0、引 言
目前，我國(guó)大力推廣發(fā)展可再生能源，生物質(zhì)固體成型燃料作為其中的一部分，其生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)出的有效能與其能源消耗相比具有多大優(yōu)勢(shì)亟需進(jìn)行系統(tǒng)的評(píng)價(jià)。生物質(zhì)能的生命周期評(píng)價(jià)研究主要針對(duì)生物質(zhì)液體燃料。在對(duì)生物質(zhì)固體成型燃料的能量平衡研究方面，朱金陵等，指出生物質(zhì)固體成型燃料加工階段的能耗最高，該燃料大大降低了C02的排放，但研究模型中假設(shè)玉米種植階段C02是永久循環(huán)的，忽略了此過(guò)程的機(jī)械、電力、油等消耗的一次能源和相應(yīng)的溫室氣體排放，因此對(duì)凈能值和能量產(chǎn)出投入比估值過(guò)高；林成先等對(duì)煤和秸稈成型燃料生命周期進(jìn)行對(duì)比，研究假設(shè)煤與秸稈成型燃料的運(yùn)輸距離均為400km，得出秸稈成型燃料對(duì)環(huán)境的影響負(fù)荷比煤小79.8%，成型燃料的能量產(chǎn)出投入比低且生命周期成本比煤高，但生物質(zhì)固體燃料建廠可選擇地點(diǎn)，不受地質(zhì)因素限制，該研究對(duì)秸稈成型燃料的運(yùn)輸距離估值過(guò)高，導(dǎo)致秸稈成型燃料的能量和環(huán)境效益低，并且該研究也忽略了種植階段及原料運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程。因此，應(yīng)合理選擇生物質(zhì)固體燃料的生命周期分析邊界，從而正確評(píng)價(jià)生物質(zhì)固體成型燃料能耗與排放，對(duì)該技術(shù)的推廣和發(fā)展具有重要意義，富通新能源專業(yè)生產(chǎn)銷售
木屑顆粒機(jī)、
秸稈顆粒機(jī)等生物質(zhì)燃料成型機(jī)械設(shè)備。
本文采用全生命周期評(píng)價(jià)分析( LCI)原理，利用已有評(píng)價(jià)系統(tǒng)，建立玉米秸稈類生物質(zhì)固體成型燃料的分析模型，針對(duì)北京地區(qū)玉米種植、生物質(zhì)固體成型燃料技術(shù)及能源使用狀況，定量評(píng)價(jià)玉米秸稈轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)固體成型燃料的能量平衡關(guān)系及溫室氣體的排放量，從而為正確評(píng)價(jià)我國(guó)生物質(zhì)固體成型燃料的能源可持續(xù)性提供參考依據(jù)。
1、生物質(zhì)固體成型燃料全生命周期系統(tǒng)
1.1模型的建立
可持續(xù)評(píng)價(jià)系統(tǒng)是利用線性規(guī)劃法和電子數(shù)據(jù)表工具(SPREADSHEET)進(jìn)行數(shù)學(xué)優(yōu)化。本研究為生物質(zhì)固體成型燃料，包括農(nóng)業(yè)種植、生物燃料工業(yè)轉(zhuǎn)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(zhì)固體成型燃料的生命周期評(píng)價(jià)系統(tǒng)。
生物質(zhì)固體成型燃料生命周期系統(tǒng)是由化石能和太陽(yáng)能共同驅(qū)動(dòng)的生物能源系統(tǒng)，其能量的輸入、輸出及內(nèi)部流動(dòng)如圖1。研究功能單元為年產(chǎn)1萬(wàn)t的生物質(zhì)固體成型燃料。研究范圍從玉米種植階段到生物質(zhì)固體成型燃料應(yīng)用階段的全生命周期。系統(tǒng)分為玉米種植階段、秸稈從田間到燃料廠運(yùn)輸階段、生物質(zhì)固體燃料加工成型階段、生物質(zhì)固體成型燃料的運(yùn)輸及生物質(zhì)固體成型燃料的應(yīng)用5個(gè)階段。該系統(tǒng)的輸入能量包括玉米種植所投入的能源（包括種子、機(jī)械、肥料、農(nóng)藥、電力及燃料等）、生物質(zhì)固體成型燃料轉(zhuǎn)化階段消耗的電力及各種運(yùn)輸?shù)挠秃募吧镔|(zhì)固體成型燃料應(yīng)用的電耗。研究5個(gè)階段的直接能源（煤、石油、電力等）和間接能源（化肥、農(nóng)藥等）的開采與生產(chǎn)相關(guān)的能量投入和溫室氣體排放。該周期系統(tǒng)分析假設(shè)玉米生長(zhǎng)過(guò)程吸收的碳與生命結(jié)束排放的碳是可循環(huán)的。本研究忽略生物質(zhì)固體成型燃料廠廠房、設(shè)備建設(shè)的耗能、人工以及燃燒后的灰渣回田的能量。
