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吳媛媛，常旭寧，張佳維
（北京市燃氣集團研究院，北京100000）
摘要：為對比特大型沼氣工程沼氣資源化不同方式所帶來的環境影響差異，文章運用生命周期評價方法（Life cycle assessment，LCA），對特大型秸稈沼氣發電工程（日均發電量4萬kWh）及生物天然氣工程（日產氣量1.2萬方）進行環境影響評價并比較兩者的環境影響及敏感性因素分析。其中包括邊界劃分?清單分析?各生產階段的能耗?環境排放計算。根據計算結果顯示，沼氣發電時，對環境排放影響最大的是秸稈沼氣發酵階段，最敏感因素為單位干物質產氣率（mL·g-1TS）；制備生物天然氣時以上兩個指標分別為：沼氣的提純過程和沼氣提純技術的選擇。從進行能源替代減少環境排放影響的角度來看，生物燃氣替代民用散煤要優于沼氣發電替代燃煤發電。
由于面臨著天然氣嚴重依賴進口的現實，我國政府計劃大力促進生物天然氣行業的發展，將其納入國家能源系統。據測算，全國每年產生農作物秸稈10.4億噸，可收集資源量約9億噸，尚有1.8億噸的秸稈未得到有效利用[1]。直接焚燒或簡單處理還田等粗放處理手段直接造成了嚴重的環境污染問題與資源浪費。秸稈通過厭氧發酵產生沼氣，可以直燃發電，也可以進一步提純制備生物天然氣，是在技術上相對成熟的秸稈能源利用方式。然而，在秸稈能源化利用的過程中，原料的收儲運?發酵?凈化以及沼氣利用等過程都會直接或者間接排放污染物，對環境產生一定的影響。
因此，文章以玉米秸稈作為原料，對秸稈沼氣發電和制備生物天然氣兩種能源化利用方式進行生命周期環境評價以及敏感因素分析，為工藝技術路線的選擇提供參考。
1工程規模及工藝
1.1工程規模
從國家能源局發布的政策來看，大型沼氣工程和生物天然氣工程是未來中國沼氣工程建設的主流趨勢。故本研究設定沼氣工程的產沼氣規模為日產2萬m3。用于沼氣直燃發電，日發電量約4萬kWh，用于提純后制備生物天然氣，可產氣量約1.2萬m3。
1.2工藝技術及參數工藝
沼氣工程采用較成熟的全混濕式發酵工藝，發酵溫度為中溫37℃。玉米秸稈由種植區收集運輸至進料池，經過揉搓機將成型秸稈破碎為細小顆粒進行預處理，發酵結束時將沼液進行固液分離，分離后的清液部分回流稀釋進料，故默認此工程無沼液排放。由于秸稈在運輸和預處理過程中會存在物料的損失，在此以110%比例對秸稈消耗量進行估計，故工程每天消耗秸稈干物質量為63t，每年所需干秸稈2.3萬t。發酵所產沼氣經過脫硫除雜后進入沼氣發電機或經過提純后進入儲氣罐或者入管網。由于壓力水洗法廣泛應用于實際工程，而且能耗較低?可靠性較好，本沼氣工程提純工藝選用大型項目常用的壓力水洗方式，將平均甲烷含量為60%的沼氣提純制到符合天然氣二類氣和生物天然氣二類氣的標準，甲烷含量大于等于95%。在沼氣發電情境下，沼氣發電機余熱用于加熱發酵罐以維持中溫發酵；在沼氣提純制備生物天然氣情境下，直接燃燒沼氣產生熱量加熱發酵罐體。
玉米秸稈進料總固體濃度（TS）為10%，水力停留時間（HRT）為60天。秸稈單位干物質沼氣產率為350m3·t-1TS[2]，設定秸稈的干物質去除率為35%，經計算每天產生絕干沼渣量為41t，每年產生沼渣量1.5萬t。工藝流程如圖1所示。
2目標與范圍定義
生命周期評價方法在目標與范圍定義過程中要確定研究的目的?范圍及定義相應的功能單元，即確定需要計入本沼氣工程環境評價系統的參數。根據沼氣工程各工藝流程的特點，劃定生命周期起始邊界為玉米秸稈由種植區收集至沼氣工程，終止邊界為固液分離后，沼渣還田，系統邊界內的能量流動說明如下：
（1）秸稈是農作物種植過程中所產生的副產品，作物生長過程中的能耗以及環境排放不計入系統。
（2）秸稈發酵沼氣提純制備生物天然氣主要目的是替代傳統燃煤；沼氣發電工程主要是替代傳統燃煤火力發電，所以在此將替代標準煤過程中產生的排放也計入在內，替代排放值為負值。
