秸秆生物质发电系统的碳循环分析_图文

1、第29卷第6期20年6月太阳能学报栅A ENERl丑AE SoIBIs SINlCA v01.29.No.6蛔.瑚8秸秆生物质发电系统的碳循环分析何珍,吴创之,阴秀丽(中国科学院广州能源研究所,中国科学院可再生能源与天然气水合物重点实验室,广州510640摘要:基于已有相关研究的数据,利用简化的生命周期分析方法,对秸秆在不同生物质发电系统中,从最初生产到最终被转化利用的过程进行碳循环分析。结果表明:在生物质发电的整个生命周期过程中从大气固定了c02;该文中所涉及的3类秸秆,在各发电过程的固碳趋势一致,依次为稻秸>麦秸>玉米秸;在相同发电过程下,获得单位电量的碳排放随发电效率的提高而

2、降低,而固定单位碳量的电力产出则不断增加;同等规模下,气化发电过程产生单位电能的碳排放低于直接燃烧发电过程。关键词:秸秆;碳循环;气化发电;直接燃烧发电中图分类号:1X6文献标识码:AO引言我国是一个农业大国,各类农作物废弃物资源十分丰富,仅秸秆一项就达7亿t以上,其中玉米秸(39%、小麦秸(21%和稻秸(19%是我国的三大秸秆。它们大多被用来直接燃烧,其烟雾中含大量ISP和S02,造成严重的大气污染12。目前国内外研究生物质能主要是针对某一能量转换过程中能量效率和物质平衡的关系,把生物能循环系统分为各个相对独立的过程来研究,很少将从植物的光合作用开始到目标能源利用作为一个完整的系统来研究。本

3、研究在关键过程研究的基础上,研究了秸秆在不同生物质发电系统的碳循环过程中各子系统的碳流平衡及各子系统之间的耦合关系,从而得出不同技术手段对环境和生态造成的不同程度的影响。1研究方法一简化型生命周期评价法(Life Cycle Ass鹪sment由文献3,4可知,所谓生命周期评价(LCA是对产品从最初的原材料采掘到原材料生产、产品制造、使用以及用后处理的全过程进行跟踪和定量分析(即所谓从摇篮到坟墓与定性分析。该研究包括生物质从生长直至转化为可利用能的全过程(即涉及全部生命周期,但由于研究主要集中在碳在整个生命周期内的循环,故采用简化型姒。1.1分析目标以秸秆原料在不同的能源利用方式系统中作碳循环

4、对比分析,主要比较在各个不同利用方式的系统中及其子系统的碳排放量,最终获取它们的固碳能力大小。阳能生物质种植生长大气中的CO:生物质收集运输大气中的02生物质转化利用量输出图1生物质能源系统中的CQ循环魄.1凼谢de cycle for bi(髓a鹧唧syst咖1.2相关概念及定义1系统边界:考虑到分析是简化的,所定义边界包括了作物的生长、运输和转化利用的过程,但其中不考虑作物种植生长过程中人为的能量输入,也不考虑制造各种设备(包括运输设备、加工设备和发电设备的能量消耗,即研究重点是整个工艺中碳流的收稿日期:2006_12.20基金项目:国家高技术研究发展计划(863项目(010603;广东省

5、自然科学基金研究团队项目(030045通讯作者:阴秀丽(1968一,女,博士、研究员,主要从事生物质热化学转化方面的研究。由iII一.gi*.*.曲太阳能学报29卷输入与输出。2模块划分:作物生长模块、原料运输模块、秸秆转化利用模块。3功能单位:定义生产1kwe电的排放和资源消耗作为功能单位。1.3过程分析根据过程特点,将系统划分成为3个模块,先分别设定参数进行碳循环分析,最后汇总为一有机整体。前一模块的输出条件必须等同于后一模块的输入条件。1生长阶段作物生长模块农田生态系统的碳平衡包括输入和输出两个过程5,输入与输出的差值即为生态系统的净生产量(Net Ecosyst舢Production,

