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江靖宇，劉予涵，龐雨桐，陳禹昕，郭飛宏，姜小祥
（南京師范大學(xué)能源與機(jī)械工程學(xué)院，江蘇省物質(zhì)循環(huán)與污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210023）
摘要：以秸稈和煤為原料制備復(fù)合顆粒燃料，利用全生命周期評(píng)價(jià)方法，研究顆粒燃燒取暖全生命周期過程中的能源消耗和環(huán)境影響。結(jié)果表明：顆粒燃料取暖全生命周期過程中能量投入為908MJ/t，燃燒釋放熱量15490MJ/t，能量產(chǎn)出投入比為17.1，能源轉(zhuǎn)化效率較高。顆粒燃料的能量投入主要來自玉米種植，種植過程中的氮肥使用消耗較多能量。對(duì)氣候變化（GWP）和酸化（AP）貢獻(xiàn)較大的清單數(shù)據(jù)為顆粒燃料的燃燒，其中燃燒污染物排放的直接貢獻(xiàn)最大，貢獻(xiàn)率分別為53.22%和46.08%；對(duì)水資源消耗（WU）貢獻(xiàn)較大的清單數(shù)據(jù)為顆粒燃料的壓制，貢獻(xiàn)率為71.56%；對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化潛值（EP）貢獻(xiàn)較大的清單數(shù)據(jù)為顆粒燃料燃燒后的廢渣排放，貢獻(xiàn)率為43.40%。
0引言
傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，農(nóng)作物秸稈經(jīng)濟(jì)價(jià)值低、分布廣泛，導(dǎo)致秸稈利用率低、焚燒現(xiàn)象嚴(yán)重，造成了一系列環(huán)境問題[1]。除此之外，北方冬季農(nóng)村取暖往往采用散煤燃燒的形式，散煤的大量使用也加劇了各類大氣污染物的排放，造成霧霾天氣頻發(fā)[2]。2021年，國(guó)家發(fā)展改革委印發(fā)《關(guān)于“十四五”大宗固體廢棄物綜合利用的指導(dǎo)意見》，要求擴(kuò)大秸稈生物質(zhì)能的利用規(guī)模，鼓勵(lì)利用秸稈生物質(zhì)能供熱供氣供暖。可見，“秸稈代煤”勢(shì)在必行，秸稈生物質(zhì)能源的利用對(duì)污染物減排和改善大氣質(zhì)量至關(guān)重要。秸稈原料因其密度低、分布廣、不便儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)，限制了其廣泛利用。通過機(jī)械設(shè)備壓制成顆粒燃料，可提高秸稈原料熱值、增加機(jī)械強(qiáng)度，是一種較好的能源化利用形式[3]。但與煤等化石能源相比，秸稈顆粒燃料的熱值偏低，考慮到顆粒燃料熱值等因素，國(guó)內(nèi)外研究多集中于木質(zhì)型顆粒燃料，缺乏對(duì)秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物顆粒燃料的研究[4-5]。顆粒燃料替代農(nóng)村散煤燃燒爐的節(jié)能減排研究也較少[6]。
全生命周期評(píng)價(jià)（whole-life cycle assessment，LCA），考慮了生物質(zhì)顆粒燃料從原料生產(chǎn)到燃燒使用的整個(gè)生命周期過程，可全面分析其能源效率和環(huán)境影響[7]。霍麗麗等[8]分析了秸稈顆粒燃料全生命周期過程中的能源投入和溫室氣體排放，結(jié)果表明：與煤相比，秸稈顆粒燃料具有較高的能源轉(zhuǎn)化率、較少的溫室氣體排放量，能源環(huán)境效益巨大；林成先等[9]對(duì)比了顆粒燃料和煤的能源消耗、環(huán)境影響和經(jīng)濟(jì)性，指出秸稈顆粒燃料的能源消耗和環(huán)境影響較小，但生命周期成本較高；Morrison等[10]利用生命周期評(píng)價(jià)方法，研究煤和木屑的混燒，結(jié)果表明燃煤電廠中摻燒木屑可減少二氧化碳的排放。