（3）在沼氣脫硫過程中，需要使用到純堿作為脫硫劑，而純堿制造業屬于高能耗產業，故在此將純堿生產過程中所產生的環境排放計入系統內部。
（4）廠房基建所需材料種類多，不同工程建設建材差異性較大，建設階段所產生的排放占系統整體排放比重高，對于最終評價結果影響的不確定性較大，不將其計入系統。
綜上所述，具體邊界劃分見圖2和圖3。
3清單分析
3.1秸稈原料運輸階段
3.2秸稈預處理階段
預處理階段需要3臺揉搓機將秸稈進行粉碎，將揉搓機多消耗的電量計入總電力耗能。按每臺電機功率6kW，生產效率1600kg·h-1，設備全年運行計算得到3臺設備全年的耗電量為8.63×104kWh。
3.3秸稈沼氣發酵階段
3.3.1秸稈進料
根據進料總量可計算得到，功率為7.5kW的進料泵每天運行有效工時為12h，計算得到進料泵年總耗電量為6.57×104kWh。
3.3.2發酵罐攪拌
設定每個發酵罐設計容積為5000m3，半徑8m，高25m。單層攪拌?不通氣條件下攪拌機的功率計算式如下：
3.3.3發酵出料脫水
發酵結束后需用固液分離機將出料沉淀中的水分脫除得到絕干沼渣，工程年產干沼渣約1.5×104t，選用功率為4kW，處理量為12m3·h-1的機器，年耗電總量為5.0×103kWh。
3.3.4發酵罐加熱能耗計算
當沼氣用于發電時，其產生的余熱可以用于對發酵罐進行加熱，此階段沒有外部能源消耗所產生的排放。當沼氣提純制備生物天然氣時，需要利用沼氣鍋爐燃燒產生熱量對發酵罐進行加熱，以中溫發酵（38℃）作為條件，參照劉建禹[7]等報道中沼氣工程發酵罐加熱保溫過程中所需用的能耗計算方法，設定發酵液比熱容近似等于純水的比熱容4.2×103J·kg-1℃，根據沼氣工程的年進料量與平均所需加熱溫度，室外計算溫度參照河北省全年各月平均溫度[8]計算得到4個發酵罐體每日保溫沼氣消耗量為1.95×103m3，全年消耗沼氣7.21×105m3。
3.3.5沼渣運輸
在沼渣運輸階段，耗能主要來自于沼渣運輸過程所消耗的柴油量。經計算沼氣工程所每年產生的沼渣的量為1.5×104t，設定脫水后沼渣含水量為20%，則濕沼渣總量為1.8×104t。設定沼渣處理方式為直接還田，運輸半徑為10km，貨車往復運輸距離為20km，故每年運輸沼液沼渣過程中的柴油消耗量為：
3.3.6沼渣堆放暫存
在沼渣尚未被處理時，一般會暫時堆放在廠區內，廠區內的轉運機械以及卡車的耗油量以及沼渣堆放時所逸出氣體如CH4，NH3，N2O計入系統。設定卡車單次的轉運距離為200m，單次裝載量為5t，耗油量為0.08L·t-1km-1，轉運機械的單次作業行動距離為20m，額定載重量為4t，每小時工作量為50t，耗油量為15L·h-1，經計算裝載機總耗油量為4500L·a-1，卡車的總耗油量為240L·a-1。根據衣瑞建[9]等的研究報道，CH4的排放量一般為最大生產量的0.1%~8.5%，在此選取1%。NH3與N2O的排放量分別是沼渣沼液中氨氮含量的13.6%和0.1%。玉米秸稈發酵后沼渣沼液中氨氮的量約為0.20kg·t-1。綜上，本研究中沼渣沼液堆放以及生產過程中共逸出CH4約為7.3×104m3；沼液沼渣堆放過程中NH3產生量約為0.41t；N2O產生量為0.003t。
3.4沼氣脫硫除雜發電階段
脫硫除雜時主要的耗能設備為脫硫塔風機。當處理速率為1200m3·h-1時，脫硫塔風機選用功率為6kW，根據日產沼氣2×104m3的前提條件，設定脫硫設備運轉凈工時為8h·d-1，故脫硫設備的耗電量為3.5×104kWh·a-1。脫硫工藝中使用的脫硫劑為純堿，按每噸輕質純堿綜合能耗為360kg標準煤[10]，根據此標準，本研究中生產純堿耗能折合電力后為2.56×105kWh。沼氣脫硫除雜后直接加壓進入發電機發電，在此選用SWR-175羅茨鼓風機進行沼氣增壓，選用顏巴赫-4系列沼氣發電機，發電產能及羅茨風機的具體工作參數如表1和表2。經計算，全年沼氣增壓機共耗電1.24×105kWh。
3.5沼氣制備生物天然氣提純凈化階段