6、简称朋驴,朋一P为正表明生态系统是c02汇,为负则是C02源。EP=作物年净固碳量+农田凋落物碳量一土壤(非根呼吸在农田生态系统中,凋落物相对作物本身少得多,故忽略不计,所以农作物本身和农地土壤是它的两个主要分室,这是因为在农田未被耕种时,农田同样进行土壤呼吸6。由于无法获得典型数据,故假设土壤呼吸相对量为零。因此,在农田生态系统中,农作物生长环节实际上考虑的只是农作物本身的净碳固定量。2运输阶段原料运输模块原料在运输过程中,主要考虑的是其中所涉及数,目的是得到运输一定量生物质原料向大气所排放的碳量。这一过程的计算比较简单,从简化的角度出发,所考虑的C02排放量只是运输过程中燃料的排放。因为生

7、物质原料本身及其被转化利用的特点,其工厂一般会建在生物质可得的附近,根据模块选取运输方式,最后由相应的参数计算得到碳排放量。3利用阶段秸秆转化利用模块秸秆在被转化利用的过程中,主要依据的是不同技术的工艺流程。除了秸秆被转化利用时的碳排放,还要考虑各个设备运行时所消耗的燃料排放或者能量耗费。在总体计算时,应考虑系统稳定运行时的各种效率、原料耗量以及各个运行条件。给定了各个条件,进行计算时可以按照由前向后的顺向进行,即给定了一定秸秆量,最终可以得到多少电能,进一步可以反向推算出要获得多少电能所需的秸秆量;同时亦可由后向前逆向进行,即要得到一定量的电能需要多少秸秆量。最后,选定每个模块过程中所需的参

8、数进行计算。在3个模块过程中不变的通量是得到一定电量所需的秸秆质量,分别计算它们在各个模块过程的碳吸收或排放量,汇总即得系统的净碳收支量。2不同发电方式净碳收支量计算本文针对不同规模级别的秸秆气化发电系统和秸秆直接燃烧发电系统进行对比,各个发电过程的的运输方式、运输距离、载重量和燃料种类等各参典型参数如表1所示。表1不同生物质发电过程的典型参数7渊e l聊cal pa脚I喊啪0f衄f葫eI吐bi嘲pw即gel舢don呻在各系统中,为统一对比标准,特假定农作物产量为全国平均水平,即水稻6.75t,(hma,玉米5.25t/(hma,小麦3.75t/(hma;因实际利用的原料为稻秸、玉米秸和麦秸,

9、故按平均状况,分别取水稻产量与稻壳之比为1.0:0.2,水稻产量与稻秸的秸秆系数为1.o:O.9,小麦产量与麦秸的秸秆系数为1.0:1.1,玉米产量与玉米秸的秸秆系数为1.o:1.207I,运输全程采用柴油货运车,因秸秆的堆积密度较小,故采用载重量较小的货车为5t,油耗B为18L/100km,车载容积最小为20m3,柴油密度p取平均值0.85kg,L,柴油含碳量C1为85.55%,燃烧假设为完全燃烧。虽然各个系统在整个生命周期过程中相对于大气的C02排放不尽相同,但就其原料作物生长的过6期何珍等:秸秆生物质发电系统的碳循环分析程来说,其单位原料在生长过程中的净碳固定量是净碳固定量及运输过程的碳

10、排放量(见表2,表3。不会改变的,根据相关数据,计算可得秸秆生长过程表2秸秆生长过程的净碳固定量计算T址Ile2(瑚cula60n 0fr_etcarb伽i幻me aIld翻:pens鹤qua嘣哆fbrtlle孕owtl pIDce鹅0fs啦Lw卷刑平均生产力年均净碳固定量伸1单位原料净碳固定量,t(1蛆.h一,tC(1蚰a。/kgc际k稻秸6.0752.78457.6玉米秸6.3002.77439.7麦秸4.1251.86450.9说明:农作物废弃物年均净碳固定量的计算,是农作物年均净碳固定量乘以各部分对应的比例系数所得。表3秸秆运输过程的碳排放量计算T龇3CalcIlla妇0fnetc抵触