以往的生命周期評(píng)價(jià)研究中，中國(guó)學(xué)者往往關(guān)注秸稈顆粒燃料相對(duì)于煤的能源消耗、環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)成本[11]，而國(guó)外研究則多以木質(zhì)型顆粒燃料為主，指出了混煤燃燒的可行性[10，12]，但缺乏對(duì)秸稈混煤等復(fù)合顆粒燃料的全生命周期評(píng)價(jià)研究。中國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，秸稈產(chǎn)量豐富。秸稈混煤壓制成復(fù)合顆粒燃料，一方面可彌補(bǔ)秸稈燃燒的熱值不足，一方面可降低純煤燃燒的污染物排放。基于此，本研究選取秸稈和煤為原料制備復(fù)合顆粒燃料，利用全生命周期評(píng)價(jià)方法，對(duì)復(fù)合顆粒燃料替代農(nóng)村散煤采暖進(jìn)行全生命周期過程研究，定量分析復(fù)合顆粒燃料的能源效率和環(huán)境影響，探討復(fù)合顆粒燃料替代農(nóng)村散煤采暖的可行性。
1生命周期評(píng)價(jià)方法
1.1系統(tǒng)邊界和功能單位
本研究的功能單位是1t的秸稈與煤復(fù)合成型顆粒燃料。擬在北方農(nóng)村地區(qū)進(jìn)行“就地取材、現(xiàn)場(chǎng)加工、本地使用”，區(qū)域運(yùn)輸帶來的能源消耗和環(huán)境影響較小。生命周期模型建立需確定系統(tǒng)邊界，主要研究范圍包含原料（玉米）種植、煤炭開采和收集、復(fù)合顆粒燃料壓制、復(fù)合顆粒燃料燃燒等。
系統(tǒng)的能量輸入、輸出和內(nèi)部流動(dòng)如圖1所示，能量輸入主要來源于原料玉米種植過程中種子、電力、化肥、農(nóng)藥、水等資源的投入，復(fù)合顆粒燃料壓制和燃燒時(shí)的電力和水消耗，能量輸出主要是復(fù)合顆粒燃燒釋放出的熱量。環(huán)境評(píng)價(jià)主要來源于原料種植過程能量投入所帶來的環(huán)境影響，復(fù)合顆粒燃料燃燒產(chǎn)生的污染物排放等。本研究不考慮生產(chǎn)設(shè)備、廠房、生活設(shè)施等的能量投入。當(dāng)原料質(zhì)量小于產(chǎn)品質(zhì)量的1%時(shí)，忽略該物料的上游生產(chǎn)數(shù)據(jù)。
1.2軟件與數(shù)據(jù)庫(kù)
eFootprint是一個(gè)分析生命周期評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)的在線平臺(tái)，嵌入了中國(guó)生命周期基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)（CLCD）、歐盟ELCD數(shù)據(jù)庫(kù)和瑞士Ecoinvent數(shù)據(jù)庫(kù)[13]，用于開展生命周期評(píng)價(jià)研究。本文采用eFootprint軟件系統(tǒng)，建立復(fù)合顆粒燃料全生命周期模型，計(jì)算得到LCA結(jié)果。
2評(píng)價(jià)指標(biāo)
2.1凈能量與能量產(chǎn)出投入比
系統(tǒng)中的能耗可用凈能量和能量產(chǎn)出投入比進(jìn)行分析。凈能量為復(fù)合顆粒燃燒釋放的熱能與復(fù)合顆粒消耗的總能量之差，能量產(chǎn)出投入比為復(fù)合顆粒燃燒釋放的熱能與復(fù)合顆粒消耗的總能量之比[8]。
2.2環(huán)境影響指標(biāo)
