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霍麗麗1，2，田宜水1，孟海波1，趙立欣1，姚宗路1
(1.農業部規劃設計研究院，北京100125；2.中國農業大學工學院，北京100083)
摘要：為探討生物質固體成型燃料的能源效率和溫室氣體排放量，采用全生命周期評價分析原理，對北京地區以玉米秸稈為原料的生物質固體成型燃料進行全生命周期分析。結果表明：生物質固體成型燃料的凈能量為13243.5MJ/t，能量產出投入比為10.8，其中，種植階段、加工階段以及秸稈運輸能源消費居前三位，分別占總量的58.65%、24.23%、12.58%。CO2當量排放量為11.13g/MJ，約為煤的1/9。這說明生物質固體成型燃料具有較大的節能、減少溫室氣體排放的效益。
0引言
目前，我國大力推廣發展可再生能源，生物質固體成型燃料作為其中的一部分，其生產過程產出的有效能與其能源消耗相比具有多大優勢亟需進行系統的評價。生物質能的生命周期評價研究主要針對生物質液體燃料[1，2]。
在對生物質固體成型燃料的能量平衡研究方面，朱金陵等[3]指出生物質固體成型燃料加工階段的能耗最高，該燃料大大降低了CO2的排放，但研究模型中假設玉米種植階段CO2是永久循環的，忽略了此過程的機械、電力、油等消耗的一次能源和相應的溫室氣體排放，因此對凈能值和能量產出投入比估值過高；林成先等[4]對煤和秸稈成型燃料生命周期進行對比，研究假設煤與秸稈成型燃料的運輸距離均為400km，得出秸稈成型燃料對環境的影響負荷比煤小79.8%，成型燃料的能量產出投入比低且生命周期成本比煤高，但生物質固體燃料建廠可選擇地點，不受地質因素限制，該研究對秸稈成型燃料的運輸距離估值過高，導致秸稈成型燃料的能量和環境效益低，并且該研究也忽略了種植階段及原料運輸等過程。因此，應合理選擇生物質固體燃料的生命周期分析邊界，從而正確評價生物質固體成型燃料能耗與排放，對該技術的推廣和發展具有重要意義。
本文采用全生命周期評價分析(LCI)原理[5]，利用已有評價系統[6]，建立玉米秸稈類生物質固體成型燃料的分析模型，針對北京地區玉米種植、生物質固體成型燃料技術及能源使用狀況，定量評價玉米秸稈轉化為生物質固體成型燃料的能量平衡關系及溫室氣體的排放量，從而為正確評價我國生物質固體成型燃料的能源可持續性提供參考依據。
1生物質固體成型燃料全生命周期系統
1.1模型的建立
可持續評價系統是利用線性規劃法和電子數據表工具(SPREADSHEET)進行數學優化。本研究為生物質固體成型燃料，包括農業種植、生物燃料工業轉化等的能量平衡和污染物排放，可利用該模型原理建立生物質固體成型燃料的生命周期評價系統。
生物質固體成型燃料生命周期系統是由化石能和太陽能共同驅動的生物能源系統，其能量的輸入、輸出及內部流動如圖1。研究功能單元為年產1萬t的生物質固體成型燃料。研究范圍從玉米種植階段到生物質固體成型燃料應用階段的全生命周期。
系統分為玉米種植階段、秸稈從田間到燃料廠運輸階段、生物質固體燃料加工成型階段、生物質固體成型燃料的運輸及生物質固體成型燃料的應用5個階段。該系統的輸入能量包括玉米種植所投入的能源(包括種子、機械、肥料、農藥、電力及燃料等)、生物質固體成型燃料轉化階段消耗的電力及各種運輸的油耗及生物質固體成型燃料應用的電耗。
研究5個階段的直接能源(煤、石油、電力等)和間接能源(化肥、農藥等)的開采與生產相關的能量投入和溫室氣體排放。該周期系統分析假設玉米生長過程吸收的碳與生命結束排放的碳是可循環的。本研究忽略生物質固體成型燃料廠廠房、設備建設的耗能、人工以及燃燒后的灰渣回田的能量。
1.2評價指標
1.2.1凈能量與能量產出投入比
研究輸入的能源與輸出的生物質能之間的關系，可以用凈能量或能量產出投入比來表示。凈能量為生物質固體成型燃料燃燒釋放的熱能與生產生物質固體成型燃料消耗的總能量之差。能量產出投入比為生物質固體成型燃料燃燒釋放的熱能與生產生物質固體成型燃料消耗的總能量之比：
2數據來源
2.1種植階段
玉米種植能量輸入包括種子、氮肥、磷肥、鉀肥、殺蟲劑、除草劑、農機(柴油)、電力(灌溉)[2]。各地區典型種子和化肥用量投入見表1[9，10]。