選用壓力水洗法進行提純，耗電量為0.25kWh·m-3[11]，年耗電量為1.8×106kWh·a-1。去除罐體保溫加熱所耗沼氣之外，工程的沼氣產量為6.58×106m3·a-1，提純后全年可生產生物天然氣3.95×106m3·a-1。通過表3與表4的對比，可以看出秸稈發酵制生物天然氣過程中由于需要額外的能耗用于發酵罐的保溫和提純，使得秸稈發酵制生物天然氣的總能耗大于秸稈發酵沼氣發電。
4環境排放計算及分析
4.1各階段環境排放量
最終的污染物總排放是根據不同能源消耗量和其排放系數而計算得出的，具體見公式（5）。主要的能源包括電力?柴油?沼氣。發電和提純制生物天然氣各階段能耗量分別見表5和表6所示。
M=q×a（5）
式中：M為污染物排放總量，t；q為不同能源消耗量，kWh，MJ，m3，kg；a為不同能源燃燒后的排放系數，g·kWh-1，g·MJ-1，g·m-3，g·kg-1。各種能量來源在產生的過程中直接或者間接產生環境排放的排放系數見表5所示。
根據秸稈發酵沼氣能源化過程能耗結果以及表5中各能源污染物排放系數計算得到，秸稈沼氣發電環境排放如表6所示，秸稈沼氣提純生物天然氣環境排放如表7所示。
4.2特征化計算
特征化計算的目的是將每種環境影響種類中的不同物質以同一參數轉化為統一的單元便于后續的加權計算。本文中主要考慮全球變暖潛力（GWP）?環境酸化潛力（AP）?光化學煙霧（PS）?顆粒物（Particle）?富營養化（EP）和人體毒性（HTP）。特征化計算以排放氣體與其相應的相關因子相乘計算得到[14]。全球變暖以CO2為參照物，N2O，CH4，和NOx的當量因子分別為290，21，310；環境酸化潛力以SO2為參照物，NOx，NH3的當量因子分別為0.7，1.89；光化學煙霧以乙烯作為參照物，CO，CH4，VOC的當量因子分別為0.03，0.007，0.416；顆粒物以PM10作為參照物；富營養化以NO-3作為參照物，NOx的當量因子為1.35；人體毒性潛力以CO，SOx，NOx作為衡量[15]。
4.3標準化及加權
將特征化計算后得到的影響潛值進行標準化和加權賦值計算。本研究主要采用中國1990年的環境影響負荷作為加權計算的基準值，環境影響標準化潛值計算如公式（6）[16]：
NEP（M）=EP（M）/ER（M）（6）
式中：NEP（M）為第M種環境影響潛值標準化后的值；EP（M）為系統中第M種環境影響潛值；ER（M）為第M種環境影響潛值加權計算基準值。秸桿沼氣發電的環境排放影響潛值如表8所示，秸稈沼氣提純制生物天然氣的環境排放影響潛值見表9所示。可見，秸稈沼氣發電代替燃煤發電對環境的影響大于秸桿沼氣提純制生物天然氣替代民用散煤。
4.4環境排放影響因素的敏感性
對秸稈制沼氣發電和沼氣提純制備生物天然氣兩種情景下的敏感性進行分析，改變各工藝階段數據進行生命周期環境排放潛值計算，結果如表10和表11所示。
可以看出，沼氣發電過程中單位干物質沼氣產率是最敏感因素，要通過工藝過程改進和過程控制，提高產氣率；沼氣提純生物天然氣過程，沼氣提純技術工藝的選擇最敏感的因素，需要根據場地?規模?經濟?運行要求等條件盡量選擇能耗較低的提純工藝，進而減少對環境的影響。
5結語
（1）根據兩種秸稈處理方式所計算得到的環境影響值的對比發現，沼氣提純生物天然氣替代民用散煤相較于沼氣代替燃煤火力發電對環境的影響更小。說明從環境排放的角度，畜禽糞污?秸稈等發酵制生物天然氣更適合通過管網供給周圍居民替代散煤。
（2）對于沼氣發電過程，其中對環境排放影響最大的單元是秸稈發酵階段。
（3）對于沼氣提純制備生物天然氣過程，對環境排放影響最大的單元是沼氣的提純過程。
（4）通過敏感性計算發現，對于沼氣發電過程，單位干物質沼氣產率是最敏感因素；對于沼氣提純生物天然氣過程，最敏感因素為沼氣提純技術工藝的選擇。
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