1.2評(píng)價(jià)指標(biāo)
1.2.1凈能量與能量產(chǎn)出投入比
研究輸入的能源與輸出的生物質(zhì)能之間的關(guān)系，可以用凈能量或能量產(chǎn)出投入比來(lái)表示。凈能量為生物質(zhì)固體成型燃料燃燒釋放的熱能與生產(chǎn)生物質(zhì)固體成型燃料消耗的總能量之差。能量產(chǎn)出投入比為生物質(zhì)固體成型燃料燃燒釋放的熱能與生產(chǎn)生物質(zhì)固體成型燃料消耗的總能量之比：
2、數(shù)據(jù)來(lái)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(nóng)機(jī)（柴油）、電力（灌溉）。各地區(qū)典型種子和化肥用量投入見表1。
由表1可見，不同地區(qū)的用量存在差異。本研究采用北京郊區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。該地區(qū)主要為“冬小麥．夏玉米”輪作方式。夏玉米生育期短、生長(zhǎng)發(fā)育快、需肥多，尤其是對(duì)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P205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。農(nóng)機(jī)包括播種機(jī)、收割機(jī)、脫粒機(jī)及打捆機(jī)，均使用柴油動(dòng)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(wàn)m2，灌溉用水均為地下水，用水量約1300萬(wàn)m3，水泵采用TOP40-4型，電機(jī)功率6.3kW，效率為40m3/h，則用電量約為0.0225kWh/m2。
該階段主要產(chǎn)出玉米和玉米秸稈，產(chǎn)量數(shù)據(jù)來(lái)源于北京市大興區(qū)農(nóng)戶，按照每平方米產(chǎn)0.75kg玉米，單位能量為44.3MJ/kg，9000kg玉米秸稈，單位能量為14.6mj/kg計(jì)算。本文主要考慮玉米秸稈的利用產(chǎn)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(wàn)平方米產(chǎn)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(yùn)輸階段
秸稈到燃料廠的運(yùn)輸階段，玉米秸稈加工的損耗率約16.67%，即1萬(wàn)t生物質(zhì)固體成型燃料需要12萬(wàn)t秸稈。秸稈收集方式采用農(nóng)民分散送廠和加工廠直接收集兩種，秸稈運(yùn)輸主要用農(nóng)用柴油車，柴油的能量強(qiáng)度為38.72MJ/L，耗油量0056L/(t·km)。運(yùn)輸距離采用收集半徑模型計(jì)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
我國(guó)年秸稈用于能源和廢棄總量占總秸稈量的43%，大興區(qū)土地面積l031km2，其中玉米種植面積25000m2，玉米種植面積占全區(qū)的比例為24%，設(shè)大興周邊地區(qū)的玉米種植面積與大興區(qū)種植情況一致。玉米秸稈單位產(chǎn)量為0. 90kg/m2，年秸稈需要量12000t，由公式(4)可計(jì)算出原料的收集半徑為65.6km。
2.3生物質(zhì)固體成型燃料加工階段