本研究采用CML2013（Centrumvoor Milieukunde Leiden）方法[14]，把復(fù)合顆粒燃料生命周期環(huán)境影響指標(biāo)分為氣候變化（GWP）、非生物資源消耗潛值（ADP）、水資源消耗（WU）、酸化（AP）、富營(yíng)養(yǎng)化潛值（EP）、可吸入無機(jī)物（RI）、臭氧層消耗（ODP）、光化學(xué)臭氧合成（POFP）等8種，環(huán)境影響指標(biāo)計(jì)算公式[14]為：
3數(shù)據(jù)來源
3.1原料種植和收集階段
原料種植主要指玉米種植，輸入能量主要有玉米種子、肥料（氮、磷、鉀）、殺蟲劑、除草劑、柴油等[8]。煤炭采取市場(chǎng)購(gòu)買的方式，煤炭上游開采清單采用CLCD數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)果。
駐馬店地區(qū)采用“冬小麥、夏玉米”的輪作方式[15]，參考《2020年河南統(tǒng)計(jì)年鑒》中駐馬店農(nóng)業(yè)種植數(shù)據(jù)，肥料來源于尿素，折合成氮、磷、鉀肥的使用量分別為143909、80470、61291t；農(nóng)用柴油消耗量為99452t；農(nóng)藥施用量為7613t（2019年）。單位耕地面積農(nóng)用資源消耗量分別為：氮肥15.93g/㎡、磷肥8.91g/㎡、鉀肥6.78g/㎡、農(nóng)藥0.80g/㎡。柴油消耗主要用于農(nóng)業(yè)機(jī)械，約為11.0mL/㎡。灌溉采用水泵灌溉[8]，總用水量為4.7億m³，單位灌溉面積用水量為0.225m³/㎡，耗電量約為0.0367kWh/㎡。
考慮到種植產(chǎn)出包括玉米谷物和玉米秸稈，采用經(jīng)濟(jì)分配原則[16]，研究生命周期過程中的能量消耗和環(huán)境影響。單位面積上玉米秸稈和谷物的產(chǎn)量比為1.2∶1，目前市場(chǎng)玉米秸稈和谷物價(jià)格分別為0.15元/kg和1.6元/kg[16]。通過計(jì)算（玉米秸稈與谷物經(jīng)濟(jì)價(jià)值之比為=1∶9），求得玉米秸稈種植階段的能耗和排放占總量的10%。
3.2復(fù)合顆粒燃料壓制階段
復(fù)合顆粒燃料壓制過程包括：1）原料烘干，選用JTSG1415型號(hào)秸稈烘干機(jī)，處理秸稈量0.8t/h，處理后水分含量小于10%，總功率為32.7kW；2）原料破碎，選用恒裕秸稈破碎機(jī)（400型），加工能力1~2t/h，電機(jī)功率2.2~3kW；3）顆粒壓制，選用恒裕秸稈顆粒機(jī)（RGKJ560），利用齒輪傳動(dòng)，帶動(dòng)傳動(dòng)軸壓輪碾壓模具內(nèi)表面完成壓制過程。顆粒產(chǎn)量1.0~1.5t/h，環(huán)模內(nèi)徑560mm，功率93.4kW。
本階段考慮區(qū)域運(yùn)輸，采取原料就地收集、附近加工的原則，運(yùn)輸距離較短（設(shè)為3km），運(yùn)輸車采用東風(fēng)輕卡，空載率50%，平均油消耗量約為0.15L/km（空載為0.13L/km，滿載為0.17L/km）。
3.3復(fù)合顆粒燃燒階段
考慮到農(nóng)村地區(qū)投資成本，復(fù)合顆粒燃燒選用分散型的生物質(zhì)顆粒取暖爐（80型），復(fù)合顆粒消耗量2~3kg/h，功率100~220W，適用供暖面積60~80㎡。復(fù)合顆粒主要由玉米秸稈和煙煤組成，秸稈來源于駐馬店種植區(qū)，煙煤產(chǎn)于安徽淮南地區(qū)[17]。相關(guān)元素分析和工業(yè)分析如表1所示，其中氧含量利用差減法獲得。顆粒完全燃燒產(chǎn)生的理論煙氣量[18]為：
除此之外，復(fù)合顆粒燃燒后的灰渣富含氮磷等物質(zhì)，可代替部分肥料還田使用，實(shí)現(xiàn)綠色循環(huán)。
基于農(nóng)作物秸稈燃燒氣態(tài)污染物排放研究[19]，玉米秸稈燃燒CO、CO2、NOX、SO2、P㎡.5平均排放因子分別為114.7、1261.5、1.28、0.44、11.7g/kg。基于煙煤燃燒氣態(tài)污染物排放研究[20]，煙煤燃燒CO、CO2、NOX、SO2、P㎡.5平均排放因子分別為64.1、2493、1.49、3.48、8.49g/kg。則復(fù)合顆粒燃料的氣態(tài)污染物理論排放因子Htotal為：