11、and叩r鳓qu枷ty for岫蜘s州岬卷刑堆积密度m1车载重量耗柴油量柴油碳排量秸秆运输过程碳排放量,l【gm。3/t ,Ll【Ill-1/kgCb-1,kf;C(t-kIn-1稻秸59.31.186O.180.1309O.1435玉米秸67.O 1.340O.18O.1309O.1270麦秸25.OO.500O.18O.13090.3403说明:道路曲折因子取为1.3【1¨。由于各个系统的运输半径不同,所以它们在运输环节的净碳收支量也不同,但是运输过程中单位质量单位距离的碳排放应该不会改变,这里同样根据选取的相关数据计算可得。生物质气化发电技术将是今后替代常规能源电力的主要方式之

12、一。在此,将就不同规模的气化发电系统进行分析比较,分别为1、3、6和10Mw,其中1Mw和3MW的系统是利用内燃机进行发电,6Mw的系统是在内燃机的基础上增加了余热锅炉进行联合循环发电,而10M的系统则是燃气轮机.蒸汽轮机联合循环的IGCc发电。在发达国家,目前生物质燃烧发电占可再生能源(不含水电发电的70%。例如,在美国与电网连接以木材为燃料的热点联产总装机容量已经超过了7GW,而在偏远地区也有相当数量以木材、农作物废弃物为 燃料的自备热电联产。我国生物质燃烧发电也具有了一定规模,广东和广西两省共有小型发电机组300余台,总装机容量80DM耐引。在此,将就6、25MW直接燃烧发电系统分别进行

13、碳循环分析计算。根据表1所列参数以及表2、表3的相关数据,进行计算,结果如列表4所示。3计算结果比较分析3.1不同发电过程(运输、转化碳排放比较分析在不考虑秸秆生长过程的固碳量情况下,仅仅考察运输和转化利用过程的碳排放,由图2可以看出:不同的发电技术,不同的规模级别,其获得单位电量的碳排量不同。这是因为:在同样的发电技术下,随着气化发电系统规模的不断扩张,其系统的总发电效率不断提高,单位发电量的原料耗量不断减少,则转化过程的碳排量势必不断减少;虽然规模的扩张使得运输半径不断增大,从而导致运输环节的碳排量有所增加,但其增加量远小于转化过程的减少量,故整体仍呈现降低趋势。而在同样6Mw的发电规模下

14、,气化.余热发电的效率要高于直接燃烧发电,而且气化.余热发电的碳转化率要略低于直接燃烧发电,所以最终单位发电量的碳排量前者要低于后者。值得注意的是,尽管这里选取的IGcC技术的规模仅为10Mw,但相比起25MW的直接燃烧技术,由于其效率高出很多,所以其碳排量就小得多,图2不同秸秆发电过程的碳排放对比心.2C0曲戚0f伽Ib踟lis8ion访di能rempow盱gen啪五加碑Dcess鹪708太阳能学报29卷从而体现了IGCc更能使生物质得到高效、清洁利用的特点与优势。3.2不同发电过程净碳收支量和固定单位碳量的电力产出比较分析当发电系统稳定运行时,不同技术规模的秸秆发电过程,其整个LCA中相对

15、于大气的净碳收支量也不尽相同,从图3a可以看出,不同种类的秸秆在碳,是碳汇。在所分析比较的相同技术的不同规模当中,随着发电系统规模不断增大,其整个m过程相对于大气的净碳收支量却逐步降低,反之,即固定单位碳量的电力产出逐步提高,由图3b可以看到这一变化趋势。在1Mw气化发电的规模下,固定单位碳量,用玉米秸作为原料可以发电10k矾;而在10Mw IGcc发电规模下,固定单位碳量用玉米秸秆各个级别规模的LCA发电过程都是从大气中固定作为原料,则可以发电28k矾。表4不同规模类型的秸秆发电系统净碳收支量计算Thble4C“culatjon0f Tlet carbon抽come粕d expense删ti