生物質(zhì)固體成型燃料加工階段，采用生產(chǎn)率較高的環(huán)模式成型機(jī)，工藝路線包括原料粉碎、細(xì)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(jìn)行一次粉碎即可成型，省略了細(xì)粉工序。本模型計(jì)算假設(shè)制粒和壓塊各生產(chǎn)5000t生物質(zhì)固體成型燃料，生物質(zhì)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(shù)據(jù)來(lái)源于生物質(zhì)固體成型燃料廠。單位電力投入的能源及碳排放參照文獻(xiàn)，電力投入各能源比例參考中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒。本階段包含燃料廠到生產(chǎn)車間轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程的能量，此過(guò)程運(yùn)輸?shù)钠骄嚯x設(shè)為lkm，采用叉車，柴油的能量強(qiáng)度為38.72MJ/L，耗油量0.05L(t·km)。
2.4生物質(zhì)固體成型燃料運(yùn)輸階段
生物質(zhì)固體成型燃料運(yùn)輸一般采用四輪柴油貨車，柴油的能量強(qiáng)度為38.72MJ/L，耗油量為0. 05L/(t．km)，設(shè)運(yùn)輸?shù)钠骄嚯x為30km。
2.5生物質(zhì)固體成型燃料使用階段
大興生物質(zhì)固體成型燃料主要供溫室大棚使用，使用時(shí)間為2400h，采用生物質(zhì)鍋爐供暖，其單位用量10. 4kg/h，1萬(wàn)t生物質(zhì)固體成型燃料可供400個(gè)溫室大棚使用（數(shù)據(jù)來(lái)源于大興溫室大棚用戶）。生物質(zhì)固體成型燃料燃燒消耗部分電能，溫室大棚鍋爐電機(jī)有效功率為20W（數(shù)據(jù)來(lái)源于北京生物質(zhì)鍋爐廠家）。生物質(zhì)固體成型燃料燃燒排放為零，即作物光合作用吸收的物質(zhì)的量等于燃燒所排放的物質(zhì)的量。
3、結(jié)果與分析
3.1能量投入
3.1.1種植階段
種植階段主要產(chǎn)出玉米和玉米秸稈，經(jīng)模型計(jì)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(nóng)機(jī)油耗、灌溉電力，分別占54.2%、16.g%、11.2%。可見合理施用氮肥對(duì)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(shù)和節(jié)水灌溉技術(shù)可大大減少玉米種植的能量投入，以降低生產(chǎn)生物質(zhì)固體成型燃料的能耗。
3.1.2秸稈原料運(yùn)輸階段
原料的收集運(yùn)輸是生物質(zhì)固體成型燃料的能量成本投入的重要環(huán)節(jié)之一，原料運(yùn)輸距離短可降低生物質(zhì)固體成型燃料的生產(chǎn)成本，運(yùn)輸距離短才能占據(jù)市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，否則成本過(guò)高會(huì)導(dǎo)致生物質(zhì)固體成型燃料難以推廣，因此合理選擇建廠地點(diǎn)非常重要。本研究原料的運(yùn)輸半徑經(jīng)計(jì)算為65. 6km。原料從田間運(yùn)輸?shù)郊庸?chǔ)料場(chǎng)的能耗為170.7MJ/t。
3.1.3生物質(zhì)固體成型燃料加工階段
生物質(zhì)固體成型燃料加工階段，生產(chǎn)1t生物質(zhì)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(chǎn)設(shè)備的能耗是控制該過(guò)程能量投入的關(guān)鍵所在。
3.1.4生物質(zhì)固體成型燃料運(yùn)輸階段
生物質(zhì)固體成型燃料銷售主要為運(yùn)輸能耗，燃料的主要利用方式為周圍溫室大棚供暖，運(yùn)輸距離設(shè)為30km，能量消耗為58.1MJ/t。
3.1.5生物質(zhì)固體成型燃料使用階段
生物質(zhì)固體成型燃料的使用燃燒階段爐具配套電機(jī)是能量消耗的主要因素。經(jīng)測(cè)算使用過(guò)程的電力消耗3. 5MJ/t。
3.2能量產(chǎn)出
