基于LCA的生物质耦合燃煤发电系统CO2排放分析

生物质一直被认为是一种“碳中性”的能源，即生物质燃烧发电过程中向环境释放的CO2来自于生物质生长过程中从环境吸收的CO2，从全生命周期的角度考虑，生物质燃烧发电是零碳排放的。为了探究生物质发电系统的碳排放效益，本小节基于生命周期评价方法，从全生命周期的角度对生物质耦合燃煤发电的三种系统进行碳排放分析和计算，从而评估生物质耦合燃煤发电系统的碳减排效益。

本小节采用的研究方法基于国际标准系列ISO14040。本小节主要分四个步骤来对生物质耦合燃煤发电系统进行全生命周期评价：全生命周期评价范围定义、全生命周期清单分析、碳排放影响性评估、CO2排放结果分析。

8.2.3.1　全生命周期评价范围定义

如前所述，确定目标和范围是LCA方法的第一步，目标定义要清晰地说明开展此项生命周期评价的目的和原因，以及研究结果的预期应用领域。研究范围的界定要足以保证研究的广度、深度和详尽程度及与要求目标一致，使所研究对象的生命周期所有过程都落入系统的边界内。

本小节中，全生命周期分析的目标是分析和比较不同生物质耦合燃煤发电系统的CO2排放，也就是说，只需要将具有碳排放效益或者对碳排放量产生影响的过程或系统纳入计算范围，根据生命周期评价从“摇篮到坟墓”的原则，设置边界如图8-21所示，纳入计算范围的系统主要包括：生物质种植、生物质运输、生物质预处理、生物质破碎、煤炭开采、煤炭运输、煤粉的磨制、生物质的热解或气化、生物质和煤的燃烧发电。

图8-21　全生命周期评价边界

根据国内外实际工业应用情况，大型生物质耦合燃煤发电系统并没有得到大范围的应用，因此对生物质耦合燃煤发电系统CO2排放的计算是基于600 MW传统燃煤锅炉的碳排放模型进行的。传统燃煤锅炉发电系统的碳排放过程大体可分为：煤炭开采、煤炭运输、制粉、锅炉燃料燃烧、烟气脱硫。基于此，生物质直燃耦合燃煤发电系统的碳排放过程大体可分为生物质的种植和收集、生物质的运输、生物质物料预处理、生物质物料碾磨、煤炭开采、煤炭运输、制粉、锅炉燃料燃烧、烟气脱硫；生物质气化耦合燃煤发电系统的碳排放过程大体分为生物质的种植和收集、生物质的运输、生物质物料预处理、生物质气化、煤炭开采、煤炭运输、制粉、锅炉燃料燃烧、烟气脱硫；生物质热解耦合燃煤发电系统的碳排放过程大体分为生物质的种植和收集、生物质的运输、生物质物料预处理、生物质干燥、生物质热解、煤炭开采、煤炭运输、制粉、锅炉燃料燃烧系统、烟气脱硫等。

考虑到生物质耦合燃煤发电系统的复杂性，本研究做了以下方面的假设：

（1）生物质种植过程中的温室气体排放数据均来源于GaBi数据库；

（2）生物质种植和收集过程中的碳排放量和其质量成正比，计算中将玉米的粮秸比取为1∶1，稻谷和谷草的比例取为1∶1.22，谷粒和谷壳的质量比取为5∶1；

（3）种植过程主要是指植物的生长、消耗化肥、除草、收获过程，此过程的排放与消耗不计植物籽粒脱粒产生的消耗等，不计人在秸秆种植和收割过程的消耗和排放；

（4）不计生物质气化和热解等过程中设备废弃向环境中的碳排放；

（5）生物质运输的半径为50 km，煤炭运输的半径为30 km；

（6）将燃煤从矿区运输到电厂的运输工具采用火车，将生物质原料从生产地运输到电厂的运输工具均采用卡车，火车和卡车运输过程中产生的碳排放数据均来自GaBi数据库；

（7）烟气脱硫效率按0.97计算，其中烟气中SO2量由流程模拟计算所得；

（8）按照我国的实际情况，生物质耦合燃煤发电系统的各个环节所消耗的电力均按照煤电来计，煤电碳排放数据取0.9724 kg/（kW·h）。

8.2.3.2　全生命周期清单分析

如前所述，生命周期清单分析是指对一种产品、工艺过程或活动在其整个生命周期内的能量与原材料需要量以及对环境的排放进行以数据为基础的客观量化过程。

本小节主要是评估生物质耦合燃煤发电系统的CO2排放，所以只考虑与CO2排放相关的清单分析。表8-15和表8-16分别列出了煤和生物质全生命周期过程中与CO2排放相关过程的输入与输出数据，生物质耦合燃煤发电系统的部分相关数据取自中国统计年鉴，部分数据由实地调研获得，部分数据来源于相关参考文献，生物质种植和收集过程中的消耗和排放直接选取GaBi软件自带的数据库中的数据。

表8-15　煤相关碳排放清单分析

(www.xing528.com)