16、ty fbr tlle di往毛rem scales g晒缶cation sy劬舢在同等规模级别的发电过程中,稻秸、玉米秸和麦秸获得单位电量时相对大气的净碳收支量也都各不相同。如图3a所示,尽管级别不同,但它们的固碳能力大小的趋势是一致的,依次为稻秸>麦秸>玉米秸。究其原因,主要是秸秆平均生产力、作物年均净碳固定量、堆积密度和本身性质(热值、含碳量等综合因素影响的结果。就稻秸和麦秸相比来说,在生长过程中,稻秸的单位净碳固定量高于麦秸;而在运输过程中,稻秸的堆积密度大于麦秸,所以运输单位稻秸的碳排量要低于麦秸;最后在转化发电过程中,稻秸的含碳量低于麦秸,其碳排量亦低于麦秸;尽管因为麦

17、秸的热值高于稻秸,单位发电量的麦秸用量要小于稻秸,但几个环节综合影响,最终在整个过程中,获得单位电量时,稻秸从大气中固定的碳量要高于麦秸。对于麦秸和玉米秸来说,虽然在运输过程中由于麦秸的堆积密度小于玉米秸而使得运输单位麦秸的碳排量大于玉米秸,但在生长过程中,单位麦秸的净碳固定量要高于玉米秸,在转化发电过程中,麦秸的碳排量也低于玉米秸,而二者的热值大致相同,则几个环节的影响此消彼长,最终使玉米秸在整个过程中单位发电量从大气中固定碳量最少。6期何珍等:秸秆生物质发电系统的碳循环分析叮霰喜垂300200100a.净碳收支量图3不同秸秆发电过程对比F培.3cI111paIis0f di妊.er|enl

18、珥Fw既geIIeratipIDc鹅s在生产条件、运输条件和发电条件相同的情况下,相同技术下不同规模的系统发电过程,获得单位电量的净碳收支量和固定单位碳量的电力产出不尽相同。究其原因,主要是受系统总发电效率和运输半径的影响,而系统发电总发电效率的影响起主导作用。随着发电系统规模的不断扩大,系统的总发电效率也随之不断提高,获得单位电量所消耗的原料也越少,换言之,即单位原料能够发出的电量就越多。对于单位质量的原料来说,它在生长过程中的净碳固定量是定值;而在运输过程中,因为规模的扩张会使运输半径增大,从而运输单位原料的碳排量会有所增加;就气化发电过程而言,3、6、10Mw级别的单位原料的碳排量相同但

19、都稍高于lMw;那么,最终随着系统规模的扩大,单位质量原料的净碳收支量实际上是不断减少,即整个L(A过程中单位质量的原料从大气中固定的碳量也在逐步变少。这样看来,单位原料的发电量在不断提高,而单位原料的碳固定量却不断降低,二者相比可得,随着规模的扩大,固定单位碳的电力产出将不断增加。直接燃烧发电的原因分析亦同。4结论1利用生物质进行发电利用时,整个生命周期过程从大气中固定了碳即吸收了c02,将起到很好的清洁利用的目的:2不同类型的秸秆,被转化发电时相对于大气的净碳收支量也不尽相同。本文所比较的3种秸秆,其固碳能力在各过程中趋势一致,依次为:稻秸>麦秸>玉米秸;3相同发电过程,随着规

20、模的不断扩大、发电效率的不断提高,其获得单位碳量的碳排放(运输、转化环节将不断降低,单位发电量的净碳收支量也不断减少,而固定单位碳量的电力产出则不断增加;4相同发电规模下,气化发电过程产生单位电量的碳排放低于直接燃烧发电过程。而IGcC技术以其高效、清洁的特性,将成为今后生物质发电技术的主流发展方向。【参考文献】1吴创之,马隆龙,等.生物质能现代化利用技术M.北京:化学工业出版社,2003.2孙健,陈砺,王红林.纤维索原料生产燃料酒精的技术现状J.可再生能源,2003,(6:5_-9.3孙启宏,万年青,范与华.国外生命周期评价L【A研究综述J.世界标准化与质量管理,2000,(12:孔笱.4王寿兵,杨建新,胡聃.生命周期评价方法及其进展J.上海环境科学,1998,17(