生物質(zhì)固體成型燃料燃燒熱值為14600Mj/t，即產(chǎn)出的生物質(zhì)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(chǎn)出投入比
生物質(zhì)固體成型燃料總能量投入1356.5Mj/t，與產(chǎn)出能量比較，生物質(zhì)固體成型燃料的凈能量為13243.5MJ/t，能量產(chǎn)出投入比為10.8。可見，能源的轉(zhuǎn)化效率高，從能量角度看生物質(zhì)固體成型燃料技術(shù)具有較大優(yōu)勢(shì)。
整個(gè)生命周期過(guò)程中，能量投入主要是種植階段，約占58.65%；其次是生物質(zhì)固體成型燃料加工階段，約占24.23%：然后是秸稈原料運(yùn)輸階段，約占12.58%；燃料成品運(yùn)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(jīng)計(jì)算C02當(dāng)量值為11.13g/MJ，即生物質(zhì)固體成型燃料釋放溫室氣體（CO2當(dāng)量）為11. 13g/MJ。各階段排放的C0：當(dāng)量如圖4所示，種植階段所排放的溫室氣體最多，對(duì)環(huán)境影響最大，占總溫室氣體排放的58. 8010。加工電耗約占24. 5%，原料運(yùn)輸占12. 4%，銷售運(yùn)輸占4.1%，生物質(zhì)固體成型燃料應(yīng)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。N20的排放是其主要影響因素，因此合理施用氮肥對(duì)控制溫室效應(yīng)是最有效的途徑。此外，如何實(shí)現(xiàn)氮肥行業(yè)的節(jié)能減排和合理施用氮肥是解決能耗和排放問(wèn)題的重點(diǎn)。
3.5與煤炭比較
煤炭整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中能量投入主要為采選過(guò)程的電耗和運(yùn)輸?shù)哪芰肯摹Ｃ禾客度氲哪茉粗校拖牧繛?.002MVMJ，煤碳消耗量為0.053MVMJ。即1t煤需投入的總能量1149.94MJ，1t煤產(chǎn)出能量20908MJ，凈能量19758.06Mj/t，能量產(chǎn)出投入比為18.2，溫室氣體（C02當(dāng)量）排放量為100.5g/MJ。煤與生物質(zhì)固體成型燃料產(chǎn)出1MJ能量的能量投入、凈能量及C02排放比較如圖6所示，煤的能量投入約是生物質(zhì)固體成型燃料的0.6，而溫室氣體排放量是生物質(zhì)固體成型燃料排放量的9倍。隨著煤炭能源的枯竭，生物質(zhì)固體成型燃料作為一種新型無(wú)污染的可再生能源，優(yōu)勢(shì)將逐漸顯現(xiàn)。
4、結(jié)論
1)基于生命周期清單分析原理，利用BSAS系統(tǒng)，建立評(píng)價(jià)模型，定量分析了生物質(zhì)固體成型燃料從種植到燃燒整個(gè)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(chǎn)生物質(zhì)固體成型燃料為例，對(duì)其進(jìn)行能量平衡分析，凈能量為13243.5MJ/t，能量產(chǎn)出投入比為10.8，產(chǎn)出大于投入，且能源轉(zhuǎn)化效率較高；
2)生物質(zhì)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(jī)械耗油、灌溉電力是影響該過(guò)程能源消耗的主要因素。種植階段對(duì)全球變暖潛力的影響最大，占整個(gè)生命周期指標(biāo)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(zhì)固體成型燃料能耗與溫室氣體排放的最關(guān)鍵因素；
3)生物質(zhì)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(guò)程的電耗是影響生物質(zhì)固體成型燃料的能耗和溫室氣體排放的關(guān)鍵因素之二；
4)與煤相比，生物質(zhì)固體成型燃料的溫室氣體排放量不到煤的1/9，能源環(huán)境效益巨大，富通新能源生產(chǎn)銷售的木屑顆粒機(jī)、秸稈壓塊機(jī)是客戶們壓制生物質(zhì)固體顆粒燃料不錯(cuò)的選擇。