表8-16　生物质相关碳排放清单分析

8.2.3.3　碳排放影响性评估

1）功能单位

为了方便比较，取功能单位为生产1kW·h电能时排放的CO2，即评价和对比不同生物质耦合燃煤发电系统产出1kW·h电能时全生命周期内向环境排放的CO2。

2）影响效应评估

本例中纳入考虑的温室气体主要有N2O、CH4、CO2三种气体。由于三种气体产生的温室效应不同，所以计算过程中，分别计算各环节每种温室气体的排放量，最后将各环节每种温室气体的排放量按照相应系数进行归一化运算并加总，即可得到生物质耦合燃煤发电系统全生命周期的总CO2当量排放系数。根据各气体产生温室效应大小的不同，各温室气体的CO2当量排放系数如表8-17所示。

表8-17　各温室气体的CO2当量排放系数

8.2.3.4　CO2排放结果分析

1.燃煤锅炉发电系统CO2排放分析

图8-22所示是600 MW燃煤锅炉发电系统全生命周期CO2排放分析。经计算，该600 MW燃煤锅炉每发电1kW·h的CO2排放为1.075 kg。从图8-22中可以看出，燃煤锅炉发电系统全生命周期内锅炉燃烧部分排放的CO2占全生命周期内CO2排放总量的81.22%，占比最大。此外，由于煤炭开采过程中的能耗较大，且煤炭开采过程中煤层气向大气中排放大量的CH4，导致煤炭开采过程中的CO2排放占比也较高，其排放量为390.9 kg/t，占总排放的18.02%；烟气脱硫过程中也会排放一定量的CO2，占总排放的0.73%；由于假设煤炭运输半径为30 km，即燃煤锅炉所利用的煤炭为本地矿产的煤炭，所以煤炭运输过程中排放的CO2占比较小。

图8-22　600 MW燃煤锅炉发电系统全生命周期CO2排放分析

2.生物质耦合燃煤发电系统CO2排放分析

图8-23所示是不同混燃方式下生物质耦合燃煤发电系统全生命周期的CO2排放对比。从图8-23中可以看出，生物质种类会对系统CO2的排放产生较大影响：与传统燃煤锅炉相比，当选择混燃玉米秸秆和木屑发电时，耦合系统全生命周期内的CO2排放明显降低了；当直接混燃20%生物质时，木屑和玉米秸秆对应的CO2排放分别降低了26.2%和11.2%；相反地，当选择稻谷壳混燃发电时，耦合系统全生命周期内的CO2排放略高于传统燃煤锅炉的CO2排放；直接混燃20%稻谷壳时，系统全生命周期CO2排放比传统燃煤锅炉的升高了1.4%。经计算，煤炭开采过程中向环境中排放的CO2为390.9 kg/t，玉米秸秆和木屑在种植过程中会从环境中吸收大量的CO2，分别为912.5 kg/t和2413.7 kg/t；然而，水稻种植过程中，由于很大一部分时间都处于厌氧环境，生长过程中会向环境中排放大量CH4，即使其也会从环境中吸收CO2进行光合作用，但总体而言，稻谷壳生长全生命周期过程中会向环境中排放CO282.5 kg/t，所以稻谷壳耦合燃煤发电时的碳减排效益显著低于木屑和玉米秸秆的，综合考虑其能量密度低的特性，混燃稻谷壳发电系统全生命周期的CO2排放还会略高于单一燃煤锅炉系统，达不到减排CO2的目的。此外，从图8-23中我们还发现，耦合发电系统混燃生物质比例越高，CO2的减排效益会越明显。

图8-23　不同混燃方式下的CO2排放对比

图8-24所示是混燃比例为10%时，三种不同混燃方式下的CO2排放的对比。当耦合系统选择混燃木屑发电时，热解混燃的CO2排放量为0.85 kg/（kW·h），气化混燃的CO2排放量为0.91 kg/（kW·h），直接混燃的CO2排放量为0.93 kg/（kW·h），热解混燃的减排效益最好，其次是气化混燃，减排效益最差的是直接混燃。结合前文生物质耦合燃煤发电系统的热效率和㶲效率分析，虽然热解混燃和气化混燃会使锅炉的热效率和㶲效率有不同程度的下降，从而使燃料的消耗量增加，但是由于木屑生长过程中会从环境中吸收大量的CO2，且热解和气化产生的焦炭作为副产品被收集也具有一定的固碳效益，混燃发电过程中CO2排放量仍会低于直燃发电的。对于秸秆而言，三种混燃方式的CO2排放量基本持平，结合前文分析，热解混燃和气化混燃的锅炉效率低于直接混燃的，相应的燃料消耗量也有所增加，但是由于生物质热解和气化过程中产生的焦炭作为副产品被收集，具有一定的固碳效益，所以其发电碳排放并没有明显的增加。对于稻谷壳，热解混燃、气化混燃、直接混燃排放的CO2分别为1.17 kg/（kW·h）、1.11 kg/（kW·h）、1.08 kg/（kW·h），热解混燃和气化混燃的CO2排放量明显高于直接混燃CO2排放量，这是由于热解混燃和气化混燃时锅炉效率远低于直接混燃的，燃料消耗量较大，燃料燃烧部分的CO2排放量明显增大。

图8-24　不同混燃方式下的CO2排放对比（混燃比例为10%）