技術(shù), 2013,19(3)：106-109.

[18]王 偉,趙黛青,楊浩林,等.生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)的生命周期分析和評(píng)價(jià)方法探討 [J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào), 2005,26(6)：752-759.

[19]國(guó)家統(tǒng)計(jì)局國(guó)家發(fā)展改革委.中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒.2005 [M]. 北京：中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社, 2006.

[20]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB/T 50893-2013,供熱系統(tǒng)節(jié)能改造技術(shù)規(guī)范 [S]. 2013.

[21]《中國(guó)電力年鑒》委員會(huì).中國(guó)電力年鑒.2014 [M]. 北京：中國(guó)電力出版社, 2014.

[22]Elgowainy A, Han J, Wang M, et al. Life-cycle analysis of alternative aviation fuels in GREET [Z]. Office of Scientific &Technical Information Technical Reports, 2012.

[23]Leiden University： Institute of Environmental Sciences (CML)2010 [EB/OL]. http：//cml.leiden.edu/software/data-cmlia.html.

[24]楊建新.產(chǎn)品生命周期評(píng)價(jià)方法及應(yīng)用 [M]. 北京：氣象出版社,2002：64-66.

[25]Wang M, Lee H, Molburg J. Allocation of energy use in petroleum refineries to petroleum products [J]. International Journal of Life Cycle Assessment, 2003,9(1)：34-44.