考慮到生物質(zhì)與煤混合燃燒時(shí)，對(duì)氣態(tài)污染物減排具有一定的協(xié)同作用，根據(jù)前期研究結(jié)果和相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[21]，對(duì)Htotal進(jìn)行修正：
4 LCA結(jié)果分析
4.1凈能量與能量產(chǎn)出投入分析
經(jīng)過計(jì)算，玉米種植階段的總能量投入為2.248MJ/㎡，駐馬店地區(qū)玉米產(chǎn)量為0.562kg/㎡，則單位能量為4000MJ/t，按玉米秸稈占能量總投入的10%，則玉米秸稈的單位能量投入為400MJ/t。混合顆粒燃料壓制階段，生產(chǎn)1t混合顆粒燃料需能量356.4MJ，主要是原料烘干、破碎和壓制過程中的電力消耗。因采取就地收集、附近加工的原則，顆粒燃料運(yùn)輸過程消耗能量較少，約為6.84MJ/t。顆粒燃料燃燒階段，主要是電力消耗，約為118MJ/t。
如圖2所示，煙煤的能量投入為1149.9MJ/t[8]，按煙煤與秸稈的摻混比例（1∶9），復(fù)合顆粒燃料的能量總投入為908MJ/t，燃燒釋放的熱值為15490MJ/t，能量產(chǎn)出/投入比為17.1。煤炭的總能量投入為1149.9MJ/t，燃燒釋放的熱值為20908MJ/t，能量產(chǎn)出投入比為18.2。從能量產(chǎn)出投入角度分析，煤炭?jī)?yōu)于復(fù)合顆粒燃料。
復(fù)合顆粒燃料全生命周期過程能量投入如圖3a所示，能量投入主要用于玉米種植，占比44.05%；其次是復(fù)合顆粒燃料壓制加工階段，能量消耗356.4MJ，占比36.2%；顆粒燃料燃燒過程主要是電力投入，需消耗118MJ能量，占比13.0%。對(duì)玉米種植階段的能量投入進(jìn)一步分析，如圖3b所示，主要能量消耗排在前3位的依次為氮肥、灌溉電力、農(nóng)機(jī)油耗，分別占40.6%、19.3%、18.8%。氮肥使用量對(duì)種植階段能量消耗影響巨大，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中可通過各種有機(jī)肥代替氮肥，盡可能降低氮肥使用量。除此之外，提高農(nóng)機(jī)機(jī)械水平、優(yōu)化灌溉均能在一定程度上降低玉米種植過程中的能量消耗。
4.2環(huán)境影響指標(biāo)分析
經(jīng)過LCA計(jì)算得到環(huán)境影響指標(biāo)（見表2），其中ADP、RI、ODP和POFP較小（<1），本研究不予考慮。本文僅對(duì)氣候變化（GWP）、水資源消耗（WU）、酸化（AP）、富營(yíng)養(yǎng)化潛值（EP）進(jìn)行分析。
4.2.1氣候變化（GWP）
經(jīng)計(jì)算得GWP當(dāng)量值為499.69kg，即1t復(fù)合顆粒燃燒釋放溫室氣體（CO2當(dāng)量）為499.69kg，各單元流程排放的CO2當(dāng)量如圖4所示。復(fù)合顆粒燃燒排放的溫室氣體最多，占總排放的70.41%。其中，直接燃燒貢獻(xiàn)值最大，占比53.22%，電力消耗產(chǎn)生的CO2占比17.18%。生產(chǎn)階段包括原料種植和壓制加工兩個(gè)單元流程，占溫室氣體總排放的25.02%，其中玉米秸稈和煤炭消耗產(chǎn)生的CO2所占比例較大，分別為14.81%和4.16%。燃燒廢棄階段所產(chǎn)生的灰渣代替部分肥料進(jìn)行綠色還田使用，該階段排放的溫室氣體最少，主要是運(yùn)輸過程能量消耗和還田使用所帶來的CO2排放，僅占4.57%。為降低溫室氣體排放，一方面可通過燃燒條件優(yōu)化和CO2捕集等方法，減少溫室氣體的直接貢獻(xiàn)值；一方面可通過選用耗電量低的成型設(shè)備和燃燒設(shè)備，減少耗電量進(jìn)而控制溫室氣體排放量。