由表1可見，不同地區的用量存在差異。本研究采用北京郊區數據進行計算。該地區主要為“冬小麥-夏玉米”輪作方式。夏玉米生育期短、生長發育快、需肥多，尤其是對N、P、K的吸收。N肥采用尿素，折合成N用量約為22.5g/m2，磷肥折成P2O5用量約為5.0g/m2，鉀肥約為3.0g/m2。除草劑采用防治效果較好的50%乳油，在玉米播種后出苗前使用，施用量為0.3mL/m2，加水750L后噴霧除草。殺蟲劑采用2.5%敵百蟲粉，施用量為0.75g/m2[9]。
農機包括播種機、收割機、脫粒機及打捆機，均使用柴油動力，其耗油量總估算值為10.5mL/m2。電力主要是水泵灌溉，北京市玉米種植約9065.76萬m2，灌溉用水均為地下水，用水量約1300萬m3，水泵采用TOP40-4型，電機功率6.3kW，效率為40m3/h，則用電量約為0.0225kWh/m2[10]。溫室氣體排放計算詳見表2。
該階段主要產出玉米和玉米秸稈，產量數據來源于北京市大興區農戶，按照每平方米產0.75kg玉米，單位能量為44.3MJ/kg[9]，9000kg玉米秸稈，單位能量為14.6MJ/kg計算。本文主要考慮玉米秸稈的利用產生的能耗和溫室氣體排放，因此，采用能量分配法分配種植階段的投入能量，即每萬平方米產出的玉米秸稈能量占玉米種植總能量的30%。
2.2秸稈原料運輸階段
秸稈到燃料廠的運輸階段，玉米秸稈加工的損耗率約16.67%，即1萬t生物質固體成型燃料需要1.2萬t秸稈。秸稈收集方式采用農民分散送廠和加工廠直接收集兩種，秸稈運輸主要用農用柴油車，柴油的能量強度為38.72MJ/L[15]，耗油量0.056L/(t·km)[16，17]。
運輸距離采用收集半徑模型計算。原料的收集半徑中，資源收集量=收集面積×單位面積耕地廢棄物產出的秸稈量×耕地面積占區域面積的比例×秸稈用于能源的比例[18]。可得原料的收集半徑計算模型為：
我國年秸稈用于能源和廢棄總量占總秸稈量的43%[19]，大興區土地面積1031km2，其中玉米種植面積25000m2，玉米種植面積占全區的比例為24%，設大興周邊地區的玉米種植面積與大興區種植情況一致。玉米秸稈單位產量為0.90kg/m2，年秸稈需要量12000t，由公式(4)可計算出原料的收集半徑為65.6km。
2.3生物質固體成型燃料加工階段
生物質固體成型燃料加工階段，采用生產率較高的環模式成型機[20]，工藝路線包括原料粉碎、細粉、輸送、除塵、成型、冷卻、包裝等工序，分為壓塊和制粒兩條，其中壓塊只進行一次粉碎即可成型，省略了細粉工序。本模型計算假設制粒和壓塊各生產5000t生物質固體成型燃料，生物質固體成型燃料加工主要消耗電力能源，制粒消耗93.375kWh/t，壓塊消耗86kWh/t，數據來源于生物質固體成型燃料廠。
單位電力投入的能源及碳排放參照文獻[21～25]，電力投入各能源比例參考中國統計年鑒。本階段包含燃料廠到生產車間轉運過程的能量，此過程運輸的平均距離設為1km，采用叉車，柴油的能量強度為38.72MJ/L，耗油量0.05L/(t·km)[17]。
2.4生物質固體成型燃料運輸階段
生物質固體成型燃料運輸一般采用四輪柴油貨車，柴油的能量強度為38.72MJ/L，耗油量為0.05L/(t·km)[17]，設運輸的平均距離為30km。
2.5生物質固體成型燃料使用階段
大興生物質固體成型燃料主要供溫室大棚使用，使用時間為2400h，采用生物質鍋爐供暖，其單位用量10.4kg/h，1萬t生物質固體成型燃料可供400個溫室大棚使用(數據來源于大興溫室大棚用戶)。生物質固體成型燃料燃燒消耗部分電能，溫室大棚鍋爐電機有效功率為20W(數據來源于北京生物質鍋爐廠家)。生物質固體成型燃料燃燒排放為零，即作物光合作用吸收的物質的量等于燃燒所排放的物質的量。
3結果與分析
3.1能量投入
3.1.1種植階段
種植階段主要產出玉米和玉米秸稈，經模型計算，該階段的總能耗為2.3867MJ/m2，玉米秸稈占玉米種植總能量的30%，即分配后玉米秸稈的能量輸入為0.7160MJ/m2。種植階段主要能量投入排在前三位，依次為氮肥、農機油耗、灌溉電力，分別占54.2%、16.9%、11.2%(見圖2)。可見合理施用氮肥對能量輸入有重要影響，可以大大減少一次能源的使用量。因此大力推廣中耕或免耕技術和節水灌溉技術可大大減少玉米種植的能量投入，以降低生產生物質固體成型燃料的能耗。
3.1.2秸稈原料運輸階段
原料的收集運輸是生物質固體成型燃料的能量成本投入的重要環節之一，原料運輸距離短可降低生物質固體成型燃料的生產成本，運輸距離短才能占據市場優勢，否則成本過高會導致生物質固體成型燃料難以推廣，因此合理選擇建廠地點非常重要。本研究原料的運輸半徑經計算為65.6km。原料從田間運輸到加工儲料場的能耗為170.7MJ/t。
3.1.3生物質固體成型燃料加工階段
生物質固體成型燃料加工階段，生產1t生物質固體成型燃料所投入的能量為328.7MJ，主要為電力消耗。因此，如何降低生產設備的能耗是控制該過程能量投入的關鍵所在。
3.1.4生物質固體成型燃料運輸階段
生物質固體成型燃料銷售主要為運輸能耗，燃料的主要利用方式為周圍溫室大棚供暖，運輸距離設為30km，能量消耗為58.1MJ/t。
3.1.5生物質固體成型燃料使用階段
生物質固體成型燃料的使用燃燒階段爐具配套電機是能量消耗的主要因素。經測算使用過程的電力消耗3.5MJ/t。
3.2能量產出
生物質固體成型燃料燃燒熱值為14600MJ/t，即產出的生物質固體成型燃料燃燒釋放的能量為14600MJ/t。
3.3凈能量及能量產出投入比
生物質固體成型燃料總能量投入1356.5MJ/t，與產出能量比較，生物質固體成型燃料的凈能量為13243.5MJ/t，能量產出投入比為10.8。可見，能源的轉化效率高，從能量角度看生物質固體成型燃料技術具有較大優勢。
整個生命周期過程中，能量投入主要是種植階段，約占58.65%；其次是生物質固體成型燃料加工階段，約占24.23%；然后是秸稈原料運輸階段，約占12.58%；燃料成品運輸階段，約占4.28%；其余是成品燃燒電力消耗階段，約占0.25%，如圖3所示。
3.4溫室氣體的排放
經計算CO2當量值為11.13g/MJ，即生物質固體成型燃料釋放溫室氣體(CO2當量)為11.13g/MJ。各階段排放的CO2當量如圖4所示，種植階段所排放的溫室氣體最多，對環境影響最大，占總溫室氣體排放的58.8%。加工電耗約占24.5%，原料運輸占12.4%，銷售運輸占4.1%，生物質固體成型燃料應用電耗占0.3%。其中種植階段N肥的溫室氣體排放占種植階段總量的56.25%，如圖5所示。N2O的排放是其主要影響因素，因此合理施用氮肥對控制溫室效應是最有效的途徑。此外，如何實現氮肥行業的節能減排和合理施用氮肥是解決能耗和排放問題的重點。
3.5與煤炭比較
煤炭整個生產過程中能量投入主要為采選過程的電耗和運輸的能量消耗。煤炭投入的能源中，石油消耗量為0.002MJ/MJ，煤碳消耗量為0.053MJ/MJ[8]。
即1t煤需投入的總能量1149.94MJ，1t煤產出能量20908MJ，凈能量為19758.06MJ/t，能量產出投入比為18.2，溫室氣體(CO2當量)排放量為100.5g/MJ[8]。
煤與生物質固體成型燃料產出1MJ能量的能量投入、凈能量及CO2排放比較如圖6所示，煤的能量投入約是生物質固體成型燃料的0.6，而溫室氣體排放量是生物質固體成型燃料排放量的9倍。隨著煤炭能源的枯竭，生物質固體成型燃料作為一種新型無污染的可再生能源，優勢將逐漸顯現。
4結論
1)基于生命周期清單分析原理，利用BSAS系統，建立評價模型，定量分析了生物質固體成型燃料從種植到燃燒整個生命周期的能源投入和溫室氣體排放。以北京市的玉米秸稈生產生物質固體成型燃料為例，對其進行能量平衡分析，凈能量為13243.5MJ/t，能量產出投入比為10.8，產出大于投入，且能源轉化效率較高；
2)生物質固體成型燃料全生命周期種植階段的耗能最大，其中氮肥、機械耗油、灌溉電力是影響該過程能源消耗的主要因素。種植階段對全球變暖潛力的影響最大，占整個生命周期指標的58.8%，其中氮肥的溫室氣體排放量占種植階段的總排放量的56.25%。如何降低氮肥用量是減少生物質固體成型燃料能耗與溫室氣體排放的最關鍵因素；
3)生物質固體成型燃料的加工階段的能耗其次，占總能耗的24.23%，排放的溫室氣體占總排放的24.5%。因此，如何降低成型過程的電耗是影響生物質固體成型燃料的能耗和溫室氣體排放的關鍵因素之二；
4)與煤相比，生物質固體成型燃料的溫室氣體排放量不到煤的1/9，能源環境效益巨大。
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