4.2.2水資源消耗（WU）
經(jīng)計(jì)算得WU當(dāng)量值為1112kg，即水資源消耗潛值為1112kg。各單元流程消耗的水資源如圖5所示，其中生產(chǎn)階段所消耗的水資源最多，占全部水資源消耗量的71.56%，氮肥、磷肥生產(chǎn)需要的水資源較多，分別為38.76%和21.43%；燃燒使用階段的水資源消耗，主要來源于電力消耗過程，占比25.56%。氮肥和磷肥的使用是水資源消耗的主要影響因素，因此合理施用氮磷肥對(duì)控制水資源消耗至關(guān)重要。
4.2.3酸化（AP）
經(jīng)計(jì)算得AP當(dāng)量值為2.73kg，即酸化潛值（SO2當(dāng)量）為2.73kg。如圖6所示，復(fù)合顆粒燃燒使用階段排放的酸性污染物最多，占比達(dá)到62.76%，其中直接貢獻(xiàn)燃燒污染物排放占比最高達(dá)到46.08%，電力消耗帶來的酸性污染物占比16.53%；生產(chǎn)階段排放的酸性污染物占比32.87%，其中主要是玉米秸稈消耗占比20.91%。減少酸性污染物排放，主要可通過燃燒過程中氮硫污染物的控制，減少硫氧化物和氮氧化物的排放量。
4.2.4富營(yíng)養(yǎng)化潛值（EP）
經(jīng)計(jì)算得EP當(dāng)量值為2.44kg，即富營(yíng)養(yǎng)化潛值（PO3-4當(dāng)量）為2.44kg。如圖7所示，復(fù)合顆粒燃燒使用階段所排放的植物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)最少，僅占總排放植物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的8.15%，且大部分屬于直接燃燒排放；壓制加工階段排放的植物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)占比48.45%，其中玉米秸稈消耗占比最大，為46.16%；廢含較多氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。對(duì)于燃燒廢棄階段產(chǎn)生的灰渣，應(yīng)做好灰渣還田，使資源得到循環(huán)利用，同時(shí)注意盡量避免被雨水帶入江河中，造成水體富營(yíng)養(yǎng)化。
5結(jié)論與展望
基于全生命周期評(píng)價(jià)，本文利用eFootprint軟件定量分析了復(fù)合顆粒燃料從種植到燃燒完成整個(gè)生命周期的能量投入和環(huán)境影響。
1）對(duì)玉米秸稈和煤復(fù)合顆粒燃料進(jìn)行能量平衡分析，復(fù)合顆粒燃料能量投入908MJ/t，燃燒釋放熱值15490MJ/t，能量產(chǎn)出投入比為17.1，能源轉(zhuǎn)化效率較高。復(fù)合顆粒燃料能量投入主要用于玉米種植，占總能量的44.05%，氮肥使用量對(duì)玉米種植能量消耗影響巨大，應(yīng)盡可能地通過各種有機(jī)肥代替氮肥，從而減少化肥使用量，降低能量消耗。
2）復(fù)合顆粒生產(chǎn)階段，水資源消耗（WU）較大，消耗量占到總量的71.56%。氣候變化（GWP）和酸化（AP）主要受到復(fù)合顆粒燃燒的影響，其中直接燃燒污染物排放的貢獻(xiàn)率分別為53.22%和46.08%。富營(yíng)養(yǎng)化潛值（EP）與燃燒灰渣中氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)有關(guān)，燃燒廢棄階段植物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)排放占總量的43.40